3.2.3. Классификация и общая характеристика средств измерений

Средством измерений (СИ) называют техническое средство (или их комплекс), используемое при измерениях и имеющее нормированные метрологические характеристики. В отличие от таких технических средств, как индикаторы, предназначенных для обнаружения физических свойств (компас, лакмусовая бумага, осветительная электрическая лампочка), средства измерений позволяют не только обнаружить физическую величину, но и измерить её, то есть сопоставить неизвестный размер с известным.

Если физическая величина известного размера есть в наличии, то она непосредственно используется для сравнения (измерение плоского угла транспортиром, массы — с помощью весов с гирями). Если же физической величины известного размера в наличии нет, то сравнивается реакция (отклик) прибора на воздействие измеряемой величины с проявившейся ранее реакцией на воздействие той же величины, но известного размера (измерение силы тока амперметром). Для облегчения сравнения еще на стадии изготовления прибора отклик на известное воздействие фиксируют на шкале отсчетного устройства, после чего наносят на шкалу деления в кратном и дольном отношении. Описанная процедура называется градуировкой шкалы.

При измерении она позволяет по положению указателя получать результат сравнением непосредственно по шкале отношений. Итак, система измерений (за исключением некоторых мер — гирь, линеек) в простейшем случае производят две операции: обнаружение физической величины; сравнение неизвестного размера с известным или сравнение откликов на воздействие известного и неизвестного размеров.

Другими отличительными признаками СИ являются, во-первых, «умение» хранить (или воспроизводить) единицу физической величины; во-вторых, неизменность размера хранимой единицы. Если же размер единицы в процессе измерений изменяется более, чем установлено нормами, то с помощью такого средства невозможно получить результат с требуемой точностью. Отсюда следует, что измерять можно только тогда, когда техническое средство, предназначенное для этой цели, может хранить единицу, достаточно неизменную по размеру (во времени).

3.2.4. Метрологические свойства и метрологические характеристики средств измерений

Метрологические свойства системы измерений — это свойства, влияющие на результат измерений и его погрешность. Показатели метрологических свойств являются их количественной характеристикой и называются метрологическими характеристиками.

Метрологические характеристики, устанавливаемые Нормативной документацией, называют нормируемыми метрологическими характеристиками.

Все метрологические свойства системы измерений можно разделить на две группы:

1) свойства, определяющие область применения системы измерений;

2) свойства, определяющие точность (правильность и прецизионность) результатов измерения.

К основным метрологическим характеристикам, определяющим свойства первой группы, относятся диапазон измерений и порог чувствительности.

Диапазон измерений—область значений величины, в пределах которых нормированы допускаемые пределы погрешности. Значения величины, ограничивающие диапазон измерений снизу или сверху (слева и справа), называют соответственно нижним или верхним пределом измерений.

Порог чувствительности — наименьшее изменение измеряемой величины, которое вызывает заметное изменение выходного сигнала. Например, если порог чувствительности весов равен 10 мг, то это означает, что заметное перемещение стрелки весов достигается при таком малом изменении массы, как 10 мг.

К метрологическим свойствам второй группы относятся два главных свойства точности: правильность и прецизионность результатов.

Качество измерений, отражающее близость их результатов к истинному значению измеряемой величины, называется точностью измерений. Точность измерения количественно характеризует погрешность измерения. Чем ближе к нулю будет погрешность, тем больше будет точность измерений.

Абсолютной погрешностью прибора называется разность между выходным сигналом (показанием прибора) и истинным значением измеряемой величины.

Δx=х_п—х, где:

х_п – выходной сигнал (или показание прибора);

х – истинное значение измеряемой величины.

Погрешность измерения может быть оценена не только как абсолютная, то есть в единицах измеряемой величины, но и как относительная или как приведённая. Относительной погрешностью называется отношение абсолютной погрешности Δx к истинному значению измеряемой величины Х_д и выражается в процентах.

Приведённой погрешностью называется отношение абсолютной погрешности прибора к нормирующему значению и выраженное в процентах. Под нормирующим значением понимают некоторое условно принятое значение, чаще всего диапазон показаний прибора или при начальном значении шкалы, равном нулю, конечное (верхнее) значение шкалы прибора.

Погрешности любого средства измерения подразделяют ещё на систематические, грубые, случайные и динамические. Систематическими погрешностями называются такие погрешности, которые при повторных измерениях одной и той же величины остаются постоянными или изменяются по определённому закону.

Систематические погрешности слагаются из основной и дополнительной погрешностей. Основная погрешность зависит от назначения, устройства и качества изготовления измерительного прибора. Каждый, даже новый, прибор обладает основной погрешностью, которая с течением времени возрастает за счёт появления остаточных деформаций пружин, например, манометров, износа трущихся частей, например, самопишущие приборы. Дополнительные погрешности возникают из-за неправильной установки прибора, влияния неблагоприятных внешних условий, например, из-за вибрации, высокой или низкой температуры воздуха, его влажности и т.д. Частичное или полное устранение таких погрешностей достигается путём установки прибора в соответствии с инструкцией завода-изготовителя прибора, обеспечения нормальных условий эксплуатации прибора и применения правильных методов измерения.

Например, чтобы избежать погрешность измерения температуры в стеклянном жидкостном термометре, необходимо смотреть на шкалу прямо. Точно также и на шкалу манометра или другого прибора. Если смотреть на шкалу прибора сбоку, то измеряемая величина будет искажена и неточна.

Влияние на результаты измерения систематических погрешностей учитывается введением к показаниям приборов поправок, определяемых расчётным или опытным путём. Исключение составляют те погрешности, о которых я говорил, то есть по вине наблюдателя. Такие погрешности учёту не подлежат. Грубые погрешности связаны с тем, что при снятии показания прибора внезапно снизилось напряжение электрического питания прибора.

Случайные погрешности являются заведомо неопределёнными как по своей величине, так и по природе. При повторных измерениях они не остаются постоянными, так как возникают в итоге совместного воздействия на процесс измерения многих причин, каждая из которых проявляет себя по разному и независимо друг от друга. Для одного измерения случайные погрешности не подаются учёту, однако для ряда повторных измерений одной и той же постоянной величины, проводимых с одинаковой тщательностью, их влияние на полученный результат после исключения систематических и грубых погрешностей можно оценить с некоторой вероятностью.

Для характеристики средств измерения часто указывают класс точности. Класс точности – это обобщённая характеристика, определяемая пределами допускаемых основных и дополнительных погрешностей, а также другими свойствами средств измерений, влияющих на точность. В большинстве случаев класс точности устанавливается численно равным допускаемой основной приведённой погрешности, выраженной в процентах. Например, средство измерения класса точности 2,5 должно обладать приведённой погрешностью, не превышающей 2,5%.

Класс точности выбирается из ряда: К=(1; 1,5; 2,0; 2,5; 3,0; 4,0; 5,0; 6,0)·10ⁿ, где: n=1; 0; --1; --2. Если К – класс точности средства измерения, то пределы допускаемой основной погрешности показаний в абсолютных единицах рассчитывается по следующей формуле:

, где:

Х_N – нормирующее значение.

Для стационарных промышленных измерений применяются приборы, наибольшие погрешности которых находятся в пределах существующих норм, которые удовлетворяют требованиям практики. Поэтому к показаниям этих приборов поправки не вводятся. При лабораторных и точных промышленных измерениях учитываются все возникающие погрешности. В этих случаях отсчёт показаний приборов производится несколько раз подряд с целью определения среднего значения измеряемой величины, достоверность которого возрастает с увеличением числа отсчётов. В своей практике во время испытаний тепловых сетей и оборудования ТЭС я использовал довольно точные образцовые приборы класса точности 0,4 и 0,6. И всё равно для более точного получения измеряемой величины опыт продолжался столько времени, сколько требовалось для получения показаний прибора в количестве не менее 10. Затем показания складывались и определялось средне арифметическое число, которое было более или менее точным.

Рассмотрим динамические погрешности. Измерительные приборы служат для измерения переменных величин и обладают различными инерционными свойствами (механическими, тепловыми и другими). Инерционность приборов при переменном режиме приводит к запаздыванию их показаний. Величина запаздывания показаний зависит от принципа действия и устройства измерительного прибора. На неё оказывает влияние инерция подвижной части прибора, длина и диаметр соединительных трубок и т. д. Зависимость показаний прибора от изменения измеряемой величины в неустановившемся режиме называется динамической характеристикой измерительного устройства. Динамическая характеристика в большинстве случаев находится опытным путём.