8. Средства измерений. Классификация по конструктивному исполнению. Погрешности средств измерений.

Средство измерений (СИ) - это техническое средство, предназначенное для измерения, имеющее нормированные метрологические характе­ристики, хранящее или воспроизводящее единицу ФВ, размер которой принимается неизменным в течение известного интервала времени.

В этом определении указаны главные особенности, делающие техническое средство средством измерений.

1. Средство измерений должно быть пригодно для выполнения необходимых операций и, в первую очередь, для проведения сравнения измеряемой ФВ с единицей этой ФВ.

2. Средство измерений должно "уметь" хранить или воспроизводить единицу ФВ. В большинстве случаев это достигается включением в состав СИ меры ФВ.

3. Размер единицы ФВ, хранимой СИ, должен быть неизменным в заданных пределах по крайней мере в течение отрезка времени, когда сравниваются между собой численные значения результатов измерений, полученных при помощи данного СИ.

По конструктивному исполнению все СИ подразделяются на:

Мера физической величины - это СИ, предназначенное для воспроизведения и (или) хранения одного или нескольких заданных размеров, значения которых выражены в установленных единицах и известны с необходимой точностью. Меры бывают однозначные и многозначные.

Измерительный прибор - это СИ, предназначенное для получения значений измеряемой ФВ в установленном диапазоне значений путем выработки сигнала измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем. Принципиальные особенности измерительного прибора следующие. Во-первых, измерительный прибор преобразует измеряемую ФВ, недоступную восприятию человеком при помощи органов чувств, в другую ФВ, доступную для восприятия. Во-вторых, это наличие внутри измерительного прибора меры ФВ, с которой сравнивается измеряемая ФВ

Измерительная установка - это совокупность функционально объединенных мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей и других устройств, предназначенных для измерения одной или нескольких ФВ, расположенная в одном месте.

Измерительная система - это совокупность функционально объединенных мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей, ЭВМ и других технических средств (например, линий связи), размещенных в разных точках контролируемого пространства (среды, объекта) с целью измерений одной или нескольких ФВ, свойственных этому пространству (среде, объекту и т.п.).

Измерительный преобразователь - техническое средство, служащее для преобразования измеряемой величины в другую величину или сигнал измерительной информации, удобный для обработки, хранения, дальнейших преобразований, индикации или передачи, и имеющее нормированные метрологические характеристики.

Индикатор - техническое средство или вещество, предназначенное для установления наличия какой-либо ФВ или для определения ее порогового значения.

Компаратор - средство измерений, предназначенное для сравнения (сличения) мер однородных величин.

2.2. Погрешности средств измерений

Погрешностью СИ называют разность между показаниями СИ и истинным (действительным) значением измеряемой ФВ. (Для меры ее показанием является номинальное значение, обычно указанное непосредственно на мере, например, на гире). Поскольку истинное значение неизвестно, то на практике пользуются действительным значением. Для средства измерения технического (рабочего) за действительное значение ФВ принимают показания рабочего эталона (РЭ), а для рабочего эталона (метрологического СИ) ­значение ФВ, полученное с помощью более точного эталона единицы ФВ. Обычно РЭ имеет погрешность в несколько раз меньшую, чем рабочее СИ, так что показания РЭ и принимают за действительное значение применительно к рабочему СИ (РСИ). Поэтому погрешностью СИ считают разность ,

где Δx_си - погрешность СИ; x_рэ - значение ФВ, полученное с помощью РЭ (действительное значение); x_си - значение ФВ, полученное при помощи РСИ.

Погрешности СИ классифицируются по следующим признакам:

- по характеру проявления: систематические и случайные;

- по способу выражения: абсолютные, относительные, приведенные;

- по отношению к изменяемости измеряемой величины: ­динамические, статические;

- по отношению к условиям применения СИ: основные, дополнительные.

Различают погрешности мер и измерительных приборов, погрешности измерительных преобразователей, измерительных систем, измерительных установок. Кроме того, вводят понятие точности и классов средств измерений.

Систематическая погрешность СИ - составляющая погрешности СИ, принимаемая постоянной или закономерно изменяющаяся. Обычно устанавливают пределы Δ_пр допускаемой систематической погрешности СИ данного типа. При симметричных пределах систематическую погрешность указывают в виде ±Δ_пр. При этом систематическая погрешность данного экземпляра СИ может отличаться от систематической погрешности другого экземпляра СИ. Поэтому часто для группы однотипных СИ систематическая погрешность может рассматриваться как случайная величина.

Случайная погрешность СИ - составляющая погрешности, изменяющаяся случайным образом. Часто указывают предел допускаемого значения СКП средства измерений.

Абсолютная погрешность СИ - погрешность СИ, выраженная в единицах измеряемой величины.

Относительная погрешность СИ - погрешность СИ, выраженная отношением абсолютной погрешности СИ к действительному значению измеренной ФВ в пределах диапазона измерений.

Приведенная погрешность СИ - это относительная погрешность, в которой абсолютная погрешность СИ отнесена к условно принятому значению величины (нормирующему значению). Например, часто за нормирующее значение принимают верхний предел измерений. Приведенную погрешность выражают в процентах.

Основная погрешность СИ - погрешность, определяемая в нормальных условиях применения СИ. Понятно, что для разных типов СИ нормальными могут считаться разные внешние условия.

Дополнительная погрешность СИ - это составляющая погрешности СИ, дополнительно возникающая вследствие отклонения какой-либо из влияющих величин от нормального ее значения или вследствие ее выхода за пределы нормальной области значений.

Статическая погрешность СИ - это погрешность СИ, применяемого при измерении ФВ, принимаемой за неизменную.

Динамическая погрешность СИ - это погрешность СИ, возникающая дополнительно при измерении переменной ФВ и обусловленная несоответствием его реакции на скорость (частоту) изменения входного сигнала. По существу все погрешности радиоизмерительных приборов, связанные с неопределенностью частотных свойств приборов, относятся к динамическим, поскольку связаны с инерционными свойствами элементов электрических схем - емкостей, индуктивностей, с конечным временем запасания энергии в контурах и резонаторах, с конечным временем разогрева тепловых преобразователей и т.д.

Точность СИ - характеристика качества СИ, отражающая близость его погрешности к нулю. Считается, что чем меньше погрешность, тем точнее средство измерения.

Класс точности СИ - обобщенная характеристика СИ, отражающая совокупность его характеристик, влияющих на точность. Класс точности обычно обозначают числом. Класс точности назначается таким образом, чтобы можно было судить о том, в каких пределах находится погрешность СИ и некоторые другие характеристики, влияющие на точность результатов измерений. Например, классы измерителей мощности сверхвысоких частот или измерительных приемников привязываются не только к основной погрешности, но и к значению коэффициента отражения входа. Классы точности полезны для относительного сравнения при выборе типа СИ. Однако прямо и непосредственно класс (число) не всегда обязательно отражает погреш­ность СИ.