Средства технических измерений и их метрологические характеристики

1. Понятие метрологического обеспечения
2. Организационные основы метрологии. Государственная метрологическая служба Украины. Законодательство в области метрологии. Международное сотрудничество – СР№2
3. Общая характеристика средств измерения
4. Классификация СИ и компоненты их структуры
5. Метрологические характеристики средств измерения

6. Градуировка, юстировка и регулировка средств измерения – СР№3

1. Метрологическое обеспечение (МО) – это установление и применение научных и организационных основ, технических средств, правил и норм, необходимых для достижения единства и требуемой точности измерений.

Научной основой МО является метрология. Организационной основой МО выступает метрологическая служба Украины, состоящая из государственной и ведомственной метрологических служб, базирующихся на основных положениях законодательной метрологии. Нормативно-правовую базу МО составляют комплекс правил, требований и норм, установленных в стандартах и нормативных документах по стандартизации в Украине.

Основой технической базы МО являются средства измерения и контроля.

Конечной целью МО является сведение к рациональному минимуму возможность принятия ошибочных решений по результатам измерений, испытаний и контроля.

3. Общим термином средства измерений называют объекты (технические средства), предназначенные для измерений, имеющие нормированные метрологические характеристики, воспроизводящее и хранящее единицу физической величины, размер которой принимается неизменным (в пределах установленной погрешности) в течение известного интервала времени (см. Л№1).

Средство измерений (СИ) реализует одну из двух функций: воспроизводит величину заданного размера или вырабатывает сигнал, несущий информацию о значении измеряемой величины.

4. Всем СИ независимо от области применения присущи некоторые общие признаки, которые положены в основу их классификации.

▲ По роли, выполняемой в системе обеспечения единства измерений, СИ делят на эталонные, образцовые и рабочие.

Эталоны – это меры и приборы, предназначенные для воспроизведения и сохранения какой-либо величины с наивысшей точностью и передачи ее размера другим средствам измерений (первичные эталоны, вторичные и рабочие).

Образцовые меры и приборы (разрядные эталоны) предназначены для поверки и градуиро­вания рабочих измерительных мер и приборов. Они могут быть также непосредственно использованы для точных измерений. В зависимости от точности образцовые меры подразделяются на три разряда (наиболее точными являются образцовые меры 1-го разряда).

Рабочие средства измерений (меры и приборы) применяют для определения параметров (характеристик) технических устройств, технологических процессов, окружающей среды. Рабочие меры изготавливаются для широкого диапазона номинальных значений величин и используются для поверки измерительных приборов и для практических измерений.

Рабочие средства могут быть лабораторными (для научных исследований), производственными (для обеспечения и контроля заданных характеристик технологических процессов), полевыми (для самолетов, автомобилей, пароходов и т.д.). Каждое из этих видов рабочих средств отличается особыми показателями.

▲ Классификация СИ по их роли в процессе измерения и выполняемым функциям представлена на рис.1.

Рисунок 1

По данному признаку средства измерений подраз­деляются на меры, измерительные приборы, измерительные установки, измерительные системы.

Мера – средство измерений, предназначенное для воспроизведения од­ного или нескольких фиксированных значений физической величины.

Мера может быть телом, веществом, устройством.

По конструктивному исполнению меры могут быть разделены на два вида: а) меры, оформленные как самостоятельные средства измерений; б) встроенные меры, являющиеся частью измерительных приборов.

К мерам также относят стандартные образцы – образцы твердости, шероховатости, состава или свойств веществ и материалов.

Измерительный прибор – средство измерений, предназначенное для вы­работки сигнала измерительной информации в форме, доступной для не­посредственного восприятия наблюдателем.

В зависимости от формы пред­ставления информации различают аналоговые и цифровые приборы.

Измерительная установка – совокупность функционально объеди­нен­ных средств измерений и вспомогательных устройств, предна­значенная для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для непосредственного восприятия наблюдателем и располо­женная в одном месте.

Измерительная система – совокупность средств измерений и вспо­мога­тельных устройств, соединенных между собой каналами связи, предназна­ченная для выработки сигналов измерительной информации в форме, удобной для автоматической обработки, передачи и (или) ис­пользования в автоматизированных системах управления, контроля, диагностирования и т.д.

▲ По уровню автоматизации СИ делятна неавтоматические (ручные), автоматизированные и автоматические; по уровню стандартизации – на стандартизированные и уникальные.

Основными структурными компонентами СИ являются следующие.

Измерительный преобразователь (ИП) – средство измерений, предна­значен­ное для преобразования сигналов измерительной информации в

форму, целесообразную для передачи, обработки или хранения.

По местоположению в измерительной цепи ИП делят на первичные (непосредственно воздействуют на объект измерения, первый элемент измерительной цепи), промежуточные (располагаются после первичного) и передающие (на их выходе образуются сигналы в форме, удобной для регистрации и передачи на расстояние).

По виду входных и выходных сигналов ИП делят на аналоговые (преобразуют один аналоговый сигнал в другой), аналого-цифровые АЦП (преобразуют аналоговый сигнал в цифровой код), цифро-аналоговые.

Компаратор (устройство сравнения) дает возможность выполнять сравнение мер однородных величин или показаний измерительных приборов, а также сравнивать участка (точки) шкал измерений.

Типы компараторов: классический – не содержит меру; встроенный (встроенная компарирующая ячейка), естественная биологическая система (органы чувств человека); компарирующий фактор (среда, устройство, процесс, явление).

5. Отличием средства измерений от других технических устройств является то, что оно предназначено для получения измерительной информации и имеет нормированные метрологические характеристики.

Сведения о МХ содержатся, как правило, в нормативно-технических документах на средство измерения (в государственном стандарте, в ТУ, в паспорте на средство измерения). МХ, устанавливаемые нормативно-техническими документами, называют нормируемыми, а определяемые экспериментально – действительными.

МХ позволяют оценить инструментальную составляющую погрешности измерения, произвести оптимальный выбор средства измерения для обеспечения требуемого качества измерений, сравнить средства измерения различных типов с учетом условий их применения, оценить характеристики измерительной системы, в состав которой входят отдельные средства измерений.

К основным МХ относят следующие, рис.2.

Функция преобразования – зависимость между информативными параметрами выходного и входного сигналов.

Одной из важнейших метрологических характеристик измерительного прибора является чувствительность S. Для линейной характеристики чувствительность рассчитывают как отношение величины Y выходного сигнала к величине X входного сигнала S = Y/X. Величину, обратную чувствительности С = 1/ X, называют постоянной средства измерения, или масштабным коэффициентом.

Порогом чувствительности называют минимальный уровень входного сигнала, который должен быть достигнут для появления различимых изменений в показаниях прибора.

Рисунок 2

Диапазон измерений – ширина области значений измеряемой величины, для которой нормированы допускаемые пределы погрешности СИ.

Пределы измерения – наибольшее и наименьшее значения диапазона измерения.

Границы измерения прибора в целом – состоят из пределов измерений по шкале и пределов, обусловленных габаритами.

Цена деления шкалы -разность значений измеряемой величины, соответствующих двум соседним отметкам шкалы.

В цифровых СИ используют нормированные характеристики цифрового кода – вид выходного кода, число его разрядов, цену единицы младшего разряда и т.д.

К характеристикам погрешности СИ, обусловленным свойствами СИ, относят погрешность СИ, которая является инструментальной составляющей погрешности измерения, а также характеристики систематической и случайной составляющих погрешности СИ. Чаще всего эти характеристики нормируют для нормальных условий измерения – температуры 20±5 ºС, относительной влажности воздуха 65±15 % при 20 ºС, напряжения питания 220 В ±10 % с частотой 50 Гц ±1 %, атмосферной давлении 97,4…104 кПа, отсутствии электрических и магнитных полей. Погрешность СИ, установленную для нормальных условий, называют основной.

Характеристики чувствительности СИ к влияющим величинам нормируются, поскольку рабочие условия измерений могут отличаться от нормальных, что, в свою очередь, вызывает появление дополнительной погрешности СИ. Здесь в первую очередь выявляют функцию влияния, т.е. функцию зависимости погрешности СИ от изменения влияющей величины.

Характеристики СИ, отражающие их способность влиять на погрешность СИ вследствие его взаимодействия с любым компонентом, подключенным к его входу или выходу. Часть этих характеристик, названных импедансными, отражают свойство СИ отбирать или отдавать энергию через свои входные или выходные цепи.

Неинформативным называют такой параметр сигнала, который не используют для передачи информации об измеряемой величине. Строго говоря, такие параметры не являются метрологическими характеристиками СИ. Однако их значения должны нормироваться.

К неметрологическим характеристикам СИ относят показатели надежности, устойчивости к климатическим и механическим воздействиям, время установления рабочего режима, напряжение питания, потребляемую мощность и т.д.

Нормированные МХ могут быть представлены в виде числа, формулы, таблицы, графика; возможна комбинированная форма представления.

Обобщенной характеристикой точности СИ, определяемой пределами основной и дополнительной погрешностей, а также другими свойствами СИ, является класс точности СИ. Это характеристика, зависящая от способа выражения пределов допускаемых погрешностей средств измерений. Впервые "класс точности" был введен в тридцатые годы применительно к стрелочным приборам и определял основную погрешность средств измерений (погрешность средств измерений в нормальных условиях). Введение класса точности преследовало цель классификации средств измерений по точности. Эта характеристика была удобной и для приборостроителей, т.к. позволила четко стандартизировать измерительные приборы в виде регламентированных рядов классов точности. Такое представление в то время было оправдано и характеристикой "класс точности" можно было руководствоваться при выборе средств измерений, при ориентировочной оценке точности измерений и т.д.

В настоящее время область практического применения характеристики "класс точности" ограничена только такими средствами измерений, которые предназначены для измерения статических величин. В международной практике "класс точности" устанавливается только для небольшой части приборов.

По метрологическим характеристикам средств измерений решается ряд задач, важных для обеспечения единства измерений:

- определение погрешности результата измерений (одной из составляющих погрешности измерений является погрешность средств измерений);

- выбор средств измерений по точности по известным условиям их применения и требуемой точности измерений (эта задача является обратной по отношению к задаче определения погрешности измерений);

- сравнение средств измерений различных типов с учетом условий их применения;

- замена одного средства измерений на другое - аналогичное;

- оценка погрешности сложных измерительных систем и т.д.