1.6 Средства измерений

Средство измерений (СИ) – это техническое средство, используемое при измерениях 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.

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.

Образцовые СИ выполняют в системе обеспечения единства измерений в стране очень ответственную роль, так как они «распространяют» единицы, передавая их размеры другим средствам измерений. Поэтому они подлежат тщательному хранению и поверку их проводят настолько часто, чтобы была обеспечена требуемая точность и достоверность результатов измерений. Применять образцовые средства измерений следует только для поверки других средств измерений.

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

Измерительный прибор представляет собой средство измерений, предназначенное 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 и указателя. Шкала представляет собой совокупность отметок и чисел, изображающих ряд последовательных значений измеряемой величины, а указатель - стрелки, электронный луч и др., связанные с подвижной системой прибора.

Делением шкалы называется промежуток между двумя соседними отметками шкалы.

Длина деления шкалы – расстояние между осями двух соседних отметок.

Цена деления шкалы – разность значений величины, соответствующих двум соседним отметкам шкалы. Шкалы бывают равномерными и неравномерными. Равномерная шкала в отличие от неравномерной – шкала с делениями постоянной длины и с постоянной ценой деления. Кроме выше указанных равномерных и неравномерных шкал приборов они могут быть односторонними, двухсторонними и безнулевыми (см. рисунок 1.2).

Отсчетом называют число, определенное по отсчетному устройству.

Показания прибора – значение величины, определяемое по отсчетному устройству и выраженное в принятых единицах этой величины. В много предельных приборах, где одна и та же шкала используется на разных пределах измерения, показание прибора равно отсчету, умноженному на цену деления для соответствующего предела измерения. В некоторых случаях показание определяется с помощью отсчета по прилагаемой к прибору градуировочной характеристике – зависимости между отсчетом и значением величины на входе прибора, представленной в виде таблицы, графика или формулы.

Диапазон показаний (ДП) – область значений шкалы, ограниченная конечным (наибольшим) и начальным (наименьшим) значениями физической величины, указанными на шкале (рис. 1.3).

Диапазон измерений (ДИ) – область значений измеряемой величины, для которой нормирована погрешность средства измерений.

П редел измерений – наибольшее или наименьшее значение диапазона измерений. Диапазон показаний и диапазон измерений иногда могут не совпадать.

Кроме выше перечисленных характеристик на шкалах аналоговых средств измерений указывают условные обозначения систем измерительных приборов, заложенных в их конструкцию (магнитоэлектрическая система - ; электромагнитная система - ;электродинамическая система - ; тепловая система - ). На шкале прибора всегда приводится группа условных обозначений, указывающих на измеряемую прибором электрическую величину ( V – вольтметр, А – амперметр, mА – миллиамперметр, W – ваттметр и т.д), на род измеряемого тока (- постоянный ток, переменный ток, - постоянный и переменный ток), на нормальное положение прибора ( - горизонтальное, - вертикальное, 60⁰ -наклонное под указанным углом) и класс точности (обозначение см.пункт 1.8.7).

Цифровые отсчетные устройства бывают либо механические, либо световые. Механические отсчетные устройства используют в тех цифровых приборах, у которых измеряемая величина преобразуется в соответствующие углы поворота валов. Световые табло, состоящие, как правило, из системы индикаторных газоразрядных или люминесцентных ламп, подсвечивающих те или иные цифры, используется в электронных цифровых приборах, у которых измеряемые величины преобразуются в определенную последовательность импульсных сигналов. Отсчетное устройство цифрового прибора характеризуется числом десятичных разрядов и ценой единицы младшего разряда, которая не может быть меньше шага квантования. Цифровое отсчетное устройство эквивалентно равномерной шкале, так как одинаковому приращению цифрового кода соответствует одинаковое приращение показаний. Поэтому наличие нелинейности преобразования измеряемой величины в код приводит к погрешности цифрового прибора.

Регистрирующие отсчетные устройства состоят из пишущего или печатного механизма и ленты, предназначены для записи или фиксации результатов измерений.

По способу получения 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 измерений измеряемой величины.

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; результаты измерений выдаваемые в цифровой форме легко фиксируется цифропечатающим устройством и удобны для ввода в электронно-вычислительную машину.

Сравнивая точность аналоговых и цифровых приборов, следует отметить, что цифровое отсчетное или регистрирующее устройство никак не ограничивает точность цифрового прибора, так как цифровой код без какой-либо погрешности может быть, отображен на цифровом отсчетном устройстве. Точность аналоговых приборов ограничивается погрешностями измерительных преобразователей, погрешностями шкалы и личными (субъективными) погрешностями, вносимыми оператором (из-за конечной толщины указателя, длины деления шкалы и разрешающей способности глаза, из-за параллакса, из-за погрешности интерполирования при положении указателя между отметками делений шкалы). В результате погрешность аналоговых приборов составляет обычно не менее 0,5 %. В то же время погрешность цифровых приборов удается уменьшить до 10^-6 %, а при измерении частотно-временных параметров и менее.

Однако не всегда цифровой измерительный прибор лучше аналогового. При большом числе одновременно измеряемых величин (контроль сложного объекта) показания аналоговых приборов воспринимаются легче, так как не зависимо от цифр на шкале пространственное положение указателя и характер его перемещения позволяют более оперативно проводить анализ контролируемого процесса.

Регистрирующие измерительные приборы подразделяют на самопишущие (например, барографы, термографы, шлейфовые осциллографы), выдающие показания в форме диаграммы, и печатающие, которые выдают результат измерений в цифровой форме на бумажной ленте.