6.4. Засоби вимірювання в експериментальних дослідженнях. Якість вимірювання

Невідємною частиною експериментальних досліджень є засоби вимірювання  сукупність технічних засобів, що дають необхідну інформацію для експерименту. Основні групи приладів призначені для вимірювання наступних показників: фізичних, механічних, хімічних властивостей, структури металів та виробу. Виділяють засоби для безпосереднього (прямого) вимірювання та непрямого (ультразвукові дефектоскопи, що дозволяють оцінити міцність матеріалу по швидкості проходження ультразвуку).

До засобів вимірювання відносять вимірювальний інструмент, вимірювальні прилади і установки. Вимірювальні засоби поділяють на зразкові та технічні. Зразкові засоби є еталонами і призначені для перевірки технічних (робочих) засобів. Зразкові засоби не обовязково повинні бути більш точними від робочих, еле вони повинні мати велику стабільність і надійність у відтворенні. Їх не використовують для робочих вимірювань. З метою підвищення точності та чутливості вимірювань, а також розширення діапазону, додатково використовують вимірювальні перетворювачі.

Вимірювальний прилад  засіб вимірювання, призначений для отримання певної інформації про величину, яку вивчають, в зручній для експериментатора формі. Прилади складаються із двох основних вузлів: вузла, який приймає сигнал і вузла, що його перетворює.

Прилади класифікують за різними ознаками. За способом відліку значень вимірюваної величини їх поділяють на ті, що показують, і ті, що регіструють. Найбільшого поширення отримали показуючі аналогові прилади, пристрої відліку яких складаються із шкали і покажчика. Дані прилади дають покази без додаткових операцій експериментатора. Але вони мають більші похибки, ніж у цифрових, які є більш зручними та перспективними і мають меншу похибку.

Регіструючі прилади бувають самопишучими та друкуючими. Самопишучі прилади  термограф, шлейфовий осцилограф  видають графік вимірювань. Друкуючі прилади видають вимірювання у вигляді цифр на стрічці. Прилади також класифікують за точністю вимірювання, стабільністю показів, чутливістю, межами вимірювання і т.д.

Вимірювальна установка (стенд)  система, що складається із основних та додаткових засобів вимірювання і призначена для вимірюваня одного складного або кількох параметрів. Установки включають різноманітні прилади і перетворювачі. Перетворювачі є масштабні (трансформатори, електропідсилювачі) і такі, що змінюють фізичну суть сигналу (електромеханічний перетворювач).

Вимірювальні прилади характеризуються похибкою, точністю, стабільністю вимірювання і чутливістю.

Похибки приладів.

Абсолютна похибка дорівнює: b =  (х_і  х_д), де х_і  покази приладу (номінальне значення); х_д  дійсне значеня. Причини виникнення похибок: недоброякісні матеріали та комплектуючі, що використані при виготовленні приладу; погана якість виготовлення; погана експлуатація і ін. Суттєвий вплив мають: градуювання шкали та періодична перевірка. Крім цих систематичних похибок виникають випадкові, і тому при вимірюванні враховують сумарні похибки.

Відносна похибка: b_відн= (х_і  х_д)/х_д. Інколи застосовують поняття приведеної похибки b_пр= (х_і  х_д)/х_пр, де х_пр  будь-яке значення шкали вимірювального пристрою (діапазон вимірювання), довжина шкали і ін.

Сумарні похибки, встановлені при визначених умовах (температурі, вологості, тиску) називають основними похибками приладу.

Діапазон вимірювання  та частина діапазону показів приладу, для якої встановлені похибки приладу. Якщо шкала вимірювання встановлена від 0 до N, то в характеристиці на прилад діапазон вказують в межах: 0N. Різниця між максимальним показом приладу і мінімальним  це розмах. Якщо ця величина є непостійною, тобто якщо при зворотньому ході є збільшення або зменшення ходу, то цю різницю називають варіацією показів . Іншою характеристикою приладу є його чутливість  здатність реагувати на зміни вимірювальної величини. Порогом чутливості називають найменше значення вимірюваної величини, що викликає зміну показу приладу, яку можна ним зафіксувати.

Точність приладу  основна його характеристика і характеризується сумарною похибкою. Засоби вимірювання поділяють на класи точності залежно від допустимих похибок. Способи позначення класів точності приладів різні. Клас точності приладу (1-й  найвищий, 4-й  найнижчий) означає допустиму, сумарну, відносну похибку від верхньої межі вимірювання. Так, якщо клас приладу рівний 1, то допустима відносна похибка рівна  1%.

Стабільність  це властивість відлікового пристрою забезпечити постійність показів однієї і тієї ж величини. Вона визначається варіацією показів. Тому при встановленні стабільності нормують допустиму варіацію ₁.

На всі прилади тією або іншою мірою діє магнітне поле Землі. Тому ряд електровимірювальних приладів повинні бути захищені. Схеми захисту бувають І та ІІ категорій.

Перевірка засобів вимірювання передбачає визначення і, по можливості, зменшення похибок приладів. Визначення похибок дозволяє установити, чи відповідає даний прилад регламентованій степені точності і чи може бути застосованим для даних вимірювань.

При перевірці засобів вимірювання визначають і встановлюють, чи не виходять їх похибки за межі допустимих значень. Перевірку виконують на різних рівнях  від спеціальних державних організацій до низових ланок. Державні метрологічні інститути і лабораторії по нагляду за стандартами і вимірювальною технікою виконують державний контроль із забезпечення в країні єдності міри. На високоточні вимірювальні засоби державні метрологічні оранізації видають спеціальне свідоцтво, в якому після перевірки взазують номінальні значення вимірюваної величини, клас точності, граничну допустиму похибку, результати перевірок похибок у вигляді таблиць, варіацію вимірювань. Для приладів меншої точності свідоцтва не видають, а замінюють його вказівкою, що прилад задовільняє вимоги стандарту або інструкції. Замість інструкції на прилад наносять клеймо перевірки.

Регулювання приладу  операції для зниження систематичних похибок до величини, що є меншою за допустиму похибку. Вимірювальні прилади оснащені двома вузлами для регулювання нуля і чутливості. Часто виникають систематичні похибки, які лінійно збільшуються або зменшуються із зміною вимірюваної величини. Такі похибки усувають за допомогою регулювання вузла чутливості.

Градуювання  нанесення міток на шкалу відлікового пристрою. Якщо шкала рівномірна, то градуювання не є складним процесом. При градуюванні нелінійних шкал попередньо регулюють прилад і наносять на циферблат поділки, що відповідають відомим значенням вимірювальної величини.

При виборі засобів вимірювання необхідно максимально використовувати стандартну апаратуру, інформацію про яку можна знайти у спеціальних щорічних довідниках-каталогах.