Виды средств измерений

Для практического измерения единиц физических величин применяются технические средства, которые имеют нормирован­ные погрешности и называются средствами измерений. К ним от­носятся меры, измерительные преобразователи, измерительные приборы, измерительные установки и системы, измерительные принадлежности.

Мерой называют средство измерения, предназначенное для воспроизведения физических величин заданного размера (напри­мер, гири, концевые меры длины и т.п.). На практике используют однозначные и многозначные меры, а также наборы и магазины мер. Однозначные меры воспроизводят величины только одного размера (гиря). Многозначные меры воспроизводят несколько размеров физической величины (например, миллиметровая ли­нейка позволяет выразить длину предмета в сантиметрах и в мил­лиметрах).

Наборы и магазины представляют собой объединения одно­значных или многозначных мер для воспроизведения некоторых промежуточных значений величин. Набор мер представляет собой комплект однородных мер разного размера, что дает возможность применять их в различных сочетаниях (например, набор лабора­торных гирь). Магазин мер — это сочетание мер, объединенных конструктивно в одно механическое целое, в котором предусмот­рена возможность посредством ручных или автоматизированных переключателей, связанных с отсчетным устройством, соединять соответствующие магазины мер в нужном сочетании. По такому принципу устроены магазины электрических сопротивлений.

К однозначным мерам относят стандартные образцы и стан­дартные вещества. Стандартный образец — это должным обра­зом оформленная проба вещества (материала), которая подвер­гается метрологической аттестации с целью установления коли­чественного значения определенной характеристики. Данная характеристика (свойство) является величиной с известным зна­чением при установленных условиях внешней среды. К подоб-

Глава 3.2. Средства измерений 165

ным образцам относятся, например, наборы минералов с кон­кретными значениями твердости (шкала Мооса) для определе­ния этого параметра из различных минералов.

Стандартным образцом является образец чистого цинка, кото­рый служит для воспроизведения температуры 419, 527°С по меж­дународной температурной шкале МТШ-90.

При пользовании мерами следует учитывать номинальное и дей­ствительное значение мер, а также погрешность меры и ее разряд.

Номинальным называют значение меры, указанное на ней. _v

Действительное значение меры должно быть указано в специ­альном свидетельстве как результат высокоточного измерения с использованием официального эталона.

Разность между номинальным и действительным значениями называется погрешностью меры. Величина, противоположная по знаку погрешности, представляет собой поправку к указанному на мере номинальному значению. Поскольку при аттестации (поверке) также могут быть погрешности, меры подразделяют на разряды (1-го, 2-го и т.д.) и называют разрядными эталонами (образцовые из­мерительные средства), которые используют для поверки измери­тельных средств. Величина погрешности меры служит основой для разделения мер на классы, что обычно применимо к мерам, исполь­зуемым для технических измерений.

Измерительный преобразователь — это средство измере­ний, которое служит для преобразования сигнала измеритель­ной информации в форму, удобную для обработки или хране­ния, а также передачи в показывающее устройство. Измеритель­ные преобразователи либо входят в конструктивную схему измерительного прибора, либо применяются совместно с ним, но сигнал преобразователя не поддается непосредственному восприятию наблюдателем. Например, преобразователь может быть необходим для передачи информации в память компьюте­ра, для усиления напряжения и т.д. Преобразуемую величину называют входной, а результат преобразования — выходной ве­личиной. Основной метрологической характеристикой измери­тельного преобразователя считается соотношение между вход­ной и выходной величинами — функция преобразования.

166 Раздел 3 Организационно-методические основы метрологии

Преобразователи подразделяются на первичные (непосред­ственно воспринимающие измерительную величину); передаю­щие, на выходе которых величина приобретает форму, удобную для регистрации или передачи на расстояние; промежуточные, работающие в сочетании с первичными и не влияющие на измене­ние рода физической величины.

Измерительные приборы — это средства измерений, которые позволяют получать измерительную информацию в форме, удоб­ной для восприятия пользователем. Различают измерительные приборы прямого действия и приборы сравнения.

Приборы прямого действия отображают измерительную величи­ну на показывающем устройстве, имеющем соответствующую граду­ировку в единицах этой величины. Измерение рода физической вели­чины при этом не происходит. К приборам прямого действия отно­сятся, например, амперметры, вольтметры, термометры и т.п.

Приборы сравнения предназначаются для сравнения измеряе­мых величин с величинами, значения которых известны. Подоб­ные приборы широко используются в научных целях, а также на практике для измерения таких величин, как яркость источников излучения, давление сжатого воздуха и др.

Иногда технические средства сравнения снабжаются средствами измерений, обеспечивающими функции сравнения. Например, рычаж­ные весы, на одну чашу которых устанавливается эталонная гиря, а на другую проверяемая, представляют собой средство для их сравнения.

Измерительные установки и системы — это совокупность средств измерений, объединенных по функциональному признаку со вспомогательными устройствами (средствами измерений той физической величины, влияние которой на основные средства из­мерений необходимо учитывать для получения измерений требуе­мой точности) для измерения одной или нескольких физических величин объекта измерений. Обычно такие системы автоматизи­рованы и обеспечивают ввод информации в систему, автоматиза­цию самого процесса измерения, обработку и отображение резуль­татов измерений для восприятия их пользователем. Подобные сис­темы используются для контроля производственных процессов, что особенно актуально для метода статистического контроля, а, также принципа Total Quality Management в управлении качество

Глава 3 2. Средства измерений 1 67

Измерительные принадлежности представляют собой вспо­могательные средства измерений величин. Они необходимы для вычисления поправок к результатам измерений, когда требуется высокая степень точности. Например, термометр может быть вспомогательным средством, если показания прибора достоверны при строго регламентированной температуре; психрометр — если строго оговаривается влажность окружающей среды.

Следует учитывать, что измерительные принадлежности вно­сят в результат измерений определенные погрешности, связанные с погрешностью самого вспомогательного средства.

По метрологическому назначению все средства измерений де­лятся на два вида — рабочие средства измерений и эталоны.

Рабочие средства измерений предназначены для измерений, не связанных с передачей размера единицы другим средствам измере­ний. Они применяются для определения параметров (характеристик) технических устройств, технологических процессов, окружающей среды и др. Рабочие средства могут быть лабораторными (для науч­ных исследований), производственными (для обеспечения и контроля заданных характеристик технологических процессов), полевыми (для самолетов, автомобилей, судов и т.п.). Каждый из этих видов характе­ризуется особыми свойствами Так, лабораторные средства измере­ний — самые точные и чувствительные, их показатели отличаются высокой стабильностью. Производственные средства обладают ус­тойчивостью к воздействиям различных факторов производственных процессов: температуры, влажности, вибрации и т.п., что может ска­заться на достоверности и точности показаний приборов. Полевые средства измерений работают в постоянно изменяющихся в широких пределах условиях благодаря внешним воздействиям.

Все средства измерений подразделяются на стандартизирован­ные и нестандартизированные, автоматические и автоматизиро­ванные, узаконенные средства и измерительные цепи.

Стандартизированное средство измерений изготовлено и применяется в соответствии с требованиями государственного или отраслевого стандарта (обычно подвергается государственным ис­пытаниям и вносится в Госреестр).

Стандартизация требований к нестандартизированному сред-i тву измерений признана нецелесообразной.

168 Раздел 3 Организационно-методические основы метрологии

Автоматическое средство измерений производит без непос­редственного участия человека измерения и все операции, связан­ные с обработкой результатов измерений, их регистрацией, пере­дачей данных или выработкой управляющего сигнала. Подобные средства применяются в автоматических линиях, гибких автома­тических системах и др.

Автоматизированное средство измерений производит в авто­матическом режиме одну или часть измерительных операций Например, электрический счетчик электроэнергии выполняет из­мерение и регистрацию данных нарастающим итогом.

Узаконенные средства измерений признаны годными и допу­щены к применению уполномоченным на то органом. Например, рабочие средства измерений, предназначенные для серийного вы­пуска, узакониваются путем утверждения типа; уникальные рабо­чие средства измерений, измерительные и поверочные установки, измерительные системы и их разновидности — путем метрологи­ческой аттестации, проводимой метрологическими службами.

Измерительные цепи представляют собой совокупность эле­ментов средств измерений, образующих непрерывные пути про­хождения измерительных сигналов одной физической величины от входов до выходов. Измерительную цепь измерительной систе­мы называют измерительным каналом.

Важной составной частью средств измерений является шкала — часть показывающего устройства, представляющая собой упорядо­ченный ряд отметок вместе со связанной с ними нумерацией. Отметки на шкалах могут быть нанесены равномерно или неравномерно. В свя­зи с этим шкалы называют равномерными или неравномерными.

Отметка шкалы — это знак на шкале средства измерений (черточка, зубец, точка и др.), соответствующий некоторому зна­чению физической величины. Числовая отметка шкалы представ­ляет собой отметку шкалы средства измерений, у которой простав­лено число. Деление шкалы — промежуток между двумя соседни­ми отметками шкалы средства измерений Длина деления шкалы есть расстояние между осями двух соседних отметок шкалы, изме­ренное вдоль воображаемой линии, проходящей через середины самых коротких отметок шкалы. Цена деления шкалы — это р i < -

Глава 3 2 Средства измерений 169

ность значений величины, соответствующих двум соседним от­меткам шкалы средства измерений.

Начальное значение шкалы представляет собой наименьшее значение измеряемой величины, а конечное значение шкалы — наибольшее значение измеряемой величины, которое может быть отсчитано по шкале средства измерений. Например, для медицин­ского термометра начальным значением шкалы является 34, 3°С, а конечное — 42°С.

Табло цифрового измерительного прибора — это показываю­щее устройство данного прибора.

3.2.2. Погрешности измерений

Погрешность результатов измерения представляет собой отклонение результата измерения от истинного (действительного) значения измеряемой величины. Например, погрешность измеряе­мой величины (AХ_изм) может быть определена по формуле

где Х_изм — измерительное значение величины;

Х_д — действительное значение измеряемой величины.

Как правило, истинное (действительное) значение величины не­известно. Оно применяется только в теоретических исследованиях.

Систематическая погрешность измерения представляет собой составляющую погрешность результата измерения, остающуюся постоянной или же закономерно изменяющуюся при повторных измерениях одной и той же физической величины.

В зависимости от характера изменения систематические пог­решности подразделяются на постоянные, прогрессивные, перио­дические и изменяющиеся по сложному закону.

Постоянные погрешности длительное время сохраняют свое значение, например, в течение времени выполнения всего ряда измерений.

Прогрессивные погрешности непрерывно возрастают или убы­вают. К ним относятся, например, погрешности вследствие износа измерительных наконечников, контактирующих с деталью при контроле ее прибором активного контроля

170 Раздел 3. Организационно-методические основы метрологии

Значение периодических погрешностей является периодичес­кой функцией времени или перемещения указателя измеритель­ного прибора.

Погрешности, изменяющиеся по сложному закону, происхо­дят вследствие совместного действия нескольких систематичес­ких погрешностей.

Погрешность метода измерения является составляющей пог­решности измерения, обусловленной несовершенством принятого метода измерений (в зависимости от принятого метода нередко возникают существенные погрешности, для ликвидации которых, как правило, вводятся поправки).

Погрешность из-за изменений условий измерения представляет собой составляющую систематической погрешности измерения и является следствием неучтенного влияния отклонения в одну сто­рону какого-либо из параметров, характеризующих условия изме­рений, от установленного значения (например, недостаточно уч­тенное изменение температуры, атмосферного давления, влажнос­ти воздуха, вибрации и др.).

Субъективная погрешность измерения — это составляющая систематической погрешности измерений, обусловленная индиви­дуальными особенностями оператора. Например, оператор в силу своей неорганизованности, систематически опаздывает (или опе­режает) снимать отсчеты показаний средств измерений.

Неисключенная систематическая погрешность является сос­тавляющей погрешности результата измерений, обусловленной погрешностями вычисления и выведения поправок на влияние систематических погрешностей. Такая погрешность характеризу­ется своими границами.

Границы неисключенной систематической погрешности при числе слагаемых N < 3 вычисляются по формуле

где Q — размер границы погрешности;

Q_i — граница i-й составляющей неисключенной системати­ческой погрешности.

Глава 3.2. Средства измерений 171

При числе слагаемых N> 4 границы неисключенной система­тической погрешности вычисляются по формуле

где k — коэффициент зависимости отдельных неисключенных систематических погрешностей от выбранной доверительной вероятности Р при их равномерном распределении (при Р = 0, 99, k - 1, 4). Здесь Q рассматривается как доверительная ква­зислучайная погрешность.

Случайная погрешность измерения — это составляющая пог­решности результата измерения, Изменяющаяся случайным обра­зом при повторных измерениях одной и той же физической вели­чины, проведенных с одинаковой тщательностью.

Абсолютная погрешность измерения выражается в единицах изме­ряемой физической величины. Абсолютное значение погрешности представляет собой ее значение без учета знака (модуль погрешности). Относительная погрешность измерения выражается отноше­нием абсолютной погрешности измерения к действительному или измеренному значению измеряемой величины. Относительная погрешность определяется в долях или процентах по формулам

где АX— абсолютная погрешность измерения;

X — действительное или измеренное значение физической ве­личины.

Рассеяние результатов в ряде измерений — это несовпадение результатов измерений одной и той же величины в ряду равноточ­ных измерений, как правило, обусловленное действием случайных погрешностей.

Оценками рассеяния результатов в ряду измерений могут быть размах, средняя арифметическая погрешность (по модулю), сред­няя квадратическая погрешность или стандартное отклонение (среднее квадратическое отклонение, экспериментальное среднее квадратическое отклонение), доверительные границы погрешнос­ти (доверительная граница или доверительная погрешность).

172 Раздел 3 Организационно-методические основы метрологии

Поправка к результату измерения представляет собой значе­ние величины, вводимое в неисправленный результат с целью ис­ключения составляющих систематической погрешности. Поправ­ку, прибавляемую к номинальному значению меры, называют поп­равкой к значению меры, а поправку, вводимую в показание измерительного прибора, — поправкой к показанию прибора.

Поправочный множитель — это числовой коэффициент, на который умножают неисправленный результат измерения с целью исключения влияния систематической погрешности.

Точность результата измерений является характеристикой ка­чества измерения, отражающей близость к нулю погрешности ре­зультата измерения.

Погрешностью метода поверки считают погрешность приме­няемого метода передачи размера единицы при поверке.

Погрешность воспроизведения единицы физической величи­ны — это погрешность результата измерений, выполняемых при воспроизведении единицы физической величины.

Погрешность передачи размера единицы физической величи­ны представляет собой погрешность результата измерений, вы­полняемых при передаче размера единицы.

Статистическая погрешность измерений — это погрешность результата измерений, свойственная условиям статистического измерения. В свою очередь динамическая погрешность измерений свойственна условиям динамического измерения.

Промах — это погрешность результата отдельного измерения, входящего в ряд измерений, которая для данных условий резко от -личается от остальных результатов этого ряда.

Погрешность результата однократного измерения (не входя­щего в ряд измерений) оценивается на основании известных пог­решностей средства и метода измерений в данных условиях. Возьмем для примера однократное измерение микрометром ка­кого-либо размера детали. Пусть еще до измерения известно, что погрешность микрометра в данном диапазоне составляет ±0, 01 мм, а погрешность метода можно принять равной нулю Следовательно, погрешность полученного результата будет рав­на ±0, 01 мм.

Глава 3 2. Средства измерений 173

Суммарная средняя квадратическая погрешность результата измерений представляет собой погрешность результата измерений (состоящую из случайных и неисключенных систематических пог­решностей) и вычисляется по формуле

мы неисключенных систематических погрешностей при рав­номерном распределении (принимаемых за случайные). При необходимости указания суммарной погрешности с боль­шей вероятностью, чем Р = 0, 68, она вычисляется как доверитель­ные границы суммарной погрешности:

3.2.3. Погрешности средств измерений

Погрешность средств измерений — это разность между пока­занием средства измерений и истинным (действительным) значе­нием измеряемой физической величины. Например, для меры по­казанием является ее номинальное значение.

Систематическая погрешность средства измерений представ­ляет собой составляющую погрешности средства измерений, при­нимаемую постоянной или закономерно изменяющейся.

Систематическая погрешность данного средства измерений, как правило, отличается от систематической погрешности другого экземпляра средства измерений аналогичного типа. Поэтому для группы однотипных средств измерений систематическая погреш­ность может иногда рассматриваться как случайная погрешность.

174 Раздел 3. Организационно-методические основы метрологии

Последнее представляет собой составляющую погрешности сред­ства измерений, изменяющуюся случайным образом.

Выделяют несколько видов погрешностей средств измерений.

Абсолютная погрешность средства измерений выражается в единицах измеряемой физической величины.

Относительная погрешность средства измерений выражается отношением абсолютной погрешности к результату измерений или к действительному значению измеренной физической величины.

Приведенная погрешность средства измерений — это относи­тельная погрешность, выраженная отношением абсолютной пог­решности средства измерений к условно принятому значению ве­личины (как правило, принимается верхний предел измерений), постоянному во всем диапазоне измерений или части диапазона. Такую погрешность обычно выражают в процентах.

Основная погрешность средства измерений представляет со­бой погрешность средства измерений, применяемого в нормаль­ных условиях (например, при температуре окружающей среды не выше 18—20°С, вибрации — не выше 0, 8 амплитуда • мм, частоте колебаний — 15 Гц).

Дополнительная погрешность средства измерений является составляющей погрешности средства измерений, возникающей дополнительно к основной погрешности вследствие отклонения какой-либо из влияющих величин от нормального ее значения или в результате ее выхода за пределы нормальной области значений.

Статистическая погрешность средства измерений — это погрешность средства измерений, применяемого при измерении физической величины, которая полагается неизменной.

Динамическая погрешность средства измерений возникает при измерении изменяющейся физической величины.

Погрешность меры представляет собой разность между номи­нальным значением меры и действительным значением воспроиз­водимой ею величины.

Стабильность средства измерений является качественной ха­рактеристикой средства измерений, отражающей неизменность во времени его метрологических характеристик.

Глава 3 2 Средства измерений 175

Нестабильность средств измерений представляет собой из­менение метрологических характеристик средства измерений за установленный интервал времени. Например, для ряда средств измерений, особенно некоторых мер, нестабильность является одной из важнейших точностных характеристик. Для нормаль­ных элементов нестабильность устанавливается государствен­ным стандартом технических условий на их изготовление. Неста­бильность определяют на основании длительных исследований средства измерений. В этом случае полезны периодические сли­чения с более стабильными средствами измерений.

Точность средства измерений является характеристикой качества средства измерений, отражающей близость его по­грешности к нулю.

Класс точности средства измерений — это обобщенная ха­рактеристика данного типа средств измерений, как правило, отра­жающая уровень их точности. Она выражается пределами допус­каемых основной и дополнительной погрешностей, а также други­ми характеристиками, влияющими на точность.

Класс точности позволяет судить о том, в каких пределах нахо­дится погрешность средств измерений одного типа. Однако дан­ная характеристика не является непосредственным показателем точности измерений, выполняемых с помощью каждого из этих средств. Класс точности важен при выборе средств измерений в за­висимости от заданной точности средств измерений.

Класс точности средств измерений конкретного типа устанавли­вают в стандартах технических требований (условий) или в другой технической документации, утвержденной в установленном порядке.

Предел допускаемой погрешности средства измерений пред­ставляет собой наибольшее значение погрешности средств изме­рений, устанавливаемое нормативно-техническими документами для данного типа средств измерений, при котором оно еще призна­ется годным к применению.

Инструментальная погрешность измерения является состав­ляющей погрешности измерения, обусловленной погрешностью применяемого средства измерения.

176 Раздел 3 Организационно-методические основы метрологии

Погрешность градуировки средства измерений — это погреш­ность действительного значения величин, приписанного той или иной отметке шкалы средства измерений в результате градуировки.

Нормируемые метрологические характеристики типа средств измерений представляют собой совокупность метрологических ха­рактеристик данного типа средств измерений, устанавливаемую нормативно-техническими документами. В свою очередь точност­ные характеристики средства измерений являются совокупностью метрологических характеристик средств измерений, влияющих на погрешность измерения. К таким характеристикам, как правило, относят погрешность средства измерений, нестабильность, порог чувствительности, дрейф нуля и др.

На погрешность средств измерений значительное'влияние ока­зывают условия измерений: нормальные условия измерений, нор­мальное значение влияющей величины, нормальная область зна­чений влияющей величины, рабочие условия, рабочее простран­ство, предельные условия измерений и др. Нормальные условия измерений устанавливаются в нормативно-технических докумен­тах на средства измерений конкретного типа. Для измерения мно­гих величин нормируется значение температуры, вибрации, влаж­ности, запыленности и др. На нормальные условия обычно рассчи­тана основная погрешность средств измерений.