Средства измерений. метрологические характеристики средств измерений
На государственном уровне метрологическое обеспечение преследует следующие цели:
· Обеспечение достоверного учета;
· Повышение качества продукции и эффективности управления производством;
· Повышение эффективности использования материальных ценностей и энергетических ресурсов;
· Повышение эффективности мероприятий по нормированию и контролю условий труда и быта людей, охране окружающей среды, оценке и рациональному учету использования природных ресурсов;
· Повышение эффективности международного научно-технического, экономического и культурного сотрудничества.
Важнейшая задача метрологии – обеспечение единства измерений, т.е. такого состояния измерений, при котором их результаты выражены в узаконенных единицах величин и погрешности измерений не выходят за установленные границы с заданной вероятностью.
В РФ, как и в других странах, узаконенными единицами являются единицы величин Международной системы единиц физических величин (СИ). Существует семь основных физических величин:
· Длина;
· Масса;
· Время;
· Термодинамическая температура;
· Количество вещества;
· Сила света;
· Сила тока
и две дополнительные:
· Плоский угол;
· Телесный угол.
Метрологическое обеспечение осуществляется путем использования разнообразных средств измерений.
Средство измерений — это техническое средство (комплекс технических средств), используемое при измерениях и имеющее нормированные метрологические характеристики.
В метрологическом обеспечении качества определяющую роль играют средства измерений.
Средство измерений (СИ) – техническое средство, предназначенное для измерений, имеющее нормированные метрологические характеристики, воспроизводящие и (или) хранящие единицу физической величины, размер которой принимается неизменным (в пределах установленной погрешности) в течение известного интервала времени.
С точки зрения метрологического назначения, средства измерений подразделяются на два класса (Рисунок 3):
· Рабочие;
· Эталоны.
| Средства измерений в зависимости от метрологического назначения |
 | |||||
 | |
 Рабочие СИ |  Эталоны |
| - Меры; - Измерительные преобразователи; - Измерительные приборы; - Измерительные установки; - Измерительные системы |  Государственный первичный эталон единицы физической величины |
| Вторичные эталоны |
 Эталоны сравнения |  Рабочие эталоны |
| 1 разряд | 2 разряд | 3 разряд | 4 разряд |
Рисунок 3 - Средства измерений в зависимости от их метрологического назначения
Рабочие средства измерений – СИ, предназначенные для измерений, не связанных с передачей размера единицы другим СИ. Рабочие СИ используют непосредственно для осуществления измерений на производстве, в научных исследованиях, в торговле, в процессе эксплуатации изделий и т.д.
По видам средства измерений рабочие СИ подразделяют на:
· Меры;
· Измерительные преобразователи;
· Измерительные приборы;
· Измерительные установки;
· Измерительные системы.
Меры- СИ, предназначенные для воспроизведения и (или) хранения физической величины одного или нескольких заданных размеров, значение которых выражены в установленных единицах и известны с необходимой точностью.
К мерам относятся, например, гири, линейки, конденсаторы, а также стандартные образцы состава и стандартные образцы свойств веществ (материалов).
Измерительные преобразователи – СИ, которые служат для преобразования сигнала измерительной информации в форму, удобную для обработки, хранения, а также дальнейших преобразований.
Измерительные приборы – СИ, позволяющие получать значения измеряемой физической величины в установленном диапазоне.
Измерительные установки – совокупность функционально объединенных мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей и других устройств, предназначенных для измерений одной или нескольких физических величин и расположенных в одном месте.
Измерительные системы– совокупность функционально объединенных мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей, ЭВМ и других технических средств, размещенных в разных точках контролируемого пространства с целью измерений одной или нескольких физических величин, свойственных этому пространству.
Государство уделяет особое внимание средствам измерений, имеющим большую социальную значимость. Это средства измерений массы, объема, учета энергоносителей в сферах жилищно-коммунального хозяйства, средства измерений, применяемые для оценки экологической обстановки, здравоохранения, средства измерений для учетно-расчетных операций и оценки количества и качества товаров (необходимый фактор присоединения страны к ВТО) и средства измерений, обеспечивающие безопасность государства (средства измерений военного назначения и т.д.)
Эталоны единицы физической величины – СИ или комплекс СИ, предназначенных для воспроизведения и хранения единиц величин с целью передачи их размера другим СИ.
Первичный эталон– это эталон, воспроизводящий единицу физической величины с наивысшей точностью, возможной в данной области измерений. Первичный эталон, утвержденный Госстандартом РФ в качестве исходного средства измерения на территории РФ, называется государственным эталоном.
Вторичные эталоны служат для организации поверочных работ и предохранения первичных эталонов от износа. Эталоны сравненияприменяют для сличения эталонов, а рабочие – для передачи размера единицы рабочим СИ.
Эталонная база России — совокупность первичных и вторичных эталонов, а также исходных установок высшей точности для воспроизведения единиц физических величин.
Современное научно-техническое состояние эталонной базы России характеризуется достаточно высоко. Это подтверждается результатами международных сличений отечественных эталонов с зарубежными аналогами и признанием мировым метрологическим сообществом измерительных и калибровочных возможностей нашей страны. По числу позиций международных сличений эталонов Россия (1089 единиц) находится на третьем месте в мире, после США (2072) и Германии (1276). Почетное третье место занимает наша страна и по числу национальных эталонов (123), после США (186) и Японии (142 единицы). Однако большая часть российских государственных эталонов морально и технически устарели, т.е. не в полной мере отвечают возросшим требованиям, предъявляемым к ним как к исходным средствам измерений. Так, большинство отечественных эталонов создано 15 и более лет назад, тогда как средний срок жизни эталона не должен превышать 7—10 лет. В последние годы из-за недостаточного финансирования соответствующих исследований и разработок эталонная база практически не обновлялась. Не лучшее положение и с эталонами, хранящимися в Государственной метрологической службе. Между тем точность и достоверность эталонов — одно из условий успешного развития экономики, основа суверенитета и безопасности страны.
Качество измерений существенно зависит от метрологических характеристик СИ, т. е. показателей метрологических свойств, влияющих на результат измерений и его погрешность. Важнейшими из них являются:
· Диапазон измерений;
· Порог чувствительности;
· Погрешность; точность измерений;
· Сходимость результатов измерений;
· Воспроизводимость результатов измерений;
· Класс точности.
Для каждого типа средств измерений устанавливают свои метрологические характеристики. Метрологические характеристики, устанавливаемые нормативными документами, называют нормируемыми метрологическими характеристиками, а определяемые экспериментально – действительными метрологическими характеристиками.
Диапазон измерений — область значений величины, в пределах которых нормированы допускаемые пределы погрешности. Значения величины, ограничивающие диапазон измерений снизу или сверху (слева и справа), называют соответственно нижним или верхним пределом измерений.
Порог чувствительности — наименьшее изменение измеряемой величины, которое вызывает заметное изменение выходного сигнала. Например, если порог чувствительности весов равен 10 мг, то это означает, что заметное перемещение стрелки весов достигается при таком малом изменении массы, как 10 мг.
Погрешность средства измерений — это разность между показаниями СИ и истинным (действительным) значением измеряемой величины. Поскольку истинное значение физической величины неизвестно, то на практике пользуются ее действительным значением. Для рабочего СИ за действительное значение принимают показания рабочего эталона низшего разряда (допустим, 4-го), для эталона 4-го разряда, в свою очередь, — значение величины, полученное с помощью рабочего эталона 3-го разряда. Таким образом, за базу для сравнения принимают значение СИ, которое является в поверочной схеме вышестоящим по отношению к подчиненному СИ, подлежащему поверке:
Случайная погрешность — составляющая погрешности результата измерения, изменяющаяся случайным образом (по знаку и значению) в серии повторных измерений одного и того же размера величины с одинаковой тщательностью. В появлении этого вида погрешности не наблюдается какой-либо закономерности. Они неизбежны и неустранимы, всегда присутствуют в результатах измерения. При многократном и достаточно точном измерении они порождают рассеяние результатов.
Систематическая погрешность — составляющая погрешности результата измерения, остающаяся постоянной (или же закономерно меняющейся) при повторных измерениях одной и той же величины. Примером может быть погрешность градуировки, в частности погрешность показаний прибора с круговой шкалой и стрелкой, если ось последней смещена на некоторую величину относительно центра шкалы.
Нормы на основные метрологические характеристики приводятся в эксплуатационной документации на СИ. Учет всех нормируемых характеристик необходим при измерениях высокой точности и в метрологической практике. Точность измерений СИ определяется их погрешностью.
В повседневной производственной практике широко пользуются обобщенной характеристикой —- классом точности.
Класс точности СИ — обобщенная характеристика, выражаемая пределами допускаемых (основной и дополнительной) погрешностей, а также другими характеристиками, влияющими на точность. Классы точности конкретного типа СИ устанавливают в нормативных документах. При этом для каждого класса точности устанавливают конкретные требования к метрологическим характеристикам, в совокупности отражающим уровень точности СИ данного класса. Например, для вольтметров нормируют предел допускаемой основной погрешности и соответствующие нормальные условия; пределы допускаемых дополнительных погрешностей; пределы допускаемой вариации показаний; невозвращение указателя к нулевой отметке.
Класс точности позволяет судить о том, в каких пределах находится погрешность измерений этого класса. Это важно знать при выборе СИ в зависимости от заданной точности измерений.
Классы точности присваиваются СИ при их разработке (по результатам приемочных испытаний). В связи с тем, что при эксплуатации их метрологические характеристики обычно ухудшаются, допускается понижать класс точности по результатам поверки (калибровки).
Контрольные вопросы
1. Дайте понятие «физической величины», что ее характеризует и как проводят измерение физической величины?
2. Дайте классификацию измерений зависимости от способа получения информации
3. Дайте классификацию измерений зависимости от характера динамики измеряемой величины
4. Дайте определение «Совокупное измерение»
5. Что такое метод измерений?
6. Назовите методы, используемые при прямых измерениях
7. Назовите методы, используемые при косвенных измерениях
8. Дайте определение «Абсолютное измерение»
9. Какие основные цели преследует метрологическое обеспечение на государственном уровне?
10. Назовите основные и дополнительные единицы физических величин
11. Дайте классификацию средств измерений в зависимости от их метрологического назначения
12. Дайте определение «Измерительные преобразователи»
13. Что такое эталон единицы физической величины?
14. От чего зависит качество измерений?
15. Дайте понятие «Нормируемые метрологические характеристики»
16. Дайте понятие «Действительные метрологические характеристики»
17. Дайте определение «Класс точности»