Файл: Лекции по теоретической метрологии.doc

Сложное средство измерений можно представить в виде схемы, взяв за основу его измерительную цепь, которая включает первичный и промежуточные измерительные преобразователи и устройство отображения измерительной информации.

В состав первичного измерительного преобразователя обязательно включается чувствительный элемент. Любое средство измерений обязательно имеет устройство выдачи (отображения) измерительной информации. У приборов с визуальными выходом это чаще всего отсчетные устройства типа шкала-указатель или цифровое табло. Прибор может быть снабжен несколькими шкалами (индикатор часового типа, измерительные головки ИГМ) или одной шкалой с несколькими указателями (часы с циферблатом и центральными стрелками). В приборах и индикаторах применяют и другие устройства визуальной индикации (нуль-указатели, табло светофорного типа), а также акустические устройства (звонок, зуммер таймера) и тактильные устройства (вибратор наручного будильника для слабо слышащих). В качестве устройств выдачи информации могут использоваться также любые регистрирующие самопишущие или печатающие устройства. Пример структурной схемы измерительного прибора представлен на рисунке 13.1.



Структурную схему измерительного прибора строят, как правило, на базе кинематической, электрической, оптической или иной схемы. Пример взаимно увязанных схем равноплечих рычажных весов представлен на рисунке 13.2.

В ыделение измерительных преобразователей по кинематической схеме осуществляют на основе логического анализа выполняемых ими функций и конструктивной завершенности (автономности). Возможно укрупненное и более мелкое дробление элементов функциональной кинематической схемы на измерительные преобразователи, например: чашка с собственным шарнирным подвесом – шарнирная тяга – равноплечий рычаг... Или обратное: равноплечий рычаг с чашками и шарнирами (первичный измерительный преобразователь) – устройство отображения измерительной информации (стрелка на рычаге – указатель и шкала с единственным делением). Шкала устройства отображения измерительной информации может иметь множество делений или только одно нулевое деление – вырожденная шкала, характерная для приборов типа нуль-компаратора, которые предназначены для измерения нулевым методом.

---

В зависимости от степени участия оператора в процессе, различают автоматические, автоматизированные и неавтоматизированные средства измерений.

Автоматическое средство измерений – средство измерений, производящее без непосредственного участия человека измерения и все операции, связанные с обработкой результатов измерений, их регистрацией, передачей данных или выработкой управляющего сигнала. Автоматическое средство измерений, встроенное в технологическую линию, нередко называют «измерительный автомат» или «контрольный автомат». Применяют также понятие «измерительные роботы».



Автоматизированное средство измерений – средство измерений, производящее в автоматическом режиме одну или часть измерительных операций. Например, барограф осуществляет автоматическое измерение и регистрацию давления, а счетчик электроэнергии измеряет и регистрирует данные о потреблении энергии с автоматическим накоплением результатов.

Средства измерений подразделяются на виды и типы, причем вид средств измерений может включать несколько их типов. Амперметры и вольтметры являются видами средств измерений силы и напряжения электрического тока.

Вид средства измерений – совокупность средств измерений, предназначенных для измерений данной физической величины.

Тип средства измерений – совокупность средств измерений одного и того же назначения, основанных на одном и том же принципе действия, имеющих одинаковую конструкцию и изготовленных по одной и той же технической документации. Средства измерений одного типа могут иметь различные модификации (например, индикаторы часового типа ИЧ отличаются по диапазонам показаний).

Кроме того, средства измерений принято различать по принципам действия, то есть по физическим принципам, используемым для преобразования измеряемой величины или сигнала измерительной информации. Например, измерительный микроскоп относится к оптико-механическим приборам, индуктивный или резистивный преобразователь – к электрическим средствам измерений и т.д. Сложные приборы с длинной измерительной цепью обычно характеризуют одним (или двумя) наиболее важными принципами преобразования (лазерный интерферометр, фотоэлектрический угломер).

Средства измерений узаконивают уполномоченные органы, например, путем утверждения типа средства измерений.

---

Узаконенное средство измерений – средство измерений, признанное годным и допущенное для применения уполномоченным на то органом. Одним из методов официального утверждения является стандартизация средств измерений. Средства измерений подвергают испытаниям и в случае положительных результатов стандартизуют и вносят в Госреестр. Стандартизованное средство измерений – средство измерений, изготовленное и применяемое в соответствии с требованиями государственного или отраслевого стандарта. Одним из видов стандартизованных средств измерений является стандартный образец (СО) – образец вещества (материала) с установленными в результате метрологической аттестации значениями одной или более величин, характеризующими свойство или состав этого вещества (материала). Различают стандартные образцы свойств и стандартные образцы состава. Стандартные образцы свойств веществ и материалов являются однозначными мерами и могут применяться в качестве рабочих эталонов, с присвоением разряда в соответствии с местом в государственной поверочной схеме. Примеры стандартных образцов свойства: СО относительной диэлектрической проницаемости, СО высокочистой бензойной кислоты. Стандартные образцы состава могут иметь аттестованные значения одной или более величин, характеризующими свойство или состав этого вещества, например СО состава углеродистой стали.

Не все средства измерений стандартизуют. Разработанные для единичного производства средства измерений могут быть узаконены без их стандартизации. Нестандартизованное средство измерений (НСИ) – средство измерений, стандартизация требований к которому признана нецелесообразной.

По метрологическому назначению различают эталонные и рабочие средства измерений. Рабочее средство измерений – средство измерений, предназначенное для измерений, не связанных с передачей размера единицы другим средствам измерений. Эталонные средства измерений называют также средствами поверки. Средства поверки – эталоны, поверочные установки и другие средства измерений, применяемые при поверке в соответствии с установленными правилами.

Возможности использования средств измерений, а также их точностные свойства определяются их метрологическими характеристиками

Метрологическая характеристика средства измерений (метрологическая характеристика; MX) – характеристика одного из свойств средства измерений, влияющая на результат измерений и на его погрешность

---

. Различают нормируемыме метрологические характеристики, устанавливаемые нормативными документами на средства измерений, и действительные характеристики, определяемые экспериментально. Метрологические характеристики весьма разнообразны, они существенно различаются по значимости и информативности и существенно зависят от типа средств измерений.

Для средств измерений, осуществляющих измерительное преобразование измеряемой физической величины, широко применяют интегральную метрологическую характеристику, которая отражает действительную функцию преобразования (так называемая градуировочная характеристика). Градуировочная характеристика средства измерения (градуировочная характеристика) – зависимость между значениями величин на входе и выходе средства измерений, полученная экспериментально. Градуировочная характеристика может быть выражена в виде формулы, графика или таблицы. Выраженную в виде формулы или графика, номинальную характеристику называют функцией преобразования средства измерений. В некоторых метрологических источниках номинальную и экспериментальную функции преобразования называют статическими характеристиками измерительных преобразователей и приборов, противопоставляя их полным динамическим характеристикам.

Функции преобразования Zо измерительных преобразователей с аналоговым и с дискретным выходными сигналами графически представлены на рисунке 13.3. Их можно записать в виде

Zо = f(Y),

где Y – сигнал на входе преобразователя;

Z – сигнал на выходе преобразователя.



Для измерительных приборов в качестве интегральных метрологических характеристик можно рассматривать номинальные (рисунок 13.4) и реальные функции преобразования (реальная функция есть градуировочная характеристика прибора).

Различают «широкодиапазонные» и «узкодиапазонные» приборы (термины условные), предназначенные для измерений методом непосредственной оценки или методом сравнения с мерой. Функции преобразования этих приборов показаны на рисунке 13.5.



У «широкодиапазонных» приборов диапазон измерений совпадает с диапазоном преобразования измеряемой физической величины (рисунок 13.5

---

а), и диапазон показаний занимает всю проекцию функции преобразования на ось Х. «Узкодиапазонные» имеют сравнительно узкий диапазон преобразования (рисунок 13.5б) и потому диапазон показаний занимает небольшую часть проекции функции преобразования на ось Х, а покрытие всего диапазона измерений обеспечивает возможность смещения выделенного отрезка функции преобразования на любой ее участок в заданных пределах с использованием настройки прибора на меру. Типичными примерами таких приборов являются индикаторный нутромер и измерительная головка на стойке. Диапазон показаний таких приборов ограничен возможностями применяемой измерительной головкой, а диапазон измерений – конструктивными особенностями нутромера или стойки.

Реальные функции преобразования измерительных преобразователей и приборов могут значимо отличаться от номинальных.

Кроме случайных отклонений возможно также наличие систематических тенденций (рисунок 13.6), которые проявляются с увеличением измеряемых величин в пределах диапазона измерительного преобразования. Если прибор неправильно настроен на нулевое показание (смещение нуля – показание средства измерений, отличное от нуля, при входном сигнале, равном нулю), в любом результате измерений будет присутствовать постоянная систематическая погрешность.



Значит, реальная линейная функция преобразования отличается от номинальной плоскопараллельным сдвигом вверх или вниз (рисунок 13.6а), что вызывает алгебраическое (с учетом знака) добавление к любой измеряемой величине одной и той же постоянной систематической погрешности. Такую погрешность прибора называют «аддитивной», хотя более корректно в этом случае говорить о статической характеристике с аддитивной погрешностью. Для исключения такой погрешности из результата измерения к нему следует алгебраически добавить необходимую поправку, равную систематической погрешности по модулю и противоположную по знаку. Для аппаратурного устранения таких инструментальных составляющих в приборах обычно предусматривают специальное регулировочное устройство для поднастройки, например, корректор нуля в электроизмерительных приборах.

Если реальная функция преобразования отличается от номинальной углом наклона (рисунок 13.6б), то к измеряемой величине добавляется систематическая погрешность, значение которой тем больше, чем больше использованный при измерении диапазон преобразования. Такую погрешность прибора называют «мультипликативной», но как и в предыдущем случае более корректно говорить о статической характеристике с мультипликативной погрешностью. Для исключения такой погрешности из результата измерения его следует умножить на поправочный коэффициент. Аппаратурное устранение такой составляющей, которая вызвана несоответствием реального коэффициента преобразования номинальному значению, как правило, требует частичной разборки прибора для обеспечения доступа к специальным регулировочным устройствам, если они предусмотрены в измерительной цепи.

---