Лекция № 2
Средства измерения. Виды средств измерения
Средства измерения – технические средства, используемые при измерениях и имеющие нормированные метрологические характеристики.
Различают 5 видов средств измерения:
1. Меры
2. Преобразователи
3. Приборы
4. Установки
5. Системы
1. Мерой называют средство измерения, предназначенное для воспроизведения и хранения физических величин одного или нескольких заданных размеров, значение которых выражаются в условных единицах и известны с необходимой точностью.
Различают меры однозначные (гири), многозначные (линейка), наборы мер – специально подобранный комплект мер, который может использоваться отдельно и в сочетании. Если набор мер конструктивно объединен в устройство, то его называют магазином мер. Мера, предназначенная для сравнения с ней размеров, формы и расположения поверхностей, называется калибром. Мерами являются стандартные образцы, служащие для воспроизведения единиц величины, характеризующих свойства и состав веществ.
2. Измерительные преобразователи – технические средства, перерабатывающие измерительную информацию в форму, удобную для дальнейшей переработки, хранения и передачи, и имеющие нормированные метрологические характеристики.
Различают первичные, промежуточные, передающие и масштабные преобразователи. Конструктивно обособленные преобразователи называются датчиками (термопара).
3. Измерительные приборы – средства измерения, предназначенные для выработки сигнала измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем.
Приборы делятся на две группы: прямого действия и сравнения.
Приборы прямого действия (непосредственной оценки) позволяют получать значение измеряемой величины непосредственно на отсчетном устройстве и не требуют сравнения с мерой (амперметры, вольтметры, манометры).
В приборах сравнения значение измеряемой величины определяется сравнением с известной величиной, воспроизводимой мерой, поэтому точность этих приборов определяется точностью меры.
Приборы делятся на показывающие и регистрирующие.
Показывающие приборы делятся на цифровые и аналоговые.
Цифровые автоматически выдают дискретные сигналы в цифровой форме. Достоинства: просто автоматизировать, время измерения мало, легко соединить с ЭВМ и ввести информацию, процесс измерения автоматизирован и исключает погрешность оператора.
Аналоговые – стрелочные приборы (состоят из шкалы и указателя). Показание прибора есть функция измеряемой величины.
Регистрирующие – самопишущие, выдающие сигнал в виде диаграмм, или печатающие.
4. СИ могут быть функционально объединены в измерительные установки. Измерительная установка – совокупность функционально объединённых средств измерения и вспомогательных устройств, и расположенных в одном месте. Например, поверочные установки, установки для испытания электротехнических и других материалов. Измерительная установка позволяет предусмотреть определенный метод измерения и заранее оценить погрешность измерения.
5. Измерительная система – это комплекс СИ и вспомогательных устройств с компонентами связи, предназначенный для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для автоматической обработки, передачи и использования в автоматических системах управления. Связь между элементами системы осуществляется по проводным или беспроводным каналам. В отличие от измерительных установок, предусматривающих изменения режима и условий функционирования, измерительная система не воздействует на режимы работы, а предназначена только для сбора и хранения информации.
Метрологические характеристики средств измерений
Все средства измерения независимо от их конкретного исполнения обладают рядом общих свойств, необходимых для выполнения ими их функционального назначения. Технические характеристики, описывающие эти свойства и оказывающие влияние на результат и погрешность измерения, называются метрологическими характеристиками. Перечень важнейших из них регламентируется ГОСТом.
К числу нормированных метрологических характеристик относятся:
1. Характеристики погрешностей средств измерения.
2. Характеристика случайной составляющей погрешности средств измерения.
3. Характеристика систематической составляющей погрешности средств измерения.
4. Вариация показаний измерительного прибора (разница показаний измерительных приборов при двух направлениях измерения величины в процессе подхода к данной точке). (Значения показания величины при подходе стрелки справа или слева).
5. Входное сопротивление измерительного прибора.
6. Пределы шкалы измерительного прибора.
7. Цена деления равномерной шкалы измерительного прибора.
8. Выходной код, число разрядов, цена единицы наименования разряда для числовых приборов.
9. Номинальное значение однозначной меры.
10. Номинальная статическая характеристика преобразования измерительного преобразователя.
11. Выходное сопротивление измерительного преобразователя.
Одной из основных метрологических характеристик является статическая характеристика преобразования. Она устанавливает зависимость выходного сигнала от входного y=f(x). Она задаётся в форме уравнения, графика или таблицы для конкретного преобразователя.
Понятие статической характеристики применимо к измерительному преобразователю и к измерительным приборам. Здесь под входным сигналом понимают значение измеряемой величины, а под y – показание прибора. Если статическая характеристика линейна, y=kx, то k – чувствительность прибора или преобразователя.
Важной метрологической характеристикой шкальных измерительных приборов является цена деления, т.е. то изменение измеряемой величины, которому соответствует перемещение указателя на одно деление шкалы. Шкалы бывают равномерные и неравномерные. Если чувствительность постоянна в каждой точке диапазона измерений, то шкала равномерна. При неравномерной шкале нормируется наименьшая цена деления. У цифровых приборов шкалы в явном виде нет. Для них ценой деления является цена единицы младшего числа показания прибора.
Входное сопротивление измерительного прибора должно быть малым, чтобы методическая погрешность от включения его в цепь, желательно, была меньше цены деления. Если этого достичь не удается, то вводится методическая поправка.
Пример Оценка мощности рассеиваемой на резисторе проводится по формуле 
. Изменения проводились в нормальных условиях амперметром с внутренним сопротивлением Rа= 1 Ом. Показание амперметра: I= 4,2 А. Показание омметра: R = 8,3 Ом.. Определяем методическую погрешность от включения амперметра:
Первая дробь - это ток в цепи с амперметром, минус ток в цепи без амперметра. Проводим преобразования и получаем третью дробь. Подставляем цифровые значения. Таким образом, реальный ток в цепи до включения амперметра был 4,65 А.
Вариация показаний измерительного прибора это разница показаний измерительных приборов при двух направлениях измерения величины в процессе подхода к данной точке. Это проверяется при поверке. Сначала увеличивают значения при подходе стрелки справа к значениям(20, 40, 60 ….)и сравнивают с эталонным прибором 19,97; 39,98; 59,97 …(получают разницу -0,03;-0,02 -0,03).Затем уменьшают величину, и подводят к поверяемой точке слева и получают значения 60,01; 40,01;.20,01 (разница с эталонным приборов +0,01; +0,01;.+0.01.) Вариация это разница показаний измерительных приборов при двух направлениях измерения величины в процессе подхода к данной точке. В точке 20 вариация равна 0,03+0,01=0,04; В точке 40: 0,02+0,01=0,03. Вариация связана со свойствами механизма прибора, пружинами, ограничителями, которые не сразу ворачиваются в исходное положение. Вариация должна быть меньше заданной Гостом на поверку. Ее проверяют в каждой поверяемой точке. Стремятся, чтобы она была меньше цены деления прибора, (а у эталонного делений больше, т.к. он точнее).
Важнейшей характеристикой средств измерения является погрешность.
Под абсолютной погрешностью меры понимают алгебраическую разность между её номинальным и действительным значениями.
D=xн- xд
Под абсолютной погрешностью измерительного прибора понимают разность между его показанием и действительным значением измеряемой величины.
D=xп- xд
Абсолютная погрешность измерительного преобразователя выражается в единицах входной или выходной величины. В единицах входной величины она определяется как разность между значением входной величины х, найденной по действительному значению выходной величины и номинальной статической характеристики преобразователя, и действительным значением входной величины.
D=x- xд
Однако, обычно средства измерения характеризует относительная погрешность – отношение абсолютной погрешности к действительному значению, выраженному в процентах.
d=(D/хд)·100%
Обычно d много меньше 1, поэтому в эту формулу может быть подставлено номинальное значение меры или показания прибора (вместо хд).
Если диапазон прибора охватывает нулевое значение, то D в точке 0 будет равен ¥.
На практике пользуются приведённой погрешностью. Она равна отношению абсолютной погрешности к некоторому номинальному значению.
j= (D/xn)·100%
В качестве этого значения может быть принят диапазон измерения, верхний предел измерения и т.д. Правила выбора хn определены гостом ГОСТ 8.009-84.
Одной из важнейших характеристик средств измерения является метрологическая надёжность.
Метрологическая надежность – свойства средств измерения сохранять установленное значение метрологических характеристик в течение определенного времени при нормальном режиме работы и условиях эксплуатации.
В процессе эксплуатации средств измерения может возникнуть неисправность, называемая отказом. Метрологическим отказом называется выход метрологических характеристик средств измерения за пределы нормы. Внезапные отказы носят случайный характер. Основным показателем надежности СИ является интенсивность отказа:
,
где λi – интенсивность отказа каждой составляющей элемента средств измерения (li берётся из справочника или экспериментально); n – количество типов элементов, входящих в данное средство измерения; mi – количество элементов n-ого типа.
Вероятность безотказной работы: 
Наработка на отказ: 
Т.к. случайный отказ может произойти в любой момент времени, то интенсивность внезапного отказа от времени не зависит.
Поэтому, когда речь идёт о внезапных отказах формула упрощается 
.
, где L – число отказов.
Внезапные отказы могут быть явными – легко обнаруживаться и устраняться и скрытыми – обнаруживаются только при поверке.
Межповерочный интервал определяется формулой: 
,
где Pm (t) – вероятность безотказной в метрологическом смысле работы;
Pм отк - вероятность метрологического отказа за время между поверками.
Для средств измерения, используемых в технике, Pм отк берётся 0,2 – 0,1. При особо важных измерениях – 0,05 – 0,01.
Вопросы:
1 Какие средства измерения Вы знаете?
2 Что такое аналоговый измерительный прибор?
3 При неравномерной шкале какая цена деления нормируется?
4 Показания цифрового прибора: 38,45; 38,40; 38,45; 38,50; 38,55, 38, 40 … Какова цена деления цифрового прибора?
5 Какова вариация прибора в точке 60 приведенного выше примера?
6 Что такое статическая характеристика преобразования?
7 Что такое метрологический отказ?