Лекция № 8. Средства измерений
8.1. Средства измерительной техники
Технические устройства, специально предназначенные для измерений, называют средствами измерительной техники. Они включают: средства измерений, средства поверки, измерительные принадлежности. Средства поверки охватывают рабочие эталоны и поверочные установки. Измерительные принадлежности служат для обеспечения внешних условий измерений. К ним относят термостаты, барокамеры, стабилизаторы напряжения, экранирующие камеры и т.п.
Средство измерений(СИ) - обобщающее понятие, охватывающее объекты, предназначенные для выполнения измерений, имеющие нормированные метрологические характеристики, хранящие и воспроизводящие участок шкалы измерений или единицу величины, размер которых принимается неизменным (в пределах установленной погрешности) в течение известного интервала времени. Конкретное средство измерений выполняет одну из двух функций - воспроизводит величину заданного размере или вырабатывает сигнал, несущий информацию о значении измеряемой величины.
В основу различных классификаций СИ положены некоторые общие признаки, которые присущи средствам измерений независимо от области их применения: (см. след. стр.)
Классификация средств измерения по обобщенным признакам
Измерительные приборы, установки и системы предназначены для реализации всей процедуры измерения, включая выработку сигнала измерительной информации в форме, доступной восприятию оператором (наблюдателем).
Классификация средств измерений по их роли в процессе измерения и выполняемым функциям
Самыми распространенными средствами измерений являются измерительные приборы, предназначенные для получения значений измеряемой величины в установленном диапазоне ее изменения. Практически каждый измерительный прибор содержит измерительный преобразователь, компарирующую ячейку, меру и отсчетное устройство.По форме представления показаний измерительные приборы делят нацифровыеианалоговые.
По форме индикацииразличают показывающие, регистрирующие и комбинированные измерительные приборы.Показывающий прибордопускает только считывание показания измеряемой величины.Регистрирующий приборпроизводит регистрацию показаний на носителе информации, выдавая документ долговременного пользования.Комбинированный приборимеет в своем составе и показывающее, и регистрирующее устройства. Например, профилограф-профилометр позволяет получить запись профилограммы участка поверхности на бумажном носителе, а также увидеть результат измерения параметра шероховатости на цифровом табло.
Измерительная установка – совокупность функционально объединенных СИ (мер, измерительных приборов и преобразователей) и вспомогательных устройств, предназначенная для выработки сигналов измерительной информации в форме, удобной для непосредственного восприятия наблюдателем, и расположенная в одном месте. Примерами измерительных установок могут служить испытательный стенд, поверочная установка, измерительная машина.
Измерительная система – совокупность средств измерений, средств вычислительной техники и вспомогательных устройств, расположенных в разных местах и соединенных между собой каналами связи, предназначенная для выработки сигналов измерительной информации в форме, удобной для автоматической обработки, передачи и использования в автоматических системах управления. Все большее распространение получают информационно-измерительные системы (ИИС), предназначены для сбора, обработки, передачи, хранения, отображения и воздействия информации на объект исследования. Для решения сложной измерительной задачи создается измерительно-вычислительный комплекс (ИВК) – функционально объединенная совокупность средств измерений, компьютеров и вспомогательных устройств.
Мерапредназначена для воспроизведения и хранения величины одного или нескольких заданных размеров, значения которых выражены в установленных единицах и известны с необходимой точностью. Понятие меры применимо к шкалам измерений, описывающим как количественные ("мера величины"), так и качественные свойства (например, образец цвета). Мера может быть телом, веществом, устройством и т.д. По конструктивному исполнению все меры можно разделить на два вида:
- меры, оформленные как самостоятельные средства измерений;
- встроенные меры, являющиеся частью измерительных приборов.
Конструктивно самостоятельные меры бывают однозначными, воспроизводящими величину одного размера (гиря, концевая мера длины, конденсатор постоянной емкости), многозначными, воспроизводящими дискретный или непрерывный ряд значений величины (участок шкалы измерений) в заданном диапазоне: линейка с делениями, вариометр, конденсатор переменной емкости. Из однородных однозначных мер комплектуют наборы мер, применение которых позволяют получать заданные значения величин (наборы гирь, концевых мер). Если такой набор конструктивно объединен в единое устройство, позволяющее объединять меры в различных комбинациях, его называют магазином мер (магазин электрического сопротивления). Некоторые однозначные меры применяются исключительно в виде отдельных мер, поскольку реализация операции сложения воспроизводимых ими величин связана с большими трудностями или вообще неосуществима (меры рефракции, коэффициента преломления).
К мерам относятся также стандартные образцы(СО): образцы твердости, шероховатости, белой поверхности, состава или свойств веществ и материалов. Стандартные образцы являются одним из эффективных средств обеспечения единства измерений во многих областях, в том числе в количественном химическом анализе.
Стандартный образец состава или свойств вещества (материала) предназначен для воспроизведения и хранения размеров величин, характеризующих состав (свойства) этого вещества, значения которых установлены в результате метрологической аттестации. Обычно они реализуются в виде порции однородного вещества (материала), причем эта часть является полноценным носителем воспроизводимой величины, что отражено в требованиях к их однородности.
Стандартный образец состава обычно аттестуется по нескольким значениям одноименных величин, характеризующих массовую долю, массовую или молярную концентрацию веществ и т.д. Такие СО можно считать комбинированными мерами. Стандартный образец свойств аттестуется по одному значению хранимой величины; этот СО – однозначная мера. Уральский НИИ метрологии, являющийся Головным органом Государственной службы стандартных образцов, периодически переиздает каталог утвержденных СО.
В качестве особой категории мер выступают чистые природные вещества и химические элементы. Они используются в качестве реперных точек шкал измерений (например, для международной температурной шкалы МТШ-90).
По определению, любое средство измерений должно содержать в себе меру. В метрологической иерархии меры занимают все без исключения уровни, от международных эталонов (килограмм Архива) до рабочих СИ. Меры позволяют воспроизводить и хранить все многообразие единиц и шкал измерений, характеризующих как количественные, так и качественные свойства.