Средства измерений: понятие, классификация, принципы выбора, поверка и калибровка

Тема 9 Организация измерений

Средства измерений – технические средства, используемые при измерениях и имеющие нормированные метрологические свойства.

Классификация средств измерений:

1. по метрологическому назначению средства измерений подразделяются на:

- рабочие средства измерений, предназначенные для измерений физических величин, не связанных с передачей размера единицы другим средствам измерений. РСИ являются самыми многочисленными и широко применяемыми (электросчетчик - для измерения электрической энергии; нутромер – для измерения малых длин (диаметров отверстий); термометр – для измерения температуры и др.);

- образцовые средства измерений, предназначенные для обеспечения единства измерений в стране.

2. по уровню стандартизации :

- стандартизованные средства измерений, изготовленные в соответствии с требованиями государственного или отраслевого стандарта.

- нестандартизованные средства измерений – уникальные средства измерений, предназначенные для специальной измерительной задачи, в стандартизации требований к которому нет необходимости.

3. по степени автоматизации:

- автоматические средства измерений, производящие в автоматическом режиме все операции, связанные с обработкой результатов измерений, их регистрацией, передачей данных или выработкой управляющего сигнала;

- автоматизированные средства измерений, производящие в автоматическом режиме одну или часть измерительных операций;

- неавтоматические средства измерений, не имеющие устройств для автоматического выполнения измерений и обработки их результатов (рулетка, теодолит и т. д.).

4. по конструктивному исполнению:

- меры;

- измерительные преобразователи;

- измерительные приборы;

- измерительные установки и системы;

1. Мера – средство измерений, предназначенное для воспроизведения физической величины заданного размера.

Однозначная мера воспроизводит физическую величину одного размера (концевая мера длины, мера массы - гиря). К однозначным мерам относят стандартные образцы и стандартные вещества. Стандартный образец – это должным образом оформленная проба вещества (материала), которая подвергается метрологической аттестации с целью установления количественного значения определенной характеристики. Эта характеристика или свойство является величиной с известным значением при установленных условиях внешней среды (наборы минералов с конкретными значениями твердости).

Многозначная мера воспроизводит ряд одноименных величин различного размера (штриховая мера длины, угловая мера).

Набор мер – специально подобранный комплект мер, применяемых не только самостоятельно, но и в различных сочетаниях в целях воспроизведения ряда одноименных величин различного размера.

Магазин мер – сочетание мер, объединенных конструктивно в одно механическое целое, в котором предусмотрена возможность посредством ручных или автоматизированных переключателей, связанных с отсчетным устройством, соединять составляющие магазин меры в нужном сочетании (магазины электрических сопротивлений).

При пользовании мерами следует учитывать номинальное и действительное значение мер, а также погрешность меры и ее разряд.

Номинальным называют значение меры, указанное в ней. Действительное значение меры должно быть указано в специальном свидетельстве как результат высокоточного измерения с использование официального эталона. Разность между номинальным и действительным значением называется погрешностью меры. Поскольку при аттестации (поверке) также могут быть погрешности, меры подразделяются на разряды и называют разрядными эталонами, которые используют для проверки измерительных средств.

2. Измерительный преобразователь – средство измерений для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и (или) хранения, но не поддающейся непосредственному наблюдению человеком (оператором). Часто используют термин первичный измерительный преобразователь или датчик. Электрический датчик – это один или несколько измерительных преобразователей, объединенных в единую конструкцию и служащих для преобразования измеряемой неэлектрической величины в электрическую. Например: датчик давления, датчик температуры, датчик скорости и т. д.

Измерительные преобразователи либо входят в конструктивную схему измерительного прибора, либо применяются совместно с ним, но сигнал преобразователя не поддается непосредственному восприятию наблюдателем (передача информации в память компьютера, усиление напряжения). Преобразуемую величину называют входной, а результат преобразования – выходной величиной. Основной метрологической характеристикой измерительного преобразователя считается соотношение между входной и выходной величинами, называемой функцией преобразования.

3. Измерительный прибор – средство измерений, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателя.

Классификация измерительных приборов:

- По характеру показаний – показывающие и аналоговые;

- По принципу действия – приборы прямого действия, сравнения, интегрирующие, суммирующие;

- По назначению – универсальные и специальные;

- По принципу действия, положенного в основу измерительной системы - механические, оптические, оптико-механические, пневматические, электрические, рентгеновские, лазерные.

4. Измерительная установка и система – это совокупность средств измерений, объединенных по функциональному признаку со вспомогательными устройствами, для измерения одной или нескольких физических величин объекта измерений. Обычно такие системы автоматизированы и обеспечивают ввод информации в систему, автоматизацию самого процесса измерения, обработку и отображение результатов измерений для восприятия их пользователем.

Качество измерений зависит от правильности выбора средства измерений. При выборе средств измерений необходимо учитывать ряд факторов: измеряемая физическая величина; метод измерения, реализуемый в среде измерений; диапазон и погрешность СИ; условия проведения измерений; допускаемая погрешность измерений; стоимость средства измерения; простота их эксплуатации; ресурс средств измерений; потери из-за погрешности измерений.

Три основных принципа выбора точности средств измерений:

1) Экономический подход(оптимальный, т.к. учитываются практически все показатели). При этом следует иметь в виду:

· повышение точности измерений позволяет точнее регулировать производственный процесс;

· более точные измерения позволяют сократить допуск на изделие (предельное отклонение размера);

· повышение точности приводит к уменьшению долей необнаруженного и ложного брака.

Экономически оптимальная точность измерений технологического параметра соответствует минимуму суммы потерь из-за погрешности измерений и затрат на измерения, включая затраты на метрологическое обслуживание средств измерений.

2) Вероятностный подход заключается в выборе точности СИ по заданному допуску на контролируемый параметр изделия и заданным значением брака контроля 1 и 2 рода (необнаруженный и ложный брак).

Если бы контроль осуществлялся абсолютно точными средствами измерений, все изделия, находящиеся в поле допуска были бы признаны годными, а изделия, у которых измеряемый параметр превышает допуск, были бы признаны негодными. Из-за существования погрешности измерений при контроле часть негодных изделий будет признана годными (брак контроля 2 рода), а часть годных изделий – негодными (брак контроля 1 рода). На брак контроля влияет: рассеивание действительных значений контролируемого параметра; установленного допуска на контролируемый параметр; закон распределения погрешностей измерений; рассеяния действительного значения контролируемого параметра.

3) Директивный подход позволяет установить соотношения между допуском на контролируемый параметр и предельно допускаемой погрешностью измерений.

Поверка и калибровка представляют собой совокупность операций, выполняемых с целью определения и подтверждения соответствия СИ документально установленным техническим требованиям.

Суть поверки средств измерений заключается в нахождении погрешности СИ и установлении его пригодности к применению. По содержанию поверка СИ – это совокупность операций, выполняемых органами государственной метрологической службы или другими уполномоченными организациями с целью определения и подтверждения соответствия СИ установленным техническим требованиям. Процедура поверки регламентируется нормативными документами.

Поверка носит обязательный характер и проводится в отношении СИ, которые применяются в установленных Законом РБ «Об обеспечении единства измерений» сферах: здравоохранение, охрана окружающей среды, обеспечение обороны государства.

Калибровка средств измерений – комплекс операций, осуществляемый с целью определения и подтверждения действительных значений характеристик и (или) пригодности к применению СИ, не подлежащих государственному метрологическому контролю и надзору.

Соподчинение государственного эталона, вторичных эталонов и РСИ определено государственной поверочной схемой.

Поверочная схема – это утвержденный документ, устанавливающий средства, методы и точность передачи размера единиц от государственного эталона РСИ.

Различают государственные и локальные поверочные схемы. Государственные поверочные схемы определяются государственными стандартами и распространяются на все СИ данного вида; локальные поверочные схемы предназначены для метрологических органов министерств и метрологических служб юридических лиц и должны соответствовать требованиям соподчиненности, определяемой государственной поверочной схемой.