4. Средства измерений

Согласно закону «Об обеспечении единства измерений» средство измерений – техническое средство, предназначенное для измерений.

Существует и более широкое определение средств измерений, как технических устройств (или их комплексов), предназначенных для измерений и имеющих нормированные метрологические характеристики, воспроизводящих и (или) хранящих единицу (кратную, дольную) или шкалу физической величины.

К средствам измерений относятся меры, стандартные образцы состава и свойств веществ и материалов, измерительные приборы, измерительные системы и комплексы, эталоны и другие устройства, выполняющие измерительные функции.

На территории Российской Федерации и на находящихся под юрисдикцией Российской Федерации территориях при проведении измерений, относящихся к сфере государственного регулирования обеспечения единства измерений, должны применяться средства измерений, прошедшие оценку соответствия и соответствующие требованиям технических регламентов с учетом установленных требований к результатам измерений.

В технических регламентах могут содержаться требования к составным частям средств измерений, в том числе к программному обеспечению, к эксплуатации средств измерений, а также правила оценки соответствия, в том числе правила оценки соответствия средств измерений изготавливаемых (поставляемых) в единичном экземпляре.

4.1. Классификация средств измерений

В связи с многообразием средств измерений их принято классифицировать по различным признакам:

– по техническому и метрологическому назначению;

– по уровню стандартизации и автоматизации;

– по роли, выполняемой в процессе измерений и др.

I. По техническому назначению средства измерений подразделяются на меры и измерительное оборудование (рис. 4.1).

Рисунок 4.1. – Классификация средств измерений по техническому назначению

Меры – это тела или устройства, предназначенные для воспроизведения одного или нескольких значений измеряемой величины заданного размера. Меры могут быть однозначными, многозначными и набором мер.

Однозначная мера – это мера, воспроизводящая измеряемую величину одного размера. Например, однозначной мерой являются: гири, конденсаторы постоянной емкости, плоскопараллельные концевые меры длины и др.

Разновидностями однозначных мер являются стандартные образцы состава и свойств веществ и материалов, предназначенные для воспроизведения единиц величин, характеризующих свойства и состав веществ и материалов.

Стандартный образец состава и свойств веществ и материалов – это должным образом оформленная проба вещества или материала, которая подвергается метрологической аттестации с целью установления количественного значения определенной характеристики. В установленных условиях внешней среды эта характеристика или свойство являются величиной с известным значением. Например, шкала Мооса, состоящая из набора минералов с конкретными значениями твердости, позволяет оценить границу твердости для любых минералов. Для воспроизведения температурной точки на международной температурной шкале используют стандартный образец из чистого цинка ( = 419,527°С) и др.

Многозначная мера – это мера, воспроизводящая ряд одноименных величин различного размера. Например, линейкой с миллиметровыми делениями можно измерить длину предмета в миллиметрах и сантиметрах.

Набор мер – это совокупность однозначных мер разного размера, применяемых как отдельно, так и в различных сочетаниях, например, набор гирь или набор измерительных конденсаторов, или набор плоскопараллельных концевых мер длины. Если набор мер конструктивно объединен в единое устройство и имеет приспособления для их соединения в различных сочетаниях, то его называют магазином мер, например, магазины электрических сопротивлений.

Мера, предназначенная для сравнения с ней размеров, формы или расположения поверхностей деталей изделий с целью определения их годности, называется калибром.

Мера может иметь номинальное или действительное значение. Номинальное (или приписанное) значение меры указывается на ней. Действительное значение меры получают в результате высокоточного измерения с использованием эталона и указывают в специальном свидетельстве.

Разность между номинальным и действительным значением называется погрешностью меры. Величина, обратная (по знаку) погрешности, является поправкой к указанному на мере номинальному значению. В зависимости от величины погрешности меры подразделяют на разряды (I, II и т.д.) и называют разрядными эталонами или образцовыми средствами измерений и используют при поверке и калибровке рабочих средств измерений. При технических измерениях величина погрешности меры служит основой для разделения мер по классам точности.

Измерительное оборудование исключительно многообразно, к нему относятся измерительные принадлежности, приборы, преобразователи, установки, системы, комплексы.

Измерительные принадлежности – это вспомогательные средства измерений, используемые для вычисления поправок к результатам измерений, если необходима их высокая точность, а условия измерений не соответствуют нормальным. Например, прибор должен работать в помещении с относительной влажностью 55%, а фактическая влажность больше или меньше. Тогда для определения влажности используют вспомогательное средство измерения – психрометр и рассчитывают результат измерения с поправкой на дополнительную погрешность, возникшую в реальных условиях проведения измерений.

Измерительные приборы – это средства измерений, предназначенные для выработки сигнала измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем.

Различают измерительные приборы прямого действия и приборы сравнения. Приборы прямого действия отражают измеряемую величину на показывающем устройстве, имеющем градуировку в единицах этой же величины. Изменения рода величины при этом не происходит. Примером измерительных приборов прямого действия являются амперметры, вольтметры и др.

Приборы сравнения предназначены для сравнения измеряемой величины с величинами, значения которых известны. Они используются на практике и в научных целях для измерения, например, таких величин, как яркость источников измерения или давления сжатого воздуха и др.

По способу отсчета измерительные приборы подразделяют на показывающие – выполняющие функцию отсчитывания показаний по шкале в цифровой форме и регистрирующие – записывающие показания в числовой форме на бумажной ленте или в виде диаграмм или графиков.

Показывающие измерительные приборы могут быть аналоговыми и цифровыми. В настоящее время наибольшее распространение получили аналоговые приборы – приборы, показания которых являются непрерывной функцией изменения измеряемой величины. К аналоговым приборам относятся все стрелочные приборы с отсчетным устройством, состоящим из двух элементов: шкалы и указателя, связанного с подвижной частью прибора, например, стрелочный вольтметр.

Цифровые измерительные приборы автоматически вырабатывают сигналы измерительной информации, показания которой представлены в цифровой форме (в виде кода), а результат измерения отражается на цифровом табло.

В последнее время получили распространение аналого-дискретные измерительные приборы, сочетающие в себе достоинства аналоговых и цифровых приборов. В этих приборах используют отсчетные устройства, в которых роль указателя выполняет светящаяся полоса или точка, имеющая дискретно свою длину (если полоса) или положение (если точка) относительно шкалы.

Измерительный преобразователь – это средство измерения, предназначенное для выработки измерительной информации в форме, удобной для ее передачи, дальнейшего преобразования, обработки и (или) хранения, но не поддающейся непосредственному восприятию наблюдателя.

Измерительные преобразователи подразделяются на первичные, передающие, промежуточные и масштабные. Первичные воспринимают измеряемую величину непосредственно, в передающих – на выходе величина приобретает форму, удобную для регистрации или передачи на расстояние; промежуточные – работают в сочетании с первичными и не влияют на изменение рода величины; масштабные – используют для изменения размера величины в заданное число раз.

Измеряемая (преобразуемая) величина, поступающая на измерительный преобразователь называется входной, а преобразованная – выходной. Соотношение между ними задается номинальной статической функцией преобразования (градуировочной характеристикой). Например, термопара является первичным измерительным преобразователем, преобразующим температуру в термо ЭДС, а ее градуировочной характеристикой является зависимость ЭДС от температуры.

Все измерительные преобразователи обладают нормированными метрологическими характеристиками. Хотя измерительные преобразователи и являются конструктивно обособленными элементами, но самостоятельного значения для проведения измерений они не имеют. Чаще всего это части более или менее сложных измерительных систем или комплексов.

Первичные измерительные преобразователи, расположенные непосредственно на объекте исследования и удаленные от места обработки, отображения и регистрации измерительной информации называют датчиками. Например, датчик давления, датчик температуры.

Измерительная установка – это совокупность функционально объединенных средств измерений и вспомогательных устройств, предназначенная для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для непосредственного восприятия наблюдателя и расположенная в одном месте.

Измерительная система – это совокупность средств измерений и вспомогательных устройств, соединенных между собой каналами связи, предназначенная для выработки сигналов измерительной информации в форме, удобной для автоматической обработки, передачи и использования в системах управления, контроля, диагностирования.

II. По метрологическому назначению средства измерений делят на рабочие и эталоны. Рабочие средства измерений используют для определения параметров (характеристик) технических устройств, технологических процессов, состояния окружающей среды и др. Они могут быть лабораторными, предназначенными для научных исследований; производственными – для обеспечения контроля заданных характеристик технологических процессов; полевыми – предназначенными для определения параметров в сложных условиях постоянно изменяющихся в широких пределах внешних воздействий (рис. 4.2.).

Рисунок 4.2 – Классификация средств измерений по метрологическому назначению

Эталон единицы величины – техническое средство, предназначенное для воспроизведения, хранения и передачи единицы величины.

Эталоны единиц величин могут быть: первичными, специальными, государственными, вторичными, эталон-копия, эталон-сравнения, эталон-свидетель и рабочие эталоны четырех разрядов, а также международными и национальными.

Первичный эталон – это уникальное средство измерения, созданное с учетом новейших достижений науки и техники, которое является основой государственной системы обеспечения единства измерений.

Специальный эталон предназначен для воспроизведения единицы величины в особых условиях.

Государственный эталон – это либо первичный, либо специальный эталоны.

Вторичный эталон – это эталон, который хранит размер единицы величины путем ее сличения с первичным эталоном. Кроме того, он контролирует условия хранения и передает размер единицы. Фактически вторичный эталон – главное средство измерения в технике.

По метрологическому назначению вторичные эталоны подразделяются на: эталоны-копии, эталоны-сравнения, эталоны-свидетели и рабочие эталоны.

Эталон-копию используют при поверочных работах, чтобы предохранить первичный и специальный эталоны от преждевременного износа. Это не всегда их физическая копия. Эталон-сравнения необходим при невозможности непосредственного сличения эталонов друг с другом. Эталон-свидетель предназначен для проверки сохранности и неизменности государственного эталона и замены его в случае порчи или утраты.

Рабочий эталон предназначен для передачи размера единицы величины рабочим средствам измерений. Рабочие эталоны, в зависимости от погрешности, вносимой ими в измерения, подразделяются на разрядные (I, II, III и IV) и служат основой метрологических работ.

Оценка погрешностей вторичных эталонов характеризуется отклонением хранимых ими размеров единиц от размеров единиц, воспроизводимых первичным эталоном.

Конструкция эталона, его физические свойства и способ воспроизведения единицы определяются природой физической величины, единица которой воспроизводится и уровнем развития измерительной техники в данной области измерений. Эталон должен обладать, по крайней мере, тремя тесно связанными друг с другом признаками – неизменностью, воспроизводимостью и сличаемостью.

III. По уровню автоматизации средства измерений классифицируют на неавтоматические; автоматизированные, производящие в автоматическом режиме одну или часть измерительной операции, автоматические, производящие в автоматическом режиме измерения и все операции, связанные с обработкой результатов измерений, регистрацией, передачей данных или выработкой управляющих сигналов. В настоящее время все большее распространение получают средства измерений последних двух видов. Это связано с использованием в средствах измерений электронной и микропроцессорной техники.

IV. По уровню стандартизации средства измерений подразделяют на стандартизированные, изготовленные в соответствии с требованиями государственных или отраслевых стандартов и нестандартизированные (уникальные), предназначенные для решения специальных измерительных задач.

V. По отношению к измеряемой величине средства измерений делят на основные, предназначенные для измерения той величины, значение которой необходимо получить в соответствии с измерительной задачей и на вспомогательные – это средства измерений той величины, влияние которой на основное средство измерения или на объект измерения необходимо учесть, чтобы получить результат измерения требуемой точности.

VI. По роли в процессе измерения и выполнения средствами измерений функций подразделяют на элементарные и комплексные (рис. 4.3.).

Рисунок 4.3. – Классификация СИ по роли выполняемых ими функций

Устройство сравнения (компоратор) – это средство измерения, позволяющее сравнивать друг с другом меры однородных величин или показания приборов. Остальные элементы этой классификации были рассмотрены ранее.

Физический принцип, положенный в основу построения средств измерений данного вида, называют принципом действия средств измерений. Принцип действия часто бывает отражен в названии средства измерения, например: электродинамический ваттметр.

Элемент средства измерения, выполняющий в нем одну из ряда функций измерения, называют структурным элементом. Структурные элементы могут быть общими для многих типов средств измерений, например, такие как измерительный канал, преобразовательный элемент, измерительный механизм, сравнивающее или отсчетное устройство, шкала, указатель, табло, регистрирующее устройство и др. Каждый из этих элементов имеет определенные параметры и свойства. Так, мера должна иметь номинальное и действительное значение. Показания средств измерений должны включать такие параметры, как отсчет, цена деления шкалы, градуировочная характеристика, начальное и конечное значение шкалы, диапазон показаний и измерений, предел измерений, входной и выходной сигналы средств измерений.

Условия применения средств измерений могут быть нормальными или рабочими. Во всех случаях должна быть обеспечена стабильность средств измерений, то есть то их качество, которое отражает неизменность во времени его метрологических свойств.