Средство измерений (СИ) – это технические средство, предназначенное для измерений, имеющее нормированные метрологические характеристики, воспроизводящее и (или) хранящее единицу физической величины, размер которой принимается неизменным (в пределах установленной погрешности) в течение известного интервала времени. В соответствии с этим определением сущность технических устройств, используемых при измерениях, заключается не только в наличии нормированных метрологических характеристик, но и в умении хранить (или воспроизводить) единицу физической величины, и в неизменности размера хранимой физической величины во времени. Если размер единицы в процессе измерений изменяется более, чем установлено нормами, таким средством нельзя получить результат с требуемой точностью. Это означает, что измерить можно лишь тогда, когда техническое средство, предназначенное для этой цели, может хранить единицу, достаточно неизменную по размеру (во времени).
В различных областях науки и техники используются разнообразные средства измерений, однако выделяют некоторые общие признаки, присущие всем средствам измерений, по которым их классифицируют.
По роли, выполняемой в системе обеспечения единства измерений, делятся на:
– метрологические (эталоны), предназначенные для метрологических целей: воспроизведения и (или) хранения единицы и передачи ее размера нижестоящим по поверочной схеме средствам измерений и утвержденные в качестве эталона в установленном порядке;
– рабочие – средства измерений, предназначенные для измерений, не связанных с передачей размера единицы другим средствам измерений.
По уровню автоматизации все средства измерений делятся на три группы:
– неавтоматизированные;
– автоматизированные, производящие в автоматическом режиме одну или часть измерительных операций;
–автоматические, производящие в автоматическом режиме измерения все операции, связанные с обработкой результатов, регистрацией, передачей данных или выработкой управляющих сигналов.
По уровню стандартизации средства измерений подразделяются на:
– стандартизованные, изготовленные и применяемые в соответствии с требованиями стандартов;
– нестандартизованные – средства измерений, предназначенные для решения специальной измерительной задачи.
Основная масса средств измерений стандартизованная. Они серийно выпускаются промышленными предприятиями и в обязательном порядке подвергаются государственным испытаниям. Нестандартизованные средства измерений выпускаются единичными экземплярами. Они не проходят государственные испытания, а их метрологические характеристики определяются при метрологической аттестации.
По отношению к измеряемой физической величине средства измерений делятся на:
– основные – средства измерений той физической величины, значение которой необходимо получить в соответствии с измерительной задачей;
– вспомогательные – средства измерений той физической величины, влияние которой на основные средства измерений или объект измерений необходимо учитывать для получения результатов измерений требуемой точности.
По роли средств измерений в процессе измерения и выполняемым функциям средства измерений делятся на меры, измерительные преобразователи, измерительные приборы, измерительные системы и измерительные установки.
Мера и измерительный преобразователь относятся к элементарным средствам измерений, а измерительные приборы, измерительные системы и измерительные установки – к комплексным.
Элементарные средства измерений необходимы для осуществления процесса измерений, но каждое из них, взятое в отдельности, не может выполнять операции измерений с получением результата.
Мера физической величины – это средство измерений, предназначенное для воспроизведения и (или) хранения физической величины одного или нескольких размеров, значения которых выражены в установленных единицах и известны с необходимой точностью (например, гиря – мера массы; измерительная колба – мера объема; измерительный резистор – мера электрического сопротивления).
Мера, предназначенная для воспроизведения физической величины одного размера, является однозначной (гиря – 1 кг, плоскопараллельная концевая мера длины); разных размеров – многозначной (измерительная линейка, измерительный сосуд).
Различают набор мер и магазин мер. Набор мер – специально подобранный комплект мер разного размера, предназначенных для применения на практике как в отдельности, так и в различных сочетаниях (набор гирь, набор концевых мер длины). Магазин мер – набор мер, конструктивно объединенных в единое целое устройство, в котором имеются приспособления для их соединения в различных комбинациях (например, магазин электрических сопротивлений).
К однозначным мерам относятся стандартные образцы состава и свойств веществ и материалов – средства измерений в виде веществ (материалов), состав и свойства которых установлены аттестацией (например, стандартный образец среднелегированной стали с аттестованным значением содержания химических элементов).
Измерительный преобразователь – техническое средство с нормированными метрологическими характеристиками, служащее для преобразования измеряемой величины в другую величину, или измерительный сигнал, удобный для обработки, хранения, дальнейших преобразований, индикации или передачи. Примеры измерительных преобразователей: термопара в термоэлектрическом термометре, пружина динамометра, электропневматический преобразователь и др.
Измерительный преобразователь входит в состав какого-либо измерительного прибора (измерительной установки, измерительной системы и др.) или применяется вместе с каким-либо средством измерения. Преобразуемая физическая величина называется входной, а результат преобразования – выходной. Связь между выходной и входной величинами устанавливается функцией преобразования, которая является основной метрологической характеристикой измерительного преобразователя.
По местонахождению в измерительной цепи преобразователи делятся на первичные и промежуточные. Первичныйявляется первым в измерительной цепи измерительного прибора (установки, системы) и на него непосредственно воздействует измеряемая физическая величина. Конструктивно обособленный первичный преобразователь, от которого поступают измерительные сигналы, называется датчиком (например, датчики давления, влажности и др.). В области ионизирующих измерений датчик называют детектором. Промежуточный преобразователь располагается в цепи после первичного преобразователя.
Измерительный преобразователь, предназначенный для дистанционной передачи сигнала измерительной информации, называется передающим измерительным преобразователем.
Измерительные преобразователи делятся на линейные, имеющие линейную связь между входной и выходной величинами, и нелинейные. Важной разновидностью линейного преобразователя является масштабны, предназначенный для изменения размера измерительного сигнала в заданное число раз.
По характеру преобразования измерительные преобразователи делятся на:
– аналоговые, преобразующие одну аналоговую (непрерывную) величину в другую;
– аналогово-цифровые, преобразующие аналоговый измерительный сигнал в цифровой код (дискретный сигнал);
– цифро-аналоговые, предназначенные для преобразования цифрового кода в аналоговую величину.
Измерительные приборы, измерительные установки и измерительные системы являются комплексными средствами измерений и предназначены для реализации всей процедуры измерений.
Измерительный прибор – это средство измерений, предназначенное для получения значений измеряемой физической величины в установленном диапазоне. Прибор включает в себя один или несколько измерительных преобразователей и присоединенное к ним устройство отображения измерительной информации – отсчетное устройство. Отсчетные устройства подразделяются на шкальные, цифровые и регистрирующие.
Шкальные отсчетные устройства состоят из шкалы, представляющей собой совокупность отметок и чисел, отображающих ряд последовательных значений измеряемой величины, и указателя (стрелки, электронного луча и др.), связанного с подвижной системой прибора.
Расстояние между осями или центрами двух соседних отметок шкалы, измеренное вдоль ее базовой линии, называется длиной деления шкалы, а значение измеряемой величины, которое вызывает перемещение указателя на одно деление, – ценой деления шкалы.
Значение величины, определяемое по отсчетному устройству средства измерений и выраженное в принятых единицах этой величины, называют показанием средства измерений.
Измерительный прибор со шкальным отсчетным устройством характеризуется чувствительностью, диапазоном измерений и диапазоном показаний.
Чувствительность измерительного прибора – это отношение изменения сигнала на выходе измерительного прибора к вызывающему его изменению измеряемой величины.
Диапазон показаний измерительного прибора со шкальным отсчетным устройством – это область значений шкалы, ограниченная начальными и конечными значениями.
Диапазон измерений – область значений измеряемой величины, для которой нормированы допускаемые погрешности средства измерений. Он ограничивается верхними и нижними пределами измерений.
Цифровые отсчетные устройства используются в цифровых приборах, принцип действия которых основан на квантовании измеряемой или пропорциональной ей величины. Показания таких приборов представлены в цифровой форме, а отсчет производится с помощью механических или электронных цифровых отсчетных устройств.
Регистрирующие отсчетные устройства состоят из пишущего или печатного механизма и носителя информации (например, бумажной ленты). Различают самопишущие и печатающие регистрирующие отсчетные устройства.
В зависимости от вида отсчетного устройства измерительные приборы делятся на показывающие, которые допускают только отсчитывание показаний измеряемой величины, т. е. имеют шкальные и цифровые отсчетные устройства, и регистрирующие, предусматривающие регистрацию показаний на том или ином носителе информации.
Показывающие приборы, в свою очередь, делятся на аналоговые и цифровые.
Аналоговые – это приборы, показания которых являются непрерывной функцией изменения измеряемой величины.
Цифровые приборы автоматически вырабатывают дискретные сигналы измерительной информации.
К средствам измерений относятся индикаторы – особый вид средств измерений в виде технического устройства или вещества, предназначенного для установления наличия какой-либо физической величины или определения ее порогового значения (лакмусовая бумага, «индикатор пожара в помещении», индикаторы охранной сигнализации и др.). В некоторых случаях в качестве индикаторов могут использоваться измерительные приборы (например, омметр при проверке обрыва в электрической цепи).
Основные и вспомогательные средства измерений и дополнительные устройства могут быть объединены в измерительные установки или измерительные системы.
Измерительная установка – это совокупность функционально объединенных средств измерений (мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей и других устройств), предназначенных для измерений одной или нескольких физических величин и расположенных в одном месте.
Измерительная система – это совокупность функционально объединенных мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей, ЭВМ и других технических средств, размещенных в разных точках контролируемого объекта и т. п. с целью измерений одной или нескольких физических величин, свойственных этому объекту, и выработки измерительных сигналов в разных целях.
Разновидностями измерительных систем являются информационно-измерительные, измерительные контролирующие, измерительные управляющие и др.