Средства измерений

Неотъемлемой частью экспериментальных исследований являются средства измерений, т.е. совокупность технических средств (имеющих нормированные погрешности), которые дают необходимую информацию для эксперимента.

В настоящее время приборостроением выпускается большое количество средств измерений и наблюдений.

Среди них можно выделить такие основные группы приборов для измерения показателей: физических, механических, химических свойств, а также

структуры материала и изделия.

Наряду с этим можно выделить средства измерения, позволяющие непосредственно определить испытуемый показатель (например, пресс для определения прочности материалов), и измерения, которые дают возможность косвенно судить об исследуемом показателе (ультразвуковые дефектоскопы, что позволяют оценить прочность материала по скорости прохождения ультразвука).

К средствам измерений относят измерительный инструмент, измерительные приборы и установки. Измерительные средства делят на образцовые и технические.

Образцовые средства являются эталонами. Они предназначены для проверки технических, т.е. рабочих средств.

Образцовые средства не обязательно должны быть точнее рабочих, но они должны иметь большую стабильность и надежность в воспроизведении, образцовые средства не применяют для рабочих измерений.

С целью повысить точность и чувствительность измерений, а также расширить диапазон измерений дополнительно используют измерительные преобразователи.

Измерительным прибором называют средство измерения, предназначенное для получения определенной информации об изучаемой величине в удобной для экспериментатора форме. В этих приборах измеряемая величина преобразуется в показание или сигнал. Они состоят из двух основных узлов: воспринимающего сигнал и преобразующего в показание.

Приборы классифицируют по различным признакам. По способу отсчета значения измеряемой величины их делят на показывающие и регистрирующие.

Наибольшее распространение получили показывающие аналоговые приборы, отсчетные устройства которых состоят из шкалы и указателя. Эти приборы дают показания без каких-либо дополнительных операций экспериментатора. Однако они имеют большие погрешности, чем цифровые. Более удобны показывающие цифровые приборы (механические, электронные и др.). Отсчетный

механизм фиксирует измеряемую величину в виде цифр.

Регистрирующие приборы бывают самопишущими и печатными. Самопишущие приборы (термограф, шлейфовый осциллограф и др.) выдают график измерений. Печатные приборы выдают измерения в виде цифр на ленте. Приборы также классифицируют по точности измерений, стабильности показаний, чувствительности, пределам измерения и др.

Измерительная установка (стенд) представляет собой систему, состоящую из основных и вспомогательных средств измерений, предназначенных для измерения одной сложной или нескольких величин.

Установки включают в себя различные приборы и преобразователи. Преобразователи предназначены для одно- или многоступенчатого преобразования сигнала до такого уровня, чтобы можно было зафиксировать измерительным механизмом. Преобразователи, которые увеличивают в несколько раз на выходе величину без изменения ее физической сущности, называют масштабными преобразователями (трансформаторы, электронные усилители и др.). Они получили наибольшее распространение. Имеются также преобразователи, которые входной сигнал могут преобразовывать, меняя его физическую сущность. Так, электромеханический преобразователь преобразовывает электрический сигнал на входе на механический на выходе. Один прибор может иметь несколько преобразователей, изменяющих на выходе измеряемую величину в различных диапазонах. В каждом случае при измерении определенной величины с помощью преобразователя выбирают необходимый диапазон измерений.

Измерительные установки могут вырабатывать также сигналы, удобные не только для снятия наблюдений, но и для автоматической обработки результатов измерений. Обычно при проведении экспериментов приходится создавать измерительные установки с фиксацией различных физических величин.

Выходной сигнал измерительных средств фиксируется отсчетными устройствами, которые бывают шкальными, цифровыми и регистрирующими. Шкала является важной частью прибора. Расстояние в миллиметрах между двумя смежными отметками на шкале называют длиной деления шкалы. Разность между значениями измеряемой величины, соответствующую началу и концу шкалы, называют диапазоном показаний прибора.

Измерительные приборы (отсчетные устройства) характеризуются величиной погрешности и точности, стабильностью измерений и чувствительностью.

Погрешности приборов. Под абсолютной погрешностью измерительного прибора понимают величину.

, (139)

где – показание прибора (номинальное значение измеряемой величины);

– действительное значение измеряемой величины более точным методом.

Погрешность прибора – одна из важнейших его характеристик. Она возникает вследствие ряда причин: недоброкачественных материалов, комплектующих изделий, применяемых для изготовления приборов; плохого качества изготовления приборов; неудовлетворительной эксплуатации его и др. Существенное влияние оказывает градуировка шкалы и периодическая проверка приборов.

Кроме этих систематических погрешностей возникают случайные, обусловленные сочетанием различных случайных факторов – ошибками отсчета, параллаксом, вариацией и т.д. Таким образом, необходимо рассматривать не какие-либо отдельные, а суммарные погрешности приборов.

Часто для оценки погрешности приборов применяют относительную погрешность (,%)

, (140)

Иногда применяют понятие приведенной погрешности

, (141)

где – какое-либо значение шкалы измерительного устройства (диапазон измерений), длина шкалы и др.

Суммарные погрешности, установленные при определенных условиях ( =20 ^оС, влажность воздуха 80 %, = 760 мм рт. ст.), называют основными погрешностями прибора.

Диапазоном измерений называют ту часть диапазона показателей прибора, для которой установлены погрешности прибора. Если известны погрешности прибора, то диапазон измерений и показаний прибора совпадают.

Диапазон измерений является важной характеристикой прибора. Если шкала измерений изменяется от 0 до , то в характеристике на прибор диапазон указывают в пределах 0 – . Ряд приборов с нижним пределом измерения имеет большую погрешность в интервале от верхнего предела измерений, т.е. четверть длины шкалы (начало) может давать погрешность, превышающую . Поэтому имеется много приборов без нижнего нулевого предела измерения, например, 100 – 1000 Па.

Приборы нельзя перегружать, т.е. верхний предел измерений не нужно превышать нагрузкой. Некоторые приборы выдерживают перегрузки, однако, со временем погрешности у верхнего предела измерений существенно возрастают. Ряд приборов может выдерживать только ограниченные перегрузки.

Разность между максимальным и минимальным показателем прибора называют размахом. Если эта величина непостоянная, т.е. если при обратном ходе имеется увеличение или уменьшение хода, то эту разность называют вариацией показаний . Величина – это простейшая характеристика погрешности прибора. Другой характеристикой прибора является его чувствительность, т.е. способность отсчитывающего устройства реагировать на изменения измеряемой величины. Под порогом чувствительности прибора понимают наименьшее значение измеренной величины, вызывающее изменение показания прибора, которое можно зафиксировать.

Точность прибора – основная его характеристика. Она характеризуется

суммарной погрешностью.

Средства измерения делятся на классы точности в зависимости от допускаемых погрешностей . Способы обозначения классов точности приборов различны.

Класс точности прибора (1 – наивысший, 3 – наинизший) обозначает допустимую, суммарную, относительную погрешность () от верхнего предела измерений. Так, если класс прибора равен 1, то допускаемая относительная погрешность равна . Для прибора с верхним пределом измерения 3·10³ кг/м³ допускаемая погрешность не должна превышать 3·10 кг/м³ всей рабочей шкалы. Если же верхний предел ±3·10⁵, ±3·10⁶ кг/м³, допускаемая погрешность соответственно равна ·10³ и 3·10⁴ кг/м³.

Стабильность или воспроизводимость прибора – это свойство отсчетного устройства обеспечивать постоянство показаний одной и той же величины. В результате старения материалов со временем нарушается стабильность показаний приборов.

Стабильность прибора определяется вариацией показания. Поэтому при установлении стабильности нормируют величину допускаемой вариации – . Поскольку вариация принимается с одним знаком, а допускаемая погрешность имеет плюс и минус, то

. (142)

На все измерительные приборы в той или иной мере действует магнитное поле земли. Поэтому ряд электроизмерительных приборов должен быть защищен от действия магнитного поля, а также электростатических явлений. В специальной метрологической литературе разработаны схемы защит I (более высокой) и II категорий.

При исследовании процессов широко применяются электрические, электронные, частотные, радиоизотопные и другие приборы. Как правило, такие приборы требуют специальной защиты от пыли, вибрации, газа, света и др. Отсутствие такой защиты может вызвать погрешности, превышающие допустимые.

Проверка средств измерений. Проверка средств измерений предусматривает определение и по возможности уменьшение погрешностей приборов. Определение погрешностей позволяет установить, соответствует ли данный прибор регламентированной степени точности и может ли он быть применим для данных измерений.

При проверке средств измерений, если не требуется вносить поправок в погрешности, определяют погрешности и устанавливают, не выходят ли они за пределы допускаемых значений.

Проверку средств измерений производят на различных уровнях: от специальных государственных организаций до низовых звеньев. Государственные метрологические институты и лаборатории по надзору за стандартами и измерительной техникой производят контроль за обеспечением в стране единства мер.

На высокоточные измерительные средства государственные метрологические организации выдают специальное свидетельство, в котором после проверки указывают номинальные значения измеряемой величины, класс точности, предельную допускаемую погрешность, результаты поверки погрешности прибора в виде таблицы, вариацию измерений. Для приборов меньшей точности свидетельство можно не выдавать, а заменять лишь указанием, что прибор удовлетворяет требованиям стандарта или инструкции. Вместо инструкции прибор снабжают клеймом поверки.

Измерительные приборы и установки различных организаций подвергают обязательной государственной поверке раз в 1 – 2 года. При хорошем обращении с приборами этого срока вполне достаточно для гарантированной эксплуатации. Однако, в ряде случаев вследствие небрежного обращения с приборами их эксплуатационно-измерительные характеристики нарушаются, требуется поверка.

В периоды между государственной проводят ведомственную поверку средств измерений. Эти поверки по объему работ иногда мало чем отличаются от госповерок. Однако, как правило, такие поверки проводят по сокращенной программе. Поэтому они более оперативные, чем государственные, проводятся по специальному графику, разработанному для данной организации.

Анализ эксплуатационных качеств измерительных средств показал, что приборы и установки, хранимые более или менее длительное время на складах (1 – 2 года), подвергаются старению и ухудшают свои свойства. Иногда при этом погрешности превышают допустимые значения. Поэтому измерительные средства, хранимые на складе, перед применением необходимо подвергнуть рабочей поверке.

Рабочая поверка средств измерений проводится в низовых звеньях, т.е. непосредственно в организациях, проводящих измерения. Такие поверки проводятся каждым экспериментатором перед началом измерений и наблюдений. В процессе рабочей поверки приходится производить различные операции, определять диапазон измерений, вариации измерений и др. В отдельных случаях выполняют регулировку и градуировку средств измерений.

Под регулировкой прибора понимают операции, направленные на снижение систематических ошибок до величины, меньшей допустимой погрешности. Измерительные приборы снабжены двумя регулировочными узлами для регулировки нуля и чувствительности. Регулировка нуля предназначена для устранения систематических ошибок в диапазоне нижнего предела измерений.

В ряде случаев возникают систематические погрешности, линейно возрастающие или убывающие с изменением измеряемой величины. Ее можно уменьшить с помощью регулировки узла чувствительности. Поскольку погрешность различна на разных участках длины шкалы, то с помощью одновременной регулировки узла нуля и чувствительности достигают существенного снижения систематической ошибки прибора в начале, середине и конце диапазона измерения.

Под градуировкой понимают нанесение меток на шкалу отсчитывающего устройства по заранее известной измеренной величине. Если шкала равномерная, то градуировка не представляет каких-либо сложностей. При градуировке нелинейных шкал предварительно регулируют прибор, крепят к нему шкалу и наносят на циферблат деления, соответствующие заранее известным значениям измеряемой величины.

Наиболее распространенным способом поверки приборов и оценки его эксплуатационных характеристик является способ сравнения. Суть его сводится к сопоставлению поверяемого прибора с образцовым. Одна и та же измеряемая величина оценивается поверяемым и образцовым прибором. По отсчетам судят о погрешностях, которые вносят в поверяемый прибор.

Важным моментом в организации эксперимента является выбор средств измерений. Средства измерения должны: максимально соответствовать тематике, цели и задачам НИР; обеспечивать высокую производительность труда экспериментальных работ с наименьшей затратой времени и выполнение эксперимента в возможно кратчайший срок; обеспечивать требуемое качество экспериментальных работ, т.е. заданную степень точности при минимальном количестве измерений, высокую воспроизводимость и надежность; в наибольшей степени исключать систематические ошибки; желательно максимально использовать средства измерений с автоматической записью; иметь высокую экономическую эффективность при минимуме затрат людских, денежных и материальных ресурсов; обеспечивать эргономические требования эксперимента (антропометрические, санитарно-гигиенические, психофизиологические и др.); обеспечивать требования техники безопасности и пожарной профилактики.

При выборе средств необходимо максимально использовать стандартно выпускаемую аппаратуру, которая приводится в специальных литературных источниках.