Глава 6. Средства измерений

6.1 Классификация средств измерений

Средствами измерений называют специальные технические средства, используемые при измерениях и имеющие нормированные метрологические свойства. Различают следующие средства измерений: эталоны единиц, меры, измерительные приборы, установки и системы.

Эталоны единиц — средства измерений (или комплексы средств измерений), обеспечивающие воспроизведение и (или) хранение единиц для передачи их размеров другим нижестоящим по поверочной схеме средствам измерений, выполненные по особой спецификации и официально утвержденные в установленном порядке в качестве эталонов.

Меры — средства измерений для воспроизведения физических величин заданного размера. Например, кварцевый генератор — мера частоты электрических колебаний.

Измерительные приборы — средства измерений для выработки сигналов измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателя. Под измерительной информацией понимают информацию о значениях измеряемых физических величин. Сигнал измерительной информации — это сигнал, функционально связанный с измеряемой физической величиной.

Различают аналоговые и цифровые измерительные приборы. Аналоговый прибор — это такой, показания которого являются непрерывной функцией изменений измеряемой, величины. Цифровой прибор — это прибор, автоматически вырабатывающий дискретные сигналы измерительной информации, показания которого представлены в цифровой форме.

Важной частью измерительных приборов являются измерительные преобразователи. Измерительными преобразователями называют средства измерений для выработки сигналов измерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и (или) хранения, но неподдающейся непосредственному восприятию наблюдателя.

Сложные измерительные средства могут состоять из функционально связанных простых измерительных средств. К ним относятся установки и системы.

Измерительные установки — совокупность функционально объединенных средств измерений (мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей) и вспомогательных устройств для выработки сигналов измерительной информации в форме, удобной для непосредственного восприятия наблюдателем, и расположенные в одном месте.

Измерительные системы — совокупности средств измерений (мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей и вспомогательных устройств), соединенные между собой каналами связи, предназначенные для выработки сигналов измерительной информации в форме, удобной для автоматической обработки, передачи и (или) использования в других технических средствах. Измерительная система может состоять из нескольких измерительных установок, связанных каналами связи и обеспечивающих решение единой измерительной задачи.

Наиболее многочисленная группа средств измерений — измерительные приборы. Их классифицируют по различным признакам:

назначению, принципу действия, условиям эксплуатации, конструкции, отсчетному устройству, точности и т. д. Электрорадиоизмерительные приборы можно разделить на следующие группы:

1) общего назначения — широко распространенные, предназначенные для использования в различных условиях эксплуатации (науке, технике и производстве);

2) специальные—узкого назначения, пригодные для использования только при определенных условиях эксплуатации;

3) встроенные — входящие конструктивно в состав каких-либо устройств и аппаратов;

4) образцовые (эталонные) — высокой точности, предназначенные для проверки и градуировки измерительных приборов более низкой точности.

Из большого разнообразия электрорадиоизмерительных приборов можно выделить две основные группы: электроизмерительные и радиоизмерительные.

Электроизмерительные приборы принято классифицировать по принципу действия. При этом их подразделяют на системы (например, приборы магнитоэлектрической системы, электродинамической системы и т. д.). Все радиоизмерительные приборы общего применения в зависимости от их назначения делятся на 19 групп, каждая из которых обозначается прописными буквами русского алфавита, например: А — приборы для измерения тока; Г — генераторы измерительные и т. д. Каждая группа состоит из нескольких подгрупп, обозначаемых цифрами по порядку, например:

А1 — установки для проверки амперметров;

А2 — амперметры постоянного тока,

A3 — амперметры переменного тока и т. д.

Каждому типу прибора в подгруппах присвоены порядковые номера, перед которыми ставится черточка (дефис); например, обозначение Г4-5 означает: генератор измерительный (Г), стандартных сигналов (4-я подгруппа), 5-й тип. Если прибор комбинированный, то после первой буквы добавляется буква К; например, ВК7-9 означает: прибор для измерения напряжения (В — вольтметр), комбинированный (К), универсальный (7-я подгруппа), 9-й тип. Если прибор модернизирован, то в конце обозначения ставится буква А, например, Г4-5А. При повторной модернизации ставится буква Б и т. д.

Основной задачей обеспечения нормальной работы измерительных средств является передача размеров единиц от эталонов рабочим мерам и измерительным приборам, осуществляемая с помощью образцовых средств измерений.

Образцовыми средствами называются меры, измерительные приборы или преобразователи, предназначенные для поверки и градуировки по ним других средств измерений.

Между разрядами образцовых средств измерений существует определенная соподчиненность: образцовые средства измерений 1-го разряда поверяются, как правило, по рабочим эталонам; 2-го разряда — по образцовым средствам 1-го разряда и т. д.

Отдельные рабочие меры и измерительные приборы наивысшей точности могут поверяться по рабочим эталонам; высшей точности — по образцовым мерам и измерительным приборам 1-го разряда и т. д.

Все образцовые средства измерений подлежат обязательной периодической поверке в сроки, устанавливаемые правилами Госстандарта РФ, и проходят метрологическую аттестацию. Они хранятся и применяются органами Государственной и отраслевой метрологической службы.

6.2 Характеристики средств измерений.

Основными характеристиками измерительных средств (приборов, преобразователей) являются: диапазон измерений (пределы измерений), чувствительность, порог реагирования (чувствительности), вариация показаний, погрешности, класс точности, время установления показаний, быстродействие, потребляемая мощность, надежность.

Диапазон измерений — область значений измеряемой величины, для которой нормированы допускаемые погрешности. Эта область ограничена пределами измерений — наибольшим и наименьшим значением диапазона измерений.

Чувствительность — отношение изменения сигнала на выходе прибора к вызвавшему его изменению измеряемой величины ΔХ:

S = Δl/ ΔХ. Различают чувствительности абсолютную S и относительную Sо. Первая определяется приведенной формулой для S.

Вторая—формулой: So == Δl/(ΔХ/X), где Х—измеряемая величина, Чувствительность характеризует способность прибора реагировать на изменение измеряемой величины.

Порог реагирования (чувствительности)— изменение измеряемой величины, вызывающее наименьшее изменение показаний, обнаруживаемое наблюдателем при нормальномдля данного прибора способе отсчета.

Вариация показаний — средняя разность между показаниями прибора, соответствующими данной точке диапазона измерения при двух направлениях медленного многократного изменения измеряемой величины. Показанием называется значение измеряемой величины, определяемое по отсчетному устройству прибора и выраженное в принятых единицах этой величины. Вариация характеризует, насколько устойчиво повторяются показания прибора при измерениях одних и тех же значений величин.

Погрешности бывают абсолютные, относительные, приведенные, основные и дополнительные.

Абсолютная погрешность Δ определяется как разность между измеренным значением а и истинным значением Х измеряемой величины: Δ = а- Х и выражается в единицах измеряемой величины. Но так как истинное значение остается неизвестным, на практике можно найти лишь приближенную оценку погрешности измерения.

Относительная погрешность δ — отношение абсолютной погрешности А к истинному значению Х измеряемой величины: δ=Δ/Х, она может быть выражена в процентах, Относительная погрешность несет больше информации о точности измерений, чем абсолютная. Например, измерено два значения напряжения 10 и 100 В с одной и той же абсолютной погрешностью 0,5 В. Значения S для этих измерений соответственно равны 5 и 0,5%. Относительная погрешность показывает, что точность второго измерения на порядок выше.

Основной погрешностью называется погрешность, свойственная прибору в нормальных условиях. Под нормальными понимают такие условия, при которых влияющие на процесс измерения величины (такие, как температура, влажность, частота и напряжение питания, внешние электрические и магнитные поля, положение прибора в пространстве и т. д.) имеют нормальные значения или находятся в нормальной области значений. Например, температура должна составлять 20 ± 2⁰ С, напряжение питания — 220 В ± 10% и т. д.

Дополнительной погрешностью называется погрешность, вызываемая действием отдельных влияющих величин вследствие отклонения их значений от нормальных. Пределы допускаемых дополнительных погрешностей нормируются согласно ГОСТ 13600—68.

Приведенная погрешность б_пр — отношение предела допускаемой основной абсолютной погрешности А к диапазону измерений D, выраженное в процентах δпр = 100 Δ /D.

Для приборов с нулевой отметкой на краю диапазона измерений или вне его D — конечный предел измерения; для прибора с двусторонней шкалой по обе стороны от нуля D — арифметическая сумма конечных пределов измерения.

Класс точности — обобщенная характеристика, определяемая пределами допускаемых основных и дополнительных погрешностей, а также другими свойствами, влияющими на точность, значения которой устанавливаются в стандартах на отдельные виды средств измерений. Класс точности характеризует свойства приборов в отношении точности, но не является непосредственным показателем точности измерений, выполняемых с помощью этих приборов. Приборам, у которых пределы допускаемой основной погрешности задаются относительной основной или приведенной погрешностью, присваивают согласно ГОСТ 13600—68 классы точности, выбираемые из ряда (1; 1,5; 2,0; 2,5; 3,0; 4,0; 5,0; 6,0) • 10ⁿ, где п = 1; 0; —1; —2;...

Время установления показаний (время успокоения) — промежуток времени, прошедший с момента изменения измеряемой величины до момента установления показаний. Для аналоговых приборов момент установления показаний определяется моментом, когда амплитуда колебаний указателя становится не больше, чем погрешность прибора.

Быстродействие — число измерений, выполняемых в единицу времени. Эта характеристика особенно важна для цифровых приборов, а также и для аналоговых, например, самопишущих, когда одним прибором с помощью коммутирующего устройства необходимо измерять несколько медленно меняющихся величин.

Потребляемая мощность: при подключении прибора к источнику измеряемой величины прибор неизбежно нагружает этот источник, потребляет от него некоторую мощность. Чем меньше потребляемая мощность, тем выше качество прибора, так как потребляемая мощность нарушает режим исследуемой цепи, а это приводит к погрешностям измерений.

Надежность — способность прибора сохранить свои характеристики в определенных пределах в течение установленного интервала времени при заданных условиях эксплуатации. Основные критерии надежности: вероятность безотказной работы, интенсивность отказов, среднее время безотказной работы. Оценка надежности производится в процессе разработки измерительного прибора.