Методы поверки и калибровки, поверочные схемы
Допускается применение четырех методов поверки и калибровки средств измерений: непосредственное сличение с эталоном, сличение с помощью компаратора, прямые измерения величины, косвенные измерения величины.
Метод непосредственного сличения с эталоном соответствующего разряда поверяемого средства измерений широко применяется для различных средств измерений в таких областях, как электрические и магнитные измерения, для определения электрического напряжения, частоты и силы электрического тока. В основе метода лежит проведение одновременных измерений одной и той же физической величины поверяемым и эталонным приборами. При этом определяют погрешность как разницу показаний поверяемого и эталонного средств измерений, принимая показания эталона за действительное значение величины. Достоинства этого метода заключаются в его простоте, наглядности, возможности применения автоматической поверки, отсутствии потребности в сложном оборудовании.
Метод сличения с помощью компаратора основан на применении прибора сравнения, посредством которого сличаются поверяемое и эталонное средства измерений. Компаратор используется в случае, если невозможно сравнить показания приборов, измеряющих одну и ту же величину, например двух вольтметров. В подобных ситуациях в схему поверки вводится промежуточное звено — компаратор.
Для приведенного примера потребуется потенциометр, который и будет компаратором.
Метод прямых измерений величины эффективен, когда имеется возможность сличить испытуемый прибор с эталонным в определенных пределах измерений. В целом принцип работы этого метода аналогичен принципу работы метода непосредственного сличения, однако методом прямых измерений производится сличение на всех числовых отметках каждого диапазона. Метод прямых измерений величины применяют, например, для поверки или калибровки вольтметров постоянного электрического тока.
Метод косвенных измерений величины используется, когда действительные значения измеряемых величин невозможно определить прямыми измерениями либо если косвенные измерения оказываются более точными, чем прямые. Вначале этим методом находят не искомую характеристику, а другие характеристики, связанные с искомой определенной зависимостью. Искомая характеристика определяется расчетным путем. Например, при поверке и калибровке вольтметра постоянного тока эталонным амперметром устанавливают силу тока, одновременно измеряя сопротивление. Затем расчетное значение напряжения сравнивают с показателями калибруемого или поверяемого вольтметра.
Для обеспечения правильной передачи размеров единиц измерений от эталона к рабочим средствам измерений составляют поверочные схемы, устанавливающие метрологические соподчинения государственного эталона, разрядных эталонов и рабочих средств измерений.
Поверочные схемы разделяют на государственные и локальные. Государственные поверочные схемы распространяются на все средства измерений данного вида, применяемые в стране. Локальные поверочные схемы предназначены для метрологических органов отраслей. Они также распространяются и на средства измерений подчиненных предприятий. Все локальные поверочные схемы должны соответствовать требованиям соподчиненности, которая определена государственной поверочной схемой (рис. 1.3). Государственные поверочные схемы разрабатываются научно-исследовательскими институтами Федерального агентства по механическому регулированию и метрологии, держателями государственных эталонов.
Наивысшая точность обычно соизмерима со степенью погрешности средства измерений государственного эталона. Эталоны 1-4-го разрядов соответствуют методам передачи высшей, высокой, средней и низшей точностей.
В каждой ступени поверочной схемы регламентируется порядок (метод) передачи размера единицы. Наименования методов поверки и калибровки располагаются в овалах, в которых также указывается допустимая погрешность метода поверки и калибровки. Основным показателем достоверности передачи размера единицы величины, является соотношение погрешностей средств измерении между вышестоящей и нижестоящей ступенями поверочной схемы. В идеале это соотношение должно быть 1:10, однако на практике достичь его не удается, и минимально допустимым соотношением принято считать 1:3.
Основные методы измерений
Электроизмерения, так же как и другие виды измерений, базируются на определенных принципах. Под принципом измерений понимается совокупность физических явлений, на которых основаны измерения.
Совокупность приемов использования принципов и средств измерений определяется как метод измерений, являющийся основной характеристикой конкретных измерений. Методы измерений подразделяют на метод непосредственной оценки и метод сравнения.
При методе непосредственной оценки численное значение измеряемой величины определяется непосредственно по показанию измерительного прибора (например, измерение напряжения с помощью вольтметра).
Метод сравнения представляет собой метод измерений, при котором измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой. Это может быть, например, измерение уровня напряжения постоянного тока путем сравнения с ЭДС нормального (эталонного) элемента. Различают следующие разновидности метода сравнения:
Ø нулевой метод — действие измеряемой величины полностью уравновешивается образцовой величиной;
Ø дифференциальный метод — в этом случае измеряется разница между измеряемой и близкой ей по значению известной эталонной величиной (например, измерение электрического сопротивления методом неуравновешенного моста);
Ø метод замещения — действие измеряемой величины замещается (например, с помощью последовательно проводимых во времени действий) образцовой величиной.
Из всех перечисленных методов сравнения нулевой метод обеспечивает наибольшую точность измерений физической величины. К нулевому методу относятся:
Ø компенсационный метод — действие измеряемой величины компенсируется (уравновешивается) образцовой величиной;
Ø мостовой метод — при его использовании достигают нулевого значения тока в измерительной диагонали моста, в которую включается чувствительный индикаторный прибор (обычно нуль-индикатор).
Измерения также можно классифицировать и по другим признакам. Так, по способу преобразования измеряемой величины и форме представления результаты измерений делятся на аналоговые (непрерывные) и цифровые (дискретные).
При осуществлении аналоговых измерений измерительный прибор производит непрерывное преобразование измеряемой величины, результатом которого является перемещение указателя относительной шкалы, луча осциллографа по экрану и т.д. Заключение о численном значении величины делает оператор (наблюдатель), отмечая положение указателя относительно отметок шкалы измерительного прибора. Точность измерения при этом ограничивается геометрическими особенностями указателя и шкалы и обычно не превышает 0,05%.
При цифровых измерениях сравнение измеряемой величины с рядом образцовых значений производится в приборе автоматически, а оператор получает численное значение измеренной величины в цифровой форме. В этом случае все показатели зависят от точности сравнения в приборе и исключаются субъективные ошибки оператора. Современные цифровые приборы, как правило, обеспечивают более высокую точность, чем аналоговые.
По характеру изменения измеряемой величины во времени различают статический и динамический режимы измерений.
Статический режим измерений представляет собой режим измерений, при котором средство измерений работает в статическом режиме, т.е. когда выходной сигнал остается неизменным в течение времени его использования (или меняется так медленно, что каждый результат измерений может быть выражен только одним числом).
Динамический режим измерений — это режим измерений, результатом которого является функциональная зависимость измеряемой величины от времени, т.е. в этом случае выходной сигнал средства измерений изменяется во времени в соответствии с изменением во времени измеряемой величины.
Согласно методу и свойствам применяемых средств измерений все рассмотренные ранее виды измерений могут выполняться либо с однократными, либо с многократными наблюдениями. Наблюдением при измерении (измерительным наблюдением) называется единичная экспериментальная операция, итогом которой является результат наблюдения. Он всегда имеет случайный характер и представляет собой одно из значений измеряемой величины.