МЕТОДЫ ПЕРЕДАЧИ РАЗМЕРА ЕДИНИЦЫ ФИЗИЧЕСКОЙ ВЕЛИЧИНЫ
При передаче размера единицы физической величины используют всю совокупность приемов сравнения измеряемой физической величины с её единицей в соответствии с реализованным принципом измерений. Однако в связи с разнообразием методов и средств измерений имеются свои особенности, например, для аналоговых средств измерений следующие:
1. Метод непосредственного сличения поверяемого средства измерений с эталоном соответствующего разряда, без использования компаратора (прибора сравнения). Основой метода является проведение одновременных измерений одного и того же значения физической величины поверяемым и эталонным средствами измерений.
При поверке с помощью данного метода устанавливают некоторое значение величины « х »исравнивают результаты измерения (показания) этой величины с поверяемым « хп » и эталонными « хэ» средствами измерений. Показания эталона рассматривают как действительные значения величины. Тогда абсолютная погрешность при поверке (калибровке) при значении величины « х »будет D = хп– хэ .
Этот метод для аналоговых средств измерений может быть реализован двумя способами:
1) указатель поверяемого средства измерений (рис. 10, а) путем изменения входного сигнала совмещают с поверяемой отметкой шкалы, а погрешность определяют отсчитыванием разности показаний по шкале эталона (рис. 10, б);
2) указатель эталона (рис. 11, б) путем изменения входного сигнала совмещают с поверяемой отметкой шкалы, а погрешность определяют отсчитыванием разности показаний по шкале поверяемого средства измерений (рис. 11, а).
Рис. 10. Сличение при установке поверяемой отметки шкалы на поверяемом приборе
Рис. 11. Сличение при установке поверяемой отметки шкалы на эталонном приборе
Первый способ удобен тем, что дает возможность точно определить погрешность по эталонному прибору, шкала которого обычно имеет большее число делений, а отсчетное устройство практически исключает появление погрешности отсчета вследствие параллакса. Второй способ удобен при автоматической поверке, так как позволяет поверять одновременно несколько средств измерений с помощью одного эталонного.
К недостаткам второго способа относятся: нелинейность шкал аналоговых поверяемых приборов и неточность нанесения промежуточных делений. Но это не относится к цифровым приборам, которым несвойственна погрешность отсчета. При их поверке второй способ дает такую же точность, как и первый.
К достоинству метода непосредственных сличений относится простота, наглядность, возможность применения автоматической поверки, отсутствие необходимости применения сложного оборудования.
Метод широко используется, однако следует иметь в виду, что при распространении данного метода на другие виды измерений возможны особенности, вызванные физическими свойствами измеряемых веществ. Приведем характерный пример из расходометрии.
Поверка и градуировка ротаметров на поверочных установках (рис. 12), имеющих в своем составе ротаметр повышенной точности, принятый в качестве рабочего эталона, имеет свои особенности.
Схема поверки, как и рассмотренный способ (рис. 10 и 11), может быть двух видов (см. рис.12).
Рис. 12 Схема поверки ротаметров методом сличения
1 – эталонный ротаметр, 2 – поверяемый ротаметр, 3 – термометр, 4 – манометр, 5 – регулятор расхода
В случае использования в качестве поверочной среды несжимаемой жидкости (воды) все действия аналогичны предыдущему случаю. При поверки газовых ротаметров положение меняется – начинает сказываться свойство сжимаемости измеряемой среды (газа, воздуха). В этом случае схема поверки ротаметров различается в зависимости от последовательности подключения поверяемого ротаметра и ротаметра - рабочего эталона.
Наиболее распространенной является схема 1, когда эталонный ротаметр подключается по потоку раньше поверяемого, - в этом случае создаются более благоприятные условия для эталонного ротаметра.
Рассмотрим, каковы будут показания ротаметров при поверке в зависимости от схемы включения . Для удобства изложения будем считать температуру проверяемой среды постоянной и равной Т = 293,15 К (t = 20 °С), тогда выражения для объемного расхода будут следующие:
,
,
,
,
где индексы относятся: "н"- к нормальным условиям; "о"- к эталонному ротаметру; "п"- к поверяемому ротаметру; "оп"- стандартных условиях ГОСТ 2939-63; "оо"- эталонный ротаметр в стандартных условиях.
Рис. 13 Схемы подключения поверяемого и эталонного ротаметров
«о» - эталонный ротаметр, «1» - поверяемый ротаметр подключен первым по потоку, «2» - поверяемый ротаметр подключен вторым по потоку.
Следует учесть, что величины 
, 
, 
, 
- соответствуют показаниям (объемному расходу) поверяемого и эталонного ротаметров.
Сравним результаты поверки по схемам I и II, приняв во внимание, что могут наблюдаться два случая.
1 случай. Показания эталонного ротаметра постоянны, т.е. расход в стандартных условиях по ГОСТ 2939-63 постоянен.
Тогда показания поверяемого ротаметра при подключении по схеме I и II различны и между показаниями (объемными расходами) существует соотношение:
2 случай. Показания поверяемого ротаметра постоянны, т.е. расход в стандартных условиях поверяемого ротаметра также постоянен
В этом случае различны показания эталонного ротаметра и между расходами существует следующее соотношение
.
Таким образом, видно, что результаты измерений различаются и основной причиной этого является перепад давления между поверяемыми и эталонными ротаметрами. Пренебрежение величиной отношения перепада давления к давлению газа в системе может привести к значительным погрешностям.
В таблице 5 приведены предельные отклонения давления в Па на поверяемом и эталонном ротаметрах, при которых допустимая погрешность не превышает указанной величины. Давление газа в ротаметре принято равным нормальному давлению Р =101325 Па. В случае, если давление газа в ротаметре больше, то указанную величину предельного давления следует также увеличить в пропорциональное число раз.
Для избежания подобных погрешностей при поверке и градуировке рекомендуется проводить измерения по I-й и II-й схеме, а результаты усреднить. В этом случае можно ограничиться измерением только расхода и не измерять перепад давления.
При поверке ротаметров на установке с эталонным ротаметром необходимо иметь градуировочную характеристику со значениями расхода для каждой отметки шкалы, которую обычно вычисляют на ЭВМ, применяя методы аппроксимации, для нормальных условий измерения. В этом случае независимо от условий поверки (давления, температуры) для каждой отметки шкалы поверяемого ротаметра записывают соответствующие значения расхода, взятые с градуировочной характеристики эталонного ротаметра. Никаких вычислений при этом не делают.
Градуировочная характеристика поверяемого ротаметра при этом соответствует условиям, записанным в градуировочной характеристике эталонного ротаметра (обычно нормальным).
Согласование показаний, равносильное автоматизации измерений, происходит из-за тождественности характеров зависимости показаний ротаметров, а также синхронности изменения условий в поверочной установке.
При поверке и градуировке приборов, основанных на другом не ротаметрическом принципе, необходимо постоянно вычислять расход, проходящий через эталонный расходомер, по формулам
В результате следует отметить, что известный метод поверки ротаметров, использующий сличение с эталонным ротаметром, достаточно надежен, точен и позволяет достигнуть эффекта, равносильного автоматизации без привлечения дорогостоящих средств.
Таблица 5
Предельное отклонение перепада давления в Па на поверяемом и эталонном ротаметрах
| Допустимая погрешность, % | Разница температур, К | |||||
| 0,1 | - | - | - | - | - | |
| 0,2 | - | - | - | - | ||
| 0,3 | - | - | - | - | ||
| 0,5 | - | - | - | |||
| 1,0 | ||||||
| 1,5 | ||||||
| 2,0 | ||||||
| 2,5 | ||||||
| 4,0 | ||||||
| 5,0 |
2. Метод сличения поверяемого (калибрируемого) средства измерений с однородным эталонным с помощью компаратора (прибора сравнения).
В некоторых случаях оказывается невозможным сравнить показания средств измерений одной и той же величины. Например, нельзя сравнить показания двух вольтметров, если один из них пригоден для измерений только в цепях постоянного тока, а другой — переменного; нельзя непосредственно сравнить размеры мер магнитных и электрических величин. Измерение этих величин выполняют путем введения в схему поверки некоторого промежуточного звена - компаратора, позволяющего косвенно сравнивать две однородные или разнородные физические величины (в данном случае в качестве компаратора служит потенциометр). Компаратором может быть любое средство измерений, одинаково реагирующее на сигнал как эталонного, так и поверяемого измерительного прибора.
При сличении мер сопротивления, индуктивности, емкости в качестве компараторов используют мосты постоянного или переменного тока, при сличении мер сопротивления и ЭДС — потенциометры, при сличении мер массы поверяемой гири с эталонной — весы.
Вопросы к разделу
1. Что такое средство измерений? Приведите примеры средств измерений различных физических величин.
2. Приведите примеры измерительных преобразователей, многозначных мер и устройств сравнения, используемых в известных вам средствах измерений.
3. Что такое эталон единицы физической величины?
4. Какие типы эталонов вам известны?
5. Что такое поверочная схема и для чего она предназначена?
6. Какие существуют виды поверочных схем?
7. Что такое поверка средств измерений и какими способами она может проводиться?
8. Что такое калибровка средств измерений и какими способами она может проводиться?
9. Что такое вероятность ошибок I и II родов? Что они характеризуют?