Классификация средств измерений. 1.2 Клас-я ср-в изм-й и норм хар-ки. 1 Основные понятия и определения Классификация средств измерений и нормируемые метрологические характеристики
 Скачать 24.09 Kb.
|
|
1.2. Основные понятия и определения Классификация средств измерений и нормируемые метрологические характеристики 1.1. Основные понятия и определения В соответствии с РМГ 29-99 средство измерений – это техническое средство, предназначенное для измерений, имеющее нормированные метрологические характеристики, воспроизводящее и (или) хранящее единицу физической величины, размер которой принимают неизменным (в пределах установленной погрешности) в течение известного интервала времени. Средства измерений (СИ), используемые в различных областях науки и техники, чрезвычайно разнообразны. Однако для этого множества можно выделить некоторые общие признаки, присущие всем СИ независимо от области применения. Эти признаки положены в основу различных классификаций СИ, некоторые из них приведены далее. Классификация средств измерений По техническому назначению: Мера физической величины – средство измерений, предназначенное для воспроизведения и (или) хранения физической величины одного или нескольких заданных размеров, значения которых выражены в установленных единицах и известны с необходимой точностью; Различают следующие разновидности мер: - однозначная мера – мера, воспроизводящая физическую величину одного размера (например, гиря 1 кг, конденсатор постоянной емкости); - многозначная мера – мера, воспроизводящая физическую величину разных размеров (например, штриховая мера длины, конденсатор переменной емкости); - набор мер – комплект мер разного размера одной и той же физической величины, предназначенных для применения на практике, как в отдельности, так и в различных сочетаниях (например, набор концевых мер длины); - магазин мер – набор мер, конструктивно объединенных в единое устройство, в котором имеются приспособления для их соединения в различных комбинациях (например, магазин электрических сопротивлений Измерительный прибор – средство измерений, предназначенное для получения значений измеряемой физической величины в установленном диапазоне. Измерительный прибор, как правило, содержит устройство для преобразования измеряемой величины в сигнал измерительной информации и его индексации в форме, наиболее доступной для восприятия. Во многих случаях устройство для индикации имеет шкалу со стрелкой или другим устройством, диаграмму с пером или цифровое табло, благодаря которым может быть произведен отсчет или регистрация значений физической величины. В зависимости от вида выходной величины различают аналоговые и цифровые измерительные приборы. - аналоговый измерительный прибор – это измерительный прибор, показания (или выходной сигнал) которого являются непрерывной функцией измеряемой величины (например, стрелочный вольтметр, стеклянный ртутный термометр). - цифровой измерительный прибор – это измерительный прибор, показания которого представлены в цифровой форме. В цифровом приборе происходит преобразование входного аналогового сигнала измерительной информации в цифровой код, и результат измерения отражается на цифровом табло. По форме представления выходной величины (по способу индикации значений измеряемой величины) измерительные приборы разделяют на показывающие и регистрирующие измерительные приборы. - показывающий измерительный прибор – измерительный прибор, допускающий только отсчитывание показаний значений измеряемой величины (микрометр, аналоговый или цифровой вольтметр). - регистрирующий измерительный прибор – измерительный прибор, в котором предусмотрена регистрация показаний. Регистрация значений измеряемой величины может осуществляться в аналоговой или цифровой форме, в виде диаграммы, путем печатания на бумажной или магнитной ленте (термограф или, например, измерительный прибор, сопряженный с компьютером, дисплеем и устройством для печатания показаний). По действию измерительные приборы разделяют на интегрирующие и суммирующие. Различают также приборы прямого действия и приборы сравнения Измерительный преобразователь – техническое средство с нормативными метрологическими характеристиками, служащее для преобразования измеряемой величины в другую величину или измерительный сигнал, удобный для обработки, хранения, дальнейших преобразований, индикации или передачи. Полученные в результате преобразования величина или измерительный сигнал, не доступны для непосредственного восприятия наблюдателем, они определяются через коэффициент преобразования. Измерительный преобразователь или входит в состав какого-либо измерительного прибора (измерительной установки, измерительной системы), или же применяется вместе с каким-либо средством измерений. По характеру преобразования различают аналоговые, цифроаналоговые, аналого-цифровые преобразователи. По месту в измерительной цепи различают первичные и промежуточные преобразователи. Выделяют также масштабные и передающие преобразователи. Примеры: термопара в термоэлектрическом термометре, измерительный трансформатор тока, электропневматический преобразователь. Измерительная установка – совокупность функционально объединенных мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей и других устройств, предназначенная для измерений одной или нескольких физических величин и расположенная в одном месте. Измерительную установку, применяемую для поверки, называют поверочной установкой. Измерительную установку, входящую в состав эталона, называют эталонной установкой. Некоторые большие измерительные установки называют измерительными машинами, предназначенными для точных измерений физических величин, характеризующих изделие. Примеры: установка для измерений удельного сопротивления электротехнических материалов, установка для испытаний магнитных материалов. Измерительная система – совокупность функционально объединенных мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей, ЭВМ и других технических средств, размещенных в разных точках контролируемого объекта и т.п. с целью измерений одной или нескольких физических величин, свойственных этому объекту, и выработки измерительных сигналов в разных целях. В зависимости от назначения измерительные системы разделяют на измерительные информационные, измерительные контролирующие, иззерительные управляющие системы и др. Измерительную систему, перестраиваемую в зависимости от изменения измерительной задачи, называют гибкой измерительной системой (ГИС). Примеры: измерительная система теплоэлектростанции, позволяющая получать измерительную информацию о ряде физических величин в разных энергоблоках. Она может содержать сотни измерительных каналов; радионавигационная система для определения местоположения различных объектов, состоящая из ряда измерительно-вычислительных комплексов, разнесенных в пространстве на значительное расстояние друг от друга. Измерительно-вычислительный комплекс – функционально объединенная совокупность средств измерений, ЭВМ и вспомогательных устройств, предназначенная для выполнения в составе измерительной системы конкретной измерительной задачи. Компаратор – средство сравнения, предназначенное для сличения мер однородных величин (рычажные весы, компаратор для сличения нормальных элементов). По метрологическому назначению все СИ подразделяются на эталоны, рабочие эталоны и рабочие СИ. Эталон единицы физической величины (эталон): Средство измерений (или комплекс средств измерений), предназначенное для воспроизведения и (или) хранения единицы и передачи ее размера нижестоящим по поверочной схеме средствам измерений и утвержденное в качестве эталона в установленном порядке. Конструкция эталона, его свойства и способ воспроизведения единицы определяются природой данной физической величины и уровнем развития измерительной техники в данной области измерений. Эталон должен обладать, по крайней мере, тремя тесно связанными друг с другом существенными признаками – неизменностью, воспроизводимостью и сличаемостью. Рабочий эталон: Эталон, предназначенный для передачи размера единицы рабочим средствам измерений. При необходимости рабочие эталоны подразделяют на разряды (1-й, 2-й, ..., n-й). В этом случае передачу размера единицы осуществляют через цепочку соподчиненных по разрядам рабочих эталонов. При этом от последнего рабочего эталона в этой цепочке размер единицы передают рабочему средству измерений. Рабочее средство измерений: Средство измерений, предназначенное для измерений, не связанных с передачей размера единицы другим средствам измерений. По значимости измеряемой физической величины все СИ подразделяются на основные и вспомогательные средства измерений. Основные средства измерений – СИ той физической величины, значение которой необходимо получить в соответствии с измерительной задачей. Вспомогательные средства измерений – СИ той физической величины, влияние которой на основное средство измерений или объект измерений необходимо учитывать для получения результатов измерений требуемой точности (термометр для измерения температуры газа в процессе измерений объемного расхода этого газа). Классификация СИ по техническому назначению является основной и представлена на рисунке 1.1. Метрологическая характеристика средства измерений (MX СИ): Характеристика одного из свойств средства измерений, влияющая на результат измерений и на его погрешность. Для каждого типа средств измерений устанавливают свои метрологические характеристики. Метрологические характеристики, устанавливаемые нормативно-техническими документами, называют нормируемыми метрологическими характеристиками, а определяемые экспериментально – действительными метрологическими характеристиками. Номенклатура метрологических характеристик и способы их нормирования установлены ГОСТ 8.009 Все метрологические характеристики СИ можно разделить на две группы: - характеристики, влияющие на результат измерений (определяющие область применения СИ); - характеристики, влияющие на точность (качество) измерения. К основным метрологическим характеристикам, влияющим на результат измерений, относятся: - диапазон измерений измерительных приборов; - значение однозначной или многозначной меры; - функция преобразования измерительного преобразователя; - цена деления шкалы измерительного прибора или многозначной меры; - вид выходного кода, число разрядов кода, цена единицы наименьшего разряда кода средств измерений, предназначенных для выдачи результатов в цифровом коде. Диапазон измерений средства измерений (диапазон измерений): Область значений величины, в пределах которой нормированы допускаемые пределы погрешности средства измерений (для преобразователей – это диапазон преобразования). Значения величины, ограничивающие диапазон измерений снизу и сверху (слева и справа), называют соответственно нижним пределом измерений или верхним пределом измерений. Для мер – пределы воспроизведения величин. Однозначные меры имеют номинальное и действительное значение воспроизводимой величины. Номинальное значение меры: Значение величины, приписанное мере или партии мер при изготовлении. Пример – Резисторы с номинальным значением 1 Ом, гиря с номинальным значением 1 кг. Нередко номинальное значение указывают на мере. Действительное значение меры: Значение величины, приписанное мере на основании ее калибровки или поверки. Пример – В состав государственного эталона единицы массы входит платиноиридиевая гиря с номинальным значением массы 1 кг, тогда как действительное значение ее массы составляет 1,000000087 кг, полученное в результате сличений с международным эталоном килограмма, хранящимся в Международном Бюро Мер и Весов (МБМВ) (в данном случае это калибровка). Диапазон показаний средства измерений (диапазон показаний): Область значений шкалы прибора, ограниченная начальным и конечным значениями шкалы. Диапазон измерений средства измерений (диапазон измерений): Область значений величины, в пределах которой нормированы допускаемые пределы погрешности средства измерений. Значения величины, ограничивающие диапазон измерений снизу и сверху (слева и справа), называют соответственно нижним пределом измерений или верхним пределом измерений Цена деления шкалы (цена деления): Разность значения величины, соответствующих двум соседним отметкам шкалы средства измерений. К метрологическим характеристикам, определяющим точность измерения, относится погрешность средства измерений и класс точности СИ. Погрешность средства измерений: Разность между показанием средства измерений () и истинным (действительным) значением () измеряемой физической величины. xdx (1.1) dxxxΔ=− В качестве выступает либо номинальное значение (например, меры), либо значение величины, измеренной более точным (не менее чем на порядок, т.е. в 10 раз) СИ. Чем меньше погрешность, тем точнее средство измерений. dx Погрешности СИ могут быть классифицированы по ряду признаков, в частности: - по отношению к условиям измерения – основные, дополнительные; - по способу выражения (по способу нормирования МХ) – абсолютные, относительные, приведенные. Основная погрешность средства измерений (основная погрешность): Погрешность средства измерений, применяемого в нормальных условиях. Как правило, нормальными условиями эксплуатации являются: - температура (2935) К или (205) 0С; ± ± - относительная влажность воздуха (6515) % при 20 0С; ± - напряжение в сети 220 В10 % с частотой 50 Гц1 %; ±± - атмосферное давление от 97,4 до 104 кПа. Дополнительная погрешность средства измерений (дополнительная погрешность): Составляющая погрешности средства измерения, возникающая дополнительно к основной погрешности вследствие отклонения какой-либо из влияющих величин от нормального ее значения или вследствие ее выхода за пределы нормальной области значений. При нормировании характеристик погрешностей средств измерений устанавливают пределы допускаемых погрешностей (положительный и отрицательный). Пределы допускаемых основной и дополнительной погрешностей выражаются в форме абсолютных, приведенных или относительных погрешностей в зависимости от характера изменения погрешностей в пределах диапазона измерений. Пределы допускаемой дополнительной погрешности можно выражать в форме, отличной от формы выражения пределов допускаемой основной погрешности. Абсолютная погрешность средства измерений (абсолютная погрешность): Погрешность средства измерений, выраженная в единицах измеряемой физической величины. xΔ Абсолютная погрешность определяется по формуле (1.1). Пределы допускаемой основной абсолютной погрешности могут быть заданы в виде: (1.2) aΔ=± Или (1.3) ()abxΔ=±+ где – пределы допускаемой абсолютной погрешности, выраженной в единицах измеряемой величины на входе (выходе) или условно в делениях шкалы; Δ – значение измеряемой величины на входе (выходе) средств измерений или число делений, отсчитанных по шкале; x – положительные числа, не зависящие от ,ab x Приведенная погрешность средства измерения (приведенная погрешность): Относительная погрешность, выраженная отношением абсолютной погрешности средства измерений к условно принятому значению величины (нормирующему значению), постоянному во всем диапазоне измерений или в части диапазона. Приведенная погрешность средства измерений определяется по формуле: %, (1.4) 100NxγΔ=⋅ где – пределы допускаемой приведенной основной погрешности, %; γ – пределы допускаемой абсолютной основной погрешности, устанавливаемые по формуле (1.2); Δ XN – нормирующее значение, выраженное в тех же единицах, что и Δ; Пределы допускаемой приведенной основной погрешности следует устанавливать в виде: , (1.5)pγ=± где– отвлеченное положительное число, выбираемое из ряда 1·10n; 1,5·10n; (1,6·10n); 2·10n; 2,5·10n; (3·10n); 4·10n; 5·10n; 6·10n (n=1, 0, -1, -2 и т.д.). p Нормирующее значение XN принимается равным: - конечному значению рабочей части шкалы (xk), если нулевая отметка находится на краю или вне рабочей части шкалы (равномерной или степенной); - сумме конечных значений шкалы (без учета знака), если нулевая отметка – внутри шкалы; - модулю разности пределов измерений для СИ, шкала которых имеет условный нуль; - длине шкалы или ее части, соответствующей диапазону измерений, если она существенно неравномерна. В этом случае абсолютную погрешность, как и длину шкалы, надо выражать в миллиметрах. Относительная погрешность средства измерений (относительная погрешность): Погрешность средства измерений, выраженная отношением абсолютной погрешности средства измерений к результату измерений или к действительному значению измеренной физической величины. Относительная погрешность средства измерений вычисляется по формуле: %, (1.6) 100xδΔ=⋅ где – пределы допускаемой относительной основной погрешности, %; δ – пределы допускаемой абсолютной погрешности, выраженной в единицах измеряемой величины на входе (выходе) или условно в делениях шкалы; Δ – значение измеряемой величины на входе (выходе) средств измерений или число делений, отсчитанных по шкале. x Пределы допускаемой относительной основной погрешности устанавливают: если , то в виде: bxΔ=± , (1.7) qδ=± где – отвлеченное положительное число, выбираемое из ряда, приведенного выше; q или, если , то в виде: ()abxΔ=±+ (1.8) 1xkcdxδ=±+− где – больший (по модулю) из пределов измерений; kx где– отвлеченное положительное число, выбираемое из ряда 1·10n; 1,5·10n; (1,6·10n); 2·10n; 2,5·10n; (3·10n); 4·10n; 5·10n; 6·10n (n=1, 0, -1, -2 и т.д.). p Нормирующее значение XN принимается равным: - конечному значению рабочей части шкалы (xk), если нулевая отметка находится на краю или вне рабочей части шкалы (равномерной или степенной); - сумме конечных значений шкалы (без учета знака), если нулевая отметка – внутри шкалы; - модулю разности пределов измерений для СИ, шкала которых имеет условный нуль; - длине шкалы или ее части, соответствующей диапазону измерений, если она существенно неравномерна. В этом случае абсолютную погрешность, как и длину шкалы, надо выражать в миллиметрах. Относительная погрешность средства измерений (относительная погрешность): Погрешность средства измерений, выраженная отношением абсолютной погрешности средства измерений к результату измерений или к действительному значению измеренной физической величины. Относительная погрешность средства измерений вычисляется по формуле: %, (1.6) 100xδΔ=⋅ где – пределы допускаемой относительной основной погрешности, %; δ – пределы допускаемой абсолютной погрешности, выраженной в единицах измеряемой величины на входе (выходе) или условно в делениях шкалы; Δ – значение измеряемой величины на входе (выходе) средств измерений или число делений, отсчитанных по шкале. x Пределы допускаемой относительной основной погрешности устанавливают: если, то в виде: bxΔ=± , (1.7) qδ=± где – отвлеченное положительное число, выбираемое из ряда, приведенного выше; q или, если, то в виде: ()abxΔ=±+ (1.8) 1xkcdxδ=±+− где – больший (по модулю) из пределов измерений; kx 13 - положительные числа, выбираемые из ряда, приведенного выше. cd В обоснованных случаях пределы допускаемой относительной основной погрешности определяют по более сложным формулам либо в виде графика или таблицы. Характеристики, введенные ГОСТ 8.009, наиболее полно описывают метрологические свойства СИ. Однако в настоящее время в эксплуатации находится достаточно большое количество СИ, метрологические характеристики которых нормированы несколько по- другому, а именно на основе классов точности. Класс точности средств измерений (класс точности): Обобщенная характеристика данного типа средств измерения, как правило, отражающая уровень их точности, выражаемая пределами допускаемых основной и дополнительной погрешностей, а также другими характеристиками, влияющими на точность. Класс точности дает возможность судить о том, в каких пределах находится погрешность измерений этого класса. Это важно при выборе средств измерений в зависимости от заданной точности измерении. Обозначение классов точности СИ присваивают в соответствии с ГОСТ 8.401 [3]. Правила построения и примеры обозначения классов точности в документации и на средствах измерений приведены в приложении Б. Обозначение класса точности наносят на циферблаты, щитки и корпуса СИ, приводят в нормативной документации на СИ. Номенклатура нормируемых метрологических характеристик СИ определяется назначением, условиями эксплуатации и многими другими факторами. Нормы на основные метрологические характеристики приводятся в стандартах, в технических условиях (ТУ) и эксплуатационной документации на СИ. |