2. Средства и погрешности измерений

2.1. Средства измерений

Средство измерений – это техническое средство, используемое при измерении и имеющее нормированные метрологические свойства. К средствам измерений относят меры и измерительные приборы, преобразователи, установки и системы. От средств измерений зависит правильное определение значения измеряемой величины в процессе измерения.

Мера – это средство измерений, предназначенное для воспроизведения физической величины заданного размера. Например, гиря-мера массы, измерительный резистор-мера электрического сопротивления и т.п. К мерам относятся также стандартные образцы и образцовые вещества.

Стандартный образец – это мера для воспроизведения единиц физической величины, характеризующих свойства или состав веществ и материалов. Например, стандартный образец свойств ферромагнитных материалов или среднелегированной стали с аттестованным содержанием химических элементов, образцы шероховатости поверхности.

Образцовое вещество – это вещество с известными свойствами, воспроизводимыми при соблюдении условий приготовления, указанных в утвержденной спецификации. Например, «чистая» вода, «чистые» газы, «чистые» металлы.

Образцовые вещества воспроизводят строго регламентированный состав веществ и широко используются при производстве количественных химических анализов и в создании реперных точек шкал. Например, «чистый» цинк служит для воспроизведения температуры 420 ⁰С.

Меры подразделяют на многозначные и однозначные.

Однозначная мера воспроизводит физическую величину одного размера. По сути дела она воспроизводит либо единицу измерения, либо некоторое определенное числовое значение данной физической величины. Например, измерительная катушка сопротивления, гиря, плоскопараллельная концевая мера длины, измерительная колба, измерительный резистор, нормальный элемент, конденсатор постоянной емкости.

Из однозначных мер собирают наборы мер.

Набор мер – это специально подобранный комплект мер, применяемых не только по отдельности, но и в различных сочетаниях с целью воспроизведения ряда одноименных величин различного размера. Например, набор измерительных конденсаторов, набор плоскопараллельных концевых мер длины, набор гирь.

Многозначная мера воспроизводит ряд одноименных величин различного размера. Например, конденсатор переменной емкости, вариометр индуктивности, линейки с миллиметровыми делениями.

Образцовые средства измерений предназначены для передачи размеров единиц физических величин от эталонов или более точных образцовых средств рабочим средствам.

Общие требования к образцовым средствам измерений устанавливает ГОСТ 8.382-80. Образцовыми средствами измерений являются меры, измерительные приборы и устройства, прошедшие метрологическую аттестацию и утвержденные органами государственной или ведомственной метрологических служб в качестве образцовых. По назначению следует различать исходные и подчиненные образцовые средства измерений.

Исходными называют образцовые СИ, от которых размер единицы передается с наивысшей в данном подразделении метрологической службы точностью.

Подчиненными называют образцовые СИ, которым передается размер единицы от исходного образцового средства измерений непосредственно или через другие образцовые средства измерений.

В зависимости от погрешности аттестации образцовые средства измерений подразделяются на разряды. Для различных видов измерений, проводимых в отрасли, устанавливается различное число разрядов образцовых средств измерений, предусмотренное стандартами на поверочные схемы данного вида СИ. Разряды служат основой для их метрологического соподчинения; образцовые средства 1-го разряда поверяются, как правило, непосредственно по рабочим эталонам, а 2-го и последующих разрядов – по образцовым средствам предшествующих разрядов. Например, образцовыми мерами электродвижущей силы 1-го разряда служат нормальные элементы с погрешностью ± 2х10^-4 %, а образцовыми мерами 2-го разряда – нормальные элементы с погрешностью ± 5х10^-4 %. Образцовые меры массы (гири) и измерительные приборы для измерения давления на четыре разряда.

Рабочие средства измерения применяют для измерений, не связанных с передачей размера единиц, т.е. они служат для технических измерений в лабораториях или на производстве.

Для образцовых СИ не так важно, насколько велики поправки к его показаниям, как важны стабильность и воспроизводимость его показаний.

Измерительные приборы представляю собой СИ предназначенные для выработки сигнала измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем.

Результаты измерений приборами выдаются их отсчетными устройствами. Последние подразделяются на шкальные, цифровые и регистрирующие.

Шкальные отсчетные устройства состоят из шкалы, представляющей собой совокупность отметок и чисел, изображающих ряд последовательных значений измеряемой величины и указателя (стрелки, электронного луча и др.), связанного с подвижной системой прибора.

Отметки шкалы, у которых поставлено числовое значение, называются числовыми отметками шкалы.

Основными характеристиками шкалы рассматриваемого отсчетного устройства являются: длина деления шкалы – расстояние между осями или центрами двух соседних отметок (штрихов или точек) шкалы, измеренное вдоль ее базовой линии, т.е. линии, проходящей через середины ее самых коротких отметок и цена деления шкалы – значение измеряемой величины, которое вызывает перемещение подвижного элемента отсчетного устройства на одно деление, т.е. модуль разности значений измеряемой величины, соответствующих соседним отметкам шкалы.

Указанное на шкале наименьшее и наибольшее значения измеряемой величины называются соответственно начальным и конечным значениями шкалы. Область значений, ограниченная начальным и конечным значением шкалы, называется диапазоном шкалы показаний.

Диапазон измерений – это та часть диапазона показаний, для которой нормированы пределы допускаемых погрешностей СИ. Наименьшее и наибольшее значения диапазона измерений называются соответственно нижним и верхним пределами измерений.

В технических приборах диапазон измерений и диапазон показаний, как правило, совпадают.

Значение величины, определяемое по отсчетному устройству СИ и выраженное в принятых единицах этой величины, называют показанием средства измерений. Показание может быть выражено как:

Х_п = N c или Х_п = N_дет · с_дет

Где N – отсчет (наименование число, отсчитанное по отсчетному устройству СИ либо полученное счетом последовательных отметок или сигналов); с – постоянная СИ (число именованное в единицах измеряемой величины; N_дет – число делений, подсчитанных по отсчетному устройству); с_дет – цена деления шкалы как разность значений величины, соответствующих двум соседним отметкам шкалы.

Шкалы приборов бывают двухсторонними, безнулевыми.

Чувствительность ИП – это отношение изменения сигнала Δ l на выходе ИП к вызывающему его изменению измеряемой величины Δ А, т.е. S = Δ l/ΔA.

Цифровые измерительные приборы автоматически вырабатывают дискретные сигналы измерительной информации, которые представляют в цифровой форме отсчет у них производится с помощью механических или электронных цифровых отсчетных устройств.

Цифровые измерительные приборы по сравнению со стрелочными имеют ряд достоинств: процесс измерения автоматизирован, что исключает возникновение погрешностей, обусловленных ошибками оператора; время измерения очень мало; результат измерений, выдаваемый в цифровой форме, легко фиксируется цифропечатающим устройством и удобен для ввода в Электронно-вычислительную машину.

Измерение электрического напряжений, частоты колебаний и многих других физических величин.

Регистрирующие измерительные приборы подразделяют на самопишущие (например, барографы, термографы, шлейфные осциллографы), выдающие показания в форме диаграммы, и печатающие, которые выдают результат измерений в цифровой форме на бумажной ленте. Регистрирующие приборы используют при измерении физических величин-параметров процессов или свойств объектов в динамических режимах, когда непрерывно изменяются те или иные условия измерения (температура, давление).

Измерительные преобразователи – средство измерений служащее для выработки измерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и хранения, но не поддающейся непосредственному восприятию наблюдателям.

Измерительные преобразователи, к которому подведена измеряемая величина, называется первичным преобразователем (например, термопара в термоэлектрическом термометре).

Измерительные преобразователи, предназначенные для изменения величины в заданное число раз, называется масштабным. Например, делитель напряжений на входе вольтметров и электронных осциллографов, а также измерительные усилители.

Измерительные преобразователи предназначенные для дистанционной передачи сигнала измерительной информации, называется передающим. Например, индуктивные и пневматические передающие преобразователи.

Цифровые отсчетные устройства бывают либо механические, либо световые. Механические устройства отсчета используются в тех цифровых устройствах (приборах), у которых измеряемая величина преобразуется в соответствующие углы поворота валов. Световое табло используется в электронных цифровых приборах, у которых измеряемые величины преобразуются в определенную последовательность импульсных сигналов

Регистрирующие отсчетные устройства состоят из пишущего или печатного механизма и ленты. Запись результатов измерений может производиться световым или электронным путем, перемещение которых зависит от значений измеряемых величин.

По способу определения значения измеряемой величины приборы делятся на две группы: прямого действия и сравнения.

Приборы прямого действия (непосредственной оценки) позволяют получать значения измеряемой величины на отсчетном устройстве.

Характерной особенностью приборов непосредственной оценки является то, что результаты, полученные с их помощью, не требует сравнения с показаниями образцовых средств измерений (вольтметры, амперметры, манометры, термометры и др.).

Приборы сравнения. Значение измеряемой величины определяют сравнением с известной величиной, соответствующей воспроизводящей ее меры. Например, измерение массы тела на рычажных весах…; компенсационные и мостовые схемы измерения. Характерной особенностью, приборов, основанных на методе сравнения, является, то, что погрешность измерения с их помощью определяется в основном погрешностью мер, с которыми сравнивают измеряемые величины. Следовательно, применение мер более высоких классов точности и разрядов обеспечивает повышение точности измерений.

По способу образования показаний приборы подразделяют на показывающие и регистрирующие. Показывающие приборы, в свою очередь, подразделяют на аналоговые и цифровые.

Аналоговые приборы – это, как правило, стрелочные приборы с отсчетными устройствами, состоящими из двух элементов – шкалы и указателя, связанного с подвижной частью прибора. Показания таких приборов являются непрерывной функцией изменений измеряемой величины.