Классификация и характеристика средств измерений

ВОПРОС 2

 КЛАССИФИКАЦИЯ  И 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 кале 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:

· конструктивное исполнение;

· метрологическое назначение.

   По конструктивному исполнению СИ подразделяют:

1. на меры,

2. измерительные преобразователи;

3. измерительные приборы,

4. измерительные установки,

5. измерительные системы,

6. технические системы  и устройства с измерительными  функциями.

     Меры 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 обраец 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.

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.

       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), цифроаналоговые (ЦАП), аналого-цифровые (АЦП) преобразователи. По месту в измерительной цепи различают первичные (ИП, на который непосредственно воздействует измеряемая физическая величина) и промежуточные (ИП, занимающий 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 установленном диапазоне. Прибор, как правило, содержит устройство для преобразования измеряемой величины и ее индикации в форме, наиболее доступной для восприятии. Во многих случаях устройство для индикации имеет шкалу) со стрелкой или другим устройством, диаграмму с пером или цифроуказатель, с помощью которых может быть произведен отсчет или регистрация значений физический 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 или, например, измерительный прибор, сопряженный с ЭВМ, дисплеем и устройством для печатания показаний).

       Измерительная установка -- совокупность функционально объединенных элементов -- мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей и других устройств, предназначенных для измерения 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 элементов -- 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.

      Технические системы и устройства с измерительными функциями -- технические системы и устройства, которые наряду с основными выполняют и измерительные функции. Они имеют один или несколько измерительных каналов.

      Примерами таких систем являются игровые автоматы, диагностическое оборудование.

     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 бования:

· к лабораторным -- повышенная точность и чувствительность;

· к производственным -- повышенная стойкость к ударно-вибрационным нагрузкам, высоким и низким температурам;

· к полевым -- повышенная стабильность в углов резкого перепада температур, высокой влажности.

     Эталоны являются высокоточными СИ, а поэтому пользуются 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 .

    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.       Если технический уровень первичных эталонов в России агодаря успехам науки и энтузиазму ученых можно оценить как вполне удовлетворительный, то состояние парка СИ, находящихся в практическом обращении, прежде всего рабочих эталонов и РСИ, внушает тревогу. Если в 1980-х гг. к обновления отечественной измерительной техники, как правило, составлял пять-шесть лет (для сравнения: в США и Японии -- не более трех лет), то наблюдаемый сейчас регресс в области отечественного приборостроения еще больше увеличил сроки обновления рабочих эталонов и РСИ, что ведет значительному старению измерительной техники .

    Другой проблемой отечественных производителей СИ является высокая стоимость их разработок в сравнении с зарубежными фирмами. Для преодоления традиционного отстаивания необходимо также в отечественных приборах предусматривать: высокую степень автоматизации на базе микропроцессорной технологии, быстродействие, высокую надежность, пониженные массу, габариты и энергопотребление, высокий уровень эстетики и эргономики.

     Многообразие СИ обусловливает необходимость применения специальных мер по обеспечению единства измерений.

ВОПРОС 3

МЕТРОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАТЕРИСТИКИ СРЕДСВ ИЗМЕРЕНИЙ

 

     Метрологические характеристики, устанавливаемые нормативным документом, называют нормируемыми метрологическими характеристиками.

     К основным метрологическим характеристикам, определяющим свойства первой группы, относятся диапазон измерений и порог чувствительности.

     Диапазон измерений -- область значений величины, в пределах которых нормированы допускаемые пределы погрешности. Значения величины, ограничивающие диапазон измерений снизу или сверху (слева и справа), называют соответственно нижним или верхним пределом измерений.

     Порог чувствительности -- наименьшее изменение измеряемой величины, которое вызывает заметное изменение выходного сигнала. Например, если порог чувствительности весов равен 10 мг, то это означает, что заметное перемещение стрелки весов достигается при таком малом изменении массы, как 10 мг.

     К метрологическим характеристикам, определяю точность относятся погрешности СИ.

     Погрешность средства измерений - это разность между показаниями СИ и действительным значением измеряемой величины. Поскольку истинное значение физической величины неизвестно, то на практике пользуются ее действительным значением. Для рабочего СИ за действительное значение принимают показания рабочего эталона низшего разряда (допустим, 4-го), для эталона 4-го разряда, в свою очередь, -- значение величины, полученное с помощью рабочего эталона 3-го разряда. Таким образом, за базу для сравнения принимают значение СИ, которое является в поверочной схеме вышестоящим по отношению к подчиненному СИ, подлежащему поверке:

?Х_п = Х_п - Х₀ (3)

где ?Х_п -- погрешность поверяемого СИ; Х_п -- значение той же самой величины, найденное с помощью поверяемого СИ; Х₀ -- значение СИ, принятое за базу для сравнения, т.е. действительное значение.

     Погрешности СИ могут быть классифицированы по ряду признаков, в частности: