Классификация средств измерений

Единицы измерений (шкалы) передаются средствам измере­ний, с помощью которых и производятся собственно измерения. В этом смысле эталоны и поверочные схемы являются опера­циями вспомогательными. Напомним определение, данное в РМГ 29—99. Отметим также, что развитие науки и техники, а также чрезвычайно большая область применения средств изме­рений предопределяют невозможность разработки «идеального», устраивающего всех и навсегда определения. Поэтому для со­блюдения требований единства измерений метрологам-прак­тикам следует пользоваться принятой, узаконенной терминоло­гией, оставив теоретикам возможность разрабатывать и обсуж­дать варианты, один из которых со временем заменит дейст­вующее определение.

♦ Итак, средство измерений — техническое средство, предназна­ченное для измерений, имеющее нормированные метрологические характеристики, воспроизводящее и хранящее единицу физиче­ской величины, размер которой принимается неизменным (в пре­делах установленной погрешности) в течение известного интервала времени. ♦

Средства измерений, используемые для получения измери­тельной информации о характеристиках объектов и процессов, не связанные с передачей размера единицы другим средствам измерений, называются рабочими средствами измерений (РСИ). Принято все средства измерений подразделять на меры, измери­тельные приборы, измерительные преобразователи, измеритель­ные установки и измерительные системы.

♦ Меры (полное название — мера физической величины) представ­ляют собой средства измерений, предназначенные для воспроизве­дения и (или) хранения физической величины одного или несколь­ких заданных размеров, значения которых выражены в установлен­ных единицах и известны с необходимой точностью. ♦

Меры, воспроизводящие физическую величину одного раз­мера, называются однозначными (например, гири — однозначные меры массы). Если мера воспроизводит физическую величину разных размеров, она называется многозначной (например, штриховая мера длины). Если меры одной и той же физической величины подбираются в комплект таким образом, что имеется возможность их соединения для получения других размеров, то такой комплект называется выбором мер. Набор должен эксплуа­тироваться только с теми мерами, с которыми он прошел по­верку. Для этого меры помечают способами, исключающими изменение их метрологических характеристик. Пример набора мер — набор концевых мер длины. Если меры объединены кон­структивно так, что изменение состава комплекта мер невоз­можно, а в конструкции предусмотрены устройства для их со­единения в различных комбинациях, то такой комплект называ­ется магазином мер (например, магазин электрических сопротив­лений). К мерам относятся стандартные образцы.

Измерительная информация может быть представлена в ви­де, удобном для восприятия человеком или удобном для даль­нейшей машинной трансляции и переработки. По этому при­знаку средства измерений разделяют на измерительные приборы и измерительные преобразователи.

♦ Измерительный прибор (или просто прибор) — это средство из­мерений, предназначенное для получения значений измеряемой физической величины в установленном диапазоне. ♦

♦ Измерительный преобразователь — техническое средство с нор­мированными метрологическими характеристиками, служащее для преобразования измеряемой величины в другую величину или изме­рительный сигнал, удобный для обработки, хранения, дальнейших преобразований, индикации или передачи (например, термопара). ♦

Измерительные преобразователи или входят в состав средст­ва измерений, или применяются вместе с ним. Приборы, пока­зания которых являются непрерывной функцией изменений из­меряемой величины, называются аналоговыми. Если измери­тельная информация представляет собой дискретные сигналы в цифровой форме, то приборы называются цифровыми. Незави­симо от способа выработки и формы измерительной информа­ции приборы могут быть показывающими и регистрирующими. Показывающий прибор допускает только отсчет, а регистрирую­щий — позволяет осуществить запись результатов измерений. Аналоговые регистрирующие приборы, как правило, самопи­шущие (непрерывная запись результатов в виде диаграммы); цифровые — печатающие.

Часто для проведения измерений требуется объединение в одно функционально целое некоторой совокупности средств из­мерений и других устройств (мер, измерительных приборов, из­мерительных преобразователей). Если эта совокупность распо­ложена в одном месте, то она называется измерительной уста­новкой; если рассредоточена по объекту измерения (например, теплоэлектростанции) — измерительной системой.

Основные элементы и погрешность

Средств измерений

Конструкция любого средства измерений определяется Прин­ципом и методом измерений, принятых при его разработке.

♦ Принцип измерений — физическое явление или эффект, поло­женное в основу измерений. ♦

♦ Метод измерений — прием или совокупность приемов сравнения измеряемой физической величины с ее единицей в соответствии с реализованным принципом измерений. ♦

♦ Практическая реализация принципа и метода приводит к созда­нию измерительной цепи средства измерений — совокупности элементов средства измерений, образующих непрерывный путь прохождения измерительного сигнала одной физической величины от входа до выхода. ♦

Измерение начинается с выделения из совокупности физи­ческих величин, характеризующих свойства измеряемого объек­та или процесса, измеряемой величины. Это выделение осуществляется частью первого в измерительной цепи преобразовате­ля, называемого первичным измерительным преобразователем, ко­торая получила название чувствительного элемента средства из­мерений. Конструктивно обособленный первичный измеритель­ный преобразователь называется датчиком. Измерительный сигнал, пройдя по измерительной цепи все преобразования, по­ступает на измерительный механизм, который обеспечивает необ­ходимое перемещение указателя. Указатель — это часть показы­вающего устройства, положение которой относительно отметок шкалы определяет показания средства измерений.

♦ Показывающее устройство — это совокупность элементов сред­ства измерений, которое обеспечивает визуальное восприятие зна­чений измеряемой величины. ♦

Воспринять значения измеряемой величины можно в двух формах: в форме сигнала «да—нет», и тогда мы имеем дело с индикатором, т.е. техническим средством, предназначенным для установления наличия какой-либо физической величины или превышения уровня ее порогового значения. Индикаторы сред­ствами измерений не являются.

Для восприятия значений измеряемой величины необходимо иметь возможность произвести отсчет показаний средства изме­рений, т.е. осуществить фиксацию значения величины или числа по показывающему устройству средства измерений в заданный момент времени. Значение величины устанавливается по шкале средства измерений. Это очень важная часть средств измерений. Вообще говоря, шкала средства измерений — это вещественное отражение шкалы измерений (хранится и воспроизводится сред­ством измерений), о которой мы говорили выше. Поэтому мно­гие понятия и термины, употребляемые применительно к шка­лам, распространяются и на средства измерений, вообще не имеющих показывающих или регистрирующих устройств.

♦ Итак, шкала средства измерений — это часть его показывающе­го устройства, представляющая собой упорядоченный ряд отметок вместе со связанной с ними нумерацией. ♦

Отметки на шкалах могут быть нанесены равномерно, и то­гда шкала называется равномерной, или неравномерно, тогда шкала называется неравномерной. Отметка шкалы — это знак на шкале (черточка, зубец, точка и т.п.), соответствующий некото­рому значению измеряемой физической величины. Если около отметки шкалы поставлено соответствующее ей число, то она называется числовой отметкой. Шкалы с числовыми отметками часто называют именованными. Промежуток между двумя сосед­ними отметками шкалы называется делением шкалы, а соответст­вующая ему разность значений измеряемой величины — ценой деления. Не следует путать цену с длиной деления: последняя представляет собой конкретную физическую величину — рас­стояние между двумя соседними отметками. Наименьшее значе­ние измеряемой величины, которое может быть отсчитано по шкале средства измерений, называется начальным значением шкалы, а наибольшее — конечным. Разность между ними пред­ставляет собой диапазон показаний средства измерений.

Диапазон показаний не всегда совпадает с диапазоном изме­рений. В качестве диапазона измерений принимается область значений шкалы, в пределах которой нормированы допускаемые пределы погрешности средства измерений. Наименьшее значе­ние диапазона измерений получило название нижнего предела измерений; наибольшее — верхнего предела измерений. Работоспо­собное средство измерений имеет погрешность, не превышаю­щую по величине установленного предела. Если характеристика одного из свойств средства измерений оказывает влияние на его погрешность, то она называется метрологической.

Метрологические характеристики, устанавливаемые норма­тивно-техническими документами, называют нормируемыми мет­рологическими характеристиками, а определенные эксперимен­тально — действительными.

♦ Погрешность средства измерений представляет собой разность между показаниями средства измерений и истинным (действитель­ным) значением измеряемой физической величины. ♦

По форме выражения погрешности средства измерений мож­но подразделить на абсолютные, относительные и приведенные.

Абсолютная погрешность выражается в единицах измеряемой величины. Это удобно, если абсолютная погрешность остается неизменной по величине во всем диапазоне измерений.

Относительная погрешность выражается отношением абсо­лютной погрешности к результату измерений или к действитель­ному значению измеренной физической величины. Это удобно, если абсолютная погрешность представляет собой функцию ре­зультата измерений. Для сопоставления средств измерений по точности или для выражения погрешности какой-либо характерной точки диапазона измерений удобно пользоваться приведенной погрешностью, которая представляет собой отношение абсолют­ной погрешности к условно принятому, нормирующему значе­нию измеряемой величины (например, к диапазону измерений или верхнему пределу диапазона измерений и т.п.). Это подразде­ление погрешностей принято для удобства их представления и обработки результатов эксперимента. Физически имеет смысл лишь абсолютная погрешность (рис. 3.1).

На вход средства измерений (с чувствительного элемента первичного измерительного преобразователя) поступает входной сигнал измерительной информации. Как правило, этот сигнал должен пройти в измерительной цепи средства измерений дос­таточно много последовательных преобразований, чтобы на вы­ходе средства измерений (на показывающем или регистрирую­щем или другом устройстве) был получен сигнал выходной ин­формации в форме, удобной для дальнейшего использования. Взаимосвязь входного и выходного сигналов называют характе­ристикой преобразования средства измерений. Различают два вида характеристик преобразования: реальную и номинальную.

Реальная характеристика преобразования средства измерения — это действительная функция взаимосвязи между сигналом, подаваемым на вход средства измерений и снимаемым на его выходе. Если рассматривать всю измерительную цепь средства измере­ний и все преобразования сигнала, то на входе мы будем иметь дело с действительным значением измеряемой величины, а на выходе — с измеренным. Эта характеристика, получившая на­звание градуировочной, определяется экспериментально.

Экспериментальное определение реальной (градуировочной) характеристики гарантирует ее заведомо нелинейный характер. Для удобства практического использования действительную функцию преобразования «сглаживают» и она в идеале пред­ставляет собой прямую линию. Эту характеристику, приписы­ваемую средству измерений, называют номинальной. Интерес представляют два возможных «крайних» случая расхождения номинальной и реальной характеристик.

В первом случае значения абсолютных погрешностей ∆X и ∆ Y постоянны и не зависят от значения величины АХ входного (измеряемой величины) или Y выходного (показания средства измерений) сигналов. Этот случай отражен на рис. 3.2.

Реальная характеристика смещена на постоянную величину абсолютной погрешности относительно номинальной характе­ристики, что позволяет использовать абсолютную погрешность для нормирования погрешности средства измерений (измери­тельного преобразователя). Такая абсолютная погрешность на­зывается аддитивной, или погрешностью нуля. При введении в конструкцию средства измерений корректора нуля аддитивная погрешность легко устраняется, так как достаточно совместить хотя бы одну точку реальной и номинальной характеристик для их совпадения.

Во втором случае абсолютная погрешность преобразования прямо пропорциональна величине выходного или входного сиг­нала. Этот случай отражен на рис. 3.3.

Так как в этом случае абсолютная погрешность ∆ Y = kУ (∆Х = k*Х), то постоянное по диапазону измерений значение сохраняет относительная погрешность преобразования, т.е. δ _у = к (δ_х = к*), что позволяет использовать ее при нормирова­нии погрешности средства измерений. Такая относительная по­грешность называется мультипликативной, или погрешностью чувствительности. Если установлено предельно допустимое зна­чение погрешности, то при каком-то значении Y или X погреш­ность средства измерений превысит допустимое значение. При­няв это значение Y или X за верхний предел соответствующего поддиапазона измерений и применив корректор нуля, получим возможность расширения диапазона измерений (см. рис. 3.3).

По характеру проявления в составе погрешности усматрива­ют составляющие, остающиеся неизменными или закономерно изменяющиеся, — они получили название систематических со­ставляющих погрешности. Составляющие, изменяющиеся слу­чайным образом, — это случайные составляющие погрешности средства измерений. Можно сказать, что случайные погрешно­сти — это следствие нашего незнания процесса измерения, а систематические — доля знания, т.е. по мере исследований и проникновения в глубину процесса измерения количество сис­тематических составляющих возрастает.

⇐ Предыдущая45678910111213Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: