Нефедов В.И. - Электрорадиоизмерения, страница 3

1.4. Средства измерений и их классификация

Средство измерений (СИ) — техническое средство (или их комплекс), предназначенное для измерений, имеющее нормиро­ванные метрологические характеристики, воспроизводящее и (или) хранящее единицу физической величины, размер которой прини­мается неизменным в течение известного интервала времени.

Измерять с приемлемой точностью можно при условии, что средство измерений обеспечивает хранение (или воспроизведение) единицы измеряемой величины практически неизменной как во времени, так и под воздействием факторов окружающей среды. Причем эту неизменность размера единицы во времени и подвер­женность ее изменениям под воздействием влияющих факторов необходимо контролировать. В зависимости от требований к каче­ству измерений этот контроль осуществляют с помощью различных средств измерений.

Для средств измерений можно выделить некоторые общие признаки, присущие всем средствам измерений независимо от области применения.

По роли, выполняемой в системе обеспече­ния единства измерений, различают следующие средст­ва измерений:

• метрологические, предназначенные для метрологических це­лей — воспроизведения единицы и (или) ее хранения или пере­дачи размера единицы рабочим средствам измерений;

• рабочие, применяемые для измерений, не связанных с пере­
дачей размера единиц.

Метрологические средства измерений весьма немногочис­ленны. Их разрабатывают, производят и эксплуатируют в спе­циализированных научно-исследовательских центрах. Поэтому подавляющее большинство используемых на практике средства измерений принадлежат ко второй группе.

По уровню автоматизации все средства измерений делят на:

• неавтоматические;

• автоматизированные, производящие в автоматическом ре­
  жиме одну или часть измерительной операции;

• автоматические, производящие в автоматическом режиме
  измерения все операции, связанные с обработкой их результатов,
  регистрацией, передачей данных или выработкой управляющих
  сигналов.

По отношению к измеряемой физической ве­личине различают следующие средства измерений:

• основные — средства измерений той физической величины,
  значение которой надо получить в соответствии с измерительной
  задачей;

• вспомогательные — средства измерений той физической ве­
  личины, влияние которой на основное средство измерений или
  объект измерения необходимо учесть для получения результатов
  измерения требуемой точности.

По реализации процедуры измерения средства измерений бывают элементарными и комплексными.

Средства измерений разделяют на меры, устройства сравне­ния (компараторы), измерительные преобразователи, измери­тельные приборы, измерительные установки и измерительные системы.

Элементарные средства измерений

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

Мера — средство измерения, воспроизводящее физическую величину заданного размера (значения). В качестве меры в ра­диоизмерениях используют измерительный резистор (мера элек­трического сопротивления) и т.д. Меры бывают однозначными и многозначными.

Однозначная мера воспроизводит физическую величину одно­го размера.

Многозначная мера воспроизводит ряд одноименных вели­чин различного размера, например, потенциометр, конденсатор переменной емкости.

Кроме этого, различают наборы мер, магазины мер, устано­вочные и встроенные меры. Набор мер — специально подобран­ный комплект однотипных элементов, применяемых не только по отдельности, но и в различных сочетаниях для воспроизведения ряда одноименных величин разного размера, например, набор измерительных резисторов, или конденсаторов.

Устройство сравнения (компаратор) — это средство изме­рений, позволяющее сравнивать друг с другом меры однородных величин или же показания измерительных приборов. Примером может служить фотореле, включающее (выключающее) уличное электрическое освещение.

Измерительный преобразователь — средство измерений, вы­рабатывающее сигнал измерительной информации в форме, удоб­ной для передачи, преобразования, обработки и хранения, но не поддающейся непосредственному восприятию исследователя.

По виду входных и выходных величин измерительные пре­образователи делятся на:

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

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

• цифро-аналоговые (ПАП), предназначенные для преобразо­вания цифрового кода в аналоговую величину.

Комплексные средства измерений

Комплексные средства измерений предназначены для реали­зации всей процедуры измерения. К ним относят: измерительные приборы, измерительные установки и измерительные системы.

Измерительный прибор — средство измерения, предназна­ченное для выработки определенного вида сигнала измеритель­ной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия оператором.

В радиотехнике сигналом измерительной информации явля­ется электрический сигнал, функционально связанный с изме­ряемой физической величиной. Информативным параметром входного электрического сигнала средства измерения служит па­раметр входного сигнала, функционально связанный с измеряе­мой физической величиной и используемый для передачи ее значения или являющийся самой измеряемой величиной.

Измерительные приборы классифицируют по ряду признаков.

По форме индикации измеряемой величины радиоизмерительные приборы делят на показывающие и регист­рирующие, среди которых есть самопишущие и печатающие.

Показывающий измерительный прибор — устройство, пред­назначенное только для считывания показаний, например вольт­метр, амперметр.

Регистрирующий измерительный прибор — прибор, в кото­ром предусмотрена регистрация показаний измеряемой величи­ны, например универсальный осциллограф.

Самопишущий измерительный прибор — регистрирующий прибор, в котором возможна запись показаний в форме диаграммы.

Печатающий измерительный прибор — регистрирующий измерительный прибор, в котором предусмотрена печать показа­ний в цифровой форме.

По методу преобразования измеряемой ве­личины различают приборы прямого, компенсационного (уравновешивающего) и смешанного преобразования.

По назначению измерительные приборы делят на ам­перметры, вольтметры, омметры, частотомеры и т.д.

Измерительные приборы, используемые в радиотехнике, по структурной схеме можно разделить на электромеханические и электронные. К радиоизмерительным приборам относятся только электронные, в которых в качестве отсчетного узла могут входить электромеханические устройства.

По форме преобразования используемых изме­рительных сигналов приборы делят на аналоговые и цифровые.

Аналоговый измерительный прибор — средство измерения, показания которого являются непрерывной функцией изменения измеряемой величины. Аналоговые приборы делят на четыре ос­новные группы, применяемые для разных измерительных целей.

В первую группу входят приборы для измерения параметров и характеристик сигналов (например, осциллографы, частотомеры и пр.). Вторую группу образуют приборы для измерения параметров и характеристик активных и пассивных элементов электрических схем. Это измерители сопротивления, емкости, индуктивности, а также приборы для снятия частотных и переходных характеристик цепей. Третья группа — измерительные генераторы, являющиеся источниками сигналов различной амплитуды, формы и частоты. В четвертую группу входят элементы измерительных схем — преоб­разователи, аттенюаторы, циркуляторы, фазовращатели и т.д.

Цифровым измерительным прибором (ЦИП) называют сред­ство измерения, автоматически вырабатывающее дискретные сигналы измерительной информации, показания которого пред­ставлены в цифровой форме.

Перед аналоговыми приборами ЦИП имеют преимущества:

• удобство и объективность отсчета измеряемых величин;

• высокая точность результатов измерения;

• широкий динамический диапазон;

• высокое быстродействие и возможность автоматизации про­цесса измерения;

• возможность использования новых достижений цифровой и
аналоговой микроэлектроники.

По принципу действия измерительные приборы де­лят на ряд классов.

Измерительные приборы прямого действия, в которых пре­дусмотрено одно или несколько преобразований сигнала измери­тельной информации в одном направлении, т.е. без применения цепей обратной связи; например, амперметры, вольтметры.

Измерительные приборы сравнения, предназначенные для непосредственного сравнения измеряемой величины с известной величиной; например, электроизмерительный потенциометр.

Интегрирующие измерительные приборы, в которых иссле­дуемая величина интегрируется по времени или по другой неза­висимой переменной; например, электрический счетчик энергии.

Сложные измерительные средства могут состоять из функ­ционально связанных простых измерительных средств.

Более широкой является классификация средств измерений по конкретным признакам. Одним из основных признаков служит диапазон рабочих частот, в котором данное средство измерений работает или сохраняет нормированные метрологические харак­теристики.

Решением Международного консультативного комитета по радио (МККР) рекомендована определенная система разделения и наименований полос в спектре частот, применяемом для радио­связи, радиовещания и телевидения. Согласно этой рекомендации установлены следующие диапазоны:

• крайне низких частот (КНЧ) — З...ЗО Гц;

• сверхнизких частот (СНЧ) — 3 0... 3 00 Гц;

• инфранизких частот (ИНЧ) — 3 00... 3 000 Гц;

• очень низких частот (ОНЧ) — 3.. .30 кГц;

• низких частот (НЧ) — 30...300 кГц;

• средних частот (СЧ) — 300. ..3000 кГц;

• высоких частот (ВЧ) — 3... 3 0 МГц;

• очень высоких частот (ОВЧ) — 30...300 МГц;

• ультравысоких частот (УВЧ) — 300.. .3000 МГц;

• сверхвысоких частот (СВЧ) — 3.. .30 ГГц;

• крайне высоких частот (КВЧ) — 30...300 ГГц;

- гипервысоких частот (ГВЧ) — 300.. .3000 ГГц.
Измерительные приборы, применяемые в радиотехнике, ха­рактеризуются такими основными показателями.

Диапазон измерений — область значений измеряемой вели­чины, для которой нормированы допускаемые погрешности из­мерительного прибора (средства измерения).

Предел измерений — наибольшее или наименьшее значение диапазона измерений.

Диапазон показаний — размеченная область шкалы, ограни­ченная ее начальным и конечным значениями, т.е. указанными на ней наименьшим Х_min и наибольшим Х_max возможными значениями измеряемой величины (он может быть шире диапазона измерений).

Область рабочих частот (диапазон частот) — полоса час­тот, в пределах которой погрешность прибора, полученная при изменении частоты сигнала, не превышает допускаемого предела.

Градуировочная характеристика — зависимость, опреде­ляющая соотношение между сигналами на выходе и входе сред­ства измерений в статическом режиме.

Чувствительность по измеряемому параметру — отноше­ние изменения сигнала на выходе измерительного прибора к вы­звавшему его изменению измеряемой величины:

S =lim(y/x) , (1.9)

где х — измеряемая величина; у — сигнал на выходе; х — измене­ние измеряемой величины; у — изменение сигнала на выходе.

Разрешающая способность (абсолютная) — минимальная разность двух значений измеряемых однородных величин, кото­рая может быть различима с помощью прибора.

Быстродействие (скорость измерения) — максимальное число измерений в единицу времени, выполняемых с нормиро­ванной погрешностью.

Входное сопротивление (полное) Z_вх— сопротивление изме­рительного прибора со стороны входных зажимов. На сравни­тельно низких частотах входную цепь измерительного прибора, включаемого параллельно измеряемой цепи, представляют экви­валентной электрической схемой, состоящей из соединенных па­раллельно резистора сопротивлением R_вх и конденсатора емкостью С_вх. Чтобы не влиять на измеряемую цепь, приборы должны иметь большое активное входное сопротивление R_вх и малую входную емкость С_вх. Поэтому в области низких частот =2f , когда емко­стное сопротивление велико по сравнению с активным сопротив­лением 1/(С_вх)>>R_вх, практически входное сопротивление измерительного прибора Z_вх = R_вх. В области высоких частот входное сопротивление прибора определяется в основном емко­стью и Z_вх = 1 /(jС_вх), так как 1/(С_вх) << R_вх.

Выходное сопротивление Z_вых — сопротивление измеритель­ного прибора со стороны его выходных зажимов. Это сопротив­ление определяет допустимую нагрузку измерительного прибора при подключении его, например, к компьютеру.

Собственная потребляемая мощность Р_соб, мощность, по­требляемая от измеряемой цепи (чем Р_соб меньше, тем точнее из­мерения).