КЛАССИФИКАЦИЯ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ

Так как измеряются свойства, общие в качественном отношении многим объектам или явлениям, эти свойства без участия органов чувств человека должны быть каким-то образом обнаружены, в чем-то должны проявиться. 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 регистрируется 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 электромагнитных 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 измеряют длину — 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, после чего разбивают шкалу на деления в кратном и дольном отношении. Эта процедура называется градуиров­кой шкалы. При измерениях она позволяет по положению указателя получать результат сравнения непосредственно на шкале отношений.

Все технические средства, используемые при измерениях и имеющие нормированные метрологические свойства, назы­ваются средствами измерений. К ним относятся вещественные меры, измерительные преобразователи, измерительные прибо­ры, измерительные установки и измерительные системы.

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, промежуточные и т. д. (рис. 54). Конструктив­но преобразователи являются либо отдельными блоками, либо

составной частью средства измерений. Если преобразователи не входят в измерительную цепь и их метрологические свой­ства не нормированы, 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 преобразовательных элементов, 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 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. 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.