Основные сведения о средствах измерений

Средства радиоизмерений. Меры

Средства измерений – технические средства, используемые при измерениях и имеющие нормированные метрологические характеристики.

Метрологические характеристики – такие свойства средств измерений, которые позволяют судить об их пригодности для измерений определённой физической величины в заданном диапазоне её значений и с заданной точностью.

Принципиальное отличие средств измерений от других технических средств, используемых при измерениях, состоит в том, что погрешность, с которой они выполняют свои функции, лимитирована.

По характеру участия в процессе измерения все средства измерений можно разделить на пять групп:

1. меры;
2. измерительные преобразователи;
3. измерительные приборы;
4. измерительные установки;
5. измерительные системы (информационно-измерительные системы).

Мера – средство измерений, предназначенное для воспроизведения физической величины данного размера.

Например: образцовая катушка сопротивления, гиря, нормальный элемент.

Рис. 5.1. Примеры мер

Меры делятся на:

• однозначные;
• многозначные;
• наборы мер.

Однозначные меры воспроизводят либо единицы измерения, либо их кратные или дольные значения.

Из однозначных мер образуются наборы и магазины, различные комбинации которых позволяют получить необходимые кратные или дольные значения единиц измерений в заданных пределах.

Если каждая мера из совокупности используется отдельно и независимо от других, то такие меры образуют набор мер (например, набор гирь, набор концевых мер длины и т.д.).

Если все меры из данной совокупности соединены конструктивно в одно целое так, что каждая в отдельности использоваться не может, то они образуют магазины мер (например, магазины электрических сопротивлений, индуктивностей, емкостей и т.д.).

Многозначные меры или меры с переменным значением воспроизводят любые кратные или дольные значения единицы измерения в определённом диапазоне (например, измерительный конденсатор переменной ёмкости, проволочный реохорд и т.д.).

Меры подразделяют на рабочие и образцовые.

Измерительный преобразователь (ИП) – средство измерений, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и/или хранения, но не поддающейся непосредственному восприятию наблюдателем.

Измерительный преобразователь не позволяет непосредственно получить результат измерений, а осуществляет преобразование одной физической величины (входной) в другую (выходную).

Измерительные преобразователи являются основой для построения более сложных средств измерений: измерительных приборов, измерительных установок, измерительных систем.

Сложные средства измерений обычно включают в себя целый ряд взаимосвязанных измерительных преобразователей, обеспечивающих получение численного результата измерений.

Измерительные преобразователи 1-4 образуют измерительную цепь.

В зависимости от положения преобразователя в измерительной цепи различают первичные и промежуточные измерительные преобразователи.

К первичному измерительному преобразователю (ПП, ПИП) подводится измеряемая величина.

При измерениях неэлектрических величин ПИП иногда называют датчиком, хотя под датчиком в общем случае следует понимать конструктивную совокупность ряда измерительных преобразователей, размещаемых непосредственно у объекта исследований.

Измерительные преобразователи отличаются большим разнообразием.

Измерительный прибор – это средство измерений, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем.

В отличие от измерительного преобразователя, измерительный прибор всегда имеет устройство, позволяющее человеку воспринимать информацию о числовом значении измеряемой величины.

• По физическим явлениям, положенным в основу работы, измерительные приборы можно разделить на электроизмерительные (электромеханические, электротепловые, электрохимические и др.) и электронные.
• По назначению их подразделяют на приборы для измерения электрических и неэлектрических (магнитных, тепловых, химических и др.) физических величин.
• По способу представления результатов их делят на показывающие и регистрирующие.
• По методу преобразования измеряемой величины – на приборы непосредственной оценки (прямого преобразования) и приборы сравнения.

Действие наиболее распространенных электроизмерительных приборов непосредственной оценки основано на возникновении в процессе измерений вращающего момента и вызванного им поворота подвижной части прибора. Особенности физических процессов, вызывающих появление вращающего момента, определяют деление приборов на магнитоэлектрические, электромагнитные, электродинамические и др.

В магнитоэлектрическом приборе вращающий момент возникает в результате взаимодействия тока в катушке прибора с магнитным полем постоянного магнита. Перемещающийся элемент прибора – катушка.

В приборах электромагнитной системы отклонение стрелки от положения равновесия возникает в результате взаимодействия магнитного поля катушки, по которой проходит ток, и железного сердечника. Катушка прибора может быть плоской или круглой. Наибольшее распространение получили приборы с плоской катушкой. Катушку наматывают из медного провода. На специальной оси, торцы которой упираются в подпятники, закреплен сердечник. Когда по катушке прибора проходит ток, сердечник намагничивается и втягивается внутрь катушки. Ось поворачивается, закручивает пружину, и стрелка устанавливается в определенном положении.

С осью подвижной системы прибора соединен алюминиевый лепесток. При повороте оси он перемещается в магнитном поле небольшого магнита. В лепестке наводится ток. Взаимодействие этого тока с магнитным полем создает тормозящий момент, что предотвращает колебания вращающейся системы.

Стрелка электромагнитного прибора отклоняется также в том случае, когда по катушке проходит переменный ток.

Электромагнитные приборы имеют невысокую чувствительность, неравномерную шкалу и невысокий класс точности.

Электродинамические приборы пригодны для измерений тока, напряжения, мощности и других величин как в цепях постоянного тока, так и в цепях переменного тока. На точность показаний приборов этой системы сильное влияние оказывают внешние магнитные поля.

Электромагнитные и электродинамические приборы являются основными, применяемыми для измерения токов, напряжений, мощности и других электрических величин в цепях переменного тока промышленной частоты (50 Гц). Специальные разновидности этих приборов могут быть использованы при частотах токов до 2000 Гц. Однако такие приборы применяют сравнительно редко.

Приборы сравнения предназначены для непосредственного сравнения измеряемой величины с величиной, значение которой известно (с мерой). Приборы сравнения могут работать в двух режимах: в равновесном режиме и в неравновесном режиме. Структурные схемы приборов сравнения приведены на рисунке:

Рис. 5.2. Структурные схемы приборов сравнения

При работе в равновесном режиме (рис. 5.2 рис. 5.2 а) измеряемая величина X полностью компенсируется воздействием меры. Значение меры или ее части, необходимой для компенсации величины X, в процессе измерения определяется по отсчетному устройству.

В неравновесном режиме разность показаний между мерой и измеряемой величиной измеряется в отсчетном устройстве, шкала которого градуирована в единицах измеряемой величины.

• По способу применения и конструкции – на щитовые, переносные и стационарные.
• По защищенности от воздействия внешних условий измерительные приборы подразделяют на обыкновенные, влаго-, газо- и пылезащищенные, герметичные, взрывобезопасные и др.
• Все измерительные приборы могут быть разделены на аналоговые и цифровые.

В аналоговом измерительном приборе показания являются непрерывной функцией изменений измеряемой величины.

Цифровой измерительный прибор автоматически вырабатывает дискретные сигналы измерительной информации, а его показания представлены в цифровой форме.

Измерительная установка – совокупность функционально объединенных средств измерений и вспомогательных устройств, предназначенная для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для непосредственного восприятия наблюдателем и расположенная в одном месте.

Например, поверочные установки, установки для испытаний электротехнических, магнитных и других материалов, лабораторные установки для исследования характеристик электродвигателей, стенды для поверки электрических счётчиков и т.п.

Измерительная установка позволяет предусмотреть определённый метод измерения и заранее оценить погрешность измерения.

Отличие измерительной установки от измерительной системы заключается в её локальности, компактности размещения.

Измерительная система (ИС) – совокупность средств измерений и вспомогательных устройств, соединённых между собой каналами связи, предназначенная для выработки сигналов измерительной информации в форме, удобной для автоматической обработки, хранения, передачи и (или) использования в автоматических системах управления.

Например, многоканальный пространственно распределённый информационно-измерительный комплекс в составе системы управления производством.

Частными случаями измерительных систем являются измерительно-вычислительные комплексы (ИВК) и информационно-измерительные системы (ИИС). К последним относятся системы автоматического контроля, системы технической диагностики, системы распознавания образов и др.

Измерительные системы – это наиболее современные и сложные средства измерений.

Очевидно, что различные типы средств измерений и их конкретные экземпляры отличаются друг от друга по свойствам. В связи с этим возможности и качество средств измерений определяются совокупностью ряда характеристик.