3.4. Классификация средств измерений

Средство измерений является обобщенным понятием, объеди­няющим самые разнообразные конструктивно законченные устрой­ства, которые обладают одним из двух признаков:

• вырабатывают сигнал (показание), несущий информацию о размере (значении) измеряемой величины;

• воспроизводят величину заданного (известного) размера.

Объединение технических средств по этим двум признакам сде­лано только из соображений целесообразности общего метрологи­ческого анализа, удобства изложения и регламентации метрологи­ческих требований и правил, единых для всех видов СИ.

При использовании СИ весьма важно знать степень соответст­вия выходной измерительной информации истинному значению определяемой величины. Для ее установления введено правило, по которому требуется нормировать метрологические характеристики всех средств измерений. Метрологические характеристики — это характеристики свойств СИ, которые оказывают влияние на ре­зультат измерений и его погрешности и предназначены для оценки технического уровня и качества СИ, а также определения резуль­татов измерений и расчетной оценки характеристик инструменталь­ной составляющей погрешности измерений.

Средство измерений входит в обе ветви структуры измерения. В реальности оно взаимодействует с объектом изме­рений, в результате чего появляется входной (для СИ) сигнал и отклик на него — выходной сигнал, подлежащий обработке с це­лью нахождения результата измерения и оценки его погрешности. В области отражений СИ описывается моделью, необходимой для эффективной обработки опытных данных. Эта модель представле­на совокупностью его метрологических характеристик.

Средства измерений могут быть элементарными (меры, устрой­ства сравнения и измерительные преобразователи) и комплексны­ми (регистрирующие и показывающие измерительные приборы, системы, измерительно-вычислительные комплексы).

Классификация по роли в процессе измерения и выполняемым функциям является основной и представлена на рис. 3-4.

Рис. 3-4. Классификация средств измерений по их роли в процессе измерения и выполняемым функциям.

Элементарные средства измерений предназначены для реализации отдельных операций прямого измерения. К ним относятся меры, устройства сравнения и измерительные преобразователи. Каждое из них, взятое по отдельности, не может осуществить операцию измерения.

Мера – это средство измерений, предназначенное для воспроизведения и (или) хранения ФВ одного или нескольких размеров, значения которых выражены в установленных единицах и известны с необходимой точностью.

Операцию воспроизведения величины заданного размера можно формально представить как преобразование цифрового кода N в заданную величину Х_м, основанное на единице данной физической величины [Q]. Поэтому уравнение преобразования меры запишется в виде X_M=N[Q].

Выходом меры является квантованная аналоговая величина Х_М заданного размера, а входом следует считать числовое значение величины N (рис.3-5).

X_M

N₂[Q]

a) N₁[Q]

N₁ N₂ N_n

б)

Рис.3-5. Обозначение меры в структурных схемах (а) и функция преобразования многозначной меры (б).

Меры подразделяются на следующие типы:

 однозначные, воспроизводящие физическую величину одного размера, например: гиря 1 кг, плоскопараллельная кольцевая мера 100 мм, конденсатор постоянной емкости, нормальный элемент;

 многозначные, воспроизводящие ФВ разных размеров, например: конденсатор переменной емкости, штриховая мера длины.

Кроме этого, различают наборы мер, магазины мер, установочные, встроенные и ввозимые меры.

Степень совершенства меры определяется постоянством размера каждой ступени квантования [Q] и степенью многозначности, т.е. числом N воспроизводимых известных значений ее выходной величины. С наиболее высокой точностью посредством мер воспроизводятся основные физические величины: длина, масса, частота, напряжение и ток.

Устройство сравнения (компаратор) – это средство измерений, дающее возможность сравнивать друг с другом меры однородных величин или же показания измерительных приборов. Примерами могут служить: рычажные весы, на одну чашку которых устанавливается образцовая гиря, а на другую – поверяемая; градуировочная жидкость для сличения показаний образцового и рабочего ареометров; тепловое поле, создаваемое термостатом для сравнения показаний термометров. Во многих относительно простых СИ роль компаратора выполняют органы чувств человека, главным образом зрение, например при сравнении отклонения указателя прибора и числа делений, нанесенных на его шкале.

Особенно широкое распространение компараторы получили в современной электронной технике, где они используются для сравнения напряжений и токов. Для этой цели был разработан специальный тип интегральных микросхем. Сравнение, выполняемое компаратором, может быть одно- и разновременным. Первое из них используется гораздо чаще. В электронных компараторах оно реализуется (рис. 3) путем последовательного соединения вычитающего устройства (ВУ), формирующего разность входных сигналов (Х₁-Х₂), и усилителя переменного напряжения с большим коэффициентом усиления (усилителя-ограничителя УО), выполняющего функции индикатора знака разности. Выходной сигнал УО равен его положительному напряжению питания (принимаемого за логическую единицу), если разность (Х₁-Х₂)>0, и отрицательному напряжению питания (принимаемого за логический нуль), если (Х₁-Х₂)<0.

Y 1

+U_П

Х₁

0 Х₂ Х₁

Y -U_П

Х₂

а) б)

Рис.3-6. Структурная схема компаратора (а) и его функция преобразования (б).

Функция преобразования идеального компаратора, показанная на рис.3-6,б), описывается уравнением:

Степень совершенства компаратора определяется минимально возможным порогом чувствительности _П, а также его быстродействием – временем переключения из одного состояния в другое. У идеального компаратора порог _П и время переключения равны нулю. В идеальном компараторе наличие порога приводит к возникновению аддитивной погрешности.

Измерительный преобразователь (ИП) предназначен для выполнения одного измерительного преобразования. Его работа протекает в условиях, когда помимо основного сигнала Х, связанного с измеряемой величиной, на него воздействуют множество других сигналов Z_i, рассматриваемых в данном случае как помехи (рис.3-7).

Y

Идеальная

X Y=f(X,Z_i)

Х

а)

б)

Рис.3-7. Структурная схема измерительного преобразователя (а) и его функции преобразования (б).

На вход ИП поступают непрерывные или дискретизированные сигналы.

Сигналы, непрерывные по времени и размеру, — наиболее распро­страненные (см. рис. 3-8, кривая 1). Они чаще всего встречаются в практике измерений, поскольку все первичные природ­ные сигналы макромира непрерывны по времени и размеру. Такие сигналы определены в любой момент времени существования сигнала и могут принимать любые значения в диапазоне его изменения.

Рис. 3-8. Исходный непрерывный (1) и непрерывный по времени и квантованный по размеру (2) сигналы

Сигналы, непрерывные по времени и квантованные по раз­меру получаются из сигнала, непрерывного по времени и раз­меру, посредством его квантования. Квантование — измери­тельное преобразование непрерывно изменяющейся величины в ступенчато изменяющуюся с заданным размером ступени q — квантом. В результате проведения этой операции непрерывное множество значений сигнала Y(t) в диапазоне от Y„^ до Y„ax преобразуется в дискретное множество значений Y„„(t) (см. рис. 10.13). Квантование широко применяется в измерительной тех­нике. Существует большая группа естественно квантованных физических величин. К ним относятся электрический заряд» квантом которого является заряд электрона, масса тела, кван­том которой является масса молекулы или атома, составляю­щих данное тело, и др.

Сигналы, дискретизированные по времени и квантованные по размеру (рис. 3-9,6), согласно приведенной классификации явля­ются цифровым сигналами. На практике они формируются цифроаналоговыми преобразователями. Последние фактически явля­ются управляемыми цифровым кодом мерами, выходной сигнал которых подвергнут дискретизации. Следовательно, в этих устрой­ствах параллельно осуществляются два процесса преобразования измерительной информации: дискретизация и квантование. Их со­вместное действие описывается математическим выражением

Рис. 3-9. Сигналы: исходный непрерывный (1), дискретизированный по времени и квантованный по уровню (2) и восстановленный непрерывный (3). Значения сигнала, дискретизированного по времени и кван­тованного по уровню, определены только в моменты, кратные пе­риоду дискретизации Д1.

Важнейшей характеристикой ИП является Функция (уравнение) преобразования (рис.3-7,б), которая описывает статические свойства преобразователя и в общем случае записывается в виде Y=F(X,Z_i).

В подавляющем большинстве случаев стремятся иметь линейную функцию преобразования. Функция Y(X) идеального ИП при отсутствии помех описывается уравнением Y=kX. Она линейна, безынерционна, стабильна и проходит через начало координат. Реальная передаточная функция в статическом режиме имеет вид Y=k(1+)X+₀+[F(X)] и может отличаться от идеальной смещением нуля ₀, наклоном  и нелинейной составляющей [F(X)]. Такие отклонения реальной передаточной функции ИП приводят к возникновению аддитивной, мультипликативной и нелинейной составляющих погрешности.

Измерительные преобразователи классифицируются по ряду признаков.

По местоположению в измерительной цепи преобразователи делятся на первичные и промежуточные. Первичный преобразователь – это такой ИП, на который непосредственно воздействует измеряемая физическая величина, т.е. он является первым в измерительной цепи средством измерений. Промежуточные преобразователи располагаются в измерительной цепи после первичного. Зачастую конструктивно обособленные первичные измерительные преобразователи называют датчиками. Например, резистивный датчик перемещения – это первичный преобразователь, в котором перемещение преобразуется в изменение активного сопротивления. Детально первичные измерительные преобразователи рассмотрены в специальной научной литературе.

По характеру преобразования входной величины ИП делятся на линейные и нелинейные. Линейный преобразователь – это ИП, имеющий линейную связь между входной и выходной величинами. Их важной разновидностью является масштабный ИП, предназначенный для изменения размера или измерительного сигнала в заданное число раз. Его уравнение преобразования имеет вид Y=kX, где X,Y – однородные входная и выходная величины; k – постоянный коэффициент передачи. Примерами масштабный преобразователей могут служить усилители, делители напряжения, измерительные трансформаторы напряжения. У нелинейных ИП связь между входной и выходными величинами нелинейная.

По виду входных и выходных величин ИП делятся на:

 аналоговые, преобразующие одну аналоговую величину в другую аналоговую величину;

 аналого-цифровые (АЦП), предназначенные для преобразования аналогового измерительного сигнала в цифровой код;

 цифроаналоговые (ЦАП), предназначенные для преобразования цифрового кода в аналоговую величину.

Обозначения в структурных схемах и передаточные функции АЦП и ЦАП показаны на рис.3-10. В качестве входных (для ЦАП) и выходных (для АЦП) кодов, как правило, используется параллельные двоичные коды. Входной (для АЦП) и выходной (для ЦАП) величиной чаще всего является напряжение u.

Уравнение преобразования идеального однополярного ЦАП:

где R – разрядность ЦАП; U_m – максимальное выходное напряжение ЦАП; N₁₀ – значение выходного кода в десятичной системе исчисления; a_i – коэффициенты, которые могут принимать значения равные нулю или единице. Из уравнения видно, что квант напряжения на выходе ЦАП, называемый единицей младшего разряда (ЕМР), равен

N=kX N

X

X

N q

Y=kN

Y

а)

N

N₀ N₀+1 N₀+2

б)

Рис.3-10. Обозначения в структурных схемах (а), части передаточных функций (б) АЦП, ЦАП в увеличенном масштабе.

Уравнение преобразования идеального однополярного АЦП записывается в виде:

где int[X] – функция, выделяющая целую часть числа Х. Минимальное значение напряжения на входе АЦП, которое приводит к изменению выходного кода, называемое разрешающей способностью, равно

Система метрологических параметров преобразователей, отражающая особенности их построения и функционирования, объединяет несколько десятков параметров, важнейшими из которых являются:

 число разрядов R – количество разрядов кода, связанного с аналоговой величиной, которое может воспринимать ЦАП или вырабатывать АЦП;

 абсолютная погрешность преобразования в конечной точке шкалы – отклонение значения входного для АЦП и выходного для ЦАП напряжения от номинального значения, соответствующего конечной точке функции преобразования (часто эта погрешность называется мультипликативной);

 дифференциальная нелинейность – отклонение разности двух аналоговых сигналов, соответствующих двум соседним кодам, от значения ЕМР;

 время установления выходного напряжения – интервал времени от момента заданного изменения кода на входе ЦАП до момента, при котором выходное аналоговое напряжение войдет в зону шириной в одну ЕМР, симметрично расположенную относительно установившегося значения;

 время преобразования – интервал времени о момента заданного изменения сигнала на входе АЦП до появления на его выходе соответствующего устойчивого кода.

Существуют и ряд других параметров преобразователей, определяемых способом построения и областью применения.