Что такое технические средства измерения. Классификация средств измерения. Классификация СИ по типу контролируемых величин

1 Средства измерений и виды средств измерений Измерение - это нахождение значения физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств 2. Средства измерений Средства измерений - это технические средства, которые имеют нормированные метрологические характеристики. При этом значение физической величины, отсчитываемое по отсчетному устройству средства измерения, строго соответствует определенному количеству физических единиц, принятых в качестве единиц измерения. К средствам измерения относятся: - мера, - измерительные приборы, - измерительные преобразователи, - измерительные системы, - установки, комплексы. Мера - это средство измерений, предназначенное для воспроизведения физической величины заданного размера. Меры бывают однозначные и многозначные. К однозначным мерам относятся катушки сопротивления, катушки индуктивности, нормальные элементы и др.; к многозначным - магазины сопротивлений, конденсаторы переменной емкости, калибраторы напряжения и тока и др. Измерительный прибор - средство измерений, предназначенное для выдачи количественной информации об измеряемой величине в доступной для восприятия форме. По способу отсчета значений измеряемой величины измерительные приборы делятся на аналоговые и цифровые. В аналоговых измерительных приборах значение измеряемой величины определяется непосредственно по шкале со стрелкой или другими указателями. В цифровых измерительных приборах значение измеряемой величины определяется по цифровому индикатору прибора. Измерительные приборы разделяют на показывающие и регистрирующие. Показывающие измерительные приборы предназначены для отсчитывания результата измерений в аналоговой или цифровой форме, регистрирующие - для регистрации результата измерения. Измерительный преобразователь - средство измерений, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и хранения, но неподдающейся непосредственному восприятию. К измерительным преобразователям относится делители напряжения, усилители, измерительные трансформаторы и др 3. Виды средств измерений По метрологическому назначению средства измерений делятся на: - эталоны, - образцовые, - рабочие. Рабочие средства измерений применяются для измерений, не связанных с передачей размера единиц. В свою очередь рабочие средства измерений можно разделить на: - технические - контрольные - лабораторные Технические средства измерений предназначены для работы в производственных условиях. Поэтому они должны быть недорогими и надежными в эксплуатации. В показания таких приборов не вводят поправки на погрешность измерения. Контрольные средства измерений - служат для контроля исправности промышленных средств измерений на месте их установки. Лабораторные средства измерений - применяют для точных измерений в лабораторных условиях. Для повышения точности измерений в их показания вводят поправки, учитывающие внешние условия, в которых проводились измерения. Кроме того лабораторные средства измерений служат для поверки контрольных средств измерений. Образцовые средства измерений предназначены для передачи размера единиц от эталонов к рабочим средствам измерения, то есть служат для их поверки. Эталон - средство измерений, обеспечивающее воспроизведение и хранение единицы физической величины для передачи ее размера средствам измерения, нижестоящим по поверочной схеме.

Аналоговый измерительный прибор - измерительный прибор, показания которого или выходной сигнал являются непрерывной функцией изменений измеряемой величины

Аналоговые измерительные приборы, как правило, обеспечивают выполнение прямых измерений, отсчет результата измерений производится по шкале. Режим измерений, выполняемых аналоговыми средствами измерений - статический. Большинство аналоговых измерительных приборов - стрелочные с неподвижной шкалой и подвижной стрелкой, перемещение которой (поворот или линейное перемещение) относительно шкалы функционально взаимнооднозначно связано со значением измеряемой величины. Другие разновидности аналоговых измерительных приборов: - с неподвижной стрелкой или иным указателем и подвижной шкалой, - с линейным индикатором в виде совмещенной со шкалой полосы, длина которой функционально взаимно однозначно связана со значением измеряемой величины (например, ртутный термометр).

Одна из возможных классификационных схем аналоговых измерительных приборов показана на рис.1.2.

Электромеханические приборы – это такие приборы, в устройствах преобразования которых нет электронных, транзисторных или ионных узлов.

Электронные приборы – такие приборы, в устройстве преобразования которых есть электронные, транзисторные или ионные узлы.

Показывающие приборы это такие приборы, которые допускают только считывание показаний.

Регистрирующие приборы – такие, в которых предусмотрена регистрация показаний.

В аналоговых приборах прямого преобразования (действия) (рис. 1.3) входной сигнал Х преобразуется одним или несколькими преобразователями П1, П2, П3, … в дном направлении т входа к выходу.

В аналоговых приборах (рис. 1.4) входная величина Х компенсируется величиной ХК, представляющей собой выходную величину Y, преобразованную цепью обратного преобразования (обратные преобразователи β 1 , β 2 , β 3 , …, β n).

Схемы аналоговых приборов уравновешивающего преобразования могут включать в себя узлы, охваченные местной обратной связью β 1 (рис. 1.5), однако определяющим является наличие общей с выхода на вход отрицательной обратной связи β 2 .

К приборам смешанного преобразования (рис. 1.6 а, б) относятся приборы, в структуру которых введена отрицательная обратная связь, охватывающая не все звенья прямого преобразования.

По назначению различают приборы для измерения тока, напряжения, частоты, приборы для измерения параметров электрических цепей, для анализа характеристик сигналов и др.

Приборы предназначенные для измерения нескольких величин называют комбинированными.

Приборы, работающие как на постоянном, так и на переменном токе называют универсальными.

цифрово́й измери́тельный прибо́р

измерительный прибор , в котором результаты измерения непрерывной величины (напряжения, силы тока, электрического сопротивления, давления, температуры и др.) автоматически преобразуются в дискретные сигналы, отображаемые в виде чисел на цифровом индикаторе. В состав цифровых измерительных приборов обязательно входитаналого-цифровой преобразователь , преобразующий аналоговый сигнал , полученный чувствительным элементом (датчиком), в цифровой код. Для цифровых измерительных приборов характерна значительно более высокая точность измерения по сравнению с аналоговыми измерительными приборами, удобство и объективность отсчёта. Точность отсчёта при этом зависит от числа разрядов на цифровом индикаторе. Выпускаются многочисленные цифровые измерительные приборы: часы , термометры, весы, тонометры (измерители артериального кровяного давления) и др.

ЦИП состоит из двух обязательных узлов; аналого-цифрового преобразователя (АЦП) и цифрового отсчетного устройства (ОУ). АЦП выдает код в соответствии со значением измеряемой величины. ОУ отражает это значение в цифровой форме. АЦП применяются также в измерительных, информационных управляющих и других системах и выпус­каются промышленностью в качестве самостоятельных средств измерения.

Метрологические и другие технические характеристики ЦИП определяются методом преобразования в код. В ЦИП, предназначенных для измерения электрических величин, применяются метод последовательного счета и метод поразрядного уравновешивания. Соответственно, различают ЦИП последовательного счета и ЦИП поразрядного уравновеши­вания (кодоимпульсные). В зависимости от того, какое зна­чение величины измеряется, ЦИП делятся на приборы для измерения мгновенного значения и приборы для измерения среднего значения за определенный промежуток времени (интегрирующие).

По роду измеряемой величины ЦИП подразделяются на вольтметры, омметры, частотомеры, фазометры, мультиметры (комбинированные), в которых предусматривается возможность измерения нескольких электрических величин и ряда параметров электрических цепей.

По области применения выделяются ЦИП лабораторные, системные и щитовые.

ЦИП устроены сложно, их функциональные части выполняются на основе элементов электронной техники, в основном это интегральные микросхемы. В современных ЦИП функциональные узлы, преобразующие аналоговые сигналы, обычно выполняются на основе микроэлектронных операционных усилителей.

Рассмотрим упрощенно наиболее часто применяемые узлы.

Триггеры состоят из устройства с двумя состояниями устойчивого равновесия, способными скачкообразно переходить из одного состояния в другое с помощью внешнего сиг­нала. После такого перехода новое устойчивое состояние сохраняется до тех пор, пока другой внешний сигнал не из­менит его.

Пересчетные устройства (ПУ) применяются для выполнения различных задач, например, для деления частоты импульсов, для преобразования число-импульсного кода в двоичный и т.д.

Если ПУ снабдить ОУ для отображения номера состояния схемы, то можно вести счет поступающих на вход ПУ импульсов, т.е. в этом случае можно получить счетчик импульсов.

Знаковые индикаторы применяются для получения показаний в цифровой форме в виде специальных газоразряд­ных ламп или сегментных знаковых индикаторов (в качестве светящихся элементов используют жидкие кристаллы, светодиоды, полоски электролюминафора и т.п.),

Ключи - это устройства, выполняющие функции выключателей и переключателей. В основном применяются электронные ключи на диодах, транзисторах, и др. элементах электронных схем.

Логические элементы реализуют логические функции. Входными и выходными величинами этих элементов являются переменные, принимающие только два значения -1 и 0. Рассмотрим основные логические элементы, дающие возможность путем их соединения реализовать любую логическую функцию.

Логический элемент ИЛИ - функция сложения, имеет несколько входов и один выход, который принимает значение 1, если хотя бы одна входная величина равна 1 и принимает значение 0, если все входы равны 0;

Логический элемент НЕ - функция отрицания (если вход имеет значение равное 0, то на выходе получим 1 и наоборот) служит для инвертирования;

Логическая функция И - функция умножения, имеет несколько входов и один выход, который принимает значение 1, если все входы равны 1 и принимает значение 0, если хотя бы один вход равен 0. Элемент И носит название схемы совпадения и может применяться как логический ключ, один из входных сигналов которого служит управляющим.

Логические элементы выполняют как на дискретных устройствах (диодах, транзисторах, резисторах), так и в виде интегральных микросхем.

Дешифраторы - это устройства, для преобразования кодов одного вида в другие.

3 Калибровка и поверка средств измерений

Калибровка средств измерений - совокупность операций, выполняемых с целью определения и подтверждения действительных значений метрологических характеристик и (или) пригодности к применению средства измерений. Определение аналогично поверке, от которой калибровку отличает то, что она распространяется на средства измерений, которые не подлежат государственному метрологическому контролю и надзору, т.е. поверке. Калибровка объединяет функции, выполнявшиеся ранее при метрологической аттестации и ведомственной поверке средств измерений.

Калибровке могут подвергаться средства измерения, не входящие в сферу распространения государственного контроля и надзора (либо применяемые вне сферы ГМКиН), но при этом необходимо проконтролировать их метрологические характерстики, например при выпуске СИ из производства или ремонта, при ввозе по импорту, при эксплуатации, прокате и продаже. Калибровку средств измерения выполняют калибровочные лаборатории или в соответствии с принятой в России терминологией «метрологические службы юридических лиц» с использованием эталонов, соподчиненных с государственными эталонами единиц величин. Средства калибровки (эталоны) подлежат обязательной поверке и при проведении калибровочных работ должны иметь действующие свидетельства о поверке.

Результаты калибровки позволяют определять:

действительные значения измеряемой величины; поправки к показаниям средств измерений;

погрешность средств измерений.

Основное принципиальное отличие калибровки от поверки , заключается в том, что калибровка не относится к процедуре подтверждения соответствия. Подтверждением соответствия является только поверка , при калибровке же, определяются действительные значения метрологических характеристик и она скорее является исследовательской работой. Как правило, ввиду отсутствия специальных методик, калибровка проводится по методикам поверки на калибруемые либо аналогичные им средства измерений. Однако калибровка может отличаться от поверки как в сторону упрощения, так и в сторону усложнения процедуры. При калибровке вполне правомерна постановка задачи определения характеристик погрешности средства измерений только в одной точке диапазона измерений и в условиях, отличающихся от нормальных.

Результаты калибровки средств измерений удостоверяются калибровочным знаком , наносимым на средства измерений или сертификатом о калибровке, а также записью в эксплуатационных документах.

В отличие от поверки, калибровка СИ является добровольной процедурой и может выполняться любой метрологической службой. Аккредитация на право калибровки так же является добровольной (не обязательной) процедурой и нужна в большей степени для признания результатов калибровки сторонними учреждениями и для поднятия имиджа предприятия.

3 3Поверка средств измерения

совокупность операций, выполняемых органами метрологической службы (другими уполномоченными на то органами, организациями) в целях определения и подтверждения соответствия средства измерений установленным техническим требованиям.

Эксплуатация средств измерения, не прошедших своевременную поверку, может приводить к получению ложной информации о ходе технологического процесса. В этом случае отличие полученных измерений от действительных значений не предсказуемо. Возможные результаты такой ситуации: нарушение работы систем безопасности, выход бракованной продукции, аварии технологического оборудования. Устранение последствий связано со значительными временными и экономическими потерями.

Проверка средств измерений возложена на аккредитованные в этой области лица. На лица, использующие средства измерения, возложена обязанность своевременного предоставления средств на поверку.

Виды средств измерений

Эталоны, их классификация и виды

Перспективы развития эталонов

1. Виды средств измерений

Для практического измерения единицы величины применяются технические средства, которые имеют нормированные погрешности и называются средствами измерений.

К средствам измерений относятся: меры, измерительные преобразователи, измерительные приборы, измерительные установки и системы, измерительные принадлежности.

Мерой называют средство измерения, предназначенное для воспроизведения физических величин заданного размера. К данному виду средств измерений относятся гири, концевые меры длины и т.п. На практике используют однозначные и многозначные меры, а также наборы и магазины мер. Однозначные меры воспроизводят величины только одного размера (гиря). Многозначные меры воспроизводят несколько размеров физической величины. Например, миллиметровая линейка дает возможность выразить длину предмета в сантиметрах и в миллиметрах.

Наборы и магазины представляют собой объединение (сочетание) однозначных или многозначных мер для получения возможности воспроизведения некоторых промежуточных или суммарных значений величины.

Набор мер представляет собой комплект однородных мер разного размера, что дает возможность применять их в нужных сочетаниях. Например, набор лабораторных гирь.

Магазин мер - сочетания мер, объединенных конструктивно в одно механическое целое, в котором предусмотрена возможность посредством ручных или автоматизированных переключателей, связанных с отсчетным устройством, соединять составляющие магазин меры в нужном сочетании. По такому принципу устроены магазины электрических сопротивлений.

К однозначным мерам относят стандартные образцы и стандартные вещества.

Стандартный образец - это должным образом оформленная проба вещества (материала), которая подвергается метрологической аттестации с целью установления количественного значения определенной характеристики. Эта характеристика (или свойство) является величиной с известным значением при установленных условиях внешней среды. К подобным образцам относятся, например, наборы минералов с конкретными значениями твердости (шкала Мооса) для определения этого параметра у различных минералов.

Стандартным образцом является образец чистого цинка, который служит для воспроизведения температуры 419,527 °С по международной температурной шкале МТШ-90.

При пользовании мерами следует учитывать номинальное и действительное значения мер, а также погрешность меры и ее разряд. Номинальным называют значение меры, указанное на ней.

Действительное значение меры должно быть указано в специальном свидетельстве как результат высокоточного измерения с использованием официального эталона.

Разность между номинальным и действительным значениями называется погрешностью меры. Величина, противоположная по знаку погрешности, представляет собой поправку к указанному на мере номинальному значению. Поскольку при аттестации (поверке) также могут быть погрешности, меры подразделяют на разряды (1-го, 2-го и т.д. разрядов) и называют разрядными эталонами (образцовые измерительные средства), которые используют для поверки измерительных средств. Величина погрешности меры служит основой для разделения мер на классы, что обычно применимо к мерам, употребляемым для технических измерений.

Измерительный преобразователь - это средство измерений, которое служит для преобразования сигнала измерительной информации в форму, удобную для обработки или хранения, а также передачи в показывающее устройство. Измерительные преобразователи либо входят в конструктивную схему измерительного прибора, либо применяются совместно с ним, но сигнал преобразователя не поддается непосредственному восприятию наблюдателем. Например, преобразователь может быть необходим для передачи информации в память компьютера, для усиления напряжения и т.д. Преобразуемую величину называют входной, а результат преобразования - выходной величиной. Основной метрологической характеристикой измерительного преобразователя считается соотношение между входной и выходной величинами, называемое функцией преобразования.

Преобразователи подразделяются на первичные (непосредственно воспринимающие измеряемую величину), передающие, на выходе которых величина приобретает форму, удобную для регистрации или передачи на расстояние; промежуточные, работающие в сочетании с первичными и не влияющие на изменение рода физической величины.

Измерительные приборы - это средства измерений, которые позволяют получать измерительную информацию в форме, удобной для восприятия пользователем. Различаются измерительные приборы прямого действия и приборы сравнения.

Приборы прямого действия отображают измеряемую величину на показывающем устройстве, имеющем соответствующую градуировку в единицах этой величины. Изменения рода физической величины при этом не происходит. К приборам прямого действия относят, например, амперметры, вольтметры, термометры и т.п.

Приборы сравнения предназначаются для сравнения измеряемых величин с величинами, значения которых известны. Такие приборы широко используются в научных целях, а также и на практике для измерения таких величин, как яркость источников излучения, давление сжатого воздуха и др.

Измерительные установки и системы - это совокупность средств измерений, объединенных по функциональному признаку со вспомогательными устройствами, для измерения одной или нескольких физических величин объекта измерений. Обычно такие системы автоматизированы и обеспечивают ввод информации в систему, автоматизацию самого процесса измерения, обработку и отображение результатов измерений для восприятия их пользователем. Такие установки (системы) используют и для контроля (например, производственных процессов), что особенно актуально для метода статистического контроля, а также принципа TQM в управлении качеством.

Измерительные принадлежности - это вспомогательные средства измерений величин. Они необходимы для вычисления поправок к результатам измерений, если требуется высокая степень точности. Например, термометр может быть вспомогательным средством, если показания прибора достоверны при строго регламентированный температуре; психрометр - если строго оговаривается влажность окружающей среды.

Следует учитывать, что измерительные принадлежности вносят определенные погрешности в результат измерений, связанные с погрешностью самого вспомогательного средства.

По метрологическому назначению средства измерений делят на два вида - рабочие средства измерений и эталоны.

Рабочие средства измерений применяют для определения параметров (характеристик) технических устройств, технологических процессов, окружающей среды и др. Рабочие средства могут быть лабораторными (для научных исследований), производственными (для обеспечения и контроля заданных характеристик технологических процессов), полевыми (для самолетов, автомобилей, судов и т.п.). Каждый из этих видов рабочих средств отличается особыми показателями. Так, лабораторные средства измерений - самые точные и чувстви­тельные, а их показания характеризуются высокой стабильностью. Про­изводственные обладают устойчивостью к воздействиям различных факторов производственного процесса: температуры, влажности, вибрации и т.п., что может сказаться на достоверности и точности показаний приборов. Полевые работают в условиях, постоянно изменяющихся в широких пре­делах внешних воздействий.

Особым средством измерений является эталон.

) в течение известного интервала времени.

Энциклопедичный YouTube

Классификация средств измерений

По техническому назначению:

  • мера физической величины - средство измерений, предназначенное для воспроизведения и (или) хранения физической величины одного или нескольких заданных размеров, значения которых выражены в установленных единицах и известны с необходимой точностью;
  • измерительный прибор - средство измерений, предназначенное для получения значений измеряемой физической величины в установленном диапазоне;
  • измерительный преобразователь - техническое средство с нормируемыми метрологическими характеристиками, служащее для преобразования измеряемой величины в другую величину или измерительный сигнал, удобный для обработки, хранения, дальнейших преобразований, индикации или передачи;
  • измерительная установка (измерительная машина) - совокупность функционально объединённых мер , измерительных приборов , и других устройств, предназначенная для измерений одной или нескольких физических величин и расположенная в одном месте;
  • измерительная система - совокупность функционально объединённых мер , измерительных приборов , измерительных преобразователей , ЭВМ и других технических средств, размещённых в разных точках контролируемого объекта и т. п. с целью измерений одной или нескольких физических величин, свойственных этому объекту, и выработки измерительных сигналов в разных целях;
  • измерительно-вычислительный комплекс - функционально объединённая совокупность средств измерений, ЭВМ и вспомогательных устройств, предназначенная для выполнения в составе измерительной системы конкретной измерительной задачи.
  • автоматические;
  • автоматизированные;
  • ручные.
  • рабочие средства измерений.

По значимости измеряемой физической величины:

  • основные средства измерений той физической величины, значение которой необходимо получить в соответствии с измерительной задачей;
  • вспомогательные средства измерений той физической величины, влияние которой на основное средство измерений или объект измерений необходимо учитывать для получения результатов измерений требуемой точности.

По измерительным физико- химическим параметрам:

  • для измерения температуры;
  • давления;
  • расхода и количества;
  • концентрации раствора;
  • для измерения уровня и др.

Метрологические характеристики средств измерений

Все средства измерений, независимо от их конкретного исполнения, обладают рядом общих свойств, необходимых для выполнения ими их функционального назначения. Согласно ГОСТ 8.009-84, метрологическими характеристиками называются технические характеристики, описывающие эти свойства и оказывающие влияние на результаты и на погрешности измерений, предназначенные для оценки технического уровня и качества средства измерений, для определения результатов измерений и расчётной оценки характеристик инструментальной составляющей погрешности измерений.

Характеристики, устанавливаемые нормативно-техническими документами, называются нормируемыми, а определяемые экспериментально - действительными. Ниже приведена номенклатура метрологических характеристик:

  • Характеристики, предназначенные для определения результатов измерений (без введения поправок):
    • Функция преобразования измерительного преобразователя, а также измерительного прибора с наименованной шкалой;
    • Значение однозначной меры;
    • Цена деления шкалы измерительного прибора или многозначной меры;
    • Вид выходного кода для цифровых средств измерений;
  • Характеристики погрешностей средств измерений;
  • Характеристики чувствительности средств измерений к влияющим величинам;
  • Динамические характеристики средств измерений

Поверка и сертификация средств измерений

На средство измерений утверждённого типа оформляется свидетельство (ранее - сертификат) об утверждении типа средств измерений.

Поверке подлежат только средства измерений, внесенные в государственный реестр средств измерений, допущенных к использованию в Российской Федерации. После процедуры поверки оформляется свидетельство о поверке. Остальные технические устройства подлежат калибровке . После процедуры калибровки оформляется сертификат калибровки.

Средство измерений так же может быть выбрано участниками измерений произвольно в тех случаях, когда средства измерений утверждённого типа недоступны или в них нет необходимости.

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ПЕНЗЕНСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ТЕХНОЛОГИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ

Кафедра: Автоматизация и Управления

Контрольная работа по дисциплине

«Технические измерения и приборы»

Выполнил: студент гр. 05А1з: Сысоев М.А.

Проверил: Шакурский А.В.

Пенза 2009 г.

1 Понятие и классификация средств измерений

1.1 Метрологические характеристики СИ

1.2 Использование СИ

1.3 Нормирование погрешностей СИ

1.4 Класс точности СИ и его обозначение

1.5 Эталоны и их использование

2. Вихретоковые преобразователи

3. Си геометрических и механических величин

3.1 Единицы Си геометрических величин

3.2 Единицы Си механических величин

Список литературы

1 Понятие и классификация средств измерений

Средство измерений (СИ) – техническое средство, предназначенное для измерений, имеющее нормированные метрологические характеристики, воспроизводящее или хранящее единицу физической величины, размер которой принимают неизменной в течение известного интервала времени.

Приведенное определение выражает суть средства измерений, которое, во-первых, хранит или воспроизводит единицу, во-вторых, эта единица неизменна. Эти важнейшие факторы и обуславливают возможность проведения измерений, т.е. делают техническое средство именно средством измерений. Этим средства измерений отличаются от других технических устройств. К средствам измерений относятся меры, измерительные: преобразователи, приборы, установки и системы.

Мера физической величины – средство измерений, предназначенное для воспроизведения и (или) хранения физической величины одного или нескольких заданных размеров, значения которых выражены в установленных единицах и известны с необходимой точностью. Примеры мер: гири, измерительные резисторы, концевые меры длины, радионуклидные источники и др. Меры, воспроизводящие физические величины лишь одного размера, называются однозначными (гиря), нескольких размеров – многозначные (миллиметровая линейка – позволяет выражать длину как в мм, так и в см). Кроме того, существуют наборы и магазины мер, например, магазин емкостей или индуктивностей. При измерениях с использованием мер сравнивают измеряемые величины с известными величинами, воспроизво-димыми мерами. Сравнение осуществляется разными путями, наиболее распространенным средством сравнения является компаратор , предназначенный для сличения мер однородных величин. Примером компаратора являются рычажные весы. К мерам относятся стандартные образцы и образцовое вещество , которые представляют собой специально оформленные тела или пробы вещества определенного и строго регламентированного содержания, одно из свойств которых является величиной с известным значением. Например, образцы твердости, шероховатости.

Измерительный преобразователь (ИП) - техническое средство с нормативными метрологическими характеристиками, служащее для преобразования измеряемой величины в другую величину или измерительный сигнал, удобный для обработки, хранения, индикации или передачи. Измерительная информация на выходе ИП, как правило, недоступна для непосредственного восприятия наблюдателем. Хотя ИП являются конструктивно обособленными элементами, они чаще всего входят в качестве составных частей в более сложные измерительные приборы или установки и самостоятельного значения при проведении измерений не имеют.

Преобразуемая величина, поступающая на измерительный преобразователь, называется входной , а результат преобразования – выходной величиной. Соотношение между ними задается функцией преобразования , которая является его основной метрологической характеристикой. Для непосредственного воспроизведения измеряемой величины служат первичные преобразователи , на которые непосредственно воздействует измеряемая величина и в которых происходит трансформация измеряемой величины для ее дальнейшего преобразования или индикации. Примером первичного преобразователя является термопара в цепи термоэлектрического термометра. Одним из видов первичного преобразователя является датчик – конструктивно обособленный первичный преобразователь, от которого поступают измерительные сигналы (он «дает» информацию). Датчик может быть вынесен на значительное расстояние от средства измерений, принимающего его сигналы. Например, датчик метеорологического зонда. В области измерений ионизирующих излучений датчиком часто называют детектор.

По характеру преобразования ИП могут быть аналоговыми, аналого-цифровыми (АЦП), цифро-аналоговыми (ЦАП) , то есть, преобразующими цифровой сигнал в аналоговый или наоборот. При аналоговой форме представления сигнал может принимать непрерывное множество значений, то есть, он является непрерывной функцией измеряемой величины. В цифровой (дискретной) форме он представляется в виде цифровых групп или чисел. Приме-рами ИП являются измерительный трансформатор тока, термометры сопротивлений.

Измерительный прибор – средство измерений, предназначенное для получения значений измеряемой физической величины в установленном диапазоне. Измерительный прибор представляет измерительную информацию в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем.

По способу индикации различают показывающие и регистрирующие приборы . Регистрация может осуществляться в виде непрерывной записи измеряемой величины или путем печатания показаний прибора в цифровой форме.

Приборы прямого действия отображают измеряемую величину на показывающем устройстве, имеющем градуировку в единицах этой величины. Например, амперметры, термометры.

Приборы сравнения предназначены для сравнения измеряемых величин с величинами, значения которых известны. Такие приборы используются для измерений с большей точностью.

По действию измерительные приборы разделяют на интегрирующие и суммирующие, аналоговые и цифровые, самопишущие и печатающие .
Измерительная установка и система – совокупность функционально объединенных мер, измерительных приборов и других устройств, предназначенных для измерений одной или нескольких величин и расположенная в одном месте (установка ) или в разных местах объекта измерений (система ). Измерительные системы, как правило, являются автоматизированными и по существу они обеспечивают автоматизацию процессов измерения, обработки и представления результатов измерений. Примером измерительных систем являются автоматизированные системы радиационного контроля (АСРК) на различных ядерно-физических установках, таких, например, как ядерные реакторы или ускорители заряженных частиц.

По метрологическому назначению средства измерений делятся на рабочие и эталоны.

Рабочее СИ - средство измерений, предназначенное для измерений, не связанное с передачей размера единицы другим средствам измерений. Рабочее средство измерений может использоваться и в качестве индикатора. Индикатор – техническое средство или вещество, предназначенное для установления наличия какой-либо физической величины или превышения уровня ее порогового значения. Индикатор не имеет нормированных метрологических характеристик. Примерами индикаторов являются осциллограф, лакмусовая бумага и т.д.

Эталон - средство измерений, предназначенное для воспроизведения и (или) хранения единицы и передачи ее размера другим средствам измерений. Среди них можно выделить рабочие эталоны разных разрядов, которые ранее назывались образцовыми средствами измерений .

Классификация средств измерений проводится и по другим различным признакам. Например, по видам измеряемых величин , по виду шкалы (с равномерной или неравномерной шкалой), по связи с объектом измерения (контактные или бесконтактные).

1.1 Метрологические характеристики СИ

Оценка пригодности средств измерений для решения тех или иных измерительных задач проводится путем рассмотрения их метрологических характеристик .

Метрологическая характеристика (МХ) – характеристика одного из свойств средства измерений, влияющая на результат измерений и его погрешность. Метрологические характеристики позволяют судить об их пригодности для измерений в известном диапазоне с известной точностью. Метрологические характеристики, устанавливаемые нормативными документами на средства измерений, называют нормируемыми метрологическими характеристиками, а определяемые экспериментально – действительными .

Для каждого типа СИ устанавливаются свои метрологические характеристики. Ниже рассматриваются наиболее распространенные на практике метрологические характеристики.

Диапазон измерений СИ – область значений величины, в пределах которой нормированы его допускаемые пределы погрешности. Для мер это их номинальное значение, для преобразователей - диапазон преобразования. Различают нижний и верхний пределы измерений , которые выражаются значениями величины, ограничивающими диапазон измерений снизу и сверху.

Погрешность СИ - разность между показанием средства измерений – Хп и истинным (действительным) значением измеряемой величины – Хд .

Существует распространенная классификация погрешностей средств измерений. Ниже приводятся примеры их наиболее часто используемых видов.

Абсолютная погрешность СИ – погрешность средства измерений, выраженная в единицах измеряемой величины: ∆Х = Хп – Хд . Абсолютная погрешность удобна для практического применения, т.к. дает значение погрешности в единицах измеряемой величины. Но при ее использовании трудно сравнивать по точности приборы с разными диапазонами измерений. Эта проблема снимается при использовании относительных погрешностей.

В РМГ 29 - 99 средства измерительной техники (измерительная техника) - обобщающее понятие, охватывающее технические средства, специально предназначенные для измерений. В примечании поясняется, что к средствам измерительной техники относят средства измерений и их совокупности (измерительные системы, измерительные установки), измерительные принадлежности, измерительные устройства.

Приведенное понятие подкрепляется набором терминов с определениями, которые не всегда удачны.

Измерительные принадлежности - вспомогательные средства, служащие для обеспечения необходимых условий для выполнения измерений с требуемой точностью. Приведенные в документе примеры включают термостат, специальные противовибрационные фундаменты, треногу для установки прибора по уровню и другие устройства, предназначенные для защиты объекта измерений и средств измерений от действия влияющих величин. В перечислении отсутствуют принадлежности к концевым мерам угла или длины, оправки, установочные призмы и иные технические средства, которые по технической сути значительно ближе к «принадлежностям».

Еще менее удачно определен термин измерительное устройство - часть измерительного прибора (установки или системы), связанная с измерительным сигналом и имеющая обособленную конструкцию и назначение. Устройство, входящее в технический комплекс, может иметь в определенной мере «обособленную конструкцию и назначение», и иметь информационные связи с другими техническими устройствами, но не «с измерительным сигналом». В качестве примеров измерительных устройств приведены регистрирующее устройство измерительного прибора (включающее ленту для записи, лентопротяжный механизм и пишущий элемент) и измерительный преобразователь, что существенно запутывает картину. Наиболее универсальным измерительным устройством в рамках данной концепции может считаться компьютер с периферией.

К средствам измерительной техники, непосредственно участвующим в получении и преобразовании измерительной информации относятся средства измерений.

Средство измерений - техническое средство, предназначенное для измерений, имеющее нормированные метрологические характеристики, воспроизводящее и (или) хранящее единицу физической величины, размер которой принимают неизменным (в пределах установленной погрешности) в течение известного интервала времени. Основным признаком в данном определении являются нормированные метрологические характеристики, что подразумевает и возможность воспроизведения единицы физической величины с требуемой точностью, и ее сохранение на протяжении всего периода метрологической пригодности средства измерений.

В зависимости от функционального назначения и конструктивного исполнения различают такие виды средств измерений, как меры, измерительные преобразователи, измерительные приборы, индикаторы, измерительные установки, измерительные системы, измерительно-вычислительные комплексы.

Простейшим средством измерений является мера. Главная отличительная особенность меры - отсутствие каких-либо преобразований измерительной информации самим средством измерений. Мера физической величины (мера величины; мера) - средство измерений, предназначенное для воспроизведения и (или) хранения физической величины одного или нескольких заданных размеров, значения которых выражены в установленных единицах и известны с необходимой точностью.

Меры, предназначенные для воспроизведения физической величины заданного размера, называют однозначными, а воспроизводящие физические величины ряда размеров - многозначными. В качестве примеров однозначных мер можно назвать гирю (мера массы), угольник (мера прямого угла), плоскопараллельную концевую меру длины. К многозначным мерам следует отнести измерительную линейку, транспортир, измерительный сосуд, а также ступенчатый шаблон, угловую концевую меру с несколькими рабочими углами. Меры могут комплектоваться в наборы или конструктивно объединяться в так называемые «магазины».

Набор мер - комплект мер разного размера одной и той же физической величины, предназначенных для применения на практике как в отдельности, так и в различных сочетаниях (например, наборы концевых мер длины, угловых концевых мер, наборы разновесов). Магазин мер - набор мер, конструктивно объединенных в единое устройство, в котором имеются приспособления для их соединения в различных комбинациях (например, магазин электрических сопротивлений).

При оценивании величин по условным (неметрическим) шкалам, имеющим реперные точки, в качестве «меры» нередко выступают вещества или материалы с приписанными им условными значениями величин. Так, для шкалы твердости Мооса мерами являются минералы различной твердости. Приписанные им значения твердости образуют ряд реперных точек условной шкалы.

Измерительный преобразователь - техническое средство с нормированными метрологическими характеристиками, служащее для преобразования измеряемой величины в другую величину или измерительный сигнал, удобный для обработки, хранения, дальнейших преобразований, индикации или передачи. Примеры измерительных преобразователей - термопара, пружина динамометра, микрометрическая пара винт-гайка.

Отличительной особенностью измерительного преобразователя является выдача им измерительной информации в форме, не поддающейся непосредственному восприятию оператором. По характеру входного и выходного сигналов различают аналоговые, цифро-аналоговые, аналого-цифровые преобразователи. По месту, занимаемому в измерительной цепи различают преобразователи первичные и промежуточные. Преобразователи с пропорциональным преобразованием сигнала измерительной информации называют масштабными.

Первичный измерительный преобразователь (первичный преобразователь) - измерительный преобразователь, на который непосредственно воздействует измеряемая физическая величина, т. е. первый преобразователь в измерительной цепи измерительного прибора (установки, системы).В одном средстве измерений может быть несколько первичных преобразователей, например, ряд термопар измерительной установки, предназначенной для контроля температуры в разных точках холодильной емкости.

Датчик - конструктивно обособленный первичный преобразователь, от которого поступают измерительные сигналы (он “дает” информацию). Датчики метеорологического зонда или стационарной метеостанции передают измерительную информацию о температуре, давлении, влажности и других параметрах атмосферы, причем они могут находиться на значительном расстоянии от принимающего его сигналы средства измерений. Термин “датчик” в ГОСТ 16263 был помечен как нерекомендуемый, поскольку он отражает только одну из функций первичного измерительного преобразователя- “выдачу информации”.

Измерительный прибор (прибор) - средство измерений, предназначенное для получения значений измеряемой физической величины в установленном диапазоне. Измерительный прибор предназначен для получения измерительной информации от измеряемой физической величины, ее преобразования и выдачи в форме, поддающейся непосредственному восприятию оператором. Прибор включает в себя один или несколько измерительных преобразователей и присоединенное к ним устройство отображения измерительной информации типа шкала-указатель, указатель-диаграммная бумага, числовое табло. В зависимости от системы представления информации различают показывающие или регистрирующие приборы, причем регистрирующие могут быть записывающими либо печатающими, а в зависимости от формы выходного сигнала различают приборы е аналоговым либо с дискретным выходом (“дискретные” приборы часто называют “цифровыми”). Следует обратить внимание, что вид устройства отображения измерительной информации не определяет форму выходного сигнала: система шкала-указатель электронно-механических часов принадлежат “дискретным” приборам, а изменение выходного сигнала бытового счетчика электроэнергии на правом барабане цифрового табло имеет непрерывный характер.

Принято различать также приборы прямого действия и приборы сравнения. Под прибором сравнения, по-видимому, подразумевается компаратор. Компаратор - средство сравнения, предназначенное для сличения мер однородных величин. Примерами являются рычажные весы, компаратор для сличения нормальных элементов. Средство сравнения определено в РМГ 29 - 99 несколько неудачно.

Средство сравнения - техническое средство или специально создаваемая среда, посредством которых возможно выполнять сравнения друг с другом мер однородных величин или показания измерительных приборов.

Примечание - Иногда техническое средство снабжается средством измерений, обеспечивающим функцию сравнения.

1 Рычажные весы, на одну чашку которых устанавливается эталонная гиря, а на другую поверяемая, — есть средство для их сравнения.

2 Градуировочная жидкость для сравнения показаний эталонного и рабочего ареометров служит необходимой средой для градуирования рабочих ареометров.

3 Температурное поле, создаваемое термостатом для сравнения показаний термометров, является необходимой средой.

4 Давление среды, создаваемое компрессором, может быть измерено поверяемым и эталонным манометрами одновременно. На основании показаний эталонного прибора градуируется поверяемый прибор.

Если «средство сравнения» предназначено для реализации процедуры сравнения значений физических величин, то не следует путать его с такими объектами сравнения, как градуировочная жидкость, давление среды и другие.

Индикатор - техническое средство или вещество, предназначенное для установления наличия какой-либо физической величины или превышения уровня ее порогового значения. Индикатор близости к нулю сигнала называют нулевым или нуль-индикатором. При химических реакциях в качестве индикатора применяют лакмусовую бумагу и какие-либо вещества. В области измерений ионизирующих излучений индикатор часто дает световой и (или) звуковой сигнал о превышении уровнем радиации его порогового значения.

Фактически ндикаторы - это особый вид средств измерений, которые предназначены для установления наличия какой-либо физической величины или определения ее порогового значения (индикатор фазового провода электропроводки, индикатор контакта измерительного наконечника прибора линейных измерений с поверхностью детали, лакмусовая бумага, "индикатор пожара в помещении", индикаторы охранной сигнализации). В некоторых случаях в качестве индикаторов могут использоваться измерительные приборы (омметр при проверке обрыва в электрической цепи, часы-будильник, предельный электроконтактный измерительный преобразователь с визуальной или звуковой сигнализацией, называемый иногда "реле геометрических размеров").

Основные и вспомогательные средства измерений и дополнительные устройства могут быть объединены в измерительные установки или измерительные системы.

Основное средство измерений - средство измерений той физической величины, значение которой необходимо получить в соответствии с измерительной задачей.

Вспомогательное средство измерений - средство измерений той физической величины, влияние которой на основное средство измерений или объект измерений необходимо учитывать для получения результатов измерений требуемой точности. Примером вспомогательного средства измерений является термометр для измерения температуры газа в процессе измерений объемного расхода этого газа.

Измерительная установка (установка) - совокупность функционально объединенных мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей и других устройств, предназначенная для измерений одной или нескольких физических величин и расположенная в одном месте. В примечаниях сказано, что существуют эталонные и поверочные установки, а некоторые большие измерительные установки называют измерительными машинами. В качестве примеров приведены установка для измерений удельного сопротивления электротехнических материалов и установка для испытаний магнитных материалов.

Представленные в НД термин "измерительная машина" и определение к нему (измерительная машина - измерительная установка крупных размеров, предназначенная для точных измерений физических величин, характеризующих изделие) внутренне противоречивы, поскольку машины предназначены для выполнения работы, а приборы - для преобразования информации. Из приведенных там же примеров (силоизмерительная машина, машина для измерения больших длин в промышленном производстве, координатно-измерительная машина и делительная машина) только последняя действительно является машиной, поскольку является технологическим оборудованием и предназначена для нарезания штрихов на шкалах.

Измерительная система - совокупность функционально объединенных мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей, ЭВМ и других технических средств, размещенных в разных точках контролируемого объекта и т.п. с целью измерений одной или нескольких физических величин, свойственных этому объекту, и выработки измерительных сигналов в разных целях.

В примечаниях упоминаются измерительные информационные, измерительные контролирующие, измерительные управляющие системы, а также гибкие измерительные системы.

В качестве примеров приведены измерительная система теплоэлектростанции, позволяющая получать измерительную информацию о ряде физических величин в разных энергоблоках, которая может содержать сотни измерительных каналов; радионавигационная система для определения местоположения различных объектов, состоящая из ряда измерительно-вычислительных комплексов, разнесенных в пространстве на значительное расстояние друг от друга.

Измерительно-вычислительный комплекс - функционально объединенная совокупность средств измерений, ЭВМ и вспомогательных устройств, предназначенная для выполнения в составе измерительной системы конкретной измерительной задачи.

Измерительная цепь - совокупность элементов средств измерений, образующих непрерывный путь прохождения измерительного сигнала одной физической величины от входа до выхода. Измерительную цепь измерительной системы называют измерительным каналом.

Очевидно, что и простые и более сложные средства измерений могут включать типовые элементы, к которым можно отнести чувствительный элемент, измерительный механизм, показывающее устройство, регистрирующее устройство, цифровое табло измерительного прибора.

Чувствительный элемент средства измерений (чувствительный элемент) - часть измерительного преобразователя в измерительной цепи, воспринимающая входной измерительный сигнал.

Измерительный механизм средства измерений (измерительный механизм) - совокупность элементов средства измерений, которые обеспечивают необходимое перемещение указателя (стрелки, светового пятна и т. д.).

Определение не вполне соответствует термину, а приведенный далее пример «измерительный механизм милливольтметра состоит из постоянного магнита и подвижной рамки» скорее относится к промежуточному измерительному преобразователю прибора.

Показывающее устройство средства измерений (показывающее устройство) - совокупность элементов средства измерений, которые обеспечивают визуальное восприятие значений измеряемой величины или связанных с ней величин. Очевидно, показывающие устройства приборов чаще всего выполнены в виде системы шкала-указатель или числового табло.

Шкала средства измерений (шкала) - часть показывающего устройства средства измерений, представляющая собой упорядоченный ряд отметок вместе со связанной с ними нумерацией. Отметки на шкалах могут быть нанесены равномерно (равномерная шкала) или неравномерно (неравномерная шкала).

Отметка шкалы (отметка) - знак на шкале средства измерений (черточка, зубец, точка и др.), соответствующий некоторому значению физической величины. Отметку шкалы средства измерений, у которой проставлено число, называют числовая отметка шкалы, а промежуток между двумя соседними отметками шкалы средства измерений называется делением шкалы.

Различают начальное значение шкалы (наименьшее значение измеряемой величины, которое может быть отсчитано по шкале средства измерений) и конечное значение шкалы (наибольшее значение измеряемой величины, которое может быть отсчитано по шкале средства измерений). Так для медицинского термометра начальным значением шкалы является 34,3 °С, а конечным значением шкалы является 42 °С.

Указатель средства измерений (указатель) - часть показывающего устройства, положение которой относительно отметок шкалы определяет показания средства измерений. Указателем может быть стрелка, штрих, кромка детали, перемещающейся относительно шкалы, световое пятно с маркой, край столбика жидкости и т.д. Изменение показаний в системе шкала-указатель, может осуществляться за счет перемещения любого из элементов относительно другого.

Показывающее устройство «цифрового» измерительного прибора называется табло цифрового измерительного прибора (табло прибора; табло).

Кроме демонстрирующих в метрологии используют также и регистрирующие приборы. Регистрирующее устройство средства измерений (регистрирующее устройство) - совокупность элементов средства измерений, которые регистрируют значение измеряемой или связанной с ней величины. В качестве регистрирующего устройства могут использоваться самописцы, печатающие устройства (символьные, в частности цифропечатающие; матричные, формирующие изображение из точек), устройства с фоторегистрацией или магнитной регистрацией данных и другие.

Сложное средство измерений можно представить в виде схемы, взяв за основу его измерительную цепь, которая включает первичный и промежуточные измерительные преобразователи и устройство отображения измерительной информации.

В состав первичного измерительного преобразователя обязательно включается чувствительный элемент. Любое средство измерений обязательно имеет устройство выдачи (отображения) измерительной информации. У приборов с визуальными выходом это чаще всего отсчетные устройства типа шкала-указатель или цифровое табло. Прибор может быть снабжен несколькими шкалами (индикатор часового типа, измерительные головки ИГМ) или одной шкалой с несколькими указателями (часы с циферблатом и центральными стрелками). В приборах и индикаторах применяют и другие устройства визуальной индикации (нуль-указатели, табло светофорного типа), а также акустические устройства (звонок, зуммер таймера) и тактильные устройства (вибратор наручного будильника для слабо слышащих). В качестве устройств выдачи информации могут использоваться также любые регистрирующие самопишущие или печатающие устройства. Пример структурной схемы измерительного прибора представлен на рисунке 1.

Структурную схему измерительного прибора строят, как правило, на базе кинематической, электрической, оптической или иной схемы. Пример взаимно увязанных схем равноплечих рычажных весов представлен на рисунке 2.

Выделение измерительных преобразователей по кинематической схеме осуществляют на основе логического анализа выполняемых ими функций и конструктивной завершенности (автономности). Возможно укрупненное и более мелкое дробление элементов функциональной кинематической схемы на измерительные преобразователи, например: чашка с собственным шарнирным подвесом- шарнирная тяга - равноплечий рычаг… Или обратное: равноплечий рычаг с чашками и шарнирами (первичный измерительный преобразователь) - устройство отображения измерительной информации (стрелка на рычаге - указатель и шкала с единственным делением). Шкала устройства отображения измерительной информации может иметь множество делений или только одно нулевое деление- вырожденная шкала, характерная для приборов типа нуль-компаратора, которые предназначены для измерения нулевым методом.

В зависимости от степени участия оператора в процессе, различают автоматические автоматизированные и неавтоматизированные средства измерений.

Автоматическое средство измерений - средство измерений, производящее без непосредственного участия человека измерения и все операции, связанные с обработкой результатов измерений, их регистрацией, передачей данных или выработкой управляющего сигнала. Автоматическое средство измерений, встроенное в технологическую линию, нередко называют "измерительный автомат" или "контрольный автомат". Применяют также понятие "измерительные роботы".

Автоматизированное средство измерений - средство измерений, производящее в автоматическом режиме одну или часть измерительных операций. Например, барограф осуществляет автоматическое измерение и регистрацию давления, а счетчик электроэнергии измеряет и регистрирует данные о потреблении энергии с автоматическим накоплением результатов).

Средства измерений подразделяются на виды и типы, причем вид средств измерений может включать несколько их типов. Амперметры являются видами средств измерений силы электрического тока, а вольтметры- напряжения электрического тока.

Вид средства измерений - совокупность средств измерений, предназначенных для измерений данной физической величины.

Тип средства измерений - совокупность средств измерений одного и того же назначения, основанных на одном и том же принципе действия, имеющих одинаковую конструкцию и изготовленных по одной и той же технической документации. Средства измерений одного типа могут иметь различные модификации (например, индикаторы часового типа ИЧ отличаются по диапазонам показаний).

Кроме того, средства измерений принято различать по принципам действия, то есть по физическим принципам, используемым для преобразования измеряемой величины или сигнала измерительной информации. Например, измерительный микроскоп относится к оптико-механическим приборам, индуктивный или резистивный преобразователь- к электрическим средствам измерений и т.д. Сложные приборы с длинной измерительной цепью обычно характеризуют одним (или двумя) наиболее важными принципами преобразования (лазерный интерферометр, фотоэлектрический угломер).

Средства измерений узаконивают уполномоченные органы, например, путем утверждения типа средства измерений. Узаконенное средство измерений - средство измерений, признанное годным и допущенное для применения уполномоченным на то органом. Одним из методов официального утверждения является стандартизация средств измерений. Средства измерений подвергают испытаниям и в случае положительных результатов стандартизуют и вносят в Госреестр.Стандартизованное средство измерений - средство измерений, изготовленное и применяемое в соответствии с требованиями государственного или отраслевого стандарта. Одним из видов стандартизованных средств измерений является стандартный образец (СО) - образец вещества (материала) с установленными в результате метрологической аттестации значениями одной или более величин, характеризующими свойство или состав этого вещества (материала). Различают стандартные образцы свойств и стандартные образцы состава. Стандартные образцы свойств веществ и материалов являются однозначными мерами и могут применяться в качестве рабочих эталонов, с присвоением разряда в соответствии с местом в государственной поверочной схеме. Примеры стандартных образцов свойства: СО относительной диэлектрической проницаемости, СО высокочистой бензойной кислоты. Стандартные образцы состава могут иметь аттестованные значения одной или более величин, характеризующими свойство или состав этого вещества, например СО состава углеродистой стали.

Не все средства измерений стандартизуют. Разработанные для единичного производства средства измерений могут быть узаконены без их стандартизации.Нестандартизованное средство измерений (НСИ) - средство измерений, стандартизация требований к которому признана нецелесообразной.

По метрологическому назначению различают эталонные и рабочие средства измерений. Рабочее средство измерений - средство измерений, предназначенное для измерений, не связанных с передачей размера единицы другим средствам измерений. Эталонные средства измерений называют также средствами поверки. Средства поверки - эталоны, поверочные установки и другие средства измерений, применяемые при поверке в соответствии с установленными правилами.

Возможности использования средств измерений, а также их точностные свойства определяются их метрологическими характеристиками

Метрологическая характеристика средства измерений (метрологическая характеристика; MX) - характеристика одного из свойств средства измерений, влияющая на результат измерений и на его погрешность. Различают нормируемыме метрологические характеристики, устанавливаемые нормативными документами на средства измерений, и действительные характеристики, определяемые экспериментально. Метрологические характеристики весьма разнообразны, они существенно различаются по значимости и информативности и существенно зависят от типа средств измерений.

Для средств измерений, осуществляющих измерительное преобразование измеряемой физической величины, широко применяют интегральную метрологическую характеристику, которая отражает действительную функцию преобразования (так называемая градуировочная характеристика).Градуировочная характеристика средства измерения (градуировочная характеристика) - зависимость между значениями величин на входе и выходе средства измерений, полученная экспериментально. Градуировочная характеристика может быть выражена в виде формулы, графика или таблицы. Выраженную в виде формулы или графика, номинальную характеристику называют функцией преобразования средства измерений. В некоторых метрологических источниках номинальную и экспериментальную функции преобразования называют статическими характеристиками измерительных преобразователей и приборов, противопоставляя их полным динамическим характеристикам.

Функции преобразования Zо измерительных преобразователей с аналоговым и с дискретным выходными сигналами графически представлены на рисунке 3. Их можно записать в виде

где Y - сигнал на входе преобразователя;

Z - сигнал на выходе преобразователя,

Для измерительных приборов в качестве интегральных метрологических характеристик можно рассматривать номинальные (рисунок 4) и реальные функции преобразования (реальная функция есть градуировочная характеристика прибора).

Реальные функции преобразования измерительных преобразователей и приборов могут значимо отличаться от номинальных. Кроме случайных отклонений возможно также наличие систематических тенденций (рисунок 5), которые проявляются с увеличением измеряемых величин в пределах диапазона измерительного преобразования. Если прибор неправильно настроен на нулевое показание (смещение нуля - показание средства измерений, отличное от нуля, при входном сигнале, равном нулю), в любом результате измерений будет присутствовать постоянная систематическая погрешность. Значит, реальная линейная функция преобразования отличается от номинальной плоскопараллельным сдвигом вверх или вниз (рисунок 5а), что вызывает алгебраическое (с учетом знака) добавление к любой измеряемой величине одной и той же постоянной систематической погрешности. Такую погрешность прибора называют "аддитивной", хотя более корректно в этом случае говорить о статической характеристике с аддитивной погрешностью. Для исключения такой погрешности из результата измерения к нему следует алгебраически добавить необходимую поправку, равную систематической погрешности по модулю и противоположную по знаку. Для аппаратурного устранения таких инструментальных составляющих в приборах обычно предусматривают специальное регулировочное устройство для поднастройки, например, корректор нуля в электроизмерительных приборах.

Если реальная функция преобразования отличается от номинальной углом наклона (рисунок 5б), то к измеряемой величине добавляется систематическая погрешность, значение которой тем больше, чем больше использованный при измерении диапазон преобразования. Такую погрешность прибора называют "мультипликативной", но как и в предыдущем случае более корректно говорить о статической характеристике с мультипликативной погрешностью. Для исключения такой погрешности из результата измерения его следует умножить на поправочный коэффициент. Аппаратурное устранение такой составляющей, которая вызвана несоответствием реального коэффициента преобразования номинальному значению, как правило, требует частичной разборки прибора для обеспечения доступа к специальным регулировочным устройствам, если они предусмотрены в измерительной цепи.

Переменные систематические расхождения реальной и номинальной функций преобразования могут появиться из-за нелинейности характеристики одного или нескольких измерительных преобразователей, например, рычажной передачи.

Возможны и другие виды систематических отклонений реальной функции от номинальной, например погрешности из-за гистерезисных явлений в измерительной цепи (рисунок 5в).

Градуировочные характеристики можно рассматривать как экспериментальные модели функции преобразования измерительного прибора.

Наряду с интегральными метрологическими характеристиками для средств измерений предусмотрены возможности назначения и контроля множества различных частных характеристик. Часть из них представляет интерес для пользователя, другие принципиально важны только для разработчиков средств измерений. К последним можно отнести такие как:

  • длина деления шкалы - расстояние между осями (или центрами) двух соседних отметок шкалы, измеренное вдоль воображаемой линии, проходящей через середины самых коротких отметок шкалы;
  • длина шкалы - длина линии, проходящей через центры всех самых коротких отметок шкалы средства измерений и ограниченной начальной и конечной отметками. Линия может быть прямой или кривой, реально выполненной на приборе или воображаемой, и длина шкалы есть расстояние вдоль этой линии между нижним и верхним пределами шкалы.
  • чувствительность средства измерений (чувствительность) - свойство средства измерений, определяемое отношением изменения выходного сигнала этого средства к вызывающему его изменению измеряемой величины.

Примеры характеристик, важных и для пользователя, и для разработчиков:

  • диапазон показаний средства измерений (диапазон показаний) - область значений шкалы прибора, ограниченная начальным и конечным значениями шкалы
  • диапазон измерений средства измерений (диапазон измерений) - область значений величины, в пределах которой нормированы допускаемые пределы погрешности средства измерений.
  • вариация показаний измерительного прибора (вариация показаний) - разность показаний прибора в одной и той же точке диапазона измерений при плавном подходе к этой точке со стороны меньших и больших значений измеряемой величины. Примечание — В высокочувствительных (особенно в электронных) измерительных приборах вариация приобретает иной смысл и может быть раскрыта как колебание его показаний около среднего значения (показание"дышит");
  • порог чувствительности средства измерений (порог чувствительности) - характеристика средства измерений в виде наименьшего значения изменения физической величины, начиная с которого может осуществляться ее измерение данным средством.Кроме этого термина на практике применяются также термины: порог реагирования, порог подвижности, срабатывание, порог срабатывания и пороговая чувствительность, которые следует рассматривать как синонимы, не подлежащие применению;
  • зона нечувствительности средства измерений (зона нечувствительности) - диапазон значений измеряемой величины, в пределах которого ее изменения не вызывают выходного сигнала средства измерений. Иногда эту зону называют мертвой;
  • дрейф показаний средства измерений (дрейф показаний) - изменение показаний средства измерений во времени, обусловленное изменением влияющих величин или других факторов.

Для выбора номенклатуры и назначения метрологических характеристик (МХ) важно определить вид конкретного средства измерений, поскольку для разных СИ используют различные МХ и комплексы МХ. Метрологические характеристики средств измерений (МХ СИ) различных видов существенно отличаются по номенклатуре. Так для однозначной меры набор метрологических характеристик включает значение мерыY и характеристики ее погрешностей, а для многозначной штриховой меры, измерительного преобразователя или прибора состав комплекса МХ значительно расширен, а сами комплексы могут существенно различаться между собой.

Метрологические характеристики (МХ) средств измерений по ГОСТ 8.009-84 делят на следующие группы:

  • характеристики, предназначенные для определения результатов измерений (без введения поправки). Такие МХ можно назвать номинальными;
  • характеристики погрешностей СИ;
  • характеристики чувствительности СИ к влияющим величинам, которые тоже можно отнести к характеристикам погрешностей;
  • динамические характеристики СИ;
  • неинформативные параметры выходного сигнала СИ (предпочтительно рассматривать неинформативные параметры сигнала измерительной информации).

Названы также и "характеристики СИ, отражающие их способность влиять на инструментальную составляющую погрешности измерений вследствие взаимодействия СИ с любым из подключенных к их входу или выходу компонентов(таких как объект измерений, средство измерений и т.п.)".

Номинальные метрологические характеристики мер однозначной и многозначной включают значения мер, представляемые именованными числами. Для однозначной меры это одно номинальное значение Y, а для многозначной меры - множество значений Yi. Для штриховых многозначных мер обязательны также характеристики, связанные со шкалой (рассматриваются ниже вместе с другими МХ аналоговых СИ). Для любых мер кроме номинальных значений обязательно нормируются характеристики погрешностей.

В качестве интегральной метрологической характеристики как измерительного преобразователя, так и измерительного прибора может использоваться функция преобразования, представленная в табличной или графической форме. Такая функция может быть номинальной характеристикой группы однородных СИ, либо реальной градуировочной характеристикой конкретного СИ. Градуировочная характеристика конкретного экземпляра преобразующего СИ может быть получена в виде единичной реализации, пучка реализаций или оценки, полученной в результате комплексирования пучка единичных реализаций.

Под градуировкой понимают определение градуировочной характеристики средства измерений (встречается нерекомендуемый термин "тарировка СИ"). Определение градуировочной характеристики нестандартизованного СИ и оформление ее на шкале прибора соответствует понятию градуировки как метрологического мероприятия, поскольку в этом случае используют полученные в ходе исследований конкретные реализации зависимостей между величинами на входе и на выходе средства измерений.

Градуировкой в узком смысле называют также нанесение отметок на шкалу прибора, например осуществляемую типографским методом, что соответствует воспроизведению на приборе номинальной функции преобразования СИ. Такое понятие градуировки отражает технологическую сторону нанесения отметок шкалы прибора.

Набор частных МХ измерительного преобразователя может включать такие номинальные характеристики, как диапазон и пределы преобразования, чувствительность СИ, вид выходного кода и число разрядов выходного кода, цена единицы наименьшего разряда кода, номинальная ступень квантования. Остальные МХ выбирают из той же номенклатуры, что и для измерительных приборов.

Для измерительных преобразователей диапазон и пределы преобразования могут вообще не устанавливаться, если они зависят не от самого преобразователя, а от устройств, с которыми он используется. Например, для тензопреобразователей, используемых в первичных измерительных преобразователях силы и деформаций, диапазон преобразуемых величин зависит не от самого тензопреобразователя, а от свойств применяемого упругого элемента. Для предельных электроконтактных преобразователей диапазон измерений полностью зависит от конструкции стойки или скобы, в которую преобразователь установлен. Пределы преобразования (нижний и верхний) соответствуют наименьшему и наибольшему значениям диапазона преобразования.

Для некоторых первичных измерительных преобразователей диапазон преобразования может ограничиваться их физическими свойствами. Это касается термопар, фотоприемников лучистой энергии, емкостных и других преобразователей.

Для преобразователей с дискретной (цифровой, числовой) выдачей сигнала измерительной информации вместо диапазона и пределов преобразований приходится использовать такие МХ, как вид выходного кода и число разрядов выходного кода. Именно эти МХ ограничивают возможности выдачи сигнала измерительной информации сверху и снизу.

Цена единицы наименьшего разряда кода или номинальная ступень квантования, если последняя больше цены единицы наименьшего разряда кода, для устройств с дискретной выдачей измерительной информации ограничивает фиксируемый уровень изменения входного сигнала снизу. В соответствии с этим положением можно провести аналогию между номинальной ступенью квантования и порогом чувствительности СИ.

Поскольку измерительные преобразователи выдают измерительную информацию в форме, не поддающейся непосредственному восприятию оператором, реальные значения их МХ обычно определяют с подключением к этим СИ устройств отображения информации, после чего они превращаются в измерительные приборы. Поэтому далее будем рассматривать метрологические характеристики измерительных приборов.

Частные номинальные метрологические характеристики измерительного прибора включают:

диапазон измерений - область значений величины, в пределах которой нормированы допускаемые пределы погрешности средства измерений.

Примечание — Значения величины, ограничивающие диапазон измерений снизу и сверху (слева и справа), называют соответственно нижним пределом измерений или верхними пределом измерений;

диапазон показаний - область значений шкалы прибора, ограниченная начальным и конечным значениями шкалы

Для многозначных штриховых мер используют также термины "диапазон шкалы" и "пределы шкалы", поскольку указатель как элемент СИ в них отсутствует. Эти термины удобны также и для характеристики приборов с несколькими парами устройств отображения информации типа шкала-указатель.

Для приборов с дискретным (цифровым, числовым) устройством отображения измерительной информации диапазон показаний определяется видом выходного кода и числом разрядов кода. Код может быть десятиричный (десятичный), двенадцатиричный, шестидесятиричный и другой, например, семиричный код для дней недели. Важно также предельное число знаков на табло, в том числе цифр (число разрядов выходного кода) и других (не цифровых) знаков. Существенными признаками являются виды знаков и их содержание, например, наличие фиксированной или плавающей разделительной десятичной запятой (точки), минуса, знака переполнения или неправильного подключения прибора и др.

Одной из наиболее важных характеристик для приборов с устройством отображения информации типа шкала-указатель является цена деления шкалы (цена деления) - разность значений величин, соответствующих двум соседним отметкам шкалы средства измерений.

Для приборов с дискретным (цифровым) устройством отображения измерительной информации - цена единицы наименьшего разряда кода либо номинальная ступень квантования, если она больше цены единицы наименьшего разряда кода. Номинальная ступень квантования (см. рисунки 3 и 4) - наименьшее изменение измеряемой величины, на которое прибор реагирует сменой показаний на цифровом табло. Наименьшее значение номинальной ступени квантования совпадает с ценой единицы наименьшего разряда, а любое иное должно быть кратно этому значению. В случае десятиричного кода, как правило, применяют множители кратности 2 или 5 (номинальная ступень квантования равна двукратному либо пятикратному значению цены единицы наименьшего разряда кода).

В РМГ 29 - 99 приведены такие характеристики погрешностей средств измерений, как погрешность, систематическая погрешность и случайная погрешность средства измерений.

Погрешность средства измерений - разность между показанием средства измерений и истинным (действительным) значением измеряемой физической величины.

В примечании сказано, что хотя приведенное определение понятия "погрешность средства измерений" соответствует определению, данному VIM—93 и не противоречит формулировкам, принятым в отечественной метрологической литературе, признать его удовлетворительным нельзя, так как по сути оно не отличается от определения понятия "погрешность измерений", поэтому необходима дальнейшая работа по усовершенствованию определения.

Если говорить о погрешности прибора или измерительного преобразователя, следует отметить что она должна отличаться от погрешности измерения практическим отсутствием в результатах измерений методической и субъективной составляющих, а также погрешностей из-за отличия условий измерений от нормальных. Иначе говоря, эти составляющие погрешности измерения должны быть пренебрежимо малы по сравнению с искомой инструментальной составляющей погрешности измерения, при том, что последняя есть погрешность прибора или измерительного преобразователя. Практически так организована поверка средств измерений: разрабатывается методика поверки свободная от методических составляющих, поверку проводят квалифицированные операторы в нормальных условиях, в результате чего единственной значимой погрешностью является погрешность поверяемого средства измерений.

Для меры, которая должна воспроизводить величину заданного размера, за погрешность принимают разность между ее истинным и номинальным значениями.

Систематическая погрешность средства измерений (систематическая погрешность) - составляющая погрешности средства измерений, принимаемая за постоянную или закономерно изменяющуюся.

Поскольку систематическая погрешность конкретного средства измерений индивидуальна и может отличаться от систематической погрешности другого экземпляра средства измерений этого же типа, систематические погрешности группы однотипных средств измерений можно рассматривать как ансамбль случайно распределенных величин.

Случайная погрешность средства измерений (случайная погрешность) - составляющая погрешности средства измерений, изменяющаяся случайным образом.

По формам представления различают абсолютную и относительную погрешности средств измерений. Относительную погрешность обычно выражают в процентах. Разновидностью относительной является приведенная погрешность средства измерений - относительная погрешность, выраженная отношением абсолютной погрешности средства измерений к условно принятому значению величины, постоянному во всем диапазоне измерений или в части диапазона. Условно принятое значение величины называют нормирующим значением. Часто за нормирующее значение принимают верхний предел измерений.

В зависимости от условий использования средств измерений и режима измерений принято различать основную и дополнительную, статическую и динамическую погрешности.

Основная погрешность средства измерений - погрешность средства измерений, применяемого в нормальных условиях.

Дополнительная погрешность средства измерений - составляющая погрешности средства измерений, возникающая дополнительно к основной погрешности вследствие отклонения какой-либо из влияющих величин от нормального ее значения или вследствие ее выхода за пределы нормальной области значений.

Поскольку эти погрешности фактически не являются инструментальными, отнесение их к погрешностям средств измерений не вполне корректно. Однако наличие стандартных терминов может быть использовано при комплексировании составляющих погрешности измерений для оценки ее интегрального значения.

Погрешности являются характеристикой точности средства измерений. Точность средства измерений - характеристика качества средства измерений, отражающая близость его погрешности к нулю.

Класс точности средства измерений - обобщенная характеристика данного типа средств измерений, как правило, отражающая уровень их точности, выражаемая пределами допускаемых основной и дополнительных погрешностей, а также другими характеристиками, влияющими на точность.

Класс точности средств измерений конкретного типа указывают в нормативных документах, используя шкалу порядка, либо шкалу отношений. В последнем случае число, обозначающее класс точности, отражает относительную погрешность средства измерений. Класс точности, оцениваемый по ранговой шкале, не является непосредственным показателем погрешностей конкретного средства измерений.

Основной характеристикой погрешности, нормированной в РМГ 29 - 99 является предел допускаемой погрешности.

Предел допускаемой погрешности средства измерений (предел допускаемой погрешности; предел погрешности) - наибольшее значение погрешности средств измерений, устанавливаемое нормативным документом для данного типа средств измерений, при котором оно еще признается годным к применению. Обычно устанавливают два предела допускаемой погрешности, то есть границы зоны, за которую не должна выходить погрешность средства измерений. При превышении установленного предела погрешности средство измерений признается не годным для применения в данном классе точности.

В ГОСТ 8.009-84 в характеристики погрешностей измерительного прибора или преобразователя входят:

  • значение погрешности СИ (если доминирующей составляющей является случайная составляющая погрешности, а неисключенной систематической погрешностью СИ можно пренебречь, оно фактически совпадает со значением случайной составляющей погрешности);
  • значение случайной составляющей погрешности СИ;
  • значение среднего квадратического отклонения случайной составляющей погрешности СИ;
  • значение среднего квадратического отклонения случайной составляющей погрешности СИ и нормализованная автокорреляционная функция или функция спектральной плотности случайной составляющей погрешности СИ;
  • значение случайной составляющей погрешности СИ от гистерезиса (от вариации выходного сигнала);
  • значение систематической составляющей погрешности СИ;
  • комплекс в составе: значение систематической составляющей погрешности СИ, или значение среднего квадратического отклонения систематической составляющей погрешности СИ и математическое ожидание систематической составляющей погрешности СИ.

Условные обозначения характеристик погрешностей измерительного прибора (измерительного преобразователя) приведены в таблице 1.

При определении оценок систематической составляющей погрешности СИ необходимо учитывать, что систематические составляющие конкретного экземпляра СИ рассматриваются какслучайные величины на множестве СИ данного типоразмера.

Таблица 1 - Обозначения характеристик погрешностей измерительного прибора

(измерительного преобразователя)

Устанавливать значения среднего квадратического отклонения и математического ожидания систематической составляющей погрешности СИ целесообразно только в тех случаях,когда можно пренебречь их изменением во времени или когда есть возможность выявления функции изменения данных характеристик при определенных значениях аргументов (например, влияющих величин).

Характеристики чувствительности СИ к влияющим величинам:

  • функции влияния ФВ — зависимость изменения МХ СИ от изменения влияющей величины или от изменения совокупности влияющих величин;
  • изменения значений МХ СИ, вызванные изменениями влияющих величин в установленных пределах.

Характеристики средств измерений, отражающие способность влиять на инструментальную составляющую погрешности измерений вследствие взаимодействия СИ с любым подключенным к их входу или выходу компонентов (таких, как объект измерений, дополнительное средство измерений и т.п.). Примерами характеристик этой группы являются входной и выходной импедансы линейного измерительного преобразователя.

Динамические характеристики, входящие в МХ конкретного средства измерений, делятся на полную динамическую характеристику и частные динамические характеристики.

Примеры полных динамических характеристик СИ (рисунок 6):

  • переходная характеристика h(t) - временнАя характеристика средства измерений, полученная при ступенчатом изменении входного сигнала (рисунок 6а);
  • импульсная переходная характеристика g(t) - временнАя характеристика средства измерений, получаемая при в результате приложения ко входу средства измерений входного сигнала в виде дельта-функции или функции Дирака (рисунок 6б);
  • амплитудно-частотная характеристика A(ω) - зависящее от круговой частоты отношение амплитуды выходного сигнала линейного СИ в установившемся режиме к амплитуде входного синусоидального сигнала.

Частные динамические характеристики аналоговых СИ, которые можно рассматривать как имеющие линейную функцию преобразования, - любые функционалы или параметры полных динамических характеристик. Примерами таких характеристик являются:

  • время реакции tr (см. рисунок 6а); для измерительного преобразователя - время установления выходного сигнала, для показывающего измерительного прибора - время установления показаний;
  • погрешность датирования отсчета td аналого-цифрового преобразователя или цифрового измерительного прибора - случайная величина - интервал времени, начинающийся в момент начала цикла преобразования АЦП или ЦИП и заканчивающийся в момент, когда значение изменяющейся измеряемой ФВ и значение выходного цифрового сигнала в данном цикле преобразования оказались равны;
  • максимальная частота (скорость) измерений fmax.

Дополнительными метрологическими характеристиками СИ могут быть неинформативные параметры выходного сигнала средства измерений. Например, для устройств с электрическим преобразованием измерительной информации в выходном каскаде принципиально важными являются сила или напряжение опорного электрического тока, который модулируется для получения соответствующего сигнала.

Использовать для измерений следует только те средства, которые признаны метрологически исправными. Нарушение хотя бы одной нормированной характеристики считается метрологическим отказом средства измерений, даже если оно сохранило техническую работоспособность. Понятие отказ взято из такой области оценивания качества, как надежность.

Метрологическая исправность средства измерений (метрологическая исправность) - состояние средства измерений, при котором все нормируемые метрологические характеристики соответствуют установленным требованиям.

Метрологический отказ средства измерений (метрологический отказ) - выход метрологической характеристики средства измерений за установленные пределы.

Метрологическая надежность средства измерений (метрологическая надежность) - надежность средства измерений в части сохранения его метрологической исправности.

Метрологическую исправность средств измерений устанавливают по результатам их поверки или калибровки.

Еще на эту тему:

Похвала Пресвятой Богородицы (Суббота акафиста) Похвала Пресвятой Богородицы (Суббота акафиста)
А как будет себя вести твой знак зодиака в старости? А как будет себя вести твой знак зодиака в старости?
Значение имени вячеслав, что означает имя вячеслав - судьба и происхождение Значение имени вячеслав, что означает имя вячеслав - судьба и происхождение