СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЯ

Понятие «средство измерения» получило широкое распространение в метрологической практике с начала 1970-х гг., когда этот термин был введен. К этому времени стала ясной необходимость, особенно для технических измерений, разработки единой метрологической методологии, охватывающей все области измерений. В связи с этим было признано необходимым ввести некоторый термин, который охватывал бы любое техническое устройство, предназначенное для выработки, преобразования, отображения информации о размерах (значениях) измеряемых величин. Таким образом, в принятом термине под средством измерения понималось техническое устройство, предназначенное для выработки, преобразования, отображения информации о размерах измеряемых физических величин. Прежде каждое из подобных технических устройств именовалось отдельно, и при необходимости формирования каких- либо правил, методов, требований и т.п., относящихся ко всем таким техническим устройствам, давалось просто их перечисление. При выработке соответствующего термина не вызывало сомнений, что он должен охватить измерительные показывающие и регистрирующие приборы, измерительные преобразователи (первичные и промежуточные), измерительные и информационно-измерительные системы, меры. Термин «средство измерения» был введен и получил широкое распространение как в литературе, так и в метрологических нормативных и методических документах.

Как известно, средства измерений подвергаются соответствующему метрологическому контролю и надзору, т.е. существует ряд обязательных правил и требований, которые должны соблюдать как разработчики средств измерений, так и потребители. После введения термина «средство измерения» на практике оказалось, что это определение недостаточно четко, что вызвало необходимость его уточнения. В настоящее время принято следующее определение: средство измерения — техническое средство (или их комплекс), предназначенное для измерений, имеющее нормированные метрологические характеристики, воспроизводящее и (или) хранящее единицу физической величины, размер которой принимается неизменным (в пределах установленной погрешности) в течение известного интервала времени (ранее ГОСТ 16263, в настоящее время — РМГ 29-99).

Метрологические характеристики — это характеристики свойств СИ, оказывающие влияние на результаты измерений.

Термин «средство измерения» не является однородным понятием, определяющим совокупность идентичных технических средств. Он выступает понятием обобщенным, объединяющим самые разнообразные конструктивно законченные устройства, обладающие одним из двух следующих признаков:

  • 1) они вырабатывают сигнал (показание), несущий информацию о размере (значении) измеряемой физической величины.
  • 2) воспроизводят величину заданного (известного) размера.

Объединение технических устройств по этим двум признакам сделано только из соображений целесообразности общего метрологического анализа и регламентации метрологических требований и правил, единых для измерительных, показывающих и регистрирующих приборов, измерительных преобразователей, измерительных систем, измерительных комплексов, мер.

Применение средств измерений невозможно без знания степени соответствия информации, содержащейся в их выходном сигнале

(показаниях), о размере измеряемой (преобразуемой) величины ее истинному размеру. Для этого метрологические характеристики средств измерений нормируются. Это позволяет знать инструментальную погрешность средств измерений.

Всякое средство измерения (кроме некоторых мер) в общем случае можно рассматривать как некоторую цепь (механическую, электрическую и др.), для которой характерна определенная зависимость между информативным параметром (показанием прибора) выходного сигнала и измеряемой величиной. Это справедливо и для таких специфических средств измерений, как измерительные (информационно-измерительные) системы (ИС, ИИС), состоящие в свою очередь из более простых средств измерений и различных технических устройств.

Все средства измерений могут классифицироваться по различным признакам.

По принципу действия средства измерений могут подразделяться на механические, электрические, электромагнитные, электронные, оптические.

По способу определения значения измеряемой величины средства измерения можно разделить на две группы: прямого действия и сравнения. СИ прямого действия (непосредственной оценки) позволяют получать значения измеряемой величины на отсчетном устройстве (манометр, амперметр, термометр). Характерной особенностью таких приборов является то, что результаты, полученные с их помощью, не требуют сравнения с показателями образцовых средств измерений. В СИ сравнения значение измеряемой величины определяют сравнением с известной величиной соответствующей ее меры, например, при измерении массы тел на рычажных весах.

По способу образования показаний средства измерения подразделяют на показывающие и регистрирующие.

Показывающие приборы в свою очередь подразделяют на аналоговые и цифровые.

Аналоговые приборы — это, как правило, стрелочные приборы с от- счетными устройствами, состоящими из двух элементов — шкалы и указателя, связанного с подвижной частью прибора. Показания таких приборов являются непосредственной функцией измерений измеряемой величины.

Цифровые измерительные приборы автоматически вырабатывают дискретные сигналы измерительной информации, которые предоставляют в цифровой форме. Отсчет у них производится с помощью механических или электронных цифровых отсчетных устройств. Благодаря своим преимуществам (высокая производительность измерения, исключение ошибок оператора, результат измерения удобен для ввода в ЭВМ и т.д.) в последние годы они все чаще заменяют стрелочные приборы.

Регистрирующие измерительные приборы подразделяют на самопишущие (термографы, барографы, шлейфовые осциллографы), выдающие показания в форме диаграмм, и печатающие, которые выдают результат измерения в цифровой форме на бумажной ленте. Регистрирующие измерительные приборы находят широкое применение при измерении физических величин, параметров процессов или свойств объектов в динамических процессах, когда непрерывно изменяются те или иные условия измерения (температура, давление и т.д.).

Измерительный преобразователь — средство измерения, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и (или) хранения, но не поддающееся непосредственному восприятию наблюдателем.

Преобразуемая физическая величина называется входной, а результат преобразования — выходной.

Измерительные преобразователи являются составной частью измерительных приборов, различных измерительных систем, систем автоматического контроля или регулирования тех или иных процессов. Преобразователь, стоящий первым в измерительной цепи, обычно называют первичным (термопара в термоэлектрическом термометре). Преобразователь, предназначенный для изменения величины в заданное число раз, называется масштабным (измерительные усилители). Преобразователь, предназначенный для дистанционной передачи сигнала измерительной информации, называется передающим.

Если первичный преобразователь имеет конструктивную самостоятельность и нормированную функцию преобразования, то его иногда называют датчиком. Как правило, датчики преобразуют неэлектрические величины в электрические.

В настоящее время широко применяются аналоговые, аналого- цифровые (АЦП) и цифро-аналоговые (ЦАП) преобразователи.

Измерительная установка — совокупность функционально объединенных средств измерений (мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей) и вспомогательных устройств, предназначенных для выработки сигналов измерительной информации в форме, удобной для непосредственного восприятия наблюдателем и расположенных в одном месте. Создание измерительных установок, называемых также измерительными стендами, позволяет наиболее рационально расположить все требуемые средства измерения и соединить их с объектами измерений для обеспечения наиболее высокой производительности труда, качества измерений на данном рабочем месте (например, на рабочих местах операторов в конкретных условиях производства или измерительных лабораториях).

Измерительная система — 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 (или) использования в автоматических системах управления (АИС — автоматизированная измерительная система, ИИС — информационно-измерительная система, ИВК — измерительно-вычислительный комплекс).

Главная цель всех измерительных систем — автоматизация процесса измерения и использования результатов измерений для автоматического управления различными процессами производства.

Вспомогательное средство измерения — средство измерения величин, влияющих на метрологические свойства другого средства измерения при его применении или поверке. Например, точность измерения расхода газа или линейных размеров тел зависит от температуры, измеряемой термометром, который и является вспомогательным средством измерения.

Погрешности СИ могут выражаться в виде:

  • • абсолютной погрешности А. Для меры А = Хн - Ха, где Хн номинальное значение, Ха действительное значение измеряемой величины. Для прибора А = ХП - Ха, где Хп — показание прибора;
  • • относительной погрешности 8 = (А/Ха) • 100%;
  • • приведенной погрешности у= (A/XN) • 100%, где XN нормирующее значение измеряемой ФВ.

В качестве нормирующего значения может быть принят предел измерения данным СИ. Например, для весов с пределом измерения массы 10 кг XN= 10 кг. Если в качестве нормирующей величины принимается размах всей шкалы, то именно к значению этого размаха в единицах измеряемой ФВ и относят абсолютную погрешность. Например, для амперметра с пределами измерения от -100 мА до 100 мА XN = 200 мА.

Если в качестве нормирующей величины принимается длина шкалы прибора /, то XN = /.

На каждое СИ погрешность приводится только в какой-то одной форме.

Если погрешность СИ при неизменных внешних условиях постоянна во всем диапазоне измерений, то

Если она меняется в указанном диапазоне, то

При Д = ±а погрешность называется аддитивной, при Д = = ±{а + Ьх) — мультипликативной.

Для аддитивной погрешности

Для мультипликативной погрешности

Приведенная погрешность

У = ±Ц- (1-5)

Значения р, с, d, q выбираются из ряда чисел: 1 • 10"; 1,5 • 10"; 1,6 • 10"; 2 • 10"; 2,5 • 10"; 3 • 10"; 4 • 10"; 5 • 10"; 6 • 10", где п - положительное или отрицательное целое число, включая ноль.

В зависимости от степени точности СИ им присваивается класс точности. Общего определения «класс точности» в настоящее время не существует. Для СИ, у которых погрешность измерения определяется в соответствии с формулами (1.1) и (1.2), класс точности присваивается порядковым номером, начиная для самого точного с единицы и далее по мере возрастания погрешности.

Если погрешность определяется по формулам (1.3) или (1.5), класс точности СИ соответствует значениям относительной или приведенной погрешности, выраженной в процентах.

Например, если 8 = ±1%, то класс точности СИ 0,1, если приведенная погрешность у = ±1,5%, то класс точности СИ 1,5. Это справедливо для приведенной погрешности, нормируемой значением ФВ в принятых единицах. В тех случаях, когда погрешность нормируется длиной шкалы прибора /, класс точности также равен численному значению у, но обозначается по-другому. Например, при у = 0,5% (XN = /) класс точности 0,5, а его обозначение приведено в табл. 1.6.

Если погрешность СИ определяется формулой (1.4) (мультипликативная погрешность), то она обозначается c/d. Например, если

Таблица 1.6

Форма выражения погрешности

Предел допускаемой погрешности

Обозначение класса точности СИ

Приведенная погрешность. Нормирующее значение выражается в линейных единицах (отношение к максимальному значению шкалы или к размаху, т.е. от разности конечного и начального значения шкалы)

у= 1,5%

Приведенная погрешность. Нормирующее значение равно измеренному значению величины по показаниям прибора

у= 1,5%

Постоянная относительная погрешность (аддитивная). Нормирующее значение равно конечному значению рабочей части шкалы приборов с односторонней шкалой или разности конечного и начального значений для приборов с безнулевой шкалой

8 = 0,5

Относительная погрешность меняется с изменением измеряемой ФВ (мультипликативная)

0,02/0,01

Для цифровых приборов, у которых приводится абсолютная погрешность

По формуле Д -±а

М

Для цифровых приборов, у которых приводится относительная погрешность

С

, то класс точности СИ обозначается 0,02/0,01.

Проиллюстрируем это на следующем примере. Имеется вольтметр с пределами измерений 0—100 В. На него подается напряжение 50 В.

Результат измерения — 48,5 В. Необходимо определить класс точности (по А, 5, у):

По А класс точности 6, по 5 класс точности — 3, по у класс точности — 1,5.

В табл. 1.6 представлены обозначения классов точности СИ.

Контрольные вопросы

  • 1. Что такое средство измерения?
  • 2. Как можно классифицировать средства измерения по принципу действия?
  • 3. Как можно классифицировать средства измерения по способу определения измеряемой величины?
  • 4. Как можно классифицировать средства измерения по способу образования показаний?
  • 5. Как может выражаться погрешность средств измерений?
  • 6. Что такое аддитивная и мультипликативная погрешности?
  • 7. Как может определяться класс точности средства измерения?
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >