Средства измерений и их погрешности

Средства измерений

Для обнаружения физических свойств объектов без участия органов чувств человека используются специальные технические устройства – индикаторы. С их помощью устанавливается наличие измеряемой физической величины и регистрируется изменение ее размера. Например, стрелка магнитного компаса является индикатором магнитного поля, лакмусовая бумажка – индикатор активности ионов водорода в растворах. Индикаторы характеризуются порогом обнаружения (порогом чувствительности). Чем меньше порог обнаружения, тем более слабое проявление свойства регистрируется индикатором.

Технические средства, предназначенное для измерений называются средствами измерений. Средства измерений включают в себя меры, эталоны, измерительные преобразователи, измерительные приборы и вспомогательные средства. Созданные на их основе сложные измерительные комплексы называются измерительными установками и измерительными системами. К числу средств измерения относятся также измерительно-вычислительные системы и комплексы

Мерой называется средство измерений, предназначенное для воспроизведения физической величины заданного размера (например, гиря - мера массы). Все множество мер делится на однозначные и многозначные. Меры, воспроизводящие физические величины лишь одного размера, называются однозначными, а меры, которые могут воспроизводить ряд размеров физической величины, непрерывно заполняющих некоторый промежуток между определенными границами называется многозначными (к примеру, миллиметровая линейка или вариометр).

Объединяясь в различных сочетаниях для воспроизведения некоторых промежуточных или суммарных дискретных размеров величин, меры образуют наборы или магазины. В наборе меры могут выполнять свои функции как в отдельности, так и в различных сочетаниях (набор концевых мер длины, набор гирь и т.п.), а в магазинах они объединяются в одно механическое целое, снабженное специальными переключателями, которые связаны с отсчетными устройствами.

К однозначным мерам относятся также стандартные образцы и образцовые вещества, которые представляют собой специально оформленные тела или пробы вещества определенного и строго регламентированного содержания, одно из свойств которых в определенных условиях является величиной с известным значением. К ним, в частности, относятся образцы для определения механических свойств металлов.

Действительные значения физической величины, воспроизводимые мерой, называются действительными значениями меры. Они получаются при измерениях путем исключения систематических погрешностей и сведения к минимуму параметров случайных погрешностей. Погрешность определения действительного значения меры называется погрешностью аттестации меры. Указанные на мере значения величин, которым должны быть равны действительные значения мер с допустимыми отклонениями, называются номинальными значениями меры. Номинальное и действительное значения меры, а также погрешность ее аттестации заносятся в специальные свидетельства, которыми сопровождается мера.

Разность между номинальным и действительным значениями называется погрешностью меры, которая всегда постоянна. Величина, обратная погрешности по знаку, называется поправкой к номинальному значению меры.

Меры подразделяются на разряды (меры 1, 2, 3, 4-го разрядов) и классы в зависимости от погрешности аттестации (см рис. 3.2). Меры, которые предназначены для поверки средств измерения, называются образцовыми, а меры, поделенные на классы и используемые при технических измерениях, называются рабочими.

Измерительным преобразователем называется средство измерений, служащее для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и (или) хранения, но не подлежащей непосредственному восприятию наблюдателем. Измерительные преобразователи обычно входят в качестве составных элементов сложных измерительных комплексов и систем.

Величина, которая подлежит преобразованию измерительным преобразователем, называется входной, а результат преобразования – выходной величиной. Соотношение между входной и выходной величинами называется функцией преобразования. Если в результате преобразования физическая природа входной величины не изменяется, а функция преобразования является линейной, то такой измерительный преобразователь называется масштабным (или усилителем), например, измерительный микроскоп. Если же физическая природа выходной величины отличается от входной, то такой измерительный преобразователь получает название по видам этих величин (например, электромеханический вибровозбудитель колебаний).

В зависимости от места, занимаемого в приборе, преобразователи делятся на первичные, передающие и промежуточные. В первичном преобразователе измеряемая физическая величина подводится к нему непосредственно; в передающем преобразователе на выходе образуются величины, удобные для их регистрации и передачи на расстояние; промежуточный преобразователь в измерительной цепи занимает место после первичных.

Измерительные приборы – это средства измерений, предназначенные для получения измерительной информации о величине, подлежащей измерению, в форме, удобной для восприятия наблюдателем. Совокупность измерительных приборов, измерительных эталонов, стандартных образцов, вспомогательных средств измерений и инструкций, необходимых для проведения измерений, называется измерительным оборудованием.

По принципу действия приборы подразделяются па приборы прямого действия и приборы сравнения.

В приборах прямого действия измеряемая величина подвергается ряду последовательных преобразований в одном направлении. Они состоят из ряда блоков, предназначенных для преобразования измеряемой величины в более мощный сигнал, который может приводить в действие подвижные органы отсчетных устройств, проградуированных с помощью соответствующих мер. Такие приборы являются наиболее распространенными. К их числу относятся, например, амперметры, вольтметры, манометры и т.п.

Приборы сравнения основаны на использовании приема сравнения измеряемых величин с величинами, значения которых известны, Сравнение активных величин (несущих в себе некоторый запас энергии: сил, давлений, электрических напряжений и т.п.) производится с помощью компенсационных цепей, а сравнение пассивных величин (электрическое, гидравлическое и т.п. сопротивления) – с помощью мостовых цепей. Весьма часто пассивные величины предварительно преобразовываются в активные или наоборот. Приборы сравнения обладают более высокой точностью, чем приборы прямого действия.

По способу отсчета значений измеряемых величин приборы подразделяются на показывающие (в том числе на аналоговые и цифровые) и на регистрирующие. Среди показывающих приборов наибольшее распространение имеют аналоговые, отсчетные устройства которых состоят из двух элементов: шкалы, обычно соединенной с корпусом, и указателя, связанного с подвижной системой прибора. В цифровых приборах отсчет осуществляется с помощью механических, электронных или других отсчетных устройств, а выходная информация представляется в цифровом виде.

По способу записи измеряемой информации регистрирующие приборы делятся на самопишущие и печатающие. В самопишущих приборах запись показаний представляется в виде непрерывных графиков или диаграмм (например, барограф или шлейфовый осциллограф). В печатающих приборах выходная информация выдается в числовой форме на бумажных носителях.

К группе вспомогательных средств измерений относятся такие средства, которые влияют на метрологические свойства других средств измерений при их непосредственном применении по назначению или поверке. По показаниям вспомогательных средств измерений вычисляют поправки к результатам измерений основных величин. К вспомогательным средствам измерений могут быть отнесены, например, термометры, психрометры и т.п.

Когда для измерения какой-либо величины недостаточно одного измерительного прибора, создают комплексы расположенных в одном месте средств измерений, называемых измерительными установками, от которых сигнал измерительной информации представляется как и для измерительного прибора в форме, удобной для наблюдателя.

Измерительные системы – это также комплексы средств измерений, расположенных в одном месте, предназначенных для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной не только для одного наблюдателя, но и для автоматической обработки результатов измерений, передачи их на расстояние или использования в автоматических системах управления.

Отличием средства измерений от других технических устройств является то, что оно предназначено для получения измерительной информации) и имеет нормированные метрологические характеристики.

Метрологические характеристики средств измерений - характеристики свойств средств измерений, оказывающие влияние на результаты и погрешности измерений. Эти характеристики называют еще точностными характеристиками средств измерении. Информация о назначении и метрологических характеристиках приведена в документации на средства измерений (в государственном стандарте, в ТУ, в паспорте на средство измерения).

Характерной особенностью измерительной техники является широкое распространение измерительных процессов, в которых одновременно участвуют несколько средств измерений, измеряющих разные физические величины и основанных на разных принципах действия. Это вызывает необходимость нормировать метрологические характеристики различных средств измерений на единой, принципиальной основе.

По метрологическим характеристикам средств измерений решается ряд задач, важных для обеспечения единства измерений:

-определение погрешности результата измерений (одной из составляющих погрешности измерений является погрешность средств измерений),

-выбор средств измерений по точности по известным условиям их применения и требуемой точности измерений (эта задача является обратной по отношению к задаче определения погрешности измерений);

-сравнение средств измерений различных типов с учетом условий их применения;

-замена одного средства измерений на другое - аналогичное;

оценка погрешности сложных измерительных систем и др.

Нормированные метрологические характеристики выражают в форме, удобной для обоснованного решения перечисленных выше задач и одновременно достаточно простого осуществления их контроля при поверке или калибровке.

В практике применения средств измерений широко используется выражение - класс точности. Это характеристика зависит от способа выражения пределов допускаемых погрешностей средств измерений. Впервые "класс точности" был введен в тридцатые годы применительно к стрелочным приборам и определял основную погрешность средств измерений (погрешность средств измерений в нормальных условиях). Введение класса точности преследовало цель классификации средств измерений по точности. В настоящее время, когда схемы и конструкции средств измерений усложнились, а области применения средств измерений весьма расширились, на погрешность измерений стали существенно влиять и другие факторы. В частности, изменения внешних условий (температура окружающей среды, механические нагрузки на средства измерений и т.д.), а также характер изменения измеряемых величин во времени. Основная погрешность измерительных приборов перестала быть действительно основной составляющей погрешности измерений и класс точности не позволяет в полной мере решать практические задачи, перечисленные выше. Область практического применения характеристики "класс точности" ограничена только такими средствами измерений, которые предназначены для измерения статических величин. В международной практике "класс точности" устанавливается только для небольшой части приборов.

Требования к назначению, применению и обозначению "классов точности" регламентированы в ГОСТ 8.401-80 " Государственная система обеспечения единства измерений. Классы точности средств измерений. Общие требования ".

Метрологическое обеспечение средств измерений зависит от сферы их использования. Сферы распространения государственного метрологического контроля и надзора приведены в федеральном Законе "Об обеспечении единства измерений" (ст. 15).

В сферах распространения государственного метрологического контроля и надзора используемые типы средств измерений должны быть утверждены и включены в Государственный реестр средств измерений, который ведет Всероссийский научно-исследовательский институт метрологической службы (ВНИИМС). На средство измерений утвержденного типа и на эксплуатационные документы наносится знак утверждения типа установленной формы и выдается сертификат. Средства измерений при эксплуатации должны подвергаться периодической поверке органами Государственной метрологической службы или аккредитованными метрологическими службами юридических лиц. На поверенное средство измерений наносится клеймо и выдается свидетельство установленной формы. Перечни средств измерений, подлежащих поверке, составляются метрологическими службами юридических лиц и направляются в органы Государственной метрологической службы. При осуществлении Государственного метрологического надзора контролируется правильность и полнота этих перечней, а также состояние и применение средств измерений.

Средства измерений, применяемые вне сферы распространения государственного метрологического контроля и надзора, калибруются метрологической службой предприятия по эталонам, соподчиненным государственным эталонам единиц величин. Метрологические службы юридических лиц могут быть аккредитованы на право проведения калибровочных работ органами Государственной метрологической службы в Российской системе калибровки (РСК). Порядок аккредитации на право выполнения калибровочных работ устанавливается Госстандартом России.

Требования к средствам измерений определены ст. 9 федерального закона "Об обеспечении единства измерений", которым предусмотрены следующие положения:

- в сфере государственного регулирования обеспечения единства измерений к применению допускаются средства измерений утвержденного типа, прошедшие поверку, а также обеспечивающие соблюдение обязательных метрологических требований к измерениям, а также обязательных метрологических и технических требований к средствам измерений. В состав обязательных требований к средствам измерений в необходимых случаях включаются также требования к их составным частям, программному обеспечению и условиям эксплуатации средств измерений. При применении средств измерений должны соблюдаться обязательные требования к условиям их эксплуатации.

- конструкция средств измерений должна обеспечивать ограничение доступа к определенным частям средств измерений (включая программное обеспечение) в целях предотвращения несанкционированных настройки и вмешательства, которые могут привести к искажениям результатов измерений.

- порядок отнесения технических средств к средствам измерений устанавливается федеральным агентством по техническому регулированию и метрологии.

Для передачи размеров единиц от государственного эталона рабочим средствам измерений создана система эталонов, которые по точности подразделяются на разряды. Передача размеров единиц осуществляется путем поверки или калибровки средств измерений.

Поверка средств измерений - совокупность операций, выполняемых органами Государственной метрологической службы (другими уполномоченными на то органами, организациями) с целью определения и подтверждения соответствия средства измерений установленным техническим требованиям. Поверка средства измерений заключается в определении погрешностей средства измерений и в установлении его пригодности к применению. Проведение поверки позволяет установить, находятся ли метрологические характеристики средств измерений в заданных пределах.

Процедура поверки средств измерений регламентируется различными документами (государственными стандартами, инструкциями, методическими указаниями и др.), соблюдение требований которых обязательно.

Калибровка средств измерений - совокупность операций, выполняемых с целью определения и подтверждения действительных значений характеристик и (или) пригодности к применению средств измерений, не подлежащих государственному метрологическому контролю и надзору.

Соподчинение Государственного эталона, вторичных, а также системы разрядных эталонов и рабочих средств измерений установлено государственной поверченной схемой.

Поверочная схема - утвержденный в установленном порядке документ, устанавливающий средства, методы и точность передачи размеров единиц от государственного эталона рабочим средствам измерений.

Поверочные схемы разделяют на государственные и локальные, Государственные поверочные схемы регламентируются государственными стандартами и распространяются на все средства измерений данного вида. Локальные поверочные схемы предназначены для метрологических служб Государственных органов управления и юридических лиц. Все локальные схемы должны соответствовать требованиям соподчиненности, которая определена государственной поверочной схемой.

Поверочные схемы состоят из чертежа и текстовой части. На чертеже указывают: наименование средств измерений, диапазоны значений физических величин, обозначения и значения погрешностей, наименования методов поверки. Текстовая часть состоит из вводной части и пояснений к элементам поверочной схемы.