1.4 Общие сведения о средствах измерений

Средство измерения — это техническое устройство, хранящее или воспроиводящее единицу величины, используемое при измерени­ях и имеющее нормированные метрологические свойства.

При помощи средств измерения физическая величина может быть не только обнаружена, но и измерена.

Средства измерения классифицируются по следующим критериям:

• по способам конструктивной реализации;

• по метрологическому предназначению.

По способам конструктивной реализации средства измерения делятся на:

• меры величины;

• измерительные преобразователи;

• измерительные приборы;

• измерительные установки;

• измерительные системы.

Меры величины – это средства измерения определенного фиксированного размера, многократно используемые для измерения. Выделяют:

• однозначные меры;

• многозначные меры;

• наборы мер.

Некоторое количество мер, технически представляющее собой единое устройство, в рамках которого возможно по—разному комбинировать имеющиеся меры, называют магазином мер.

Объект измерения сравнивается с мерой посредством компараторов (технических приспособлений). Например, компаратором являются рычажные весы.

К однозначным мерам принадлежат и стандартные образцы (СО). Различают два вида стандартных образцов:

• стандартные образцы состава;

• стандартные образцы свойств.

Стандартный образец состава или материала – это образец с фиксированными значениями величин, количественно отражающих содержание в веществе или материале всех его составных частей. Например, сталь марки Ст45.

Стандартный образец свойств вещества или материала – это образец с фиксированными значениями величин, отражающих свойства вещества или материала. Например, образцы твердости, шероховатости, белой поверхности

Каждый стандартный образец в обязательном порядке должен пройти метрологическую аттестацию в органах метрологической службы, прежде чем начнет использоваться.

Стандартные образцы могут применяться на разных уровнях и в разных сферах. Выделяют:

• межгосударственные СО;

• государственные СО;

• отраслевые СО;

• СО организации (предприятия).

Измерительные преобразователи (ИП) – это средства измерения, выражающие измеряемую величину через другую величину или преобразующие ее в сигнал измерительной информации, который в дальнейшем можно обрабатывать, преобразовывать и хранить.

Преобразуемая величина называется входной, а результат преобразования — выходной величиной. Соотношение между ними задается функцией преобра­зования (статической характеристикой). Если в результате преобразования физическая природа величины не изменяется, а функция преобразования яв­ляется линейной, то преобразователь называется масштабным, или усилите­лем (усилители напряжения, измерительные микроскопы, электронные уси­лители). Слово «усилитель» обычно употребляется с определением, которое приписывается ему в зависимости от рода преобразуемой величины (усили­тель напряжения, гидравлический усилитель) или от вида единичных преоб­разований, происходящих в нем (ламповый усилитель, струйный усилитель).

В тех случаях, когда в преобразователе входная величина превращается в дру­гую по физической природе величину, он получает название по видам этих величин (электромеханический, пневмоемкостный и так далее).

По назначению ИП делятся на преобразователи механических, тепловых, химических, магнитных, биологических и других физических величин.

В зависимости от того явления, которое используется для преобразования неэлектрической величины в электрическую преобразователи делятся на три группы:

-Электромеханические (контактные, реостатные, тензометрические, электростатические, электромагнитные);

-Тепловые и электрохимические (термоэлектрические, термосопротивления, электрохимические);

- Электронные и ионизационные (электронные, ионные, ионизационные).

Обязательными свойствами измерительного преобразователя являются нормированные метрологические свойства и вхождение в цепь измерения. Преобразователи поверяются.

Измерительный прибор – это средство измерения, посредством которого получается значение физической величины, принадлежащее фиксированному диапазону. В конструкции прибора обычно присутствует устройство, преобразующее измеряемую величину с ее индикациями в оптимально удобную для понимания форму. Для вывода измерительной информации в конструкции прибора используется, например, шкала со стрелкой или цифроуказатель, посредством которых и осуществляется регистрация значения измеряемой величины. В некоторых случаях измерительный прибор синхронизируют с компьютером, и тогда вывод измерительной информации производится на дисплей.

В соответствии с методом определения значения измеряемой величины выделяют:

• измерительные приборы прямого действия;

• измерительные приборы сравнения.

Измерительные приборы прямого действия – это приборы, посредством которых можно получить значение измеряемой величины непосредственно на отсчетном устройстве.

Измерительный прибор сравнения – это прибор, посредством которого значение измеряемой величины получается при помощи сравнения с известной величиной, соответствующей ее мере.

Измерительные приборы могут осуществлять индикацию измеряемой величины по-разному. Выделяют:

• показывающие (аналоговые и цифровые) измерительные приборы;

• регистрирующие измерительные приборы.

Разница между ними в том, что с помощью показывающего измерительного прибора можно только считывать значения измеряемой величины, а конструкция регистрирующего измерительного прибора позволяет еще и фиксировать результаты измерения, например посредством диаграммы или нанесения на какой-либо носитель информации.

Наибольшее распространение получили аналоговые приборы, отсчетные уст­ройства которых состоят из двух элементов — шкалы и указателя, причем один из них связан с подвижной системой прибора, а другой — с корпусом. В цифровых приборах отсчет осуществляется с помощью механических, электронных или других цифровых отсчетных устройств.

Отсчетное устройство – конструктивно обособленная часть средства измерений, которая предназначена для отсчета показаний. Отсчетное устройство может быть представлено шкалой, указателем, дисплеем и др. Отсчетные устройства делятся на:

• шкальные отсчетные устройства;

• цифровые отсчетные устройства;

• регистрирующие отсчетные устройства.

Шкальные отсчетные устройства включают в себя шкалу и указатель.

Шкала – это система отметок и соответствующих им последовательных числовых значений измеряемой величины. Главные характеристики шкалы:

• количество делений на шкале;

• длина деления;

• цена деления;

• диапазон показаний;

• диапазон измерений;

• пределы измерений.

Деление шкалы – это расстояние от одной отметки шкалы до соседней отметки.

Длина деления – это расстояние от одной осевой до следующей по воображаемой линии, которая проходит через центры самых маленьких отметок данной шкалы.

Цена деления шкалы – это разность между значениями двух соседних значений на данной шкале.

Диапазон показаний шкалы – это область значений шкалы, нижней границей которой является начальное значение данной шкалы, а верхней – конечное значение данной шкалы.

Диапазон измерений – это область значений величин в пределах которой установлена нормированная предельно допустимая погрешность.

Пределы измерений – это минимальное и максимальное значение диапазона измерений.

Измерительная установка – это средство измерения, представляющее собой комплекс мер, измерительных преобразователей, измерительных приборов и прочее, выполняющих схожие функции, используемые для измерения фиксированного количества физических величин и собранные в одном месте. В случае, если измерительная установка используется для испытаний изделий, она является испытательным стендом.

Измерительная система – это средство измерения, представляющее собой объединение мер, измерительных преобразователей, измерительных приборов и прочее, выполняющих схожие функции, находящихся в разных частях определенного пространства и предназначенных для измерения определенного числа физических величин в данном пространстве.

По метрологическому предназначению средства измерения делятся на:

• рабочие средства измерения;

• эталоны.

Рабочие средства измерения (РСИ) – это средства измерения, используемые для осуществления технических измерений. Рабочие средства измерения могут использоваться в разных условиях. Выделяют:

• лабораторные средства измерения, которые применяются при проведении научных исследований;

• производственные средства измерения, которые применяются при осуществлении контроля над протеканием различных технологических процессов и качеством продукции;

• полевые средства измерения, которые применяются в процессе эксплуатации самолетов, автомобилей и других технических устройств.

К каждому отдельному виду рабочих средств измерения предъявляются определенные требования. Требования к лабораторным рабочим средствам измерения – это высокая степень точности и чувствительности, к производственным РСИ – высокая степень устойчивости к вибрациям, ударам, перепадам температуры, к полевым РСИ – устойчивость и исправная работа в различных температурных условиях, устойчивость к высокому уровню влажности.

Эталоны – это средства измерения с высокой степенью точности, применяющиеся в метрологических исследованиях для передачи сведений о размере единицы. Более точные средства измерения передают сведения о размере единицы и так далее, таким образом образуется своеобразная цепочка, в каждом следующем звене которой точность этих сведений чуть меньше, чем в предыдущем.

Сведения о размере единицы предаются во время проверки средств измерения. Проверка средств измерения осуществляется с целью утверждения их пригодности.

Технические устройства, предназначенные только лишь для обнаружения (индикации) физи­ческих свойств, называются индикаторами. С помощью индикаторов устанавливается только наличие или отсутствия измеряемой фи­зической величины, пусть даже и в некотором диапазоне. В качестве примера индикатора можно привести указатель количества бензина в бензобаке автомо­биля. Индикаторы не имеют нормированных метрологических характеристик и поэтому не подвергаются поверке.

Метрологические показатели средств измерений

При выборе средства измерения в зависимости от заданной точности необходимо учитывать их метрологические показатели. К ним отно­сятся:

• Длина деления

• Цена деления

• Градуировочная характеристика — зависимость между значениями величин на выходе и входе средства измерений.

• Диапазон показаний

• Диапазон измерений

• Чувствительность прибора — отношение изменения сигнала на выходе изме­рительного прибора к изменению измеряемой величины (сигнала) на входе. Так, если изменение измеряемой величины составило Δd = 0,01 мм, что вы­звало перемещение стрелки показывающего устройства на Δl= 10 мм, то абсо­лютная чувствительность прибора составляет S = Δl / Δd = 10/0,01 = 1000. Для шкальных измерительных приборов абсолютная чувствительность чис­ленно равна передаточному отношению.

• Вариация (нестабильность) показаний прибора — алгебраическая разность между наибольшим и наименьшим результатами измерений при многократ­ном измерении одной и той же величины в неизменных условиях.

• Стабильность средства измерений — свойство, выражающее неизменность во времени его метрологических характеристик (показаний).

Метрологические характеристики средств измерений

Все средства измерений независимо от их исполнения имеют ряд общих свойств, необходимых для выполнения ими функционального назначения. Технические характеристики, описывающие эти свойства и оказывающие влияние на резуль­таты и погрешности измерений, называются метрологическими характеристи­ками средств измерений.

В зависимости от специфики и назначения средств измерений нормируются раз­личные наборы или комплексы метрологических характеристик. Однако эти комплексы должны быть достаточны для учета свойств средств измерений при оценке погрешностей измерений.

Набор метрологических характеристик, входящие в установленный комплекс, выбирают такими образом, чтобы обеспечить возможность их контроля при при­емлемых затратах. В эксплуатационной документации на средства измерений указывают рекомендуемые методы расчета инструментальной составляющей по­грешности измерений при использовании средств измерения данного типа в ре­альных условиях применения.

По ГОСТ 8.009 «ГСИ. Нормируемые метрологические характеристики средств измерений» предусмотрена следующая номенклатура метрологических характе­ристик:

1. Характеристики, предназначенные для определения результатов измерений (без введения поправок):

2. Характеристики погрешностей средств

3. Характеристики чувствительности средств измерений

4. Динамические

Нормы на отдельные метрологические характеристики приводятся в эксплуата­ционной документации (паспорте, техническом описании, инструкции по экс­плуатации и т. д.) в виде номинальных значений, коэффициентов функций, заданных формулами, таблицами или графиками пределов допускаемых откло­нений от номинальных значений функций.

В ГОСТ 8.009 приведены способы нормирования рассмотренных выше мет­рологических характеристик.

Классы точности средств измерений

Учет всех нормируемых метрологических характеристик средств измерений яв­ляется сложной и трудоемкой процедурой. На практике такая точность не нуж­на. Поэтому для средств измерений, используемых в повседневной практике, принято деление на классы точности, которые дают их обобщенную метрологи­ческую характеристику.

Класс точности – это обобщенная характеристика средств измерений, определяемая пределами допускаемых основных и дополнительных погрешностей, а также рядом других свойств, влияющих на точность осуществляемых с их помощью измерений. Классы точности регламентируются стандартами на отдельные виды средств измерения с использованием метрологических характеристик и способов их нормирования, изложенных в предыдущих главах. Требования к метрологическим характеристикам устанавливаются в стандартах на средства измерений конкретного типа.

Стандарт не распространяется на средства измерений, для которых предусматриваются раздельные нормы на систематическую и случайные составляющие, а также на средства измерений, для которых нормированы номинальные функции влияния, а измерения проводятся без введения поправок на влияющие величины. Классы точности не устанавливаются и на средства измерений, для которых существенное значение имеет динамическая погрешность. Классы точности присваиваются средствам измерений с учетом результатов го­сударственных приемочных испытаний.

Для остальных средств измерений обозначение классов точности вводится в зависимости от способов задания пределов допускаемой основной погрешности.

Погрешность средства измерений— это разность между показанием прибора и истинным (действительным) значением измеряемой величины.

Погрешность может быть абсолютной, относительной и приведенной.

Абсолютной называют погрешность измерения, выраженную в тех же единицах, что и измеряемая величина. Например, 0,4 В, 2,5 мкм и т. д. Абсолютная погреш­ность

где А ~ результат измерения;

Х_ист — истинное значение измеряемой величины; Х_Д — действительное значение измеряемой величины.

Однако, абсолютная погрешность малоинформативна, т.к. судить о точности измерения можно лишь сопоставив ее с самим результатом измерения.

Относительная погрешность измерения представляет собой отношение абсо­лютной погрешности измерения к истинному (действительному) значению из­меряемой величины и выражается в процентах или долях измеряемой величины:

Сравнивая относительные погрешности измерений можно уже судить о точности этих измерений. Однако, около нулевой отметки шкалы относительная погрешность также неудобна.

Приведенной погрешностью называется отношение абсолютной погрешности измерения к некоторому нормирующему значению шкалы. Нормирующее значение шкалы выбирается в зависимости от положения нулевой отметки шкалы и от некоторых особенностей прибора.

Нормирующее значение определяется следующим образом:

• для средств измерений, для которых утверждено номинальное значение, это номинальное значение принимается за нормирующее значение;

• для средств измерений, у которых нулевое значение располагается на краю шкалы измерения или вне шкалы, нормирующее значение принимается равным конечному значению из диапазона измерений. Исключением являются средства измерений с существенно неравномерной шкалой измерения;

• для средств измерений, у которых нулевая отметка располагается внутри диапазона измерений, нормирующее значение принимается равным сумме конечных численных значений диапазона измерений;

• для средств измерения (измерительных приборов), у которых шкала неравномерна, нормирующее значение принимается равным целой длине шкалы измерения или длине той ее части, которая соответствует диапазону измерения. Абсолютная погрешность тогда выражается в единицах длины.

Обозначения классов точности наносятся на циферблаты, щитки и корпуса средств измерений, приводятся в нормативно-технических документах. Классы точности могут обозначаться буквами (например, М, С и т. д.) или римскими цифрами (I, II, III и т. д.) в случае если значение погрешности Δ и измеряемой величины Х выражены одновременно либо в единицах измерения или в делениях шкалы. Чем меньше пределы допускаемой погрешности, тем ближе к началу алфавита должна быть буква и тем меньше цифра.

Обозначение классов точности по ГОСТ 8.401-80 может сопровождаться дополнительными условными знаками:

□ 0,5, 1,6, 2,5 и т. д. — для приборов, приведенная погрешность γ = Δ/Х_N кото­рых составляет 0,5, 1,6, 2,5% от нормирующего значения Х_N (Δ — пределы допустимой абсолютной погрешности).

□ — то же, что и в предыдущем случае, но при Х_N равным длине шкалы или ее части;

□

- д_ЛЯ приборов, у которых относительная погрешность δ = = Δ /х составляет 0,1, 0,4, 1,0% непосредственно от полученного значения из­меряемой величины х;

□ 0,02/0,01 — для приборов, у которых измеряемая величина не может отличать­ся от значения х, показанного указателем, больше, чем на [С + d (‌ IХ_к/хI - 1)]%, где С и d — числитель и знаменатель соответственно в обозначении класса точности; Х_к - больший (по модулю) из пределов измерений прибора. При­меры обозначения классов точности приведены на рисунке

Лицевые панели приборов: а) вольтметра класса точности 0,5; б) амперметра класса точности 1,5; в) амперметра класса точности 0,02/0,01; г) мегомметра класса точности (2,5) с неравномерной шкалой

Исходя из вышеприведенных формул, зная класс точности, можно вычислить погрешность измерительного прибора.

Выбор средств измерений по точности по известным условиям их применения и требуемой точности измерений (эта задача является обратной по отношению к задаче определения погрешности измерений).

Любой измеряемый параметр может быть измерен измерительным прибором с гарантией точности измерений, если погрешность прибора (она не может быть больше, чем, цена деления прибора, а при отсутствии информации приравнивается к ней) в 3 раза (в обоснованных случаях – в 2 раза) меньше допуска измеряемого параметра. Величина допуска вычисляется как разность максимального и минимального значений параметра.

Пример:

Требуется контролировать температуру 20±3⁰ С. Предложены термометры :

1. диапазон 0-50 градусов Цельсия, класс точности 1,0, ц.деления 0,5 и

2. диапазон 0-300 градусов Цельсия, класс точности 1,0, ц.деления 1

Решение

Вычислив по формуле абсолютную допускаемую погрешность, приходим к выводу, что у термометра1 она составляет ±0,5 градусов Цельсия, а у термометра 2 - ±3 градусов Цельсия.

Допуск равен 6 градусам Цельсия, следовательно, погрешность измерения не должна превышать 2-х градусов.

Этому условию соответствует термометр 1.

.