Нормирование точности и технические измерения

Рис. 2.10. Общая структура поверочной схемы

Поверочные схемы подразделяются на государственные и локальные.

Государственная поверочная схема - поверочная схема, рас­ пространяющ аяся на все СИ данной ФВ, имеющиеся в стране. Л окальная поверочная схема - поверочная схема, распростра­ няю щ аяся на СИ данной ФВ, применяемы^ в регионе, отрасли, ведомстве или на отдельном предприятии (в организации).

2.7.Средства измерений.

Метрологические характеристики средств измерений

Средства измерительной техники (измерительная техни­ ка) - обобщающее понятие, охватывающее технические сред­ ства, специально предназначенные для измерений. К сред­ ствам измерительной техники относят средства измерений и их совокупности (измерительные системы, измерительные установки), измерительные принадлежности, измерительные устройства.

Е средствам измерительной техники, непосредственно уча­

91

ствующим в получении и преобразовании измерительной ин ­ формации относятся средства измерений.

Средство изм ерений - техническое средство, предназначен­ ное для измерений, имеющее нормированные метрологические характеристики, воспроизводящее и (или) хранящ ее едини­ цу физической величины, размер которой принимаю т неиз­ менным (в пределах установленной погрешности) в течение известного интервала времени.

В зависимости от функционального назначения и кон­ структивного исполнения различаю т такие виды средств из­ мерений, как меры, измерительные преобразователи, изме­ рит ельные приборы, индикаторы, измерительные установки, измерительные системы, измерительно-вычислительные комплексы .

П ростейш им СИ является мера. Главная отличительная особенность меры - отсутствие каких-либо преобразований и з­ мерительной информации самим СИ. М ера физической вели ­ чины (мера величины; мера) - СИ, предназначенное для вос­ произведения и (илц) хранения физической величины одного или нескольких заданны х размеров, значения которых вы ­ раж ены в установленных единицах и известны с необходимой точностью.

Меры, предназначенные для воспроизведения физической величины заданного размера, называю т однозначными, а вос­ производящ ие физические величины ряда размеров - много­ значны ми. В качестве примеров однозначных мер можно на­ звать плоскопараллельную концевую меру длины, угольник (мера прямого угла), а из не относящ ихся к геометрическим величинам - гирю (мера массы). К многозначным мерам сле­ дует отнести измерительную линейку, угловую концевую меру с нескольким и рабочими углами, транспортир. Меры могут ком плектоваться в наборы или конструктивно объединяться в так называемые м агазины .

Набор мер - ком плект мер разного размера одной и той же ф изической величины, предназначенных для применения на практике как в отдельности, так и в различны х сочетаниях (например, наборы концевы х мер длины, угловых концевых мер, наборы разновесов). Магазин мер - набор мер, конструк­ тивно объединенных в единое устройство, в котором имеются приспособления для их соединения в различны х комбинаци­ ях (например, м агазин электрических сопротивлений).

92

Измерительный преобразователь - техническое средство с нормированными метрологическими характеристиками, слу­ жащ ее для преобразования измеряемой величины в другую величину или измерительный сигнал, удобный для обработки, хранения, дальнейш их преобразований, индикации или пере­ дачи. Примеры измерительных преобразователей - микроме­ трическая пара винт-гайка, пружина динамометра.

По характеру входного и выходного сигналов различаю т аналоговые и цифровые преобразователи; по месту, занимае­ мому в измерительной цепи, - первичные и промеж уточные. Преобразователи с пропорциональным преобразованием сиг­ нала измерительной информации называю т масш табны м и.

Первичный измерительный преобразователь - измеритель­ ный преобразователь, на который непосредственно воздейству­ ет измеряемая физическая величина. В одном СИ может быть несколько первичных преобразователей, например, ряд термо­ пар измерительной установки, предназначенной для контроля температуры в разных точках холодильной емкости.

Датчик - конструктивно обособленный первичный преоб­ разователь, от которого поступают измерительные сигналы .

Измерительный прибор (прибор) - СИ, предназначенное для получения значений измеряемой физической величины в установленном диапазоне. И змерительный прибор предназна­ чен 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 отобра­ ж ения измерительной информации типа ш кала-указатель, указатель-диаграммная бумага, числовое табло. В зависимо­ сти от системы представления информации различаю т пока­ зывающие или регистрирующие приборы, причем регистри­ рующие могут быть записываю щ ими либо печатаю щ ими, а в зависимости от формы выходного сигнала различаю т приборы с аналоговым либо с дискретным выходом (дискретные при ­ боры часто называю т цифровыми).

Принято различать приборы прямого действия и приборы сравнения. Приборы сравнения называю т такж е ком парато­ рами.

Компаратор - средство сравнения, предназначенное для сличения мер однородных величин. Пример компаратора -

93

ры чаж ны е весы.

И ндикатор - техническое средство или вещество, предна­ значенное для установления наличия какой-либо физической величины или превы ш ения уровня ее порогового значения. При хим ических реакциях в качестве индикатора прим еня­ ют, например, лакмусовую бумагу. В области измерений ио­ низирую щ их излучений индикатор часто дает световой и (или) звуковой сигнал о превыш ении уровнем радиации установ­ ленного порогового значения. В некоторых случаях в качестве индикаторов могут использоваться измерительные приборы (омметр при проверке обрыва в электрической цепи, предель­ ный элект-роконтактны й измерительный преобразователь с визуальной или звуковой сигнализацией).

Сложное средство измерений можно представить в виде схе­ мы, взяв за основу его измерительную цепь, которая вклю чает первичный и промежуточные измерительные преобразовате­ ли, а такж е устройство отображения измерительной инфор­ мации. П ример структурной схемы измерительного прибора представлен на рис. 2 . 11.

Рис. 2.11. Структурная схема измерительного прибора

В состав первичного измерительного преобразователя обя­ зательно вклю чается чувствительный элемент (ЧЭ). Средство измерений может вклю чать устройство выдачи (отображе­ ния) измерительной информации. У приборов с визуальным выходом это чащ е всего отсчетные устройства типа ш калауказатель или цифровое табло. Прибор может быть снабжен нескольким и ш калам и или одной ш калой с несколькими указателям и . В приборах и индикаторах применяю т и дру­ гие устройства визуальной индикации (нуль-указатели, табло светофорного типа), а такж е акустические устройства (звонок, генератор речи) и тактильны е устройства (например, вибратор наручного будильника). В качестве устройств выдачи инфор­ м ации могут использоваться такж е любые регистрирующие самопиш ущ ие или печатаю щ ие устройства.

В зависимости от степени участия оператора в процессе различаю т автоматические, автоматизированные и неавтома­

94

тизированные средства измерений.

Автоматическое средство измерений - СИ, производящее без непосредственного участия человека измерения и все опе­ рации, связанные с обработкой результатов измерений, их ре­ гистрацией, передачей данных или выработкой управляю щ е­ го сигнала.

Автоматизированное средство измерений - СИ, производя­ щее в автоматическом режиме одну или часть измерительных операций.

Средства измерений подразделяю тся на виды и типы, при ­ чем вид СИ может вклю чать несколько их типов.

Вид СИ - совокупность СИ, предназначенных для измере­ ний данной физической величины .

Тип СИ - совокупность СИ одного и того же назначения, основанных на одном и том же принципе действия, имею щ их одинаковую конструкцию и изготовленных по одной и той же технической документации. СИ одного типа могут иметь раз­ личные модификации.

Средства измерений принято такж е различать по принци ­ пам действия, т.е. по физическим принципам, используемым для преобразования измеряемой величины или сигнала изм е­ рительной информации, например механические, оптические, гидравлические, пневматические и др.

По метрологическому назначению различаю т эталонные и рабочие СИ. Как было отмечено выше, под рабочим понимают СИ, предназначенное для измерений, не связанны х с пере­ дачей размера единицы другим СИ. Эталонные СИ называю т такж е средствами поверки.

Средства поверки - эталоны, поверочные установки и дру­ гие СИ, применяемые при поверке в соответствии с установ­ ленными правилами.

Возможности использования СИ, а такж е их точностные свой­ ства определяются их метрологическими характеристиками.

М етрологическая характеристика СИ (метрологическая ха­ рактеристика; MX) - характеристика одного из свойств СИ, влияю щ ая на результат измерений и на его погрешность. Разли ­ чают нормируемые метрологические характеристики, устанав­ ливаемые нормативными документами на СИ, и действительные характеристики, определяемые экспериментально. Метрологи­ ческие характеристики весьма разнообразны, различаются по значимости, информативности и зависят от типа СИ.

95

Д ля СИ, осущ ествляю щ их измерительное преобразование измеряемой физической величины, ш ироко применяю т инте­ гральную метрологическую характеристику, которая отраж а­ ет действительную функцию преобразования (так называемую градуировочную характеристику). Градуировочная характ е­ рист ика СИ - зависимость между значениями величин на входе и выходе СИ, полученная экспериментально. Градуиро­ вочная характеристика может быть вы раж ена в виде форму­ лы, граф ика или таблицы . Выраженную в виде формулы или граф ика номинальную характеристику называют функцией

преобразования СИ.

Н аряду с интегральными метрологическими характери­ стиками для средств измерений предусмотрены возможно­ сти назначения и контроля множества различны х частных характеристик. Некоторые из них представляют интерес для пользователя, другие принципиально важ ны только для раз­ работчиков средств измерений. Е последним можно отнести такие, как:

- длина деления ш калы - расстояние между осями (или центрами) двух соседних отметок ш калы , измеренное вдоль воображаемой линии, проходящ ей через середины самых ко­ ротких отметок ш калы ;

- длина ш калы - длина линии, проходящ ей через центры всех самых коротких отметок ш калы средства измерений и ограниченной начальной и конечной отметками.

Базовая линия ш калы может быть прямой или кривой, реально выполненной на приборе или воображаемой. Длина

шкалы есть расстояние между ниж ним и верхним пределами

шкалы , измеренное вдоль этой линии;

-чувствительность средства измерений - свойство сред­ ства измерений, определяемое отношением изменения выход­ ного сигнала этого средства к вызываю щ ему его изменению измеряемой величины .

П римеры характеристик, важ ны х и для пользователя, и для разработчиков:

- диапазон показаний средства измерений (диапазон по­ казаний) - область значений ш калы прибора, ограниченная начальны м и конечным значениями ш калы ;

- диапазон измерений средства измерений (диапазон из­ мерений) - область значений величины, в пределах которой нормированы допускаемые пределы погрешности средства из­

96

мерений. Примечание: значения величины, ограничивающие диапазон измерений снизу и сверху (слева и справа), называ­ ют соответственно нижним пределом измерений или верхним пределом измерений;

-вариация показаний измерительного прибора - разность показаний прибора в одной и той же точке диапазона измере­ ний при плавном подходе к этой точке со стороны меньш их и больших значений измеряемой величины;

-порог чувствительности средства измерений - характе­ ристика средства измерений в виде наименьшего значения изменения физической величины, начиная с которого может

осущ ествляться ее измерение данным средством;

-зона нечувствительности средства измерений - диапазон значений измеряемой величины, в пределах которого ее и з­ менения не вызывают выходного сигнала средства измерений. Иногда ее называют «мертвая зона»;

-дрейф показаний средства измерений - изменение пока­ заний средства измерений во времени, обусловленное измене­ нием влияю щ их величин или других факторов.

Для выбора номенклатуры и назначения метрологических характеристик важно определить вид конкретного средства измерений, поскольку для разных СИ используют различ­ ные MX и комплексы MX. М етрологические характеристики средств измерений различных видов существенно отличаю т­ ся по номенклатуре. Так, для однозначной меры набор ме­ трологических характеристик вклю чает значение меры Y и характеристики ее погрешностей, а для преобразователя или прибора комплекс MX значительно расш ирен, причем сами комплексы могут существенно различаться.

Метрологические характеристики средств измерений по стан­ дарту ГОСТ 8.009-84 подразделяют на следующие группы:

-характеристики, предназначенные для определения ре­ зультатов измерений (без введения поправки) (их такж е на­ зывают ном инальны ми);

-характеристики погрешностей СИ;

-характеристики чувствительности СИ к влияю щ им вели­ чинам, которые тоже можно отнести к характеристикам по­ грешностей;

-динамические характеристики СИ;

-неинформативные параметры выходного сигнала СИ (пред­ почтительно рассматривать неинформативные параметры сигна­

97

ла измерительной информации).

Н азваны такж е и «характ ерист ики СИ, отражающие их способность влият ь на инструментальную составляющую погрешности измерений вследствие взаимодействия СИ с любым из подклю ченных к их входу или выходу компонен­ тов ( т аких, ка к объект измерений, средство измерений и

т.п.)» .

Номинальные метрологические характеристики однознач­

ной и многозначной мер включают значения мер, представ­ ляемы е именованными числами. Д ля однозначной меры это одно номинальное значение Y, а для многозначной меры - множество значений Yi. Для ш триховых многозначных мер обязательны такж е характеристики, связанные со ш калой. Д ля любых мер кроме номинальных значений обязательно нормируются характеристики погрешностей.

В качестве интегральной метрологической характеристики измерительного преобразователя или прибора можно исполь­ зовать уж е рассматривавш ую ся ранее функцию преобразова­ ния. Это может быть номинальная характеристика группы од­ нородных СИ либо реальная градуировочная характеристика конкретного экзем пляра СИ. Последняя может быть получена как единичная реализация, пучок реализаций или аппрокси­ м ация пучка единичны х реализаций.

Градуировкой в узком смысле называю т такж е нанесение отметок на ш калу прибора, например, осуществляемую ти ­ пографским методом, что соответствует воспроизведению на приборе номинальной функции преобразования СИ. Такое по­ нятие градуировки отражает технологическую сторону нане­ сения отметок ш калы прибора.

Набор частных MX измерительного преобразователя может вклю чать такие номинальные характеристики, как диапазон

и пределы преобразования, чувствительность СИ, вид вы ­ ходного кода и число разрядов выходного кода, цена единицы наименьшего разряда кода, ном инальная ступень квант ова ­ ния. Остальные MX выбирают из той же номенклатуры, что и для измерительны х приборов.

Для некоторых первичных измерительных преобразовате­ лей диапазон преобразования может ограничиваться их ф изи­ ческим и свойствами. Это касается термопар, фотоприемников лучистой энергии, емкостных и других преобразователей.

Для преобразователей с дискретной (цифровой, числовой)

98

выдачей сигнала измерительной информации вместо диапазо­ на и пределов преобразований приходится использовать такие MX, как вид выходного кода и число разрядов выходного кода.

Именно эти MX ограничивают возможности выдачи сигнала измерительной информации сверху и снизу.

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

П оскольку измерительные преобразователи выдают изм е­ рительную информацию в форме, не поддающейся непосред­ ственному восприятию оператором, реальные значения их MX обычно определяют с подключением к этим СИ устройств ото­ бражения информации, после чего они превращ аю тся в и з­ мерительные приборы. Поэтому далее будем рассматривать метрологические характеристики измерительных приборов.

Частные номинальные метрологические характеристики измерительного прибора включают диапазон измерений и ди­ апазон показаний (определения приведены выше).

Для приборов с дискретным (цифровым, числовым) устрой­ ством отображения измерительной информации возможный диапазон показаний определяется видом выходного кода и чис­ лом разрядов кода. Код может быть десятиричный (десятич­ ный), двенадцатиричный, ш естидесятиричный и др., например, семиричный код для дней недели. Важно такж е предельное число знаков на табло, в том числе цифр (число разрядов вы ­ ходного кода) и других (не цифровых) знаков. Существенными признаками являю тся виды знаков и их содержание, напри­ мер, наличие фиксированной или плавающей разделительной десятичной запятой (точки), минуса, знака переполнения или неправильного подключения прибора и др.

Одной из наиболее важ ны х характеристик для приборов с устройством отображения информации типа ш кала-указатель является цена деления ш калы - разность значений величин, соответствующих двум соседним отметкам ш калы средства измерений.

Для приборов с дискретным (цифровым) устройством ото­ бражения измерительной информации - цена единицы наи­

99

меньшего разряда кода либо номинальная ступень квант о ­ вания, если она больше цены единицы наименьш его разряда кода. Наименьш ее значение номинальной ступени квантова­ ния совпадает с ценой единицы наименьш его разряда выход­ ного кода, а любое иное должно быть кратно этому значению . В случае десятиричного кода применяю т множители 2 или 5 (ступень квантования равна двукратному либо пятикратному значению цены единицы наименьш его разряда кода).

В РМГ 2 9 -9 9 приведены такие характеристики как по­ греш ность, систематическая погрешность и случайная по­ грешность средства измерений.

Погрешность средства измерений - разность меж ду по­ казанием средства измерений и истинным (действительным) значением измеряемой физической величины .

Д ля меры, которая долж на воспроизводить величину за­ данного размера, за погрешность принимаю т разность между

ееистинны м и номинальны м значениями.

Систематическая погрешность средства измерений - со­

ставляю щ ая погреш ности средства измерений, принимаемая за постоянную или закономерно изм еняю щ ую ся.

Случайная погрешность средства измерений - составля­ ю щ ая погреш ности средства измерений, изм еняю щ аяся слу­ чайны м образом.

По формам представления различаю т абсолютную и отно­ сительную погрешности средств измерений. Относительную погрешность обычно вы раж аю т в процентах. Разновидностью относительной является приведенная погрешность средства измерений - относительная погрешность, вы раж енная отно­ ш ением абсолютной погрешности средства измерений к услов­ но принятому значению величины, постоянному во всем диа­ пазоне измерений или в части диапазона. Условно принятое значение величины называю т нормирующим значением . Ч а ­ сто за нормирующее значение принимаю т верхний предел и з­ мерений.

В зависимости от условий использования средств измере­ ний и реж им а измерений принято различать основную и до­ полнительную , статическую и динамическую погрешности.

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

Дополнительная погрешность средства измерений - со­ ставляю щ ая погрешности средства измерений, возникаю щ ая

100