основы метрологии. 1. 1 Основные понятия в области метрологии

• Название: 1. 1 Основные понятия в области метрологии
• Анкор: основы метрологии
• Дата: 09.02.2021
• Размер: 442.37 Kb.
• Имя файла: основы метрологии.docx
• Тип: Регламент; #175198
• страница: 7 из 11

1.8 Средства измерений

1.8.1 Классификация СИ

Технические средства, используемые при измерениях и имеющие нормированные метрологические характеристики, называют средствами измерений.

В зависимости от назначения и конструктивного исполнения СИ подразделяются на несколько классов.

1. Меры. Если мера воспроизводит величину только одного размера, то ее называют однозначной (гиря, концевая мера длинны, кварцевый генератор – мера частоты и т.д.). Многозначная мера воспроизводит физическую величину разных размеров (миллиметровая линейка, конденсатор переменной емкости).

Для удобства использования однозначные меры часто объединяют в магазины и наборы. Набор мер – это, по сути дела, комплект мер разного размера одной и той же величины, применяемых на практике, как в отдельности, так и различных сочетаниях (набор гирь – разновесов, набор концевых мер длинны).

Магазин мер – это набор мер, конструктивно объединенных в единое устройство, в котором имеется приспособление для соединения мер в различных комбинациях (магазины сопротивлений, емкостей, индуктивностей).

К мерам можно отнести стандартные образцы и образцовые вещества. Это образцы материалов определенного и строго регламентированного состава, одно из свойств которых является величиной с известным значением.

Применяются для воспроизведения единиц измерения или постоянных точек шкалы (образцы твердости шкалы Мооса, образцы шероховатости, чистые металлы).

Указанное на мере значение величины является номинальным. При точных измерениях определяется действительное значение меры. Погрешность определения действительного значения называется погрешностью аттестации меры. По значению погрешности аттестации меры делятся на разряды.

2. Измерительные преобразователи. Это технические средства, служащие для преобразования измеряемой величины в другую величину или сигнал измерительной информации, удобный для обработки, хранения, дальнейшего преобразования или передачи, и имеющие нормированные метрологические характеристики.

Обычно преобразователи входят в состав, какого либо СИ или используются совместно с ними. Преобразователи различаются по месту, занимаемому в измерительной цепи (первичные и промежуточные); по функциональному назначению (аналоговые, АЦП, ЦАП, масштабные, передающие).

Преобразователь, воспринимающий измеряемую величину (стоит первым в измерительной цепи), называется первичным, последующие – промежуточными (термопара и усилитель в вольтметре).

Преобразователь, преобразующий одну аналоговую величину в другую, называют аналоговым (термопара, потенциометр и др.)

АЦП предназначен для преобразования аналогового измерительного сигнала в цифровой код. ЦАП выполняет обратное преобразование.

Часто возникает необходимость в передаче измерительной информации на расстояние, преобразователь, служащий для этой цели, называется передающим.

Широко распространены масштабные преобразователи, предназначенные для изменения размера величины в заданное число раз (усилители, делители напряжения, измерительные трансформаторы).

3. Измерительные приборы. Это СИ, предназначенные для получения значений измеряемой величины в установленном диапазоне.

Как правило, измерительный прибор содержит устройство для преобразования измеряемой величины в сигнал измерительной информации и его индикации в форме, наиболее доступной для восприятия. Устройство индикации может иметь вид шкалы с указанием, цифрового отсчетного устройства, диаграммы с пером, дисплея и т.д.

4. Измерительные установки. Это совокупность функционально объединенных СИ и вспомогательных устройств.

5. Измерительные системы. Это совокупность средств измерения и вспомогательных устройств, соединенных между собой каналами связи, оснащенные средствами автоматической обработки измерительной информации.

Измерительные системы делятся на ИИС и ИВК (информационно-измерительные системы и измерительно-вычислительные комплексы). Особенностью ИВК является наличие ЭВМ, позволяющей обрабатывать результаты измерений и подавать управляющие сигналы на объект измерения.

6. Индикаторы. Это технические средства, предназначенные для установления наличия какой-либо величины.

По методу положенному в основу измерения, приборы делятся на следующие виды приборов: прямого действия – измеряемая величина подвергается ряду последовательных преобразований; приборы сравнения – (метод сравнения с мерой) компенсационные, мостовые и др.

По способу отсчета значений измеряемой величины, приборы делятся на: показывающие, то есть допускающие только отсчет показаний прибора; регистрирующие, то есть, допускающие регистрацию показаний (запись их на какой-либо носитель информации).

Показывающие приборы могут быть аналоговыми и цифровыми. В первом случае показания прибора являются непрерывной величиной (положение стрелки), во втором – показания представляются в цифровой форме.

Если в регистрирующем приборе предусмотрена запись показаний в форме диаграммы, то он называется самопишущим (самопишущий вольтметр). Показания записываются на координатной бумаге, фотобумаге или фотопленке, магнитной пленке и т.д.

При сопряжении прибора с ЭВМ его показания могут быть распечатаны в цифровой форме. Такие приборы называются печатающими.

Отсчетные устройства аналоговых приборов состоят, в основном из двух элементов: шкалы и указателя, причем один из них связан с подвижной системой прибора, а другой с неподвижной (с корпусом).

Шкалой СИ называют упорядоченный ряд отметок, соответствующих последовательному ряду значений измеряемой величины, вместе со связанной с ними нумерацией.

Отметки шкалы (черточки, зубцы, точки и др.) могут наноситься как равномерно, так и не равномерно. В связи с этим шкалы называют равномерными или неравномерными. У некоторых отметок обычно проставляют числа, в этом случае шкалу называют оцифрованной.

Указатель – это часть отсчетного устройства, положение которого относительно отметок шкалы определяет показание СИ.

В цифровых приборах отсчет осуществляется непосредственно в цифровой форме с помощью специальных отсчетных устройств.

1.8.2 Метрологические характеристики средств измерений.

Для сравнения и оценки разнообразных СИ пользуются рядом показателей, которые характеризуют их с метрологической точки зрения.

Метрологические характеристики СИ – это такие технические характеристики, которые влияют на результат и точность измерений.

В зависимости от назначения и особенностей, средства измерений могут характеризоваться разными метрологическими характеристиками. ГОСТ 8.009-84 устанавливает полный перечень метрологических характеристик. Можно выделить несколько групп характеристик:

1. 
   Характеристики, предназначенные для определения результатов измерений:
   

• 
  Функция преобразования измерительного преобразователя – зависимость выходного сигнала от входного;
  
• 
  Градуировочная характеристика – зависимость между значениями входной и выходной величины СИ, полученная в результате градуировки. Градуировочная характеристика может быть представлена в виде формулы, таблицы или графика;
  
• 
  Цена деления шкалы – разность значений величины, соответствующих двум соседним отметкам шкалы;
  
• 
  Длина деления шкалы – расстояние между центрами (или осями) двух соседних отметок шкалы;
  
• 
  Диапазон измерений – область значений величины , в пределах которой нормированы допускаемые погрешности СИ;
  
• 
  Пределы измерений – наибольшее и наименьшее значения диапазона измерений;
  
• 
  Чувствительность – отношение изменения сигнала на входе измерительного прибора к вызвавшему его изменению измеряемой величины. Обычно чувствительность определяют по формуле: , где Δy – изменение выходного сигнала; Δx – изменение входного сигнала. Если чувствительность постоянная (функция преобразования линейна), то шкала у прибора равномерная, в противном случае шкала будет неравномерной. Если нелинейность функции преобразования незначительная, то шкалу делают равномерной, допуская при этом определенную погрешность (ее называют методической инструментальной погрешностью);
  
• 
  Порог чувствительности – это изменение измеряемой величины, вызывающее наименьшее изменение выходного сигнала, которое может быть обнаружено при обычном для данного прибора способе отсчета;
  
• 
  Значение однозначной или многозначной меры;
  
• 
  Вид и параметры цифрового кода – для СИ, представляющих результаты в цифровом коде.
  

2. 
   Характеристики чувствительности СИ к влияющим факторам: функция влияния – зависимость изменения метрологических характеристик СИ от изменения влияющего фактора или от изменения совокупности влияющих факторов.
   
3. 
   Динамические характеристики, отражающие инерционные свойства СИ при воздействии на них изменяющихся во времени величин (параметров входного сигнала, внешних влияющих факторов, параметров объекта измерений – нагрузки). По степени полноты описания инерционных свойств СИ динамические характеристики делятся на полные и частные. Каждая из полных характеристик дает исчерпывающую информацию об инерционных свойствах СИ. К ним относятся:
   

• 
  Дифференциальное уравнение, описывающее работы СИ;
  
• 
  Передаточная функция СИ;
  
• 
  Переходная характеристика;
  
• 
  Импульсная характеристика;
  
• 
  Совокупность амплитудно- и фазочастотной характеристик (АЧХ и ФЧХ) – годограф;
  

Любая полная динамическая характеристика может быть получена из любой другой полной динамической характеристики. Например, передаточная функция получается из дифференциального уравнения.

Более подробно динамические характеристики будут рассмотрены в дисциплинах «Физические основы получения информации» и «Основы автоматического управления»

К частным динамическим характеристикам относятся отдельные параметры полных характеристик или характеристики, не отражающие полностью инерционных свойств СИ, но необходимые для выполнения измерений с заданной точностью. Пример – время установления показаний.

4. 
   Характеристики погрешностей СИ являются одними из важнейших характеристик, определяющих точность измерений. В качестве характеристик используют различные составляющие погрешностей СИ.
   

Номенклатура метрологических характеристик, необходимых для описания СИ, и полнота, с которой эти характеристики должны описывать свойства СИ, зависят от назначения СИ, условий их эксплуатации, режима работы и многих других факторов.

Для СИ, используемых при высокоточных метрологических измерениях, определяются десятки метрологических характеристик. Учет многих МХ – это сложная, трудоемкая и потому дорогостоящая процедура. Поэтому на производстве, при проведении технических измерений, применяют обобщенные показатели точности СИ. Рассмотрим их более подробно.

Погрешность средства измерения – это разность между показаниями СИ и значением измеряемой величины.

По способу выражения числового значения погрешности делят на: абсолютную, относительную и приведенную.

Абсолютная погрешность определяется как: , где X_П – показания прибора; X – значение измеряемой величины.

Относительная погрешность:

Приведенная погрешность: , где X_Н – нормирующее значение.

Нормирующее значение определяется различным образом в зависимости от характера шкалы прибора.

При равномерной или степенной шкале:

1. 
   Если нулевое значение находится на краю шкалы или вне диапазона измерений, X_Н равно верхнему пределу измерения.
   

2. 
   Если нулевое значение находится внутри диапазона измерения, X_Н равно большему из модулей пределов измерения.
   

3. 
   Для электроизмерительных приборов X_Н равно сумме модулей пределов измерений.
   

4. 
   Для шкалы с условным нулем, X_Н равно модулю разности пределов измерений.
   

5. 
   Если для СИ нормируется номинальное значение измеряемой величины, то X_Н равно номинальному значению.
   

В случае неравномерных шкал X_Н устанавливают равным всей длине шкалы или ее части, соответствующей диапазону измерений. В этом случае абсолютную погрешность выражают в единицах длины.

По условиям окружающей среды различают:

1. 
   основную погрешность – погрешность СИ, используемого в нормальных условиях;
   
2. 
   дополнительную погрешность – погрешность СИ, возникающая при отклонении одного из внешних факторов за пределы своего значения в нормальных условиях.
   

В зависимости от режима работы СИ различают:

1. 
   статическую погрешность – погрешность СИ при измерении установившегося во времени значения измеряемой величины.
   
2. 
   динамическая погрешность – разность между погрешностью, СИ в динамическом режиме работы и его статической погрешностью, соответствующей значению измеряемой величины в данный момент времени.
   

1.8.3 Нормирование метрологических характеристик СИ. Класс точности.

Любое Си имеет определенную погрешность, значение которой не должно превышать некоторого предельного значения. В противном случае СИ считают непригодным для применения. Предел допускаемой погрешности – это наибольшая (без учета знака) погрешности СИ, при которой оно может быть признано годным к применению.

Отдельно могут нормироваться основные, дополнительные систематические и случайные погрешности. Наиболее общей характеристикой является класс точности.

Класс точности – обобщенная характеристика СИ, определяемая пределами допускаемых основных и дополнительных погрешностей, а также другими свойствами СИ, влияющими на точность, значения которых устанавливают в стандартах на отдельные виды СИ.

ГОСТ 8.401-80 «ГСИ. Классы точности СИ. Общие требования» устанавливает общие положения деления СИ по классам точности способы нормирования МХ и обозначения классов точности.

Обозначение класса точности зависит от того, какая из погрешностей нормируется для СИ.

1. 
   Если нормируется предел допускаемой абсолютной погрешности, то классы точности обозначаются латинскими прописными буквами или римскими цифрами, которые непосредственно не отражают значение предельной допускаемой погрешности (в документации указывается: «класс точности – М», на приборе – М).
   
2. 
   Если нормируются пределы относительной или приведенной погрешности, то классы точности обозначаются арабскими цифрами, которые равны этим пределам в % (если нормируется приведенная погрешность, в документации указывается: «класс точности 0,5», на приборе – 0,5; если шкала прибора неравномерная, к обозначению класса точности добавляется дополнительный знак: ; если нормируется относительная погрешность в документации указывается: «класс точности », на приборе: ).
   
3. 
   В некоторых случаях, например для цифровых приборов, нормируют относительную погрешность, причем нормирование проводят таким образом, чтобы значение предела зависело от значения измеряемой величины. В этом случае класс точности обозначают двумя числами: с/d (например: 0,1/0,2). C и D – это параметры уравнения для вычисления пределов допускаемой относительной погрешности. Обычно эти уравнения заносят в нормативную документацию на прибор (в его паспорт).
   

Стандарт (ГОСТ 8.401-80) устанавливает следующий ряд чисел, определяющих пределы погрешностей, а следовательно и классы точности: 1; 1,5; 2; 2,5; 4; 5; 6. Допускается применять: 1,6; 3. Числа ряда могут быть умножены на 10ⁿ, где n – целые числа: 1; 0; –1; –2 ….