Средства измерений, их классификация и метрологические характеристики.

Средством измерения (СИ) называется техническое средство, 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.

Метрологическая характеристика СИ – это характеристика одного из его свойств, влияющих на результат измерений или его погрешность.

Средства измерения классифицируют по следующим признакам:

-по конструктивному исполнению;

-по метрологическому назначению;

-по уровню стандартизации.

По конструктивному исполнению СИ подразделяются на меры, измерительные приборы, измерительные преобразователи, измерительные установки, измерительные системы.

Мера физической величины – это СИ, предназначенное для воспроизведения и/или хранения физической величины одного или нескольких заданных размеров, значения которых выражены в установленных единицах и известны с заданной точностью. Различают следующие разновидности мер: однозначная мера (например, гиря 1кг, мерная колба), многозначная мера (например, бюретка, линейка), набор мер, магазин мер (набор мер, конструктивно объединенных в единое устройство, в котором имеются приспособления для их соединения в различных комбинациях (например, магазин электрических сопротивлений).

К мерам относятся также стандартные образцы и образцовые вещества.

Стандартный образец — это мера для воспроизведения единиц величин, характеризующих свойства или состав веществ и материалов. Например, стандартный образец свойств ферромагнитных материалов, образцы шероховатости поверхности.

Образцовое вещество — это вещество с известными свойствами, воспроизводимыми при соблюдении условий приготовления, указанных в утвержденной спецификации. Например, «чистая» вода, «чистые» газы, «чистые» металлы.

Образцовые вещества воспроизводят строго регламентированный состав веществ и широко используются при производстве количественных химических анализов и в создании реперных точек шкал. Например, «чистый» цинк служит для воспроизведения температуры 420° С.

Измерительный прибор — средство измерения, предназначенное для получения значений измеряемой физической величины в установленном диапазоне (рН-метры, весы, фотоэлектроколориметры и др.).

Измерительные приборы бывают аналоговыми и цифровыми. Аналоговым измерительным прибором называется измерительный прибор, показания которого является непрерывной функцией измеряемой величины (вольтметр, ртутный термометр и так далее). Цифровым измерительным прибором называется прибор, показания которого представлены в цифровой форме (преобразование сигнала в значение физической величины происходят дискретно).

По типу отсчетного устройства измерительные приборы делят на показывающие, регистрирующие, самопишущие.

Измерительный преобразователь – это средство измерения, предназначенное для выработки измерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки или хранения, но недоступной для непосредственного восприятия наблюдателем. Измерительные преобразователи могут быть первичными, к которым подведена измеряемая величина, и промежуточными, которые располагаются в измерительной цепи за первичными. Примерами первичных измерительных преобразователей являются датчики термопары, электроды рН-метров.

Измерительная система – это совокупность средств измерений и вспомогательных устройств, соединенных между собой каналами связи, размещенных в разных точках контролируемого пространства с целью измерения одной или нескольких физических величин, свойственных этому пространству (контролирующие, управляющие системы с ЭВМ).

По метрологическому назначению СИ подразделяются на рабочие и метрологические. Рабочее средство измерений – это СИ, предназначенное для измерений, не связанных с передачей размера единицы другим средствам измерений. Метрологическое средство измерения предназначено для метрологических целей: воспроизведения единицы и ее хранения или передачи размера единицы рабочим СИ. К ним относятся эталоны, образцовые СИ, поверочные установки, стандартные образцы.

По уровню стандартизации различают стандартизованные и нестандартизованнные средства измерения. Стандартизованными считаются средства измерения, изготовленные и применяемые в соответствии с требованиями государственного или отраслевого стандарта и соответствующие техническим характеристикам установленного типа средств измерения, полученным на основании государственных испытаний, и внесенные в Государственный реестр СИ. Нестандартизованные – это уникальные средства измерения, предназначенные для специальной измерительной задачи, стандартизация требований к которым признана нецелесообразной. Они не подвергаются государственным испытаниям, а подлежат метрологической аттестации.

Метрологические характеристики средств измерений обеспечивают:

-возможность установления точности измерений;

-достижение взаимозаменяемости и сравнение средств измерений между собой;

-выбор нужных средств измерений по точности и другим характеристикам;

-определение погрешностей измерительных систем и установок;

-оценку технического состояния средств измерений при их поверке.

Метрологические характеристики, установленные документами, считаются действительными.

На практике наиболее распространены следующие метрологические характеристики средств измерений: диапазон измерений, предел измерения, шкала измерительного прибора, цена деления шкалы, чувствительность, погрешность.

Диапазон измерений — это область значений измеряемой величины, для которой нормированы допускаемые пределы погрешности СИ.

Предел измерения — наибольшее или наименьшее значение диапазона измерения.

Шкала измерительного прибора — градуированная совокупность отметок и цифр на отсчетном устройстве средства измерения, соответствующих ряду последовательных значений измеряемой величины. Различают равномерные и неравномерные шкалы.

Цена деления шкалы — разность значений величин, соответствующих двум соседним отметкам шкалы. Приборы с равномерной шкалой имеют постоянную цену деления, а с неравномерной — переменную. В этом случае нормируется минимальная цена деления.

Чувствительность — отношение изменения сигнала ∆у на выходе средства измерения к вызвавшему его изменению ∆х сигнала на входе: S = ∆у/∆х. Например, для стрелочных средств измерений это отношение перемещения конца стрелки к вызвавшему его изменению измеряемой величины

Параметры х и у, как правило, выражены в различных единицах, например, миллиметрах и амперах, градусах и вольтах. Поэтому величина S может иметь, например, размерность [мм/А], [°/В], [мм/В] и т. д.

Чувствительность нельзя отождествлять с порогом чувствительности — наименьшим значением измеряемой величины, способным вызвать заметное изменение показаний прибора.

Основная нормируемая метрологическая характеристика средств измерений — это погрешность, т. е. разность между показаниями средств измерений и истинными (действительными) значениями физических величин. Погрешности средств измерения могут быть классифицированы по различным признакам, в том числе:

-по происхождению (инструментальные и методические);

-по характеру проявления (систематические, случайные, грубые промахи);

-по способу выражения (абсолютные, относительные и приведенные).

Абсолютные погрешности ∆X выражаются в единицах измеряемой физической величины и определяются по формуле

∆Xп = Xп- Xд, (1.4)

где Xп – показание прибора,

Xд – действительное значение измеряемой физической величины.

Относительная погрешность σ выражается отношением абсолютной погрешности СИ ∆X к действительному значению измеряемой физической величины:

σ = . (1.5)

Приведенная погрешность γ выражается отношением абсолютной погрешности СИ ∆Xп к условно принятому значению физической величины (нормирующему) ХN и определяется по формуле

γ = . (1.6)

При технических измерениях, когда не учитываются различные влияющие дестабилизирующие факторы, как правило, используется более грубое нормирование — присвоение средству измерения определенного класса точности.

Классы точности присваивают средствам измерений при их разработке по результатам государственных приемочных испытаний.

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

Класс точности дает возможность судить о том, в каких пределах находится погрешность СИ одного типа, но не является непосредственным показателем точности измерений, выполняемых с помощью каждого из этих средств.

Обозначение класса точности наносится на циферблаты, щитки и корпуса СИ, приводятся в нормативно-технических документах со ссылкой на стандарт или технические условия, в которых установлен класс точности для этого типа СИ.

Обозначения класса точности могут иметь форму:

-заглавных букв латинского алфавита (например, М, С и так далее, чем дальше буква от начала алфавита, тем больше значение допускаемой абсолютной погрешности);

-римских цифр (I, II, III, IV и так далее) с добавлением условных знаков;

-арабских цифр с добавлением какого-либо условного знака.

С целью уменьшения относительной погрешности следует выбирать верхний предел шкалы измерительного прибора так, чтобы ожидаемое значение измеряемой величины (показание) находилось в последней трети (или половине) ее.

Таким образом, класс точности является обобщенной характеристикой СИ. Знание его позволяет указать пределы, в которых находится значение измеряемой величины. Класс точности, хотя и характеризует совокупность метрологических свойств данного средства измерений, однако не определяет однозначно точность измерений.

18.Метрологические характеристики средств измерения:

Важнейшими свойствами средств измерений явля­ются те, от которых зависит качество получаемой с их помощью измерительной информации. Качество измерения характеризуется точностью, достоверностью, правильностью, сходимостью и воспроизводимостью измерений, а также размером допускаемых погрешностей.

Метрологические характеристики (свойства) средств — это такие характеристики, которые предназначены для оценки технического уровня и качества средства измерения, для определения результатов измерения и расчетной оценки характеристик инструментальной составляющей погрешности измерения.

ГОСТ 8.009—84 устанавливает комплекс нормируемых метрологических характеристик средств измерения, который выбирается из числа приводимых ниже.

Характеристики, предназначенные для определения результатов измерения (без введения поправки):

· функция преобразования измерительного преобразователя,

· значение однозначной или многозначной меры;

· цена деления шкалы измерительного прибора или многозначной меры;

· вид выходного кода, число разрядов кода.

Характеристики погрешностей средств измерения — характеристики систематической и случайной составляющих погрешностей, вариация выходного сигнала средств измерения либо характерис­тика погрешности средств измерения.

Характеристики чувствительности средств измерения к влияю­щим величинам — функция влияния или изменение значений мет­рологических характеристик средств измерения, вызванные изме­нениями влияющих величин в установленных пределах.

Динамические характеристики средств измерения подразделяют на полные и частные. К полным динамическим характеристикам относят: переходную, амплитудно-фазовую и импульсную харак­теристики, передаточную функцию, к частным — время реакции, коэффициент демпфирования, постоянную времени, значение резонансной собственной круговой частоты.

Неинформативные параметры выходного сигнала средств измере­ния — параметры выходного сигнала, не используемые для пере­дачи или индикации значения информативного параметра вход­ного сигнала измерительного преобразователя или не являющиеся выходной величиной меры.

Цена деления шкалы — это разность значений величин, соот­ветствующих двум соседним отметкам шкалы. Например, если пе­ремещение указателя шкалы из положения I в положение II(рис. 1.13, а) соответствует изменению величины в 0,001 мм, то цена деления этой шкалы равна 0,001 мм. Значения цен делений выбирают из ряда 1, 2, 5, 10, 20, 50, 100, 200, 500 мкм. Но чаще всего используют кратные и дольные значения от 1 до 2, а именно: 0,01; 0,02; 0,1; 0,2; 1; 2; 10 мкм и т. д. В угломерных средствах измерения применяются круговые шкалы с ценой деления 1°, а дополнительное отсчетное устройство позволяет отсчитывать доли этих делений в минутах и секундах. Цена деления шкалы всегда указывается на шкале средства измерений.

Интервал деления шкалы — это расстояние между серединами двух соседних штрихов шкалы (рис. 1.13, б). На практике исходя из разрешающей силы глаз оператора (остроты зрения) с учетом ши­рины штрихов и указателя минимальный интервал деления шка­лы принимают равным 1 мм, а максимальный — 2,5 мм. Наиболее распространенной величиной интервала является 1 мм. У пневматических приборов с водяным манометром интервал деления шкалы составляет около 5 мм.

Начальное и конечное значения шкалы — соответственно наимень­шее и наибольшее значения измеряемой величины (рис. 1.13, в), указанные на шкале, характеризующие возможности шкалы средств измерения и определяющие диапазон показаний.

Диапазон показаний — область значений шкалы, ограниченная начальным и конечным значениями шкалы (см. рис. 1.13, в).Эту характеристику часто называют пределами измерения по шкале. Например, для индикаторов часового типа диапазон может составлять 2,5или 10 мм, для гладких микрометров — 25 мм, для оптиметра — ±0,1 мм.

Диапазон измерения, который часто называют пределом измере­ния средства измерения, — это диапазон значений измеряемой ве­личины, который может быть измерен данным средством измерения и для которого нормируется допускаемая погрешность средства измерения.

Одной из основных характеристик средств измерения линейных и угловых величин контактным методом является измерительное усилие, которое возникает в зоне контакта измерительного наконечни­ка средства измерения с измеряемой поверхностью в направлении линии измерения. Оно необходимо для того, чтобы обеспечить ус­тойчивое замыкание измерительной цепи. В зависимости от допуска контролируемого изделия (2... 10 мкм) рекомендуемые величины измерительного усилия находятся в пределах 2,5...3,9 Н, а свыше 10 мкм — 9,8 Н. Важным показателем измерительного усилия является его перепад (колебание) — разность измерительного усилия при двух положениях указателя в пределах диапазона показаний.

Свойство средства измерения, заключающееся в его способности реагировать на изменения измеряемой величины, называется чувствительностью. Она оценивается отношением изменения положения указателя относительно шкалы к соответствующему изменению измеряемой величины.

Если измеряемой величиной является длина или угол и значение чувствительности выражается безразмерным числом, то последнее называется передаточным отношением:

i = а/с,

где а — интервал деления шкалы; с — цена деления.

Например, при цене деления индикатора 0,01 мм и интервале деления шкалы 1,5 мм передаточное отношение будет равно 150.

Порог чувствительности средства измерения — изменение измеряемой величины, вызывающее наименьшее изменение его показаний, обнаруживаемое при нормальном способе отсчета. Эта характеристика важна при оценке малых перемещений.

Вариация показаний — наибольшая экспериментально определяемая разность между повторными показаниями средства измерения, соответствующими одному и тому же действительному значению измеряемой величины при неизменных внешних условиях. Обычно вариация показаний у средств измерения составляет 10... 50 % от цены деления, она определяется путем многократного арретирования наконечника средства измерения.

Погрешность измерения — это отклонение D результата измерения Х_изм от действительного значения Q_Д измеряемой величины: D = Х_изм -Q_Д. Тогда погрешность средства измерения D_п— это разность между показанием прибора Х_пи действительным значением измеряемой величины:

D = Х_п -Q_Д.