ОСНОВНЫЕ МЕТРОЛОГИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ

ЛЕКЦИЯ 10

1. КЛАССИФИКАЦИЯ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ

Средство измерений представляет собой техническое устройство, предназначенное для измерений, имеющее в этих целях нормированные метрологические характеристики, воспроизводящее и (или) хранящее единицу физической величины.

Отличием средства измерений от других технических устройств является, главным образом, наличие меры и нормированных метрологических характеристик. Иногда делаются попытки необоснованно расширить применение понятия «средства измерений» на технические устройства, функционально предназначенные для использования результатов измерений физических величин в других конечных целях. Например, радиолокационная станция наряду с поиском и обнаружением цели измеряет дальность до нее, а также угловые координаты. Но эта станция не является средством измерений, поскольку средство измерений не предназначено для выполнения самостоятельных функций, отличных от измерений, а радиолокационная станция самостоятельно выполняет функции поиска и обнаружения целей. Для определения координат цели с требуемой точностью в станцию встроены измерительные узлы, очевидно, относящиеся к средствам измерений.

К средствам измерений относятся следующие:

Меры, предназначенные для воспроизведения и (или) хранения физической величины одного или нескольких заданных размеров. К мерам относятся гири, концевые меры длины, нормальные элементы (меры ЭДС) и др. Меры, воспроизводящие физическую величину одного размера, называются однозначными. Меры, воспроизводящие физическую величину разных размеров, называются многозначными. Примером многозначной меры является миллиметровая линейка, воспроизводящая наряду с миллиметровыми также и сантиметровые размеры длины.

Применяются также меры в виде наборов и магазинов мер. Набор мер представляет собой комплект однородных мер разного размера, предназначенных для применения в различных сочетаниях (например, набор концевых мер длины). Магазин мер – набор мер, конструктивно объединенных в единое устройство, в котором предусмотрено ручное или автоматизированное соединение мер в необходимых комбинациях (например, магазин электрических сопротивлений).

Часто к однозначным мерам относят стандартные образцы и стандартные вещества. Стандартный образец материала или вещества представляют собой специально оформленное тело (пробу вещества) с установленными по результатам метрологической аттестации значениями физической величины, которая характеризует свойство или состав материала (вещества). Примером стандартного образца свойства является набор 10 эталонных тел — минералов для определения числа твердости по условной шкале Мооса. Каждый последующий минерал этой шкалы является более твердым, чем предыдущий. Использование образцов позволяет приближенно оценивать относительную твердость минералов (в отличие от описанных выше условных шкал твердости, позволяющих оценивать характеристики твердости металлов). Примером стандартного образца состава является образец чистого цинка, служащий для воспроизведения температуры 419,527 °С по температурной шкале МТШ-90.

Указанное на мере значение величины является номинальным значением меры. В специальном свидетельстве, придаваемом мере, указывается действительное значение, определенное при высокоточных измерениях с помощью соответствующего эталона. Разность между номинальным и действительным значениями называется погрешностью меры. Величина, обратная погрешности меры по знаку, представляет поправку к номинальному значению меры.

Измерительные преобразователи – средства измерений, предназначенные для преобразования измеряемой величины в другую однородную или неоднородную величину с целью представления измеряемой величины в форме, удобной при обработке, хранении (например, в памяти ЭВМ), дальнейших преобразованиях, передаче в показывающее устройство. Измерительные преобразователи не имеют устройств отображения измерительной информации, они или входят в состав измерительных приборов (установок), или применяются совместно с ними.

Измеряемая (преобразуемая) величина, поступающая на измерительный преобразователь, называется входной, преобразованная – выходной. Соотношение между входной и выходной величинами, представляемое формулой, графиком, таблицей, называется функцией преобразования измерительного преобразователя и является для него основной метрологической характеристикой.

Самым распространенным по количеству видом средств измерений являются первичные измерительные преобразователи, которые служат для непосредственного (первого) восприятия измеряемой величины, как правило, неэлектрической и преобразования ее в другую величину – электрическую. Первичные измерительные преобразователи иногда не изменяют рода физической величины, а служат лишь для изменения размера измеряемой величины (например, делители или усилители напряжения) или для ее трансформации (модуляции) в целях удобства дальнейших преобразований или индицирования. В этом случае первичные преобразователи встраиваются в измерительный прибор (устройство, систему). Часть первичного преобразователя, воспринимающая измерительный сигнал на его входе, называется чувствительным элементом или сенсором (например, термопара).

Первичный измерительный преобразователь, конструктивно оформленный как обособленное средство измерений (без отсчетного устройства) с нормированной функцией преобразования, называется датчиком. В подавляющем большинстве случаев датчик предназначен для преобразования неэлектрической физической величины в электрический ток, электрическое напряженней т.д. Часто неправомерно сенсоры называют датчиками.

Промежуточными (вторичными) измерительными преобразователями называются преобразователи, расположенные в измерительной цепи после первичного преобразователя и обычно по измеряемой (преобразуемой) физической величине однородные с ним. Другими словами, промежуточные преобразователи, как правило, не предназначены для изменения рода физической величины. Эти преобразователи иногда неоправданно относят к датчикам.

По характеру преобразования измерительные преобразователи разделяются на аналоговые, аналого-цифровые (АЦП), цифро-аналоговые (ЦАП). Допустимо рассматривать и цифровые преобразователи, служащие, например, для изменения формата цифрового сигнала. Указанные преобразователи почти всегда являются промежуточными.

Измерительные приборы – средства измерений, предназначенные для извлечения измерительной информации, преобразования ее для возможности отображения в том или ином виде.

Измерительные приборы представляют собой конструктивно объединенную совокупность первичных и промежуточных преобразователей (в ряде случаев при измерении активных сигналов измерительной информации – силы электрического тока, напряжения и др. – первичные преобразователи отсутствуют).

Особое место занимают измерительные приборы прямого действия, преобразующие измеряемую величину, как правило, без изменения ее рода и отображающие ее на показывающем устройстве, проградуированном в единицах этой величины (амперметры, вольтметры и др.).

Более точными являются приборы сравнения, предназначенные для сравнения измеряемых величин с величинами, значения которых известны. Сравнение осуществляется с помощью компенсационных цепей прибора (например, при измерении массы установкой эталонных гирь на равноплечных весах) или с помощью мостовых цепей (см. разд. 4.2.2).

Измерительные приборы подразделяются на аналоговые и цифровые. В соответствии с формулой (2.1) значение величины равно произведению ее числового значения на размер единицы измерения. Информация о числовом значении физической величины, называемая измерительной информацией, в процессе измерения передается с помощью тех или иных сигналов. В аналоговых приборах сигналы измерительной информации являются непрерывными функциями измеряемых физических величин. В аналоговых средствах измерений устанавливается прямая связь между значением измеряемой величины и значением сигнала физической величины. В простейшем аналоговом средстве измерений – ртутном термометре высота столбика ртути соответствует конкретному значению температуры. При этом, очевидно, используется не само числовое значение, а аналоговая величина.

В цифровых измерительных приборах аналоговые сигналы измерительной информации дискретизируются и передаются для отображения в виде отдельных кратковременных импульсов, являющихся носителями измерительной информации. Отсчетные устройства цифровых приборов, как правило, отображают измеренное значение величины в цифровом виде. В некоторых случаях и первичные сигналы измерительной информации, поступающие на измерительный прибор, могут быть дискретными по времени (импульсными).

По способу записи измеряемой величины регистрирующие измерительные приборы делятся на самопишущие и печатающие. В самопишущих приборах запись показаний представляется в графическом виде (например, шлейфовый осциллограф), в печатающих – в числовой форме.

Измерительные установки и системыпредставляют собой совокупность функционально объединенных средств измерений (мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей) и вспомогательных устройств с целью измерений одной или нескольких физических величин объекта измерений (контроля).

В настоящее время большинство измерительных систем являются автоматизированными, реже автоматическими. Несмотря на различные наименования (АИС – автоматизированная измерительная система, ИИС – информационно-измерительная система, ИВК – измерительно-вычислительный комплекс) все они по существу обеспечивают автоматизацию процессов измерений, обработки и отображения результатов измерений, в том числе ввода измерительной информации в автоматизированные системы управления.

Измерительные принадлежностипредставляют собой вспомогательные устройства, служащие для обеспечения операций измерений, передачи измерительной информации на расстояние, обработки ее результатов и т. п. Очевидно, измерительные принадлежности, как и измерительные приборы, имеют нормированные метрологические характеристики. К измерительным принадлежностям относятся источники электрического питания средств измерений (имеются и эталонные источники питания), коммутаторы (в АИС), термостаты и др. Измерительные принадлежности могут вносить в результат измерений погрешности, которые обычно необходимо учитывать.

По метрологическому назначениювсе средства измерений подразделяются на два вида.

1. Рабочие средства измерений,которые предназначены для измерений параметров и характеристик объектов контроля и измерений. К ним относятся технические устройства, технологические процессы, окружающая среда, расход веществ и материалов, показатели жизнедеятельности человека и др.

По условиям применения рабочие средства измерений могут быть: лабораторными,используемыми при научных исследованиях, проектировании технических устройств, медицинских измерениях (обычно лабораторные средства измерений обладают наибольшей точностью, чувствительностью, стабильностью);

производственными,используемыми для обеспечения заданных характеристик технологических процессов, контроля готовой продукции при приемосдаточных испытаниях, ремонте технических устройств и др. (эти средства должны обладать по сравнению с лабораторными высокой стойкостью к ударно-вибрационным нагрузкам, воздействиям тепла, холода, повышенной влажности и др.);

полевыми,используемыми непосредственно при эксплуатации таких технических устройств, как самолеты, автомобили, речные и морские суда и др. К полевым обычно относят и встроенные средства измерений в объекты контроля и измерений, подверженные влиянию изменяющихся в широких пределах внешних воздействий.

2. Эталоны– средства измерений, относящиеся к высокоточным мерам (системам мер) и предназначенные для воспроизведения и хранения единицы величины (кратных или дольных значений единицы) с целью передачи ее размера другим средствам измерений.

До последнего времени между рабочими средствами измерений и государственными эталонами «располагалась» еще одна группа средств измерений — образцовые средства измерений, которые относились к средствам метрологического обеспечения. При этом образцовые средства измерений подразделялись на разряды от первого (наиболее высокой точности, т.е. уступающие по точности только эталонам) до второго, третьего и т.д. В настоящее время термин «образцовые средства измерений» меняется на термин «рабочие эталоны 1-го, 2-го и т.д. разряда»

ОСНОВНЫЕ МЕТРОЛОГИЧЕСКИЕ ПОКАЗАТЕЛИ

СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ

Для наглядности восприятия метрологических показателей средств измерений на рисунке 2 приведена схема отсчетного устройства измерительного прибора, основные элементы и параметры отчетных устройств средств измерений представлены в таблице 1.

Рис. 2. Схема отсчетного устройства измерительного прибора

(позиции согласно табл. 1.4)

Т а б л и ц а 1

Структурные элементы и параметры

отсчетных устройств средств измерений

Термин	Определение
Пределы измерений	Наибольшее и наименьшее значение диапазона измерений
Диапазон измерений	Область значений измеряемой величины, для которой нормированы допускаемые погрешности средства измерений
Диапазон показаний	Область значений шкалы, ограниченная конечным и начальным значением шкалы
Начальное (конечное) значение шкалы	Минимальное (максимальное) значение измеряемой величины, указанное на шкале
Отметка шкалы	Знак на шкале, соответствующий некоторому значению измеряемой величины
Деление шкалы	Промежуток между двумя соседними отметками шкалы
Длина деления шкалы	Расстояние между осями (или центрами) двух соседних отметок шкалы, измерено вдоль воображаемой линии, проходящей через середины самых коротких отметок шкалы
Цена деления шкалы	Разность значений соответствующих двум соседним отметкам шкалы
Чувствительность измерительного прибора	Отношение изменения сигнала на выходе Dl измерительного прибора к вызывающему его изменению измеряемой величины DK: S = Dl / DK
Указатель	Часть отсчетного устройства, положение которого относительно отметок шкалы определяет показание средства измерений, например стрелка, луч света