Средства измерений. Метрологические характеристики средств измерений

Средства измерительной техники(измерительная техника) – обобщающее понятие, охватывающее технические средства, специально предназначенные для измерений. К средствам измерительной техники относят средства измерений и их совокупности (измерительные системы, измерительные установки), измерительные принадлежности, измерительные устройства.

К средствам измерительной техники, непосредственно участвующим в получении и преобразовании измерительной информации относятся средства измерений.

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

В зависимости от функционального назначения и конструктивного исполнения различают такие виды средств измерений, какмеры, измерительные преобразователи, измерительные приборы, индикаторы, измерительные установки, измерительные системы, измерительно-вычислительные комплексы.

Простейшим СИ является мера. Главная отличительная особенность меры – отсутствие каких-либо преобразований измерительной информации самим СИ. Мера физической величины (мера величины; мера) – СИ, предназначенное для воспроизведения и (или) хранения физической величины одного или нескольких заданных размеров, значения которых выражены в установленных единицах и известны с необходимой точностью.

Меры, предназначенные для воспроизведения физической величины заданного размера, называют однозначными, а воспроизводящие физические величины ряда размеров – многозначными. В качестве примеров однозначных мер можно назвать плоскопараллельную концевую меру длины, угольник (мера прямого угла), а из не относящихся к геометрическим величинам – гирю (мера массы). К многозначным мерам следует отнести измерительную линейку, угловую концевую меру с несколькими рабочими углами, транспортир. Меры могут комплектоваться в наборы или конструктивно объединяться в так называемые «магазины».

Набор мер– комплект мер разного размера одной и той же физической величины, предназначенных для применения на практике как в отдельности, так и в различных сочетаниях (например, наборы концевых мер длины, угловых концевых мер, наборы разновесов). Магазин мер– набор мер, конструктивно объединенных в единое устройство, в котором имеются приспособления для их соединения в различных комбинациях (например, магазин электрических сопротивлений).

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. Примеры измерительных преобразователей – микрометрическая пара винт-гайка, пружина динамометра.

По характеру входного и выходного сигналов различают аналоговые и цифровые преобразователи;по месту, занимаемому в измерительной цепи первичные и промежуточные. Преобразователи с пропорциональным преобразованием сигнала измерительной информации называют масштабными.

Первичный измерительный преобразователь – измерительный преобразователь, на который непосредственно воздействует измеряемая физическая величина. В одном СИ может быть несколько первичных преобразователей, например, ряд термопар измерительной установки, предназначенной для контроля температуры в разных точках холодильной емкости.

Датчик – конструктивно обособленный первичный преобразователь, от которого поступают измерительные сигналы.

Измерительный прибор (прибор) – СИ, предназначенное для получения значений измеряемой физической величины в установленном диапазоне. Измерительный прибор предназначен для получения измерительной информации от измеряемой физической величины, ее преобразования и выдачи в форме, поддающейся непосредственному восприятию оператором. Прибор включает в себя один или несколько измерительных преобразователей и присоединенное к ним устройство отображения измерительной информации типа шкала-указатель, указатель-диаграммная бумага, числовое табло. В зависимости от системы представления информации различают показывающие или регистрирующие приборы, причем регистрирующие могут быть записывающими либо печатающими, а в зависимости от формы выходного сигнала различают приборы с аналоговым либо с дискретным выходом («дискретные» приборы часто называют «цифровыми»).

Принято различать приборы прямого действия и приборы сравнения. Приборы сравнения называют также компараторами.

Компаратор – средство сравнения, предназначенное для сличения мер однородных величин. Пример компаратора – рычажные весы.

Индикатор – техническое средство или вещество, предназначенное для установления наличия какой-либо физической величины или превышения уровня ее порогового значения. При химических реакциях в качестве индикатора применяют например лакмусовую бумагу. В области измерений ионизирующих излучений индикатор часто дает световой и (или) звуковой сигнал о превышении уровнем радиации установленного порогового значения. В некоторых случаях в качестве индикаторов могут использоваться измерительные приборы (омметр при проверке обрыва в электрической цепи, предельный электроконтактный измерительный преобразователь с визуальной или звуковой сигнализацией).

Сложное средство измерений можно представить в виде схемы, взяв за основу его измерительную цепь, которая включает первичный и промежуточные измерительные преобразователи, а также устройство отображения измерительной информации. Пример структурной схемы измерительного прибора представлен на рис. 2.11.

Рис. 2.11. Структурная схема измерительного прибора

В состав первичного измерительного преобразователя обязательно включается чувствительный элемент (ЧЭ). Средство измерений может включать устройство выдачи (отображения) измерительной информации. У приборов с визуальными выходом это чаще всего отсчетные устройства типа шкала-указатель или цифровое табло. Прибор может быть снабжен несколькими шкалами или одной шкалой с несколькими указателями. В приборах и индикаторах применяют и другие устройства визуальной индикации (нуль-указатели, табло светофорного типа), а также акустические устройства (звонок, генератор речи) и тактильные устройства (например, вибратор наручного будильника). В качестве устройств выдачи информации могут использоваться также любые регистрирующие самопишущие или печатающие устройства.

В зависимости от степени участия оператора в процессе, различают автоматические, автоматизированные и неавтоматизированные средства измерений.

Автоматическое средство измерений – СИ, производящее без непосредственного участия человека измерения и все операции, связанные с обработкой результатов измерений, их регистрацией, передачей данных или выработкой управляющего сигнала.

Автоматизированное средство измерений – СИ, производящее в автоматическом режиме одну или часть измерительных операций.

Средства измерений подразделяются на виды и типы, причем вид СИ может включать несколько их типов.

Вид СИ – совокупность СИ, предназначенных для измерений данной физической величины.

Тип СИ – совокупность СИ одного и того же назначения, основанных на одном и том же принципе действия, имеющих одинаковую конструкцию и изготовленных по одной и той же технической документации. СИ одного типа могут иметь различные модификации.

Средства измерений принято также различать по принципам действия, то есть по физическим принципам, используемым для преобразования измеряемой величины или сигнала измерительной информации, например механические, оптические, гидравлические, пневматические и др.

По метрологическому назначению различают эталонные и рабочие СИ. Как было отмечено выше, под рабочим понимают СИ, предназначенное для измерений, не связанных с передачей размера единицы другим СИ. Эталонные СИ называют также средствами поверки.

Средства поверки – эталоны, поверочные установки и другие СИ, применяемые при поверке в соответствии с установленными правилами.

Возможности использования СИ, а также их точностные свойства определяются их метрологическими характеристиками

Метрологическая характеристика СИ (метрологическая характеристика; MX) – характеристика одного из свойств СИ, влияющая на результат измерений и на его погрешность. Различают нормируемыме метрологические характеристики, устанавливаемые нормативными документами на СИ, и действительные характеристики, определяемые экспериментально. Метрологические характеристики весьма разнообразны, они существенно различаются по значимости, информативности и существенно зависят от типа СИ.

Для СИ, осуществляющих измерительное преобразование измеряемой физической величины, широко применяют интегральную метрологическую характеристику, которая отражает действительную функцию преобразования (так называемую градуировочную характеристику). Градуировочная характеристика СИ(градуировочная характеристика) – зависимость между значениями величин на входе и выходе СИ, полученная экспериментально. Градуировочная характеристика может быть выражена в виде формулы, графика или таблицы. Выраженную в виде формулы или графика номинальную характеристику называют функцией преобразования СИ.

Наряду с интегральными метрологическими характеристиками для средств измерений предусмотрены возможности назначения и контроля множества различных частных характеристик. Часть из них представляет интерес для пользователя, другие принципиально важны только для разработчиков средств измерений. К последним можно отнести такие как:

· длина деления шкалы – расстояние между осями (или центрами) двух соседних отметок шкалы, измеренное вдоль воображаемой линии, проходящей через середины самых коротких отметок шкалы;

· длина шкалы – длина линии, проходящей через центры всех самых коротких отметок шкалы средства измерений и ограниченной начальной и конечной отметками.

Базовая линия шкалы может быть прямой или кривой, реально выполненной на приборе или воображаемой. Длина шкалы есть расстояние между нижним и верхним пределами шкалы, измеренное вдоль этой линии.

· чувствительность средства измерений – свойство средства измерений, определяемое отношением изменения выходного сигнала этого средства к вызывающему его изменению измеряемой величины.

Примеры характеристик, важных и для пользователя, и для разработчиков:

· диапазон показаний средства измерений (диапазон показаний) – область значений шкалы прибора, ограниченная начальным и конечным значениями шкалы

· диапазон измерений средства измерений (диапазон измерений) – область значений величины, в пределах которой нормированы допускаемые пределы погрешности средства измерений. Примечание — Значения величины, ограничивающие диапазон измерений снизу и сверху (слева и справа), называют соответственно нижним пределом измерений или верхними пределом измерений;

· вариация показаний измерительного прибора– разность показаний прибора в одной и той же точке диапазона измерений при плавном подходе к этой точке со стороны меньших и больших значений измеряемой величины;

порог чувствительности средства измерений– характеристика средства измерений в виде наименьшего значения изменения физической величины, начиная с которого может осуществляться ее измерение данным средством;

· зона нечувствительности средства измерений – диапазон значений измеряемой величины, в пределах которого ее изменения не вызывают выходного сигнала средства измерений. Иногда её называют «мёртвая зона»;

· дрейф показаний средства измерений– изменение показаний средства измерений во времени, обусловленное изменением влияющих величин или других факторов.

Для выбора номенклатуры и назначения метрологических характеристик важно определить вид конкретного средства измерений, поскольку для разных СИ используют различные МХ и комплексы МХ. Метрологические характеристики средств измерений различных видов существенно отличаются по номенклатуре. Так для однозначной меры набор метрологических характеристик включает значение меры Y и характеристики ее погрешностей, а для преобразователя или прибора комплекс МХ значительно расширен, причем сами комплексы могут существенно различаться.

Метрологические характеристики средств измерений по стандарту ГОСТ 8.009-84 делят на следующие группы:

· характеристики, предназначенные для определения результатов измерений (без введения поправки) (их также называют номинальными);

· характеристики погрешностей СИ;

· характеристики чувствительности СИ к влияющим величинам, которые тоже можно отнести к характеристикам погрешностей;

· динамические характеристики СИ;

· неинформативные параметры выходного сигнала СИ (предпочтительно рассматривать неинформативные параметры сигнала измерительной информации).

Названы также и «характеристики СИ, отражающие их способность влиять на инструментальную составляющую погрешности измерений вследствие взаимодействия СИ с любым из подключенных к их входу или выходу компонентов (таких как объект измерений, средство измерений и т.п.)».

Номинальные метрологические характеристики мер однозначной и многозначной включают значения мер, представляемые именованными числами. Для однозначной меры это одно номинальное значение Y, а для многозначной меры – множество значений Yi. Для штриховых многозначных мер обязательны также характеристики, связанные со шкалой. Для любых мер кроме номинальных значений обязательно нормируются характеристики погрешностей.

В качестве интегральной метрологической характеристики измерительного преобразователя или прибора можно использовать уже рассматривавшуюся функцию преобразования. Это может быть номинальная характеристика группы однородных СИ, либо реальная градуировочная характеристика конкретного экземпляра СИ. Последняя может быть получена как единичная реализация, пучок реализаций или аппроксимация пучка единичных реализаций.

Градуировкой в узком смысле называют также нанесение отметок на шкалу прибора, например осуществляемую типографским методом, что соответствует воспроизведению на приборе номинальной функции преобразования СИ. Такое понятие градуировки отражает технологическую сторону нанесения отметок шкалы прибора.

Набор частных МХ измерительного преобразователя может включать такие номинальные характеристики, как диапазон и пределы преобразования, чувствительность СИ, вид выходного кода и число разрядов выходного кода, цена единицы наименьшего разряда кода, номинальная ступень квантования. Остальные МХ выбирают из той же номенклатуры, что и для измерительных приборов.

Для некоторых первичных измерительных преобразователей диапазон преобразования может ограничиваться их физическими свойствами. Это касается термопар, фотоприемников лучистой энергии, емкостных и других преобразователей.

Для преобразователей с дискретной (цифровой, числовой) выдачей сигнала измерительной информации вместо диапазона и пределов преобразований приходится использовать такие МХ, как вид выходного кода и число разрядов выходного кода. Именно эти МХ ограничивают возможности выдачи сигнала измерительной информации сверху и снизу.

Цена единицы наименьшего разряда кода или номинальная ступень квантования, если последняя больше цены единицы наименьшего разряда кода, для устройств с дискретной выдачей измерительной информации ограничивает фиксируемый уровень изменения входного сигнала снизу. В соответствии с этим положением можно провести аналогию между номинальной ступенью квантования и порогом чувствительности СИ.

Поскольку измерительные преобразователи выдают измерительную информацию в форме, не поддающейся непосредственному восприятию оператором, реальные значения их МХ обычно определяют с подключением к этим СИ устройств отображения информации, после чего они превращаются в измерительные приборы. Поэтому далее будем рассматривать метрологические характеристики измерительных приборов.

Частные номинальные метрологические характеристики измерительного прибора включают диапазон измерений и диапазон показаний (определения приведены выше).

Для приборов с дискретным (цифровым, числовым) устройством отображения измерительной информации возможный диапазон показаний определяется видом выходного кода и числом разрядов кода. Код может быть десятиричный (десятичный), двенадцатиричный, шестидесятиричный и другой, например, семиричный код для дней недели. Важно также предельное число знаков на табло, в том числе цифр (число разрядов выходного кода) и других (не цифровых) знаков. Существенными признаками являются виды знаков и их содержание, например, наличие фиксированной или плавающей разделительной десятичной запятой (точки), минуса, знака переполнения или неправильного подключения прибора и др.

Одной из наиболее важных характеристик для приборов с устройством отображения информации типа шкала-указатель является цена деления шкалы – разность значений величин, соответствующих двум соседним отметкам шкалы средства измерений.

Для приборов с дискретным (цифровым) устройством отображения измерительной информации – цена единицы наименьшего разряда кода либо номинальная ступень квантования, если она больше цены единицы наименьшего разряда кода. Наименьшее значение номинальной ступени квантования совпадает с ценой единицы наименьшего разряда выходного кода, а любое иное должно быть кратно этому значению. В случае десятиричного кода применяют множители 2 или 5 (ступень квантования равна двукратному либо пятикратному значению цены единицы наименьшего разряда кода).

В РМГ 29 – 99 приведены такие характеристики как погрешность, систематическая погрешность и случайная погрешность средства измерений.

Погрешность средства измерений – разность между показанием средства измерений и истинным (действительным) значением измеряемой физической величины.

Для меры, которая должна воспроизводить величину заданного размера, за погрешность принимают разность между ее истинным и номинальным значениями.

Систематическая погрешность средства измерений – составляющая погрешности средства измерений, принимаемая за постоянную или закономерно изменяющуюся.

Случайная погрешность средства измерений – составляющая погрешности средства измерений, изменяющаяся случайным образом.

По формам представления различают абсолютную и относительную погрешности средств измерений. Относительную погрешность обычно выражают в процентах. Разновидностью относительной является приведенная погрешность средства измерений – относительная погрешность, выраженная отношением абсолютной погрешности средства измерений к условно принятому значению величины, постоянному во всем диапазоне измерений или в части диапазона. Условно принятое значение величины называют нормирующим значением. Часто за нормирующее значение принимают верхний предел измерений.

В зависимости от условий использования средств измерений и режима измерений принято различать основную и дополнительную, статическую и динамическую погрешности.

Основная погрешность средства измерений – погрешность средства измерений, применяемого в нормальных условиях.

Дополнительная погрешность средства измерений – составляющая погрешности средства измерений, возникающая дополнительно к основной погрешности вследствие отклонения какой-либо из влияющих величин от нормального ее значения или вследствие ее выхода за пределы нормальной области значений.

Погрешность является основной характеристикой точности средства измерений. Точность средства измерений – характеристика качества средства измерений, отражающая близость его погрешности к нулю.

Класс точности средства измерений – обобщенная характеристика данного типа средств измерений, как правило, отражающая уровень их точности, выражаемая пределами допускаемых основной и дополнительных погрешностей, а также другими характеристиками, влияющими на точность.

Класс точности средств измерений конкретного типа указывают в нормативных документах, используя шкалу порядка, либо шкалу отношений. Класс точности, оцениваемый по ранговой шкале, не является непосредственным показателем погрешностей конкретного средства измерений. При использовании для указания класса точности СИ шкалы порядка число, обозначающее класс точности, отражает относительную погрешность средства измерений.

Основной характеристикой погрешности, нормированной в РМГ 29, является предел допускаемой погрешности.

Предел допускаемой погрешности средства измерений– наибольшее значение погрешности средств измерений, устанавливаемое нормативным документом для данного типа средств измерений, при котором оно еще признается годным к применению.

Обычно устанавливают два предела допускаемой погрешности,то есть границы зоны, за которую не должна выходить погрешность средства измерений. При превышении установленного предела погрешности средство измерений признается не годным для применения в данном классе точности.

В ГОСТ 8.009-84 вхарактеристики погрешностейизмерительного прибора или преобразователя входят:

· значение погрешности СИ;

· значение случайной составляющей погрешности СИ;

· значение случайной составляющей погрешности СИ от гистерезиса (от вариации выходного сигнала);

· значение систематической составляющей погрешности СИ.

Стандарт предусматривает возможности нормирования погрешностейи с помощью ряда других комплексов и характеристик.

Использовать для измерений следует только те средства, которые признаны метрологически исправными. Нарушение хотя бы одной нормированной характеристики считается метрологическим отказом СИ, даже если оно сохранило техническую работоспособность.

Метрологическая исправность СИ – состояние СИ, при котором все нормируемые метрологические характеристики соответствуют установленным требованиям. Метрологическую исправность СИ устанавливают по результатам их поверки или калибровки.

Метрологический отказ СИ – выход метрологической характеристики СИ за установленные пределы.

Метрологическая надежность СИ – надежность СИ в части сохранения его метрологической исправности.