Основные метрологические показатели

ЛЕКЦИЯ 10

1. КЛАССИФИКАЦИЯ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ

Средство измерений представляет собой техническое устройство, пред­назначенное для измерений, имеющее в этих целях нормированные метроло­гические характеристики, воспроизводящее и (или) хранящее единицу физи­ческой величины.

Отличием средства измерений от других технических устройств является, главным образом, наличие меры и нормированных метрологических характеристик. Иногда делаются попытки необоснованно расширить примене­ние понятия «средства измерений» на технические устройства, функционально предназначенные для использования результатов измерений физических вели­чин в других конечных целях. Например, радиолокационная станция наряду с поиском и обнаружением цели измеряет дальность до нее, а также угловые координаты. Но эта станция не является средством измерений, поскольку сред­ство измерений не предназначено для выполнения самостоятельных функций, отличных от измерений, а радиолокационная станция самостоятельно выпол­няет функции поиска и обнаружения целей. Для определения координат цели с требуемой точностью в станцию встроены измерительные узлы, очевидно, от­носящиеся к средствам измерений.

К средствам измерений относятся следующие:

Меры, предназначенные для воспроизведения и (или) хранения физи­ческой величины одного или нескольких заданных размеров. К мерам относятся гири, концевые меры длины, нормальные элементы (меры ЭДС) и др. Меры, воспроизводящие физическую величину одного размера, называются однознач­ными. Меры, воспроизводящие физическую величину разных размеров, назы­ваются многозначными. Примером многозначной меры является миллиметро­вая линейка, воспроизводящая наряду с миллиметровыми также и сантиметро­вые размеры длины.

Применяются также меры в виде наборов и магазинов мер. Набор мер пред­ставляет собой комплект однородных мер разного размера, предназначенных для применения в различных сочетаниях (например, набор концевых мер длины). Магазин мер – набор мер, конструктивно объединенных в единое устрой­ство, в котором предусмотрено ручное или автоматизированное соединение мер в необходимых комбинациях (например, магазин электрических сопротив­лений).

Часто к однозначным мерам относят стандартные образцы и стандартные вещества. Стандартный образец материала или вещества представляют собой специально оформленное тело (пробу вещества) с установленными по резуль­татам метрологической аттестации значениями физической величины, которая характеризует свойство или состав материала (вещества). Примером стандарт­ного образца свойства является набор 10 эталонных тел — минералов для опре­деления числа твердости по условной шкале Мооса. Каждый последующий ми­нерал этой шкалы является более твердым, чем предыдущий. Использование образцов позволяет приближенно оценивать относительную твердость минера­лов (в отличие от описанных выше условных шкал твердости, позволяющих оценивать характеристики твердости металлов). Примером стандартного об­разца состава является образец чистого цинка, служащий для воспроизведе­ния температуры 419,527 °С по температурной шкале МТШ-90.

Указанное на мере значение величины является номинальным значением меры. В специальном свидетельстве, придаваемом мере, указывается действи­тельное значение, определенное при высокоточных измерениях с помощью соответствующего эталона. Разность между номинальным и действительным значениями называется погрешностью меры. Величина, обратная погрешности меры по знаку, представляет поправку к номинальному значению меры.

Измерительные преобразователи – средства измерений, предназначен­ные для преобразования измеряемой величины в другую однородную или не­однородную величину с целью представления измеряемой величины в форме, удобной при обработке, хранении (например, в памяти ЭВМ), дальнейших преобразованиях, передаче в показывающее устройство. Измерительные преоб­разователи не имеют устройств отображения измерительной информации, они или входят в состав измерительных приборов (установок), или применяются совместно с ними.

Измеряемая (преобразуемая) величина, поступающая на измерительный преобразователь, называется входной, преобразованная – выходной. Соотно­шение между входной и выходной величинами, представляемое формулой, графиком, таблицей, называется функцией преобразования измерительного пре­образователя и является для него основной метрологической характеристикой.

Самым распространенным по количеству видом средств измерений явля­ются первичные измерительные преобразователи, которые служат для непосред­ственного (первого) восприятия измеряемой величины, как правило, неэлек­трической и преобразования ее в другую величину – электрическую. Первич­ные измерительные преобразователи иногда не изменяют рода физической ве­личины, а служат лишь для изменения размера измеряемой величины (напри­мер, делители или усилители напряжения) или для ее трансформации (моду­ляции) в целях удобства дальнейших преобразований или индицирования. В этом случае первичные преобразователи встраиваются в измерительный при­бор (устройство, систему). Часть первичного преобразователя, воспринимаю­щая измерительный сигнал на его входе, называется чувствительным элемен­том или сенсором (например, термопара).

Первичный измерительный преобразователь, конструктивно оформлен­ный как обособленное средство измерений (без отсчетного устройства) с нор­мированной функцией преобразования, называется датчиком. В подавляющем большинстве случаев датчик предназначен для преобразования неэлектричес­кой физической величины в электрический ток, электрическое напряженней т.д. Часто неправомерно сенсоры называют датчиками.

Промежуточными (вторичными) измерительными преобразователями на­зываются преобразователи, расположенные в измерительной цепи после пер­вичного преобразователя и обычно по измеряемой (преобразуемой) физичес­кой величине однородные с ним. Другими словами, промежуточные преобра­зователи, как правило, не предназначены для изменения рода физической ве­личины. Эти преобразователи иногда неоправданно относят к датчикам.

По характеру преобразования измерительные преобразователи разделяют­ся на аналоговые, аналого-цифровые (АЦП), цифро-аналоговые (ЦАП). Допу­стимо рассматривать и цифровые преобразователи, служащие, например, для изменения формата цифрового сигнала. Указанные преобразователи почти всегда являются промежуточными.

Измерительные приборы – средства измерений, предназначенные для извлечения измерительной информации, преобразования ее для возможности отображения в том или ином виде.

Измерительные приборы представляют собой конструктивно объединен­ную совокупность первичных и промежуточных преобразователей (в ряде слу­чаев при измерении активных сигналов измерительной информации – силы электрического тока, напряжения и др. – первичные преобразователи отсут­ствуют).

Особое место занимают измерительные приборы прямого действия, преоб­разующие измеряемую величину, как правило, без изменения ее рода и ото­бражающие ее на показывающем устройстве, проградуированном в единицах этой величины (амперметры, вольтметры и др.).

Более точными являются приборы сравнения, предназначенные для срав­нения измеряемых величин с величинами, значения которых известны. Срав­нение осуществляется с помощью компенсационных цепей прибора (напри­мер, при измерении массы установкой эталонных гирь на равноплечных весах) или с помощью мостовых цепей (см. разд. 4.2.2).

Измерительные приборы подразделяются на аналоговые и цифровые. В со­ответствии с формулой (2.1) значение величины равно произведению ее чис­лового значения на размер единицы измерения. Информация о числовом зна­чении физической величины, называемая измерительной информацией, в про­цессе измерения передается с помощью тех или иных сигналов. В аналоговых приборах сигналы измерительной информации являются непрерывными функ­циями измеряемых физических величин. В аналоговых средствах измерений ус­танавливается прямая связь между значением измеряемой величины и значени­ем сигнала физической величины. В простейшем аналоговом средстве измере­ний – ртутном термометре высота столбика ртути соответствует конкретному значению температуры. При этом, очевидно, используется не само числовое значение, а аналоговая величина.

В цифровых измерительных приборах аналого­вые сигналы измерительной информации дискретизируются и передаются для отображения в виде отдельных кратковременных импульсов, являющихся но­сителями измерительной информации. Отсчетные устройства цифровых прибо­ров, как правило, отображают измеренное значение величины в цифровом виде. В некоторых случаях и первичные сигналы измерительной информации, поступающие на измерительный прибор, могут быть дискретными по времени (импульсными).

По способу записи измеряемой величины регистрирующие измеритель­ные приборы делятся на самопишущие и печатающие. В самопишущих приборах запись показаний представляется в графическом виде (например, шлейфовый осциллограф), в печатающих – в числовой форме.

Измерительные установки и системыпредставляют собой совокупность функционально объединенных средств измерений (мер, измерительных прибо­ров, измерительных преобразователей) и вспомогательных устройств с целью измерений одной или нескольких физических величин объекта измерений (кон­троля).

В настоящее время большинство измерительных систем являются авто­матизированными, реже автоматическими. Несмотря на различные наименова­ния (АИС – автоматизированная измерительная система, ИИС – информаци­онно-измерительная система, ИВК – измерительно-вычислительный комп­лекс) все они по существу обеспечивают автоматизацию процессов измере­ний, обработки и отображения результатов измерений, в том числе ввода из­мерительной информации в автоматизированные системы управления.

Измерительные принадлежностипредставляют собой вспомогательные устройства, служащие для обеспечения операций измерений, передачи изме­рительной информации на расстояние, обработки ее результатов и т. п. Очевид­но, измерительные принадлежности, как и измерительные приборы, имеют нормированные метрологические характеристики. К измерительным принад­лежностям относятся источники электрического питания средств измерений (имеются и эталонные источники питания), коммутаторы (в АИС), термоста­ты и др. Измерительные принадлежности могут вносить в результат измерений погрешности, которые обычно необходимо учитывать.

По метрологическому назначениювсе средства измерений подразделяются на два вида.

1. Рабочие средства измерений,которые предназначены для измерений па­раметров и характеристик объектов контроля и измерений. К ним относятся технические устройства, технологические процессы, окружающая среда, рас­ход веществ и материалов, показатели жизнедеятельности человека и др.

По условиям применения рабочие средства измерений могут быть: лабораторны­ми,используемыми при научных исследованиях, проектировании технических устройств, медицинских измерениях (обычно лабораторные средства измере­ний обладают наибольшей точностью, чувствительностью, стабильностью);

производственными,используемыми для обеспечения заданных характеристик технологических процессов, контроля готовой продукции при приемосдаточ­ных испытаниях, ремонте технических устройств и др. (эти средства должны обладать по сравнению с лабораторными высокой стойкостью к ударно-вибра­ционным нагрузкам, воздействиям тепла, холода, повышенной влажности и др.);

полевыми,используемыми непосредственно при эксплуатации таких тех­нических устройств, как самолеты, автомобили, речные и морские суда и др. К полевым обычно относят и встроенные средства измерений в объекты контро­ля и измерений, подверженные влиянию изменяющихся в широких пределах внешних воздействий.

2. Эталоны– средства измерений, относящиеся к высокоточным мерам (системам мер) и предназначенные для воспроизведения и хранения единицы величины (кратных или дольных значений единицы) с целью передачи ее раз­мера другим средствам измерений.

До последнего времени между рабочими сред­ствами измерений и государственными эталонами «располагалась» еще одна группа средств измерений — образцовые средства измерений, которые относи­лись к средствам метрологического обеспечения. При этом образцовые средства измерений подразделялись на разряды от первого (наиболее высокой точности, т.е. уступающие по точности только эталонам) до второго, третьего и т.д. В настоящее время термин «образцовые средства измерений» меняется на термин «рабочие эталоны 1-го, 2-го и т.д. разряда»

ОСНОВНЫЕ МЕТРОЛОГИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ

СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ

Для наглядности восприятия метрологических показателей средств измерений на рисунке 2 приведена схема отсчетного устройства измерительного прибора, основные элементы и параметры отчетных устройств средств измерений представлены в таблице 1.

Рис. 2. Схема отсчетного устройства измерительного прибора

(позиции согласно табл. 1.4)

Т а б л и ц а 1

Структурные элементы и параметры

отсчетных устройств средств измерений

Термин	Определение
Пределы измерений	Наибольшее и наименьшее значение диапазона измерений
Диапазон измерений	Область значений измеряемой величины, для которой нормированы допускаемые погрешности средства измерений
Диапазон показаний	Область значений шкалы, ограниченная конечным и начальным значением шкалы
Начальное (конечное) значение шкалы	Минимальное (максимальное) значение измеряемой величины, указанное на шкале
Отметка шкалы	Знак на шкале, соответствующий некоторому значению измеряемой величины
Деление шкалы	Промежуток между двумя соседними отметками шкалы
Длина деления шкалы	Расстояние между осями (или центрами) двух соседних отметок шкалы, измерено вдоль воображаемой линии, проходящей через середины самых коротких отметок шкалы
Цена деления шкалы	Разность значений соответствующих двум соседним отметкам шкалы
Чувствительность измерительного прибора	Отношение изменения сигнала на выходе Dl измерительного прибора к вызывающему его изменению измеряемой величины DK: S = Dl / DK
Указатель	Часть отсчетного устройства, положение которого относительно отметок шкалы определяет показание средства измерений, например стрелка, луч света