Тема 4. Технические средства измерений

Технические средства измерений – это совокупность технических средств, предназначенных для измерений, воспроизводящих и (или) хранящих единицу или шкалу физической величины и имеющих нормированные метрологические характеристики, позволяющие судить о точности результатов измерений. По назначению средства измерений разделяют на:

1) меры;

2) измерительные преобразователи;

3) измерительные приборы;

4) измерительные устройства;

5) измерительные комплексы.

Мера – это средство измерения, предназначенное для воспроизведения одной физической величины (параметра). При использовании меры пользуются понятием номинального и действительного значения мер. Номинальное значение меры указывается на ней, а действительное значение указывается в паспорте как результат использования высокоточного средства измерения. Разность между ними – погрешность меры.

Меры разделяют на:

а) однозначные меры, например, гиря;

б) многозначные меры.Они воспроизводят ряд одноименных величин различного размера. Это измерительный инструмент: линейка, угольник;

в) набор мер – комплект мер, применяемых как в отдельности, так и в различных сочетаниях с целью воспроизведения одноименных физических величин различного размера, например, набор разновесов;

г) магазин мер – это комплекс одноименных мер, конструктивно объединенных в единое устройство, имеющего возможность для их соединения в различных сочетаниях, например, магазин сопротивлений;

Особую группу технических средств измерений представляют специальные меры. К ним относят бесшкальные измерительные инструменты, предназначенные для сравнения с ними размеров и формы поверхностей детали или соединений и определения их соответствия (несоответствия) допустимым значениям. Специальные меры разделяют на калибры (скобы и пробки), шаблоны, щупы. Калибры разделяют на нормальные (воспроизводят номинальные размеры и форму) и предельные (воспроизводят размеры, соответствующие верхнему и нижнему пределам допуска на контролируемый параметр). Скобы используются для контроля размеров валов, пробки для контроля размеров отверстий, шаблоны для контроля изделий сложной формы, щупы для контроля зазоров. Специальные меры просты по конструкции, экономичны и характеризуются высокой производительностью измерений в массовом производстве.

Измерительные преобразователи– средства измерений, предназначенные для преобразования измеряемой величины, неподдающейся непосредственному восприятию в форму, удобную для регистрации, передачи и обработки. По назначению и функциям преобразователи разделяют на:

а) первичный преобразователь – это преобразователь, стоящий первым в измерительный цепи, например, термопарный преобразователь (термопара);

б) промежуточный преобразователь – это преобразователь, занимающий место после первичного и использующийся как усилитель, например, трансформатор напряжения;

в) передающий преобразователь – это преобразователь, предназначеный для дистанционной передачи сигнала на расстояние (например, видикон, использующийся как преобразователь светового изображения объекта в электронное);

г) масштабный преобразователь – это преобразователь, изменяющий измеряемую физическую величину в заданное число раз, например, шунт в цепях постоянного тока.

Современные электрические методы измерений дают возможность измерить практически любую физическую величину, преобразовав ее в электрический сигнал. Такие измерительные преобразователи называют датчиками (датчики температуры, перемещений, давлений и др.). Датчики по способу передачи сигнала разделяют на контактные, например, термопара, и бесконтактные, например, пирометр. Датчики используют для регистрации, передачи, обработки сигнала, а также для воздействия на управляемые процессы.

Измерительные приборы – средства измерений, предназначенные для получения измерительной информации в форме, удобной для восприятия ее оператором. Приборы классифицируют по различным признакам.

1) По принципу получения результата измерения приборы разделяют на:

а) приборы прямого действия;

б) приборы сравнения.

Измерительные приборы прямого действия состоят из чувствительного элемента (например, подвижной рамки амперметра магнитоэлектрического типа), находящегося под непосредственным воздействием измеряемой величины и измерительного механизма преобразующего измеряемую величину в угловое перемещение указателя (стрелки) отсчетного устройства, имеющего соответствующую шкалу. Шкалы приборов прямого действия разделяют на прямолинейные, угловые, односторонние и двусторонние.

Приборы сравнения предназначены для сравнения измеряемой величины с величинами, значения которых известны, например, оптические пирометры.

2) По назначению измерительные приборы разделяют на:

- универсальные;

- специализированные.

Универсальные приборы используют для измерения различных физических величин, например, тестер. Специализированные приборы предназначены для измерения одноименных параметров.

3) По характеру показаний измерительные приборы разделяют на:

- показывающие (аналоговые и цифровые приборы);

- регистрирующие(самопишущие и печатные приборы).

В аналоговых приборах выходной сигнал является физическим аналогом измеряемой величины. Например, в амперметре магнитоэлектрического типа, перемещение подвижной рамки соответствует изменению силы тока в электрической цепи. Показания приборов этого типа являются непрерывной функцией измерения физической величины. Принцип действия прибора (тип прибора)

В цифровом приборе выходной сигнал содержит информацию о значении измеряемой величины в цифровой форме. Показания приборов этого типа являются дискретной функцией измерения физической величины.

В самопишущих приборах запись параметров осуществляется в виде диаграммы. В печатающих приборах запись показаний выполняется путем печати в цифровой форме.

Совокупность измерительных преобразователей и измерительных приборов, соединенных друг с другом, называют измерительными устройствами, а совокупность средств измерений, предназначенных для измерения нескольких физических величин и используемых в системах автоматизированного контроля и обработки информации по заданному алгоритму, называют измерительными комплексами (системами).

Технические средства измерений имеют определенные метрологические характеристики. Под метрологическими характеристиками понимают характеристики средств измерений, которые дают возможность определить их пригодность для измерения в определенном диапазоне и с определенной точностью. К ним относятся:

1) длина деления шкалы – расстояние между двумя соседними отметками шкалы (мм);

2) диапазон измерения – область значений между начальным и конечным значением шкалы;

3) цена деления шкалы – разность значений физической величины между двумя соседними отметками шкалы;

4) чувствительность – способность измерять малые сигналы источника. Она определяется отношением размерностей выходной и входной физических величин:

, где a – длина деления шкалы; с – цена деления шкалы.

К значимым метрологическим характеристикам относят погрешности средств измерения, разделяющиеся на абсолютные, относительные и приведенные. Эти погрешности определяются при поверке приборов с использованием более точных средств измерения. При этом сравниваются (сличаются) показания поверяемого рабочего средства измерений х_раб с более точным средством измерения х_действ. Погрешности определяются по следующим формулам:

- абсолютная погрешность средства измерения.

- относительная погрешность средства измерения.

Приведенная погрешность – отношение абсолютной погрешности к нормирующему значению х_N, в качестве которого условно принимают конечное значение шкалы прибора, если начальное значение равно 0:

, где х_N = х_max, Δх – абсолютная погрешность средства измерения.

Зная абсолютную погрешность средства измерения можно определить ошибку метода измерения S(х) в соответствии с правилом «трех сигм».

Абсолютная и относительная погрешность имеют пределы, под которыми понимают наибольшую погрешность средства измерения. Если рабочее средство измерений имеет погрешности в установленных пределах, то оно будет признано пригодными к эксплуатации. Пределы погрешностей указываются в техническом паспорте средства измерения.

Под пределом приведенной погрешности понимают класс точности прибора, который устанавливается стандартами и является обобщенной характеристикой средства измерения. Класс точности выбирают из следующего ряда: (1; 1,5; 2; 2,5; 3; 4; 5; 6) ·10ⁿ, где n = 1; 0; -1; -2 и т.д. Класс точности позволяет определить предельную абсолютную погрешность средства измерения: .

Класс точности указывают в паспортных данных на средство измерения или в виде символа обозначают на циферблате, например, электроизмерительного прибора.

Используя приборы с более высоким классом точности и с наименьшим конечным значением шкалы, обеспечивают меньшую абсолютную погрешность средства измерения. При выборе средства измерения параметров процесса или изделия метрология устанавливает правило, в соответствии с которым предельная абсолютная погрешность средства измерения не должна превышать 30% допуска на измеряемый параметр. Например, при допуске напряжения ±5 В предельная абсолютная погрешность вольтметра не должна превышать ±1,5 В.

Контрольные вопросы. Темы 3 – 4

1. Что такое погрешность измерений? Что такое абсолютная и относительная погрешности? Что такое грубая погрешность? Приведите причины появления грубой погрешности. Что такое сомнительный результат? Как обнаруживают грубую погрешность?

2. Что такое систематическая погрешность? Приведите и объясните виды систематической погрешности. Почему систематические погрешности являются наиболее опасными? Как обнаруживают и исключают систематические погрешности? Приведите примеры этих погрешностей. Что такое поправка? Приведите пример поправки. Что такое неисключенные остатки систематической погрешности?

3. Что такое случайная погрешность? Можно ли исключить случайную погрешность? Как представляют результаты измерений с многократными наблюдениями? Что такое гистограмма? Как строят гистограмму? Что такое плотность вероятности?

4. Нарисуйте и объясните закон, которым описывается распределение случайной величины при большом числе наблюдений? Приведите его основные характеристики. Что такое доверительный интервал, доверительная вероятность и уровень значимости?

5. Нарисуйте график распределения случайной погрешности. Объясните его особенности. Приведите функцию Лапласа. Что она позволяет определить? Приведите примеры.

6. Нарисуйте и объясните особенности и характеристики закона, которым описывается распределение случайной погрешности при ограниченном числе наблюдений.

7. Приведите формулы и объясните два метода определения случайной погрешности. Как уменьшить случайную погрешность результата измерения при ограниченном числе наблюдений? Как определить необходимое число наблюдений, чтобы абсолютная погрешность результата измерения не превышала установленного значения?

8. Что такое относительная погрешность результата измерения? Как поступить, если систематическая и случайная погрешности близки? Что такое методика измерений? Что такое качество измерений? Объясните характеристики качества измерений. Как записывают результат измерения и границы доверительного интервала

9. Что такое технические средства измерений? Как разделяют технические средства измерений по назначению? Что такое мера? Какими значениями характеризуется мера? Что такое погрешность меры? Как разделяют меры? Приведите примеры

10. Что такое специальные меры? Приведите примеры и объясните их назначение

11. Что такое измерительный преобразователь? Как их классифицируют? Приведите примеры и объясните их назначение. Приведите рисунок и объясните, во сколько раз расширяются пределы измерения амперметра магнитоэлектрического типа при подключении шунта? Что такое датчик? Приведите примеры датчиков. Как классифицируют датчики?

12. Что такое измерительный прибор? Что такое приборы прямого действия и сравнения? Из каких элементов состоят измерительные приборы? Какие бывают шкалы приборов? Что такое универсальные и специализированные приборы? Приведите примеры

13. Что такое показывающий и регистрирующий приборы? Приведите рисунки электроизмерительных приборов магнитоэлектрического и электромагнитного типов. Что такое измерительные устройства и комплексы?

14. Что такое метрологические характеристики технических средств измерений? Приведите и объясните их

15. Что такое абсолютная, относительная и приведенная погрешности средств измерения? Что такое пределы абсолютной и относительной погрешности? Как определяют пригодность средства измерения к эксплуатации? Где указывают пределы погрешностей?

16. Что такое класс точности технического средства измерения? Приведите ряд классов точности. Что дает знание класса точности средства измерения? Как выбирают класс точности средства измерения? Приведите пример выбора технического средства измерения