6. Средства измерений. Метрологические характеристики

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

СИ сгруппированы по отдельным классификационным признакам:

- по способу регистрации сигнала - показывающие, регистрирующие (печатающие, пишущие), комбинированные (одновременно показывающие и регистрирующие), интегрирующие (суммирующие);

- по роду выходного сигнала - аналоговые, цифровые, аналого-цифровые;

- по физической природе измеряемой величины - механические, гидравлические, пневматические, тепловые, акустические, электрические, электронные, комбинированные и прочие;

- по виду шкалы - с равномерной и неравномерной шкалой, с нулевой отметкой внутри, на краю или вне шкалы;

- по степени автоматизации - неавтоматические (с ручной наводкой), автоматизированные, автоматические;

- по характеру использования - образцовые, лабораторные, технические (промышленные), полевые.

Основные виды СИ:

- мера – средство, хранящее или воспроизводящее ФВ заданного размера. Мера может быть однозначной (гиря, калибр) и многозначной (измерительная линейка, магазин электрических сопротивлений). Измерение методом сравнения с мерой выполняют с помощью специальных средств - компараторов (равноплечие весы, электрический измерительный мост). В ряде случаев в качестве компаратора выступает человек - оператор;

- измерительный преобразователь – средство, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для передачи, обработки, хранения, но не доступной для непосредственного восприятия оператором (термопара, термометр сопротивления, усилитель);

- измерительный прибор – средство, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для непосредственного восприятия оператором (амперметр, вольтметр, манометр);

- измерительная установка – совокупность функционально объединённых СИ и вспомогательных устройств, расположенных в одном месте (установки для поверки измерительных приборов, испытаний электротехнических материалов);

- измерительная система – комплекс СИ и устройств связи (проводная, инфракрасная, радио, телевизионная, оптоволоконная), предназначенный для выработки сигналов измерительной информации в форме, удобной для использования в системах автоматического контроля и управления;

- информационно-вычислительный комплекс (ИВК) – системы автоматического контроля и управления, технического диагностирования, распознавания образов на базе микропроцессорной и вычислительной техники;

- измерительные принадлежности – вспомогательные средства измерений величин (термометр, психрометр для измерения параметров воздуха).

По метрологическому назначению СИ подразделяют на два вида:

- эталоны;

- рабочие (лабораторные, производственные, полевые).

Эталон – высокоточная мера, предназначенная для воспроизведения, хранения единицы величины с целью передачи её значения другим менее точным СИ. Эталоны классифицируют на первичные (составляют основу государственной системы измерений), вторичные, рабочие (разрядные). Рабочие эталоны воспринимают размер единицы от вторичных эталонов и передают его рабочим СИ. Эталонная база РФ имеет в своём составе 114 государственных и более 250 вторичных эталонов ФВ.

Перспективное направление развития эталонов – переход на эталоны, основанные на квантовых эффектах. Способность таких эталонов воспроизводить единицы величин не зависит от внешних условий, географического местонахождения, времени.

Рабочие – средства, предназначенные для выполнения измерений в лабораторных и производственных условиях.

Метрологические характеристики (МХ) – характеристики, которые позволяют судить о пригодности СИ для измерений в известном диапазоне с известной точностью.

Индикаторы – приборы и вещества, не имеющие нормированных МХ.

МХ вводят для СИ с целями:

- обеспечения возможности установления точности измерений;

- достижения взаимозаменяемости СИ;

- сравнения и выбора нужных СИ по точности измерений;

- определения погрешности измерительных систем и установок на основе МХ входящих в них СИ;

- оценки технического состояния СИ при поверке.

Нормальные МХ устанавливают нормативными документами. Наибольшее распространение на практике получили МХ:

- диапазон показаний – область значений шкалы, ограниченная начальным и конечным значениями;

- диапазон измерений – область значений измеряемой величины, для которой нормированы допускаемые пределы погрешности;

- цена деления шкалы – разность значений величин, соответствующих двум соседним отметкам шкалы. СИ с равномерной шкалой имеют постоянную цену деления, а с неравномерной - переменную;

- чувствительность S – отношение изменения сигнала на выходе y к вызвавшему это изменение изменению x сигнала на входе:

S = y / x. (2)

Для стрелочного прибора это отношение перемещения dl конца стрелки к вызвавшему его изменению dx измеряемой величины:

S = dl / dx; (3)

- постоянная прибора С – величина обратная чувствительности:

C = 1/S; (4)

- порог чувствительности – наименьшее значение измеряемой величины, вызывающее заметное изменение показаний прибора;

- вариация (гистерезис) H – разность между показаниями в данной точке диапазона измерения при возрастании и убывании измеряемой величины и неизменных внешних условий. Вариация обусловлена наличием зазоров, тепловым или упругим последействием элементов конструкции:

H = / x_в – x_у /, (5)

где x_в, x_у – соответственно значения измерений образцовым прибором при возрастании и убывании величины x;

- градуировочная характеристика – зависимость между выходным и входным сигналами СИ, полученная расчётом или экспериментально, представленная аналитически, графически или в виде таблицы. Градуировочная характеристика может изменяться в течение времени под воздействием внутренних и внешних причин.

Основным видом МХ является погрешность измерений – разность между показаниями СИ и истинными (действительными) значениями ФВ. Погрешности в зависимости от влияния внешних условий на результат измерений подразделяют на два вида:

- основная погрешность – погрешность СИ при нормальных условиях эксплуатации. Нормальные условия: температура 293 + 5 К, относительная влажность воздуха 65 + 15%, напряжение в сети электропитания 220 В + 10% с частотой 50 Гц + 1%, атмосферное давление 97,4…104,0 кПа, отсутствие наводок электрических и электромагнитных полей;

- дополнительная погрешность – погрешность измерений, возникающая при отклонении влияющих величин за диапазон значений, установленных нормальными условиями.

Существует несколько способов нормирования погрешности. Наибольшее применение в практике измерений аналоговыми СИ получило нормирование класса точности по приведённой погрешности , постоянной во всём диапазоне измерений.

Класс точности численно совпадает с основной допускаемой приведённой погрешностью. ГОСТ Р установлены классы точности для СИ:

- эталонных, образцовых, лабораторных 0.01…0,5;

- промышленных 0,6…4,0.

Класс точности указан в технической документации, на шкале СИ.