Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Метрологические основы теплотехнических измерений. Учебное пособие
.pdf
21
Рис. 1.2. Классификация средств измерений
При строгом подходе мера не является средством измерений.
Мера не измеряет, а воспроизводит величину с каким-то значением.
«Измерительный прибор – средство измерений, предназначенное для выработки измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия» (РМГ 29–2013).
Приборы могут быть показывающими и регистрирующими,
аналоговыми или цифровыми.
В VIM3 дано такое определение измерительного преобразо-
вателя:
«Измерительный преобразователь (measuring transducer) –
устройство, используемое при измерении, которое обеспечивает
на выходе величину, находящуюся в определенном соотношении
с входной величиной».
Приводятся следующие примеры: термопара, трансформатор
электрического тока, тензодатчик, электрод для измерения рН,
трубка бурдона, биметаллическая пластина.
В РМГ 29–2013 другое определение:
«Измерительный преобразователь – средство измерений или
его часть, служащее для получения и преобразования информации об измеряемой величине в форму, удобную для обработки,
хранения, дальнейших преобразований, индикации или передачи».
В ГОСТ 16263 приводилось определение, которое нашло
применение на практике:
«Измерительный преобразователь – средство измерений,
предназначенное для выработки сигнала измерительной инфор-
22
мации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и (или) хранения, но не поддающейся непосредственному восприятию наблюдателем».
Примерами такого толкования термина «измерительный пре-
образователь» являются используемые в теплотехнических измерениях измерительные преобразователи (датчики) давления
и температуры
Английским эквивалентом толкования термина «измеритель-
ный преобразователь», принятого в российской метрологии, является «measuring transmitter».
Из англо-русского словаря В.К. Мюллера:
«Transmitter – отправитель, передатчик».
Измерительные приборы имеют шкалу или отсчетное устройство, и оператор может непосредственно воспринимать измерительную информацию. Измерительные преобразователи (датчики) обеспечивают передачу измерительной информации в систему управления или на пульт оператора, часто на большие расстояния.
Для многих современных теплотехнических микропроцессорных средств измерений такое разделение становится весьма
условным. Эти средства измерений имеют отсчетное устройство
и обеспечивают преобразование измеренного значения в аналоговый и (или) цифровой выходные сигналы. Структурная схема
такого средства измерений приведена
на
Рис. 1.3. Структурная схема современного средства измерений:
X – измеряемая величина; ЧЭ – чувствительный элемент;
Вх – входное устройство; Увх и Увых – входной и выходной
усилители; АП – аналоговый преобразователь;
АЦП – аналого-цифровой преобразователь;
МПУ – микропроцессорное устройство; ОУ – отсчетное устройство;
П – преобразователь кодов (интерфейс); ЦАП – цифроаналоговый
преобразователь
23
В таком случае более логичным было бы их разделение на
приборы и измерительные преобразователи (датчики) в зависимости от их основной функции, которую они выполняют в технологическом процессе: показания или передача измерительной
информации.
В состав измерительного преобразователя или прибора вхо-
дит чувствительный элемент.
«Чувствительный элемент – элемент измерительной систе-
мы, на который непосредственно воздействует явление, тело или
вещество, являющееся носителем величины, подлежащей измерению» (VIM3).
Аналогичное определение приводится в ГОСТ 16263:
«Чувствительный элемент – часть первого измерительного в
измерительной цепи преобразовательного элемента, находящаяся
под непосредственным воздействием измеряемой величины».
К средствам измерений относятся также измерительные системы и установки.
«Измерительная система – совокупность средств измерений
и других средств измерительной техники, размещенных в разных
точках объекта измерения, точках функционально объединенных
с целью измерений одной или нескольких величин, свойственных
этому объекту».
«Измерительная установка – совокупность функционально
объединенных и расположенных в одном месте мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей и других устройств, предназначенных для измерений одной или нескольких
величин» (РМГ 29–2013).
Примерами таких установок могут быть установки для поверки и калибровки средств измерений.
В зависимости от назначения и конструкции средства измерений подразделяются на виды и типы.
«Вид средства измерений – совокупность средств измерений,
предназначенных для измерений данной физической величины»
(РМГ 29–99).
«Тип средства измерений – совокупность средств измерений
одного и того же назначения, основанных на одном и том же
принципе действия, имеющих одинаковую конструкцию и изготовленных по одной и той же технической документации»
(РМГ 29–2013).
24
К средствам измерений предъявляются метрологические и
технические требования. В сфере государственного регулирования к ним предъявляются также требования правового характера.
«Метрологические требования – требования к влияющим на
результат и показатели точности измерений характеристикам
(параметрам) измерений, эталонов единиц величин, стандартных
образцов, средств измерений, а также к условиям, при которых
эти характеристики (параметры) должны быть обеспечены»
(Закон).
«Технические требования к средствам измерений – требова-
ния, которые определяют особенности конструкции средств измерений (без ограничения их технического совершенствования)
в целях сохранения их метрологических характеристик в процессе эксплуатации средств измерений, достижения достоверности
результата измерений, предотвращения несанкционированных
настройки и вмешательства, а также требования, обеспечивающие безопасность и электромагнитную совместимость средств
измерений» (Закон).
Средства измерений, предназначенные для применения
в сферах государственного регулирования в области обеспечения
единства измерений, должны проходить процедуру испытаний
в целях утверждения типа, процедуру поверки и быть включены
в Государственный информационный фонд по обеспечению
единства измерений.
В Законе приведен принципиально новый термин, который
ранее в метрологической практике не использовался:
«Технические системы и устройства с измерительными
функциями – технические системы и устройства, которые наряду
с их основными функциями выполняют измерительные функции».
Те устройства, которые ранее считались средствами измере-
ний с дополнительными устройствами (сигнализация, регулирование), в соответствии с Законом теперь должны быть отнесены
к устройствам с измерительными функциями. Это, например:
электроконтактные манометры, измерители-регуляторы температуры, так как основной их функцией в производстве является соответственно регулирование давления и температуры.
В ряде случаев трудно определить, что является основной
функцией технического средства – измерение или регулирование.
25
Примером такого средства является современный электроконтактный манометр, который наряду с регулированием обеспечивает и преобразование давления в аналоговый выходной сигнал
4…20 мА.
В программном обеспечении многих современных средств
измерений заложены возможности регулирования технологических процессов по разным, в том числе и достаточно сложным,
законам, но эти возможности на практике часто не используются.
Такое устройство выполняет только измерения.
Стандартные образцы
Определение стандартного образца, приведенное в Законе:
«Стандартный образец – образец вещества (материала)
с установленными по результатам испытаний значениями одной
или более величин, характеризующих состав или свойства этого
вещества (материала)».
Ранее, до выхода нового Закона, стандартный образец при-
знавался средством измерений – разновидностью меры.
Определение в РМГ 29–2013:
«Стандартный образец – материал, достаточно однородный
и стабильный в отношении определенных свойств для того, чтобы использовать его при измерении или при оценивании качественных свойств в соответствии с предполагаемым назначением».
Эталоны
«Эталон единицы величины – техническое средство, предна-
значенное для воспроизведения, хранения и передачи единицы
величины».
Под эталоном понимается техническое средство, а не сред-
ство измерений.
Определение эталона в РМГ 29–2013:
«Эталон (единицы величины или шкалы измерений) – средст-
во измерительной техники, предназначенное для воспроизведения, хранения и передачи единицы величины или шкалы измерений».
Определения из Закона:
«Государственный эталон единицы величины – эталон еди-
ницы величины, находящийся в федеральной собственности».
«Государственный первичный эталон единицы величины –
государственный эталон единицы величины, обеспечивающий
26
воспроизведение, хранение и передачу единицы величины с наивысшей в Российской Федерации точностью, утверждаемый
в этом качестве в установленном порядке и применяемый в качестве исходного на территории Российской Федерации».
«Прослеживаемость (traceаbility) – свойство эталона едини-
цы величины или средства измерений, заключающееся в доку-
ментально подтвержденном установлении их связи с государст-
венным первичным эталоном соответствующей единицы величины посредством сличения эталонов единиц величин, поверки, калибровки средств измерений».
«Передача единицы величины – приведение единицы величи-
ны, хранимой средством измерений, к единице величины хранимой эталоном данной единицы величины или стандартным образцом».
«Сличение эталонов единиц величин – совокупность опера-
ций, устанавливающих соотношение между единицами величин,
воспроизводимых эталонами единиц величин одного уровня точности и в одинаковых условиях».
В соответствии с постановлением Правительства Российской
Федерации от 23 сентября 2010 г. № 734 «Об эталонах единиц
величин, используемых в сфере государственного регулирования
обеспечения единства измерений» для средств измерений утвер-
жденного типа, применяемых в качестве эталонов единиц величин, применяются процедуры первичной и периодической аттестации.
Ранее, до выхода нового Закона, эталон считался средством
измерений.
В РМГ 29–99 приводились следующие определения:
«Эталон единицы физической величины – средство измере-
ний (или комплекс средств измерений), предназначенное для
воспроизведения и (или) хранения единицы и передачи ее размера нижестоящим по поверочной схеме средствам измерений и утвержденное в качестве эталона в установленном порядке».
«Рабочий эталон – эталон, предназначенный для передачи
размера единицы рабочим средствам измерений».
«Рабочее средство измерений – средство измерений, предна-
значенное непосредственно для измерений, не связанных с передачей размера единицы другим средствам измерений».
27
Примечание. Исходя из терминологии Закона в настоящее время
рабочее средство измерений – это просто «средство измерений».
«Поверочная схема для средств измерений – нормативный
документ, устанавливающий соподчинение средств измерений,
участвующих в передаче размера единицы от эталона рабочим
средствам измерений (с указанием методов и погрешности при
передаче)».
В состав поверочной схемы входят первичный эталон, вто-
ричный эталон, рабочие эталоны соответствующих разрядов,
средства измерений (рабочие средства измерений).
В РМГ 29–2013 даны такие определения:
«Поверочная схема – иерархическая структура, устанавли-
вающая соподчинение эталонов, участвующих в передаче единицы или шкалы измерений от исходного эталона средствам измерений (с указанием методов и погрешностей при передаче), утверждаемая в установленном порядке в виде нормативного документа.
Первичный эталон – эталон, основанный на использовании
первичной референтной методики измерений или созданный как
артефакт, выбранный по соглашению.
Вторичный эталон – эталон, получающий единицу величины
или шкалу измерений непосредственно от первичного эталона
данной единицы или шкалы.
Рабочий эталон – эталон, предназначенный для передачи
единицы величины или шкалы измерений средствам измерений».
Передача единицы величины от эталона эталонам более низ-
кого разряда может осуществляться методом сличения, методом
непосредственного измерения и сличением с эталоном сравнения.
«Эталон сравнения – эталон, применяемый для сличений
эталонов, которые по тем или иным причинам не могут быть непосредственно сличены друг с другом» (РМГ 29–2013).
Пример построения поверочной схемы приведен на рис. 1.4.
Поверочная схема может быть государственной и локальной.
«Государственная поверочная схема – поверочная схема,
распространяющаяся на все средства измерений данной физической величины, имеющиеся в стране.
Локальная поверочная схема – поверочная схема, распро-
страняющаяся на средства измерений данной физической вели-
28
чины, применяемые в регионе, отрасли, ведомстве или на отдельном предприятии (в организации)».
Рис. 1.4. Пример построения поверочной схемы
Исходный эталон – эталон, обладающий наивысшими свойствами (в данной лаборатории, организации, на предприятии),
от которого передают размер единицы подчиненным эталонам
и средствам измерений» (РМГ 29–99).
Локальные поверочные схемы строят на основе государственной схемы. Во главе локальной поверочной схемы стоит исходный эталон.
Не во всех областях техники и науки могут быть созданы эта-
лоны. Это относится прежде всего к количественному химическому анализу. В таких случаях для контроля точности проводимых измерений используются как стандартные образцы, так
и референтные методики измерений.
«Референтная методика измерений – методика измерений,
принятая для получения результатов измерений, которые могут
быть использованы для оценки правильности измеренных значений величины, полученных по другим методикам измерений величин того же рода, а также для калибровки или для определения
характеристик стандартных образцов.
29
Первичная референтная методика измерений – методика
измерений, которая используется для получения результата измерения без сравнения с эталоном единицы величины того же рода»
(РМГ 99–2013).
1.6. Интеллектуальные средства измерений
В последние десятилетия часто встречается термин «интел-
лектуальное средство измерений».
Термин «интеллектуальные» (от латинского «intellektus» –
познание, понимание, рассудок) относится к средствам измерений, в состав которых входит микропроцессорное устройство.
В англоязычной технической литературе для этих средств измерений используется термин «smart» – умный, находчивый.
Однако само по себе наличие микропроцессорного устройства не является достаточным признаком интеллектуальности средства измерений. Это устройство должно выполнять некоторые
функции, которые и делают такое средство измерений интеллектуальным.
Отличием интеллектуальных средств измерений от простых
микропроцессорных является то, что в этих средствах более широко используются возможности микропроцессорных устройств.
Эти средства обладают рядом принципиально новых эксплуатационных свойств. В соответствии с ГОСТ Р 8.673–2009 «ГСИ.
Датчики интеллектуальные и системы измерительные интеллектуальные. Термины и определения» под интеллектуальными
средствами измерений понимаются:
«Интеллектуальный датчик (измерительная система) –
адаптивный датчик (измерительная система) с функцией метрологического самоконтроля».
«Адаптивный датчик (измерительная система) – датчик
(измерительная система), параметры и/или алгоритмы работы которого в процессе эксплуатации могут изменяться в зависимости
от сигналов содержащихся в нем преобразователей».
«Метрологический самоконтроль датчика – автоматическая
проверка метрологической исправности датчика в процессе его
эксплуатации, осуществляемая с использованием принятого
опорного значения, формируемого с помощью встроенного в
датчик средства (измерительного преобразователя или меры) или
выделенного дополнительного параметра выходного сигнала».
30
«Метрологический самоконтроль измерительной системы –
автоматическая проверка метрологической исправности измерительной системы в процессе ее эксплуатации посредством встроенных в нее технических и программных средств».
В этих определениях отражены не все особые свойства ин-
теллектуальных средств измерений.
Прежде всего эти средства обеспечили резкое, почти на поря-
док, повышение точности измерений.
Повышение точности аналоговых средств измерений ограни-
чивается нелинейностью и различием характеристик конкретных
экземпляров конструктивных элементов – в средствах измерений
давления, прежде всего чувствительного элемента (мембраны),
в средствах измерений температуры – отличием реальной статической характеристики чувствительного элемента термопреобразователя от номинальной. При этом характеристики одинаковых
по своей конструкции чувствительных элементов тем не менее
имеют определенные различия.
Наличие микропроцессорных устройств в интеллектуальных
средствах измерений позволяет учитывать как нелинейность, так
и индивидуальные особенности используемых чувствительных
элементов. Основная погрешность такого средства измерений
(reference accuracy – эталонная точность) складывается из погрешности используемых эталонных средств, случайной погрешности самого средства измерений и погрешности аппроксимации
экспериментально определенной статической характеристики
преобразования.
Дополнительные погрешности интеллектуальных средств измерений, вызванные изменением влияющих величин (прежде
всего температуры окружающего воздуха), также могут быть
сведены к минимуму за счет учета экспериментально определенной при производстве для каждого конкретного средства измерений функции влияния, которая закладывается в память микропроцессорного устройства. При этом дополнительная погрешность определяется в большей степени характеристиками оборудования, использованного при определении функции влияния,
и погрешностью аппроксимации полученных результатов, чем
особенностями самого средства измерения. Аналоговые средства
измерений также имеют устройства компенсации влияния окружающей температуры. Но только наличие микропроцессорного
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]