Характеристика средств измерений

Средством измерений (СИ) называют техничес­кое средство (или их комплекс), используемое при измерениях и имеющее нормированные метрологи­ческие характеристики. В отличие от таких техниче­ских средств, как индикаторы, предназначенных для обнаружения физических свойств (компас, лакмусо­вая бумага, осветительная электрическая лампочка), СИ позволяют не только обнаружить физическую величину, но и измерить ее, т.е. сопоставить неизвест­ный размер с известным. Если физическая величина известного размера есть в наличии, то она непосред­ственно используется для сравнения (измерение пло­ского угла транспортиром, массы — с помощью ве­сов с гирями). Если же физической величины изве­стного размера в наличии нет, то сравнивается реак­ция (отклик) прибора на воздействие измеряемой ве­личины с проявившейся ранее реакцией на воздейст­вие той же величины, но известного, размера (изме­рение силы тока амперметром). Для облегчения срав­нения еще на стадии изготовления прибора отклик на известное воздействие фиксируют на шкале отсчетного устройства, после чего наносят на шкалу де­ления в кратном и дольном отношении. Описанная процедура называется градуировкой шкалы. При из­мерении она позволяет по положению указателя по­лучать результат сравнением непосредственно по шкале отношений. Итак, СИ (за исключением неко­торых мер — гирь, линеек) в простейшем случае производят две операции: обнаружение физической величины; сравнение неизвестного размера с извест­ным или сравнение откликов на воздействие извест­ного и неизвестного размеров.

Другими отличительными признаками СИ явля­ются, во-первых, «умение» хранить (или воспроизво­дить) единицу физической величины; во-вторых, не­изменность размера хранимой единицы. Если же раз­мер единицы в процессе измерений изменяется бо­лее, чем установлено нормами, то с помощью такого средства невозможно получить результат с требуемой точностью. Отсюда следует, что измерять можно только тогда, когда техническое средство, предназна­ченное для этой цели, может хранить единицу, доста­точно неизменную по размеру (во времени).

СИ можно классифицировать по двум признакам: 1) конструктивное исполнение; 2) метрологическое назначение.

По конструктивному исполнению СИ подразделя­ют на меры, измерительные преобразователи; изме­рительные приборы, измерительные установки, из­мерительные системы.

Меры физической величины — СИ, предназначен­ные для воспроизведения и (или) хранения физичес­кой величины одного или нескольких заданных раз­меров. Различают меры: однозначные (гиря 1 кг, ка­либр, конденсатор постоянной емкости); многознач­ные (масштабная линейка, конденсатор переменной емкости); наборы мер (набор гирь, набор калибров). Набор мер, конструктивно объединенных в единое устройство, в котором имеются приспособления для их соединения в различных комбинациях, называет­ся магазином мер. Примером такого набора может быть магазин электрических сопротивлений, магазин индуктивностей. Сравнение с мерой выполняют с помощью специальных технических средств — ком­параторов (рычажные весы, измерительный мост и т.д.).

К однозначным мерам можно отнести стандарт­ные образцы (СО). Существуют стандартные образцы состава и стандартные образцы свойств.

СО состава вещества (материала) — стандартный образец с установленными значениями величин, ха­рактеризующих содержание определенных компо­нентов в веществе (материале).

СО свойств веществ (материалов) — стандартный образец с установленными значениями величин, ха­рактеризующих физические, химические, биологиче­ские и другие свойства.

Новые СО допускаются к использованию при ус­ловии прохождения ими метрологической аттеста­ции. Указанная процедура — это признание этой ме­ры, узаконенной для применения на основании ис­следования СО. Метрологическая аттестация прово­дится органами метрологической службы.

Примером СО состава является СО состава углеродистой стали определенной марки. Примером СО свойств является уже упомянутая выше шкала твердости Мооса, которая пред­ставляет собой набор 10 эталонных минералов для определе­ния числа твердости по условной шкале. Каждый последую­щий минерал этой шкалы является более твердым, чем преды­дущий.¹ Эту шкалу используют для оценки относительной твердости стекла и керамики.

Одна из главных функций СО состава и свойств — кон­троль методики выполнения измерений (МВИ) в порядке внутреннего контроля испытательных лабораторий и внешнего контроля, в частности, в рамках «раунд-тестирования». Например, если аналитическая лаборатория металлур­гического предприятия располагает аттестованным СО углеро­дистой стали конкретной марки, то она на указанном СО мо­жет проверить надежность методики качественного и количе­ственного химического анализа. В зависимости от уровня признания (утверждения) и сфе­ры применения различают категории СО — межгосударствен­ные, государственные, отраслевые и СО предприятия (органи­зации).

В практике метрологическими службами исполь­зуются СО разной категории для выполнения раз­личных задач.

Так, создаваемые в Центральном институте агро­химического обслуживания сельского хозяйства госу­дарственные и отраслевые образцы состава почв ат­тестованы на содержание макро- и микроэлементов (марганца, кобальта, цинка, меди, молибдена, бора) и другие характеристики (величина РН и др.). Эти СО были аттестованы в межлабораторном экспери­менте и предназначаются для градуировки приборов, поверки СИ, для контроля правильности анализов почв по аттестованным в СО показателям, для аттес­тации СО предприятий методом сличения.

Измерительные преобразователи (ИП) — СИ, слу­жащие для преобразования измеряемой величины в другую величину или сигнал измерительной инфор­мации, удобный для обработки, хранения, дальней­ших преобразований. По характеру преобразования различают аналоговые (АП), цифро-аналоговые (ЦАП), аналого-цифровые (АЦП) преобразователи. По месту в измерительной цепи различают первич­ные (ИП, на которые непосредственно воздействует измеряемая физическая величина) и промежуточные (ИП, занимающие место в измерительной цепи по­сле первичного ИП) преобразователи.

Конструктивно обособленный первичный ИП, от которого поступают сигналы измерительной инфор­мации, является датчиком. Датчик может быть выне­сен на значительное расстояние от СИ, принимаю­щего его сигналы. Например, датчики запущенного метеорологического радиозонда передают информацию о температуре, давлении, влажности и.других параметрах атмосферы.

Если преобразователи не входят в измерительную цепь и их метрологические свойства не нормирова­ны, то они не относятся к измерительным. Таковы, например, силовой трансформатор в радиоаппарату­ре, термопара в термоэлектрическом холодильнике.

Измерительный прибор — СИ, предназначенное для получения значений измеряемой физической ве­личины в установленном диапазоне. Прибор, как правило, содержит устройство для преобразования измеряемой величины и ее индикации в форме, наи­более доступной для восприятия. Во многих случаях устройство для индикации имеет шкалу со стрелкой или другим устройством, диаграмму с пером или цифроуказатель, с помощью которых могут быть произведены отсчет или регистрация значений физической величины. В случае сопряжения прибора с мини-ЭВМ отсчет может производиться с помощью дис­плея.

По степени индикации значений измеряемой ве­личины измерительные приборы подразделяют на показывающие и регистрирующие. Показывающий прибор допускает только отсчитывание показаний измеряемой величины (микрометр, аналоговый или цифровой вольтметр). В регистрирующем приборе предусмотрена регистрация показаний — в форме диаграммы, путем печатания показаний (термограф, разрывная машина с пишущим элементом, измери­тельный прибор, сопряженный с ЭВМ, дисплеем и устройством для печатания показаний).

Измерительная установка — совокупность функционально объединительных мер, измерительных при­боров, измерительных преобразователей и других ус­тройств, предназначенных для измерений одной или нескольких физических величин и расположенных в одном месте. Примером являются установка для из­мерения удельного сопротивления электротехничес­ких материалов, установка для испытаний магнитных материалов. Измерительную установку, предназна­ченную для испытаний каких-либо изделий, иногда называют испытательным стендом.

Измерительная система — 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. Примером может слу­жить радионавигационная система для; определения местоположения судов, состоящая из ряда измери­тельных комплексов, разнесенных в пространстве на значительном расстоянии друг от друга.

«Лицо» современной измерительной техники определяет­ся автоматизированными измерительными системами (АИС), информационно-измерительными системами (ИИС), измери­тельно-вычислительными комплексами (ИВК), Типичная ИИС содержит в своем составе ЭВМ и обеспечивает сбор, об­работку и хранение информации, поступающей от многочис­ленных датчиков, характеризующих состояние объекта или процесса. При этом результаты измерений выдаются как по заранее заданной программе, так и по запросу.

По метрологическому назначению все СИ под­разделяются на два вида — рабочие СИ и эталоны.

Рабочие СИ (РСИ) предназначены для проведения технических измерений. По условиям применения они могут быть: 1) лабораторными, используемыми при научных исследованиях, проектировании техни­ческих устройств, медицинских измерениях; 2) про­изводственными, используемыми для контроля характеристик технологических процессов, контроля качества готовой продукции, контроля отпуска товаров; 3) полевыми, используемыми непосредственно при эксплуатации таких технических устройств, как самолеты, автомобили, речные и морские суда и др. К каждому виду РСИ предъявляются специфиче­ские требования: к лабораторным — повышенная точность и чувствительность; к производственным — повышенная стойкость к ударно-вибрационным на­грузкам, высоким и низким температурам; к поле­вым^- — повышенная стабильность в условиях резко­го перепада температур, высокой влажности.

Эталоны являются высокоточными СИ, а поэто­му используются для проведения метрологических измерений в качестве средств передачи информации о размере единицы. Размер единицы передается «сверху вниз», от более точных СИ к менее точным «по цепочке»: первичный эталон — вторичный эта­лон — рабочий эталон 0-го разряда — рабочий эта­лон 1-го разряда... — рабочее средство измерений.

Передача размера осуществляется в процессе по­верки СИ. Целью поверки является установление пригодности СИ к применению.

Соподчинение СИ, участвующих в передаче размера единицы от эталона к РСИ, устанавливается в поверочных схемах СИ.

Госстандарт России располагает самой современ­ной эталонной базой. Она входит в тройку самых со­вершенных наряду с базами США и Японии. Эталон­ная база в дальнейшем будет развиваться в количест­венном и главным образом в качественном отноше­нии. Перспективно создание многофункциональных эталонов, т.е. эталонов, воспроизводящих на единой конструктивной и метрологической основе не одну, а несколько единиц физических величин или одну единицу, но в широком диапазоне измерений. Так, метрологические институты страны создают единый эталон времени, частоты и длины, который позволит, кстати, уменьшить погрешность воспроизведения единицы длины до 10-п.

Многообразие СИ обусловливает необходимость применения специальных мер по обеспечению един­ства измерений. Как указывалось выше, одно из ус­ловий соблюдения единства измерений — установле­ние для СИ определенных (нормированных) метро­логических характеристик.