Общие сведения о средствах измерения
Средство измерения (СИ) – это техническое средство, предназначенное для измерений, имеющее нормированные метрологические характеристики, воспроизводящее и/или хранящее единицу ФВ, размер которой принимается неизменным (в пределах установленной погрешности) в течение известного интервала времени. Под метрологическими характеристиками (MX) понимают такие характеристики СИ, которые позволяют судить об их пригодности для измерений в известном диапазоне с известной точностью. В отличие от СИ приборы или вещества, не имеющие
нормированных MX, называют индикаторами. СИ – это техническая основа метрологического обеспечения.
Меры – это СИ, воспроизводящие или хранящие физическую величину заданного размера. Меры могут быть однозначными, воспроизводящими одно значение физической величины (гиря, калибр на заданный размер, образцы твердости, шероховатости, катушка сопротивления, нормальный элемент, воспроизводящий значение ЭДС), и многозначными – для воспроизведения плавно или дискретно ряда значений одной и той же физической величины (измерительный конденсатор переменной емкости, набор конечных мер, магазин емкостей, индуктивности и сопротивления, измерительные линейки).
Измерительные преобразователи – СИ, предназначенные для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и хранения, но не доступной для непосредственного восприятия наблюдателем. Это термопары, измерительные трансформаторы и I усилители, преобразователи давления. По месту, занимаемому в измерительной цепи, они делятся на первичные, промежуточные и т. п. Конструктивно они выполняются либо отдельными блоками, либо составной частью СИ.
Измерительный прибор – СИ, предназначенное для переработки сигнала измерительной информации в другие, доступные для непосредственного восприятия наблюдателем формы. Различают приборы прямого действия (амперметры, вольтметры, манометры) и приборы сравнения (компараторы).
Измерительная установка – совокупность функционально объединенных СИ и вспомогательных устройств, расположенных в одном месте. Например, поверочные установки, установки для испытания электротехнических, магнитных и других материалов.
Измерительная система – это комплекс СИ и вспомогательных устройств с компонентами связи (проводные, телевизионные и др.), предназначенный для выработки сигналов измерительной информации в форме, удобной для автоматической обработки, передачи и/или использования в автоматических системах управления.
Для оценки пригодности СИ к измерениям в известном диапазоне с известной точностью вводят метрологические характеристики средств измерений:
Диапазон измерений – область значений измеряемой величины, для которой нормированы допускаемые пределы погрешности СИ (для преобразователей – это диапазон преобразования).
Предел измерения - наибольшее или наименьшее значение диапазона измерения. Для мер — это номинальное значение воспроизводимой величины.
Например, у шкалы на рис. 3.2 начальный участок (-20%) сжат, потому производить отсчеты на нем неудобно. Тогда предел измерения по шкале составляет 50 ед., а диапазон – 10...50 ед.
Цена деления шкалы – разность значений величин, соответствующих двум соседним отметкам шкалы. Приборы с равномерной шкалой имеют постоянную цену деления, а с неравномерной – переменную. В этом случае нормируется минимальная цена деления.
Чувствительность – отношение изменения сигнала ∆у на выходе СИ к вызвавшему это изменение изменению ∆х сигнала на входе:
Чувствительность нельзя отождествлять с порогом чувствительности – наименьшим значением измеряемой величины, вызывающим заметное изменение показаний прибора. Величину, обратную чувствительности, называют постоянной прибора C = l/S. Как правило, выходным сигналом СИ является отсчет (показание) в единицах величины. В этом случае постоянная прибора С равна цене деления. Поэтому для СИ с неравномерной шкалой чувствительность – величина переменная.
Вариация (гистерезис) – разность между показаниями СИ в данной точке диапазона измерения при возрастании и убывании измерений величины и неизменных внешних условиях: Основная MX СИ – погрешность СИ – есть разность между показаниями СИ и истинными (действительными) значениями ФВ.
Все погрешности СИ в зависимости от внешних условий делятся на основные и дополнительные.
Основная погрешность – это погрешность СИ при нормальных условиях эксплуатации. Как правило, нормальными условиями эксплуатации являются: температура 293 ± 5 К или 20 ± 5 °С, относительная влажность воздуха 65±15% при 20 °С, напряжение в сети питания 220 В±10% с частотой 50 Гц±1%, атмосферное давление от 97,4 до 104 кПа, отсутствие электрических и магнитных полей (наводок).
Основная погрешность отдельных однозначных мер задается формулой, определяющей пределы допускаемой абсолютной:
или относительной основной погрешности:
Основная погрешность отдельных многозначных мер выражается такой же формулой, определяющей приведенную погрешность:
При нормировании пределов допускаемой основной погрешности наборов и магазинов мер, одночленные формулы не применяют, поскольку они не отражают имеющей место зависимости абсолютной или относительной погрешности меры от номинального значения воспроизводимой величины. Поэтому для них используют двучленные формулы: для абсолютной погрешности:
относительной основной погрешности:
В рабочих условиях, зачастую отличающихся от нормальных более широким диапазоном влияющих величин, при необходимости нормируется дополнительная погрешность СИ.
В качестве предела допускаемой погрешности выступает наибольшая погрешность, вызываемая изменением влияющей величины, при которой СИ по техническим требованиям может быть допущено к применению. То же самое относится и к дополнительным погрешностям. При этом исходят из следующих положений:
1) Дополнительная погрешность имеет такой же вид, что и основная (абсолютная, относительная и приведенная);
2) Дополнительные погрешности, вызванные различными влияющими факторами, должны нормироваться раздельно.
В общем виде суммарная абсолютная погрешность СИ при влияющих факторах
где ∆0 – основная погрешность СИ; ∆ – дополнительная погрешность, вызванная изменением i-гo влияющего фактора.
Иногда дополнительную погрешность нормируют в виде коэффициента, указывающего, «на сколько» или «во сколько» изменяется погрешность при отклонении номинального значения. Например, указание, что температурная погрешность вольтметра составляет + 1% на 10 °С, означает, что при изменении среды на каждые 10 °С добавляется дополнительная погрешность 1%. Вследствие сложности разделения дополнительных и основных погрешностей поверку СИ выполняют только при нормальных условиях (т. е. дополнительные погрешности исключены).
Систематическая погрешность СИ – это составляющая общей погрешности, которая остается постоянной или закономерно изменяется при многократных измерениях одной и той же величины.
Статические погрешности возникают при измерении постоянных величин после завершения переходных процессов в элементах СИ.
Динамическая погрешность – разность между погрешностями СИ в динамическом режиме и его статической погрешностью.
Абсолютная погрешность – разность между показанием х СИ и действительным
значением хдизмеряемой величины: 
В качестве хд выступает либо номинальное значение (например, меры), либо значение величины, измеренной более точным (не менее чем на порядок, в 10 раз) СИ.
Абсолютная погрешность выражается в единицах измеряемой физической величины и может быть задана:
1) Либо одним числом (линия 1): ∆ = ± а;
2) Либо в виде линейной зависимости (линии 2 и 3): ∆ = ± bх;∆ = ± (а + bх);
3) В виде функции ∆ = f (x) или графика, таблицы.
Поскольку абсолютная погрешность выражается в абсолютных единицах физической величины, то это не дает возможность сравнить СИ и измеряющие разные физические величины.
Выбор вида нормирования погрешности зависит от характера ее изменения по диапазону измерения. Если СИ имеет только аддитивную составляющую (или мульти
пликативной можно пренебречь), то предел допускаемой абсолютной погрешности ∆ = const, а δ будет изменяться по гиперболе. В этом случае удобнее нормировать абсолютную ∆ = ± а или приведенную погрешность ∆ = ± (а/х) = const. В СИ с преобладающей мультипликативной погрешностью удобнее нормировать предел допустимой относительной погрешности ∆ = ± c = constнормирования погрешностей с аддитивной и мультипликативной составляющими принята более сложная зависимость. Действительно, пусть ∆ = ± а = ± (а + bх), тогда
Классы точности СИ.
Классы точности средств измерений – обобщенная характер тика средств измерений, определяемая пределами допускаемых основных и дополнительных погрешностей, а также другими свойствами средств измерений, влияющими на точность, значения которых устанавливаются в стандартах на отдельные виды средств измерений.
Для средств с постоянной аддитивной погрешностью класс точности СИ указывается большой латинской или римской цифрой. Тем дальше – тем грубее (А, В, С – I, II, III).
Для СИ с аддитивной погрешностью и постоянной во всем диапазоне измерений в паспорте может, указывается не абсолютная погрешность, а приведенная погрешность и тогда класс точности указывается по величине приведенной погрешности в % (1,5 - 7=1,5).
Если погрешность носит мультипликативный характер в паспорте указывается абсолютная погрешность ∆. Указывается в % обводится кружком ∆ = δ ∙ х ∙ 100%.
Для средств, у которых действует аддитивная и мультипликативная погрешность класс точности определяется по величине относительной погрешности. Указывается дробью c/d.
с – коэффициент, характеризующий δ в начале шкалы
d – коэффициент, характеризующий δ в конце шкалы
