Структура средств измерений кратко
Обновлено: 04.07.2024
Средство измерения (СИ) – это техническое средство или совокупность средств, применяющееся для осуществления измерений и обладающее нормированными метрологическими характеристиками. При помощи средств измерения физическая величина может быть не только обнаружена, но и измерена.
Средства измерения классифицируются по следующим критериям:
1) по способам конструктивной реализации;
2) по метрологическому предназначению.
По способам конструктивной реализации средства измерения делятся на:
1) меры величины;
2) измерительные преобразователи;
3) измерительные приборы;
4) измерительные установки;
5) измерительные системы.
Меры величины – это средства измерения определенного фиксированного размера, многократно используемые для измерения. Выделяют:
1) однозначные меры;
2) многозначные меры;
Некоторое количество мер, технически представляющее собой единое устройство, в рамках которого возможно по—разному комбинировать имеющиеся меры, называют магазином мер.
Объект измерения сравнивается с мерой посредством компараторов (технических приспособлений). Например, компаратором являются рычажные весы.
К однозначным мерам принадлежат стандартные образцы (СО). Различают два вида стандартных образцов:
1) стандартные образцы состава;
2) стандартные образцы свойств.
Стандартный образец состава или материала – это образец с фиксированными значениями величин, количественно отражающих содержание в веществе или материале всех его составных частей.
Стандартный образец свойств вещества или материала – это образец с фиксированными значениями величин, отражающих свойства вещества или материала (физические, биологические и др.).
Каждый стандартный образец в обязательном порядке должен пройти метрологическую аттестацию в органах метрологической службы, прежде чем начнет использоваться.
Стандартные образцы могут применяться на разных уровнях и в разных сферах. Выделяют:
1) межгосударственные СО;
2) государственные СО;
3) отраслевые СО;
4) СО организации (предприятия).
Измерительные преобразователи (ИП) – это средства измерения, выражающие измеряемую величину через другую величину или преобразующие ее в сигнал измерительной информации, который в дальнейшем можно обрабатывать, преобразовывать и хранить. Измерительные преобразователи могут преобразовывать измеряемую величину по—разному. Выделяют:
1) аналоговые преобразователи (АП);
2) цифроаналоговые преобразователи (ЦАП);
3) аналого—цифровые преобразователи (АЦП). Измерительные преобразователи могут занимать различные позиции в цепи измерения. Выделяют:
1) первичные измерительные преобразователи, которые непосредственно контактируют с объектом измерения;
2) промежуточные измерительные преобразователи, которые располагаются после первичных преобразователей. Первичный измерительный преобразователь технически обособлен, от него поступают в измерительную цепь сигналы, содержащие измерительную информацию. Первичный измерительный преобразователь является датчиком. Конструктивно датчик может быть расположен довольно далеко от следующего промежуточного средства измерения, которое должно принимать его сигналы.
Обязательными свойствами измерительного преобразователя являются нормированные метрологические свойства и вхождение в цепь измерения.
Измерительный прибор – это средство измерения, посредством которого получается значение физической величины, принадлежащее фиксированному диапазону. В конструкции прибора обычно присутствует устройство, преобразующее измеряемую величину с ее индикациями в оптимально удобную для понимания форму. Для вывода измерительной информации в конструкции прибора используется, например, шкала со стрелкой или цифроуказатель, посредством которых и осуществляется регистрация значения измеряемой величины. В некоторых случаях измерительный прибор синхронизируют с компьютером, и тогда вывод измерительной информации производится на дисплей.
В соответствии с методом определения значения измеряемой величины выделяют:
1) измерительные приборы прямого действия;
2) измерительные приборы сравнения.
Измерительные приборы прямого действия – это приборы, посредством которых можно получить значение измеряемой величины непосредственно на отсчетном устройстве.
Измерительный прибор сравнения – это прибор, посредством которого значение измеряемой величины получается при помощи сравнения с известной величиной, соответствующей ее мере.
Измерительные приборы могут осуществлять индикацию измеряемой величины по—разному. Выделяют:
1) показывающие измерительные приборы;
2) регистрирующие измерительные приборы.
Разница между ними в том, что с помощью показывающего измерительного прибора можно только считывать значения измеряемой величины, а конструкция регистрирующего измерительного прибора позволяет еще и фиксировать результаты измерения, например посредством диаграммы или нанесения на какой—либо носитель информации.
Отсчетное устройство – конструктивно обособленная часть средства измерений, которая предназначена для отсчета показаний. Отсчетное устройство может быть представлено шкалой, указателем, дисплеем и др. Отсчетные устройства делятся на:
1) шкальные отсчетные устройства;
2) цифровые отсчетные устройства;
3) регистрирующие отсчетные устройства. Шкальные отсчетные устройства включают в себя шкалу и указатель.
Шкала – это система отметок и соответствующих им последовательных числовых значений измеряемой величины. Главные характеристики шкалы:
1) количество делений на шкале;
2) длина деления;
4) диапазон показаний;
5) диапазон измерений;
6) пределы измерений.
Деление шкалы – это расстояние от одной отметки шкалы до соседней отметки.
Длина деления – это расстояние от одной осевой до следующей по воображаемой линии, которая проходит через центры самых маленьких отметок данной шкалы.
Цена деления шкалы – это разность между значениями двух соседних значений на данной шкале.
Диапазон показаний шкалы – это область значений шкалы, нижней границей которой является начальное значение данной шкалы, а верхней – конечное значение данной шкалы.
Диапазон измерений – это область значений величин в пределах которой установлена нормированная предельно допустимая погрешность.
Пределы измерений – это минимальное и максимальное значение диапазона измерений.
Практически равномерная шкала – это шкала, у которой цены делений разнятся не больше чем на 13 % и которая обладает фиксированной ценой деления.
Существенно неравномерная шкала – это шкала, у которой деления сужаются и для делений которой значение выходного сигнала является половиной суммы пределов диапазона измерений.
Выделяют следующие виды шкал измерительных приборов:
1) односторонняя шкала;
2) двусторонняя шкала;
3) симметричная шкала;
4) безнулевая шкала.
Односторонняя шкала – это шкала, у которой ноль располагается в начале.
Двусторонняя шкала – это шкала, у которой ноль располагается не в начале шкалы.
Симметричная шкала – это шкала, у которой ноль располагается в центре.
Измерительная установка – это средство измерения, представляющее собой комплекс мер, ИП, измерительных приборов и прочее, выполняющих схожие функции, используемые для измерения фиксированного количества физических величин и собранные в одном месте. В случае, если измерительная установка используется для испытаний изделий, она является испытательным стендом.
Измерительная система – это средство измерения, представляющее собой объединение мер, ИП, измерительных приборов и прочее, выполняющих схожие функции, находящихся в разных частях определенного пространства и предназначенных для измерения определенного числа физических величин в данном пространстве.
По метрологическому предназначению средства измерения делятся на:
1) рабочие средства измерения;
Рабочие средства измерения (РСИ) – это средства измерения, используемые для осуществления технических измерений. Рабочие средства измерения могут использоваться в разных условиях. Выделяют:
1) лабораторные средства измерения, которые применяются при проведении научных исследований;
2) производственные средства измерения, которые применяются при осуществлении контроля над протеканием различных технологических процессов и качеством продукции;
3) полевые средства измерения, которые применяются в процессе эксплуатации самолетов, автомобилей и других технических устройств.
К каждому отдельному виду рабочих средств измерения предъявляются определенные требования. Требования к лабораторным рабочим средствам измерения – это высокая степень точности и чувствительности, к производственным РСИ – высокая степень устойчивости к вибрациям, ударам, перепадам температуры, к полевым РСИ – устойчивость и исправная работа в различных температурных условиях, устойчивость к высокому уровню влажности.
Эталоны – это средства измерения с высокой степенью точности, применяющиеся в метрологических исследованиях для передачи сведений о размере единицы. Более точные средства измерения передают сведения о размере единицы и так далее, таким образом образуется своеобразная цепочка, в каждом следующем звене которой точность этих сведений чуть меньше, чем в предыдущем.
Сведения о размере единицы предаются во время проверки средств измерения. Проверка средств измерения осуществляется с целью утверждения их пригодности.
Данный текст является ознакомительным фрагментом.
Продолжение на ЛитРес
Измерения тока
Измерения тока Вопрос. В каких цепях выполняются измерения тока?Ответ. Выполняются в цепях всех классов напряжений, где необходим систематический контроль технологического процесса или работы оборудования (1.6.6).Вопрос. В каких цепях выполняются измерения постоянного
Измерения напряжения
Измерения напряжения Вопрос. Где выполняются измерения напряжения?Ответ. Как правило, выполняются:на секциях сборных шин переменного и постоянного тока, которые могут работать раздельно, а также на линиях электропередачи при отсутствии сборных шин РУ подстанции (схемы
Измерения мощности
Измерения мощности Вопрос. В каких цепях выполняются измерения мощности?Ответ. Выполняются в цепях:у генераторов – активной и реактивной мощности; конденсаторных батарей мощностью 25 Мвар и более и синхронных компенсаторов – реактивной мощности;трансформаторов и
Измерения частоты
Измерения частоты Вопрос. Где выполняются измерения частоты?Ответ. Измерения частоты выполняются:на каждой секции шин генераторного напряжения;на каждом генераторе блочной электростанции;на каждой системе (секции) шин высших напряжений электростанции;в узлах
Измерения при синхронизации
Измерения при синхронизации Вопрос. Какие приборы предусматриваются для измерений при точной (ручной или полуавтоматической) синхронизации?Ответ. Предусматриваются два вольтметра, два частотомера и синхроноскоп
4. Единицы измерения
4. Единицы измерения В 1960 г. на XI Генеральной конференции по мерам и весам была утверждена Международная система единиц (СИ).В основе Международной системы единиц лежат семь единиц, охватывающих следующие области науки: механику, электричество, теплоту, оптику,
9. Классификация средств размещения
9. Классификация средств размещения Средства размещения туристов – любой объект, предназначенный для проживания туристов (гостиница, отель, туристическая база и т. п.)Средства размещения, согласно Постановлению Госстандарта Российской Федерации от 9 июля 1998 г.,
9.Классификация средств измерения
9.Классификация средств измерения Средство измерения (СИ) – это техническое средство или совокупность средств, применяющееся для осуществления измерений и обладающее нормированными метрологическими характеристиками. При помощи средств измерения физическая величина
42. Классификация средств размещения
42. Классификация средств размещения Средства размещения туристов – любой объект, предназначенный для проживания туристов (гостиница, отель, туристическая база и т. п.)Средства размещения, согласно Постановлению Госстандарта Российской Федерации от 9 июля 1998 г.,
1. Единицы измерения СИ
1. Единицы измерения СИ Основные единицыЗаконы Физики выражают фундаментальные взаимосвязи между определенными физическими величинами.В Физике много различных величин. Чтобы упростить измерения и построить физические теории, некоторые из этих величин принимаются за
Конкретные измерения
Конкретные измерения Электрические измерения: напряжение, ток, сопротивление, мощность Измерять в быту электрические параметры приходится не часто, а некоторым — и никогда.Напряжение в сети либо есть, либо его нет, и определяют это просто подключив нагрузку — проще
Медицинские измерения
Медицинские измерения В медицине измеряют множество разных величин, например концентрации каких-либо веществ в каких-либо средах, механические величины (вес, линейные размеры, перемещение, давление, силу, объем выдыхаемого воздуха), частоты (пульса, дыхания),
В зависимости от функционального назначения и конструктивного исполнения различают следующие средства измерений:
Кроме того, основные и вспомогательные средства измерений и дополнительные устройства могут быть объединены в измерительные установки или измерительные системы, рассматриваемые как более сложные средства измерений.
Меры предназначены для хранения и воспроизведения физической величины одного заданного размера (однозначные меры) или ряда размеров (многозначные меры). Многозначные меры могут механически объединять несколько однозначных мер (ступенчатая мера длины, многогранная угловая концевая мера с тремя, четырьмя или шестью рабочими углами). Многозначными мерами являются также штриховые меры со шкалой (линейка измерительная, транспортир). Меры могут комплектоваться в наборы (наборы концевых мер длины, наборы разновесов);
Измерительные преобразователи предназначены для получения сигнала измерительной информации, его преобразования и выдачи в любой форме, удобной для передачи, обработки, хранения или дальнейшего преобразования, но не поддающейся непосредственному восприятию оператором. Различают первичные и промежуточные измерительные преобразователи. Первичные измерительные преобразователи – первые в измерительной цепи – воспринимают саму измеряемую физическую величину и преобразуют ее в сигнал измерительной информации (терморезистор термометра сопротивления, фотоэлемент экспонометра), а промежуточные измерительные преобразователи занимают в измерительной цепи любое место после первичного.
Измерительные приборы предназначены для получения измерительной информации от измеряемой физической величины, ее преобразования и выдачи в форме, поддающейся непосредственному восприятию оператором. По виду выходного сигнала приборы принято делить на аналоговые, у которых выходной сигнал является непрерывной функцией измеряемой величины, и "цифровые" (числовые), имеющие дискретный выходной сигнал, обычно выдаваемый в числовой форме. Различают приборы показывающие и регистрирующие (самопишущие и печатающие). Измерительные приборы состоят из цепочки преобразователей (первичного и промежуточных) и устройства отображения измерительной информации (шкала-указатель, цифровое табло, самопишущее, цифропечатающее или другое регистрирующее устройство).
Индикаторы – особый вид средств измерений в виде технического устройства или вещества, предназначенного для установления наличия (отсутствия) какой-либо физической величины или определения ее порогового значения (индикатор фазового провода электропроводки, индикатор контакта измерительного наконечника прибора для линейных измерений с поверхностью детали, лакмусовая бумага). В некоторых случаях в качестве индикаторов могут использоваться измерительные приборы (часы-будильник, омметр при проверке обрыва в электрической цепи).
Средства измерений принято различать по принципам действия, то есть по физическим принципам, используемым для преобразования измеряемой величины или сигнала измерительной информации. Например, измерительный микроскоп относится к оптико-механическим приборам, индуктивный или резистивный преобразователь – к электрическим средствам измерений и т.д. Сложные приборы с длинной измерительной цепью обычно характеризуют одним (или двумя) наиболее важными принципами преобразования (лазерный интерферометр, фотоэлектрический угломер).
Измерительная цепь средства измерений – совокупность преобразовательных элементов, осуществляющих все преобразования измерительной информации в данном устройстве. Измерительная цепь средства измерений начинается с чувствительного элемента, который представляет собой часть первого в измерительной цепи преобразовательного элемента (первичного измерительного преобразователя), непосредственно воспринимающую сигнал измерительной информации от измеряемого объекта, т.е. находящуюся под непосредственным воздействием измеряемой физической величины (резервуар жидкостного термометра, крюк динамометра, губки штангенциркуля).
Измерительный прибор обязательно имеет устройство отображения (выдачи) измерительной информации. У приборов с визуальными устройствами это чаще всего отсчетные устройства типа шкала-указатель или цифровое табло. В приборах и индикаторах применяют и другие устройства визуальной индикации (нуль-указатели, табло светофорного типа), а также акустические устройства (звонок, зуммер таймера) и тактильные устройства (вибратор наручного будильника для слабо слышащих). В качестве устройств выдачи информации могут использоваться также любые регистрирующие самопишущие или печатающие устройства.
Шкала средства измерений – часть отсчетного устройства, представляющая собой совокупность отметок и поставленных у некоторых из них чисел отсчета или других символов, соответствующих ряду последовательных значений величины. Отметки могут быть в виде штриха, точки, другой геометрической фигуры. Промежуток между двумя соседними отметками шкалы называется делением шкалы. Длина деления шкалы – расстояние между осями или центрами двух соседних отметок шкалы, измеренное вдоль воображаемой линии, проходящей через середины самых коротких отметок шкалы. Шкалы могут быть равномерными (с делениями постоянной длины и с постоянной ценой деления), либо неравномерными (с делениями непостоянной длины, а в некоторых случаях и с переменной ценой деления). Цена деления шкалы – разность значений величин, соответствующих двум соседним отметкам шкалы.
Указатель средства измерений – часть аналогового отсчетного устройства, положение которого относительно отметок шкалы определяет показание средства измерений. Указатель может быть выполнен в виде стрелки, штриха, кромки детали, перемещающейся относительно шкалы, светового пятна и т.д. Изменение показаний в системе шкала-указатель, может осуществляться за счет перемещения любого из элементов относительно другого.
Прибор может быть снабжен несколькими шкалами (индикатор часового типа, измерительные головки ИГМ) или одной шкалой с несколькими указателями (часы с циферблатом и центральными стрелками).
При выдаче измерительной информации на цифровое табло существенно важны такие его структурные элементы, как
- вид выходного кода (десятиричный, шестидесятиричный, другой);
- предельное число знаков, в том числе цифр (число разрядов выходного кода) и других (не цифровых), виды знаков и их содержание (наличие фиксированной или плавающей разделительной десятичной запятой (точки), минуса, знака переполнения или неправильного подключения и др.);
- цена единицы наименьшего разряда кода и номинальная ступень квантования, если она больше цены единицы наименьшего разряда кода.
Пример кинематической (а) и структурной (б) схем равноплечих весов (прибора для определения массы взвешиванием) приведен на рис.1.
Кинематическая (а) и структурная (б) схемы пружинных весов. 1 – чувствительный элемент (две чашки), 2 – первичный измерительный преобразователь (шарнирный подвес с чашкой – два преобразователя), 3 – промежуточный измерительный преобразователь (равноплечий рычаг с шарниром), 4 – устройство отображения измерительной информации (стрелка на рычаге– указатель и шкала– нулевая отметка на стойке), 5 – стойка. На структурной схеме стрелками показано движение измерительной информации.
Возможно и более мелкое дробление элементов функциональной кинематической схемы на измерительные преобразователи, например: чашка с собственным шарнирным подвесом – шарнирная тяга – равноплечий рычаг… Или обратное: равноплечий рычаг с чашками и шарнирами (первичный измерительный преобразователь) – устройство отображения измерительной информации (стрелка на рычаге– указатель и шкала). Выделение измерительных преобразователей осуществляют на основе логического анализа выполняемых ими функций и конструктивной завершенности (автономности). Шкала устройства отображения измерительной информации может иметь множество делений или только одно нулевое деление – вырожденная шкала, характерная для приборов типа нуль-компаратора, которые предназначены для измерения нулевым методом.
ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ РАБОТЫ
Цель работы: ознакомление с видами средств измерений (СИ) и их структурными элементами.
Задачи: 1. Научиться классифицировать средства измерений.
2. Ознакомиться с характеристиками СИ разных видов и составом их структурных элементов, включая чувствительные элементы и устройства отображения измерительной информации.
3. Научиться выделять элементы СИ и строить структурные схемы.
МАТЕРИАЛЬНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ РАБОТЫ
Детали типа тел вращения, призм, резисторы, источники постоянного тока.
Измеряемые параметры: линейные размеры, объем, масса, электрическое сопротивление, напряжение, сила тока.
Меры длины, угла, объема и массы (линейка измерительная, набор плоскопараллельных концевых мер длины, транспортир, сосуды измерительные, набор разновесов).
Накладные и станковые приборы для измерений длины (штангенциркуль, микрометр гладкий, микрометр рычажный или скоба рычажная, измерительные головки со штативом или стойкой и др.).
Весы для измерения массы взвешиванием.
Мультиметр (авометр) для измерений электрических величин.
ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ
1. Проанализировать функции и классифицировать заданные средства измерений; зафиксировать основные характеристики СИ (приборов, измерительных преобразователей, индикаторов, многозначных и однозначных мер).
2. При необходимости уточнения характеристик СИ выполнить измерения выбранных физических величин с помощью мер и измерительных приборов (использовать цифровые и аналоговые приборы).
3. Ознакомиться со структурными элементами сложных средств измерений (многозначных мер, измерительных преобразователей, измерительных приборов), представить их схемы и краткие описания.
Анализ предложенных средств измерений следует начинать с их классификации, после чего рассматривают группы однородных СИ.
Для однозначных мер начинают с выяснения того, какую физическую величину воспроизводит мера и каково ее номинальное значение. Для многозначных мер определяют число воспроизводимых мерой номинальных значений физической величины, а если мера штриховая, то указывают также цену деления. Обобщенной характеристикой точности может служить класс или разряд меры, которые указывают в документах на конкретные СИ. Если они неизвестны, в соответствующей клетке таблицы ставят прочерк.
Для средств измерений, более сложных чем меры (преобразующих измерительную информацию), определяют принцип преобразования, выявляют первичный преобразователь, чувствительный элемент, а также определяют характер изменения выходного сигнала (аналоговый или дискретный), вид выходного сигнала (визуальный, звуковой, не воспринимаемый оператором, др.) и вид устройства отображения информации (шкала-указатель, цифровое табло, др.).
Например, при использовании электролампы в качестве индикатора наличия в розетке электрического тока можно сказать, что принцип преобразования сигнала измерительной информации – электрический, чувствительные элементы – контактные стержни вилки, характер изменения выходного сигнала – дискретный (горит – не горит), вид выходного сигнала визуальный, и вид устройства отображения информации – сигнальная лампочка. Если для тех же целей использовать радиоприемник, выходной сигнал будет звуковым (возможно и визуальным), а устройство отображения информации – динамик.
Тензорезистор – измерительный преобразователь с электрическим принципом преобразования сигнала измерительной информации, характер изменения выходного сигнала – непрерывный, выходной сигнал выдается в форме не воспринимаемой оператором, устройство отображения информации отсутствует. Обычно первичным измерительным преобразователем при использовании тензорезистора в измерительных устройствах бывает упругий механический элемент ("тензобалка", мембрана…), а сигнал передают на усилитель и далее – на устройство отображения информации.
При изучении ряда элементов аналоговых СИ можно обойтись без измерений. Например, не надо измерять температуру тела, чтобы сказать, что медицинский ртутный термометр – измерительный прибор, работающий на использовании принципа объемного расширения жидкости, аналоговый, с диапазоном шкалы от 35 оС до 42 оС и ценой деления 0,1 оС. Шкала одна, прямолинейная равномерная, указателем служит край ртутного столбика. Чувствительный элемент – резервуар термометра, первичный (и единственный) измерительный преобразователь – капиллярная трубка с резервуаром, заполненным расширяющейся жидкостью (ртутью). Подробности конструкции (сужение капилляра, которое препятствует уменьшению показаний и тем самым превращает прибор в максимальный термометр) не очевидны и при общем анализе могут не рассматриваться. Построенная на основе анализа конструкции и работы структурная схема прибора приведена на рис. 2. Она не вполне типична, поскольку рассматриваемый прибор выполнен на одном измерительном преобразователе, один из элементов которого к тому же используется в качестве указателя устройства отображения измерительной информации.
Рис. 2. Структурная схема жидкостного термометра. 1 – первичный измерительный преобразователь – капилляр с резервуаром рабочего тела (затонирован чувствительный элемент – резервуар для жидкости), 2 – устройство отображения измерительной информации шкала-указатель (указателем служит край столбика рабочей жидкости).
Поскольку другие приборы не так прозрачны, для построения их структурных схем используют кинематические, электрические и другие схемы, и/или чертежи и описания конструкции и работы прибора. Анализируя измерительные приборы и сложные измерительные преобразователи, следует помнить, что простой преобразователь как правило содержит не менее двух элементов (например, двуплечий рычаг с шарниром, стержень в направляющих, зубчатое колесо и сектор на осях в опорах), причем любой из них может входить в соседний преобразователь или в устройство отображения измерительной информации (зубчатый сектор передачи триб-сектор одновременно выступает как второе плечо рычага, стрелка-указатель находится на равноплечем рычаге весов…).
Для анализа СИ и их структурных элементов при необходимости следует произвести измерения выбранных физических величин с использованием многозначных мер, приборов, реализующих методы непосредственной оценки и сравнения с мерой. Практически всегда приходится проводить измерения "цифровыми" приборами. В ходе измерений основное внимание необходимо уделять не результатам измерений, которые имеют вспомогательный характер, а изучению СИ и их структурных элементов.
Оформление результатов работы
Результаты работы оформляют в виде таблиц, структурных схем и необходимых текстовых описаний (таблицы 1…5 даны с примерами заполнения). Если соответствующая клетка таблицы не может быть заполнена, в ней ставят прочерк, а при отсутствии оцениваемого элемента записывают "нет", "отсутствует" и т.д. Примеры оформления структурных схем приведены на рис. 1 и 2.
Задание для самостоятельной работы: выписать определения и ответить на вопросы в конце темы.
- Определение и виды средств измерений
- Эталоны, их классификация
- Измерительные преобразователи
- Измерительные приборы, установки и системы
- Передача и представление измерительной информации
1. Определение и виды средств измерений
Средствами измерений называют технические устройства для практического измерения единицы физической величины, имеющие нормированные погрешности. К средствам измерений относятся: меры, датчики информации (индикаторы), измерительные преобразователи, измерительные приборы, измерительные установки и системы, измерительные принадлежности.
Мерой называется средство измерения, предназначенное для воспроизведения физических величин заданного размера (гири, рулетки, мерные стаканы, цилиндры и т.п.). На практике используют однозначные и многозначные меры, а также наборы и магазины мер.
Однозначные меры воспроизводят величины только одного размера (гиря). К однозначным мерам относятся стандартные образцы и стандартные вещества. *Стандартный образец – это должным образом оформленная проба вещества (материала), которая подвергается метрологической аттестации с целью установления количественного значения определенной характеристики. Эта характеристика является величиной с известным значением при установленных условиях внешней среды.*
Многозначные меры воспроизводят несколько размеров физической величины (миллиметровая линейка дает возможность выразить длину предмета в сантиметрах и миллиметрах).
Наборы и магазины мер представляют собой объединение однозначных или многозначных мер для получения некоторых промежуточных или суммарных значений измеряемой величины. Набор мер – это комплект однородных мер разного размера (набор лабораторных гирь). Магазин мер – сочетание мер, конструктивно объединенных в одно механическое целое, в которых посредством ручных или автоматизированных переключателей можно соединять составляющие магазин мер в нужном сочетании (магазин сопротивлений).
Компаратор - этотехническое устройство, в котором измерение выполняется методом сравнения с мерой. Примером служат равноплечие весы, измерительный мост, иногда может в этой роли выступает человек.
При пользовании мерами следует учитывать номинальное и действительное значение мер, погрешность меры и ее разряд. Номинальным называют значение меры, указанное на ней. Действительное значение меры должно быть указано в специальном свидетельстве как результат высокоточного измерения с использованием официального эталона. Разность между номинальным и действительным значениями называется погрешностью меры. Меры подразделяются на разряды (1, 2, и т.д.) в зависимости от эталона, чьей копией они являются. Меры 1 разряда получены при копировании вторичного эталона, утвержденного Госстандартом. Разрядные эталоны используют для поверки измерительных средств.
2. Эталоны, их классификация
Эталон – это высокоточная мера, предназначенная для воспроизведения и хранения единицы величины с целью передачи ее размера другим средствам измерений. От эталона единица величины передается разрядным эталонам, а от них – рабочим средствам измерения. Эталоны классифицируются на первичные, вторичные и рабочие.
Первичный эталон- это эталон, воспроизводящий единицу величины с наивысшей точностью, возможной в данной области измерений на современном уровне научно-технических достижений. Первичный эталон может быть национальным (государственным) или международным. В России национальные эталоны утверждает Госстандарт РФ. Международные эталоны хранит и поддерживает Международное бюро мер и весов (МБМВ). Важнейшая задача деятельности МБМВ состоит в систематических сличениях национальных эталонов с международными эталонами. Сличению подлежат эталоны как основных величин системы СИ, так и производных. Установлены определенные периоды сличения. Так эталоны метра и килограмма сличают каждые 25 лет, а электрические и световые эталоны – один раз в 3 года.
Вторичные эталоны (эталоны-копии) могут утверждаться либо Госстандартом РФ, либо государственными научными метрологическими центрами.
Рабочие (разрядные) эталоны воспринимают размер единицы от вторичных эталонов и в свою очередь служат для передачи размера менее точному рабочему эталону (или эталону более низкого разряда) и рабочим средствам измерений.
3. Измерительные преобразователи
Измеряемое свойство должно сначала быть как-то обнаружено, а потом измерено. Технические устройства для обнаружения физических свойств называются индикаторами (стрелка компаса, лампочка, лакмусовая полоска). Индикаторы играют ту же роль, что и органы чувств человека, но значительно расширяют их возможности. Например, человек слышит в диапазоне частот от 16 Гц до 20 кГц, а технические средства обнаруживают звуковые колебания в диапазоне от инфра низких (доли герца) до ультравысоких ( сотни килогерц) частот. Но до сих пор не создано технических устройств, которые могли бы соперничать с обонянием человека и животных. Важнейшей технической характеристикой индикаторов служит порог обнаружения (порог чувствительности). Чем меньше порог, тем более слабый сигнал регистрирует индикатор. Современные индикаторы обладают очень низкими порогами обнаружения, лежащими на уровне фоновых помех и собственных шумов аппаратуры. Индикаторы служат средством измерения по шкале порядка.
Датчики – это средство измерений, предназначенное для восприятия физических величин и преобразования сигнала измерительной информации в форму удобную для обработки, хранения и передачи в показывающее устройство. Датчики либо входят в конструктивную схему измерительного прибора, либо применяются совместно с ним. Сигнал, воспринимаемый датчиком называется входной величиной, а результат преобразования – выходной величиной. Основной метрологической характеристикой измерительного преобразователя считается соотношение между входной и выходной величинами, называемое функцией преобразования.
В качестве преобразователей в физической культуре и спорте наиболее популярны: фотодиоды, реостатные датчики, тензорезисторы, акселерометры.
Акселерометры – предназначены для измерения ускорения. В основе работы лежит измерение силы инерции, возникающей при движении. Сила инерции вызывает отклонение массы акселерометра, которое прямо пропорционально ускорению. Это отклонение измеряется тензорезистором или пьезоэлектрическим датчиком.
В процессе преобразования измерительной информации происходит и усиление сигнала, воспринятого датчиком. В спорте для усиления сигналов, снимаемых с первичных преобразователей биомеханических параметров движений, чаще используют тензоусилители и миниатюрные усилители постоянного тока, коэффициент усиления которых достигает 500 000.
4. Измерительные приборы, установки и системы
Измерительные приборы – это средства измерений, состоящие из совокупности преобразовательных элементов, образующих измерительную цепь и отсчетного устройства. Они позволяют получать измерительную информацию в форме удобной для восприятия пользователем. Различают приборы прямого действия и приборы сравнения. К приборам прямого действия относят амперметры. вольтметры, термометры, барометры. Они отображают измеряемую величину на показывающем устройстве, имеющем соответственную градуировку в единицах этой величин. Приборы сравнения предназначаются для сравнения измеряемых величин с величинами, значения которых известны (весы, прибор для определения яркости источников излучения и другие.)
Измерительные установки состоят из функционально объединенных средств измерений и вспомогательных устройств, собранных в одном месте.
В измерительных системах эти средства и устройства территориально разобщены и соединены каналами связи. Обычно они полностью автоматизированы. В спорте такие системы используются например для измерения опорных реакций – тензодинамографические измерения. В систему входят: тензоплатформа с усилительным устройством, устройство записи данных, самописец, передатчик, осциллоскоп, ЭВМ.
Вспомогательные средства измерения необходимы для вычисления поправок, если требуется высокая степень точности. Часто они фиксируют внешние условия измерения: температуру, влажность.
5. Передача и представление измерительной информации
Передача результатов измерения в области ФК и спорта осуществляется двумя способами:
- с помощью проводной связи между спортсменом и исследовательской аппаратурой,
- путем беспроводной связи (с помощью радиоволн)
Проводная телеметрия чаще используется при лабораторных исследованиях. Она отличается высокой помехоустойчивостью, но в то же время провода, идущие от спортсмена, мешают его действиям.
Радиотелеметрия позволяет осуществлять контроль за техникой выполнения в реальных динамических условиях. На спортсмене крепятся датчики, усилители и преобразователи информации, радиопередатчик и антенна. Все это очень компактно и не мешает спортсмену свободно перемещаться по спортивной площадке. Посылаемые передающим устройством сигналы принимаются блоком, состоящим из антенны и приемника. Здесь происходит отображение, хранение и автоматическая обработка результатов измерений. В нашей стране нет серийного производства радиотелеметрических систем. Такие устройства создаются отдельными организациями, научными сотрудниками в единичных экземплярах.
Результаты измерений могут быть представлены в двух формах: аналоговой и цифровой .
Аналоговая форма представления результатов измерений осуществляется приборами - самописцами, регистрирующими непрерывный изменяющийся по амплитуде сигнал, например ЭКГ.
Результаты измерений в цифровой форме высвечиваются на разных цифровых табло. Цифровая индикация может быть следующих типов:
- Механические приборы цифровой индикации,
- Оптические цифровые приборы,
- Электронные цифровые приборы.
В электронных цифровых приборах используются светодиоды или жидкие кристаллы.
Если бы размер единицы был нестабильным, нельзя было бы гарантировать требуемую точность результата измерений.
Отсюда следуют три вывода:
• измерять можно лишь тогда, когда техническое средство, предназначенное для этой цели, способно хранить единицу, достаточно стабильную (неизменную во времени) по размеру;
• техническое средство непосредственно после изготовления еще не является средством измерения; оно становится таковым только после передачи ему единицы от другого, более точного средства измерений (эта операция называется калибровкой);
• необходимо периодически контролировать размер единицы, хранимый средством измерения, и при необходимости восстанавливать его прежнее значение путем проведения новой калибровки.
По назначению различают рабочие средства измерений, применяемые для проведения технических измерений, и метрологические, предназначенные для проведения метрологических измерений.
Метрологические средства измерений называются эталонами.
Так как измеряются свойства, общие в качественном отношении многим объектам или явлениям, то эти свойства в чем-то должны проявляться, как-то должны обнаруживаться. Технические устройства, предназначенные для обнаружения (индикации) физических свойств, называются индикаторами. Стрелка магнитного компаса, например, — индикатор напряженности магнитного поля; осветительная электрическая лампочка — индикатор электрического напряжения в сети; лакмусовая бумага — индикатор активности ионов водорода в растворах.
С помощью индикаторов устанавливается наличие измеряемой физической величины и может регистрироваться изменение ее размера. В этом отношении индикаторы играют ту же роль, что и органы чувств человека, но значительно расширяют их возможности. Человек, например, слышит в диапазоне частот от 16 Гц до 20 кГц, в то время как техническими средствами обнаруживаются звуковые колебания в диапазоне от инфранизких (доли герца) до ультравысоких (десятки и сотни килогерц) частот. Видят люди в узком оптическом диапазоне электромапштных волн, а инструментально регистрируются электромагнитные колебания от сверхнизкочастотных радиоволн с частотой, составляющей доли герца, до жесткого гамма-излучения с частотой порядка 1022 Гц. В то же время не создано еще технических устройств, которые могли бы соперничать с обонянием человека или животных.
Так как индикаторы должны обнаруживать проявление свойств окружающего мира, важнейшей их технической характеристикой является порог обнаружения (иногда его называют порогом чувствительности). Чем меньше порог обнаружения, тем более слабое проявление свойства регистрируется индикатором. Современные индикаторы обладают очень низкими порогами обнаружения, лежащими на уровне фоновых помех и собственных шумов аппаратуры. Последние имеют тепловую природу, поэтому для их снижения чувствительные элементы и электронные узлы особо чувствительных индикаторов охлаждают до температуры, близкой к абсолютному нулю. Селекцию (выделение) сигналов на фоне помех осуществляют с помощью специальных фильтров и накопителей. За счет этих и некоторых других мер порог чувствительности радиотелескопов, например, в сантиметровом диапазоне радиоволн доведен до 10-18 Вт.
Индикаторы являются средствами измерений по шкале порядка. Для измерения по шкале отношений необходимо сравнить неизвестный размер с известным и выразить первый через второй в кратном или дольном отношении. Если физическая величина известного размера есть в наличии, то она непосредственно используется для сравнения. Так, длину измеряют линейкой, плоский угол — транспортиром, массу с помощью гирь и весов, электрическое сопротивление — с помощью магазина сопротивлений. Если же физической величины известного размера в наличии нет, то сравнивается реакция (отклик) прибора на воздействие измеряемой величины с проявившейся ранее реакцией на воздействие той же величины, но известного размера. Так измеряют: силу электрического тока — амперметром, электрическое напряжение — вольтметром, скорость — спидометром, давление — манометром, термодинамическую температуру — термометром и т. д. При этом предполагается, что соотношение между откликами такое же, как и между сравниваемыми размерами. Для облегчения сравнения отклик на известное воздействие еще на стадии изготовления прибора фиксируют на шкале отсчетного устройства в выбранных единицах измерений, после чего разбивают шкалу на деления в кратном и дольном отношении. Эта процедура называется градуировкой. При измерениях она позволяет по положению указателя получать результат сравнения непосредственно на шкале отношений.
Все технические средства, предназначенные для измерений, называются средствами измерений.
Кроме индикаторов к ним относятся вещественные меры, измерительные преобразователи, измерительные приборы, измерительные установки, измерительные системы, технические системы и устройства с измерительными функциями, стандартные образцы.
Вещественные меры предназначены для воспроизведения физической величины заданного размера, который характеризуется так называемым номинальным значением. При условии что указывается точность, с которой воспроизводится номинальное значение физической величины, гиря является мерой массы, конденсатор — мерой емкости, кварцевый генератор — мерой частоты электрических колебаний и т. д. Различают однозначные и многозначные меры, а также наборы мер. Например, гиря и измерительный конденсатор постоянной емкости — это однозначные меры, измерительная линейка и конденсатор переменной емкости — многозначные меры, а набор гирь и набор измерительных конденсаторов являются наборами мер. Измерения методом сравнения с мерой выполняют с помощью специальных технических устройств — компараторов. Компараторами служат равноплечие весы, измерительный мост и т. д. Иногда в качестве компаратора выступает человек.
Измерительные преобразователи — это средства измерений, перерабатывающие измерительную информацию в форму, удобную для дальнейшего преобразования, передачи, хранения, обработки, но, как правило, недоступную для непосредственного восприятия наблюдателем. Измерительные преобразователи получили очень широкое распространение. К ним относятся термопары, измерительные усилители, преобразователи давления и многие другие виды измерительных устройств. По месту, занимаемому в измерительной цепи, они делятся на первичные и промежуточные.
Конструктивно преобразователи являются либо отдельными блоками, либо составными частями средств измерений. Если преобразователи не входят в измерительную цепь, то они не относятся к измерительным. Таковы, например, операционный усилитель, делитель напряжения в цепи электропитания, силовой трансформатор и т. п.
Измерительный прибор представляет собой совокупность измерительных преобразователей, образующих измерительную цепь, и отсчетного устройства. В отличие от вещественной меры, прибор не воспроизводит известное значение физической величины. Измеряемая величина должна подводиться к нему и воздействовать на его первичный измерительный преобразователь.
Измерительные установки состоят из функционально объединенных средств измерений и вспомогательных устройств, собранных в одном месте. В измерительных системах эти средства и устройства территориально разобщены и соединены каналами связи. Область науки и техники, включающая вопросы получения измерительной информации и передачи ее по каналам связи, называется телеметрией. И в установках, и в системах измерительная информация может быть представлена в форме, удобной как для непосредственного восприятия, так и для автоматической обработки, передачи и использования в автоматизированных системах управления. Технические системы и устройства с измерительными функциями наряду с их основными функциями, не имеющими отношения к измерениям, выполняют еще и измерительные функции.
Стандартные образцы — образцы веществ (материалов) с установленными по результатам испытаний значениями одной и более величин, характеризующих состав или свойство этого вещества (материала).
Человек не является техническим средством, но его тоже можно отнести к средствам измерений. Первичными измерительными преобразователями у него служат органы чувств зрения, слуха, обоняния, осязания и вкуса. Измерения, выполняемые с помощью органов чувств человека, называются органолептическими измерениями. Они относятся к обширному классу экспертных измерений, или измерений экспертными методами.
Читайте также: