СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЯ. ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ И УСТАНОВКИ

Средства измерения.

Метрологические характеристики средств измерений.

Классификация средств измерений. Класс точности. Нормирование метрологических характеристик. Выбор средств измерения и контроля.

 

СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЯ. ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫИ УСТАНОВКИ

Средства измерений – технические средства, используемые при измерениях и имеющие нормированные метрологические характеристики. В числа средств измерений входят меры, измерительные приборы и измерительные установки. К ним относятся также измерительные преобразователи и измерительные принадлежности, которые не могут применяться самостоятельно, но служат для расширения диапазона измерений, повышения точности, передачи результатов на расстояние и т.п.

1. Элементарные средства измерений

Элементарными средствами измерений называют меры, устрой­ства сравнения (компараторы) и измерительные преобразователи. Каждое из этих средств, взятое в отдельности, не может осуще­ствить операцию измерения.

Мера – средство измерений в виде тела или устройства, предназначенного для воспроизведения величины одного или нескольких размеров, значения которых она содержит с необходимой для измерения точностью. Мерами являются, например, гири, мерные колбы, концевые меры длины.

Устройство сравнения (компаратор) – средство измерений, позволяющее сравнивать друг с другом меры однородных физических величин или показания измерительных приборов. В качестве устройства сравнения применяется фотореле, включающее (выключающее) уличное электрическое освещение.

При выполнении простейших прямых измерений методом сравнения необходимо только два элемен­тарных средства: мера и компаратор. Например, при измерении длины — линейка и человек, выполняющий функции компара­тора.

При использовании метода непосредственной оценки в состав измерительного средства обязательно входит измерительный пре­образователь, позволяющий проградуировать прибор в единицах измеряемой величины на основе функциональной зависимости между преобразуемой и преобразованной величинами. Примером простейшего преобразователя является точная винтовая пара в микрометре, преобразующая вращательное движение микромет­рического винта в поступательное.

Измерительным преобразователем называется средство изме­рений, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего пре­образования, обработки и (или) хранения, но не поддающейся непосредственному восприятию наблюдателем.

По месту расположения в измерительной цепи преобразователи подразделяются на первичные, непосредственно воспринимающие воздействие измеряемой величины, и промежуточные, располо­женные после первичного преобразователя и предназначенные для дальнейшего преобразования измерительного сигнала. Конструк­тивно обособленные первичные преобразователи иногда называ­ют датчиками. Например, тензорезисторный датчик перемещения является первичным преобразователем, преобразующим переме­щение в изменение активного сопротивления.

Наиболее часто используют линейные преобразователи, име­ющие линейную связь между входной и выходной величинами. При этом если природа входной и выходной величин сохраняет­ся, а изменяется только размер величины в заданное число раз, то преобразователь называется масштабным (например, измерительный микроскоп).

По виду входных и выходных величин преобразователи подразделяются:

• на аналоговые, преобразующие одну аналоговую величину в другую аналоговую величину;

• аналого-цифровые(АЦП), преобразующие аналоговый измеритель­ный сигнал в цифровой код;

• цифроаналоговые(ЦАП), преобразующие цифровой код в аналого­вую величину.

Измерительным сигналом называется сигнал, содержащий количественную информацию об измеряемой физической вели­чине. Измерительные сигналы характеризуются значительным ко­личеством параметров; им посвящена обширная научная литера­тура.

Наиболее универсальными носителями количественной ин­формации являются электрический и радиосигналы, которые позволяют передавать информацию на значительные расстояния и удобны для обработки и дальнейшего преобразования. Поэтому большое внимание уделяется разработке и использованию пер­вичных преобразователей, преобразующих в электрический сиг­нал измеряемые механические, линейно-угловые и другие физи­ческие величины.

2. Измерительные приборы и установки.

Измерительный прибор — средство измерений, в котором изме­ряемая физическая величина преобразуется в измерительный сиг­нал, который в свою очередь воздействует на отсчетное устрой­ство, позволяющее получить значение физической величины в удобной для наблюдателя форме.

По форме представления пока­заний отсчетные устройства подразделяются на цифровые и ана­логовые.

Аналоговый измерительный прибор – средство измерений, показания которого являются непрерывной функцией изменения измеряемой величины (осциллографы, частотомеры и др.)

Цифровым измерительным прибором (ЦИП) называют средство измерений, автоматически вырабатывающее дискретные сигналы измерительной информации и показания которого представлены в цифровой форме.

Перед аналоговыми приборами ЦИП имеют значительные преимущества:

-удобство и объективность отсчета измеряемых величин;

- высокая точность результатов измерения;

- широкий динамический диапазон;

- высокое быстродействие и возможность автоматизации процесса измерения;

- возможность использования новых достижений цифровой и аналоговой микроэлектроники.

Составными частями отсчетного устройства (ЦИП) являются шкала и указатель.

Шкала — это часть отсчетного устройства, представля­ющая собой ряд отметок, соответствующих последовательному ряду значений измеряемой величины.

Отметка шкалы — это знак на шкале (черточка, точка), соответствующий определенному зна­чению измеряемой величины. Отметка, у которой проставлено число отсчета, называется числовой отметкой шкалы. Промежуток между двумя соседними отметками шкалы называется делением шкалы.

Цена деления шкалы — это разность значений измеряемой величины, соответствующих двум соседним отметкам.

Указатель — это часть отсчетного устройства, положение которого относительно отметок шкалы определяет показания измерительного прибора. Указатель выполняется, как правило, в виде подвижной стрелки.

Градуировка шкалы прибора — нанесение на шкалу отметок путем «измерения» многозначной эталонной меры, т.е. путем под­ведения к первичному преобразователю многозначной эталонной меры. В градуировке нуждаются только приборы прямого преоб­разования, так как в них измеряемая величина преобразуется в одном направлении и выходной сигнал воздействует на отсчетное устройство. К приборам прямого действия относится боль­шинство манометров, динамометров, термометров, ампермет­ров и т.д.

Диапазоном измерений называется область значений шкалы, в пределах которой нормированы допускаемые пределы погрешности прибора. При этом диапазон показаний прибора — область значений между первой и последней отметками, — как правило, несколько больше диапазона измерений.

Современные автоматизированные производственные процессы и экспериментальные научные исследования требуют измерения многих физических величин одновременно или в определенном режиме. Для этих целей используют:

измерительные установки — комплекс функционально объединенных средств измерений и вспомогательных устройств, расположенных в одном месте, предназначенных для измерений одной или нескольких физических величин;

измерительные системы — комплекс функционально объединенных средств измерений, вспомогательных устройств, вычислительной техники и каналов связи, размещенных в разных точках контролируемого объекта с целью измерений одной или нескольких физических величин, свойственных этому объекту, и выработки измерительных сигналов в разных целях.

Алгоритм работы измерительных систем может оставаться по­лным, а также изменяться в соответствии с заданной программой или в зависимости от изменяющихся параметров произ­водственного процесса. В работе измерительных приборов, уст­ановок и систем используется большое количество измерительных принадлежностей и вспомогательных устройств, служащих для исключения или поддержания в заданном диапазоне влияющих: факторов, усиления сигнала, улучшения условий измерений и т.д.

(Многим измерительным принадлежностям предъявляются мет­рологические требования, так как они могут являться источни­ком дополнительных погрешностей. Например, лабораторная ме­ханизированная мешалка для приготовления цементного теста яв­ляется измерительной принадлежностью прибора «Вика», и от ее параметров зависит точность определения нормальной густоты це­ментного теста. Лабораторная виброплощадка является измери­тельной принадлежностью технического вискозиметра для опре­деления жесткости бетонной смеси и также оказывает решающее влияние на точность определения. Измерительные принадлежнос­ти и вспомогательные устройства применяются при определении морозостойкости бетона, прочности бетона неразрушающими ме­тодами, испытаниях железобетонных конструкций и т.д. Допуски на технические параметры применяемых устройств должны на­значаться по результатам специальных исследований, оцениваю­щих влияние изменения этих параметров на формирование сум­марной погрешности.)

 

3. Метрологические характеристики средств измерений и их нормирование

Характеристики свойств средств измерений, оказывающих вли­яние на результаты измерений и возникающие при этом погреш­ности, называются метрологическими характеристиками средств измерений.

Характеристики, указанные в нормативно-технической доку­ментации, называются нормированными, а определяемые экс­периментально в ходе измерений — действительными.

Нормирование метрологических характеристик позволяет выби­рать оптимальные измерительные средства для конкретных усло­вий, формировать измерительные системы из отдельных измери­тельных средств, имеющих согласованные характеристики, и пра­вильно оценивать погрешности в реальных условиях выполнения измерений.

Правила выбора и способы нормирования метрологических характеристик установлены ГОСТ 8.00984 «ГСИ. Нормируемые метрологические характеристики средств измерений» и рядом ме­тодических документов.

Для правильного выбора измерительного средства необходимы
не только характеристики систематической и случайной составляющих основной погрешности, но и другие характеристики: цена деления прибора, функция преобразования, динамические харак­теристики и характеристики чувствительности измерительного средства к влияющим факторам.

Для удобства метрологические характеристики объединены в комплексы, каждый из которых подходит для определенной группы средств измерений.

По этому принципу все средства измерений разделены на три большие группы:

• меры и цифроаналоговые преобразователи;

• измерительные и регистрирующие приборы;

• аналоговые и аналого-цифровые измерительные преобразо­ватели.

Одной из главных задач нормирования метрологических характеристик, безусловно, является обеспечение возможностей правильной оценки погрешностей в процессе эксплуатации из­мерительных средств.

Нормирование метрологических характеристик базируется на специальных исследованиях, учитывающих технический уровень производств, выпускающих измерительные средства.

На основании нормированных характеристик рассчитываются основная и дополнительная погрешности, затем погрешности, обус­ловленные взаимодействием измерительного средства с объектом измерений, и, наконец, оценивается интервал, в котором с доверительной вероятностью находится суммарная инструментальная погрешность средства измерений. В нормативно-технической документации приводятся номинальные метрологические характеристики для определенной совокупности средств измерений, имеющих одинаковое назначение и конструкцию.

Характеристики отдельного средства измерений из данной совокупности должны находиться в области значений, указанных в нормативно-технической документации. Определение метрологических характеристик отдельного средства измерения и проверка соответствия номинальным значениям осуществляются в ходе поверочных работ.

Учет всего комплекса метрологических характеристик необходим только при измерениях высокой точности, а также при про­звании сложных измерительных систем. В большинстве производственных отраслей, в том числе в строительстве, используют рабочие средства измерений, метрологические характеристики которых нормированы на основе классов точности.

 

Самостоятельная работа с дополнительной литературой по теме

«Классы точности средств измерений».

Задание№1.

Найдите в тексте учебника ответы на следующие вопросы:

1. Что называется классом точности?

2. Какой документ описывает общие требования при делении на классы точности?

3. Куда наносится обозначение класса точности?

4. Как обозначается класс точности?

 

Задание №2. Заполните таблицу:

№	Условное обозначение класса точности	Расшифровка обозначения	ФОРМУЛА ДЛЯ РАСЧЕТА
относительной погрешности	абсолютной погрешности
	(К)	Значение допустимой предельной относительной погрешности	Δ=К
	К	Нормированная приведенная погрешность
	К	Нормированная приведенная погрешность в единицах длины

 

Задание № 3. Рассчитайте абсолютную и относительную погрешности при измерении различными средствами измерений.

 

 

ВЫБОР СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ И КОНТРОЛЯ

 

При выборе СИ учитывают совокупность различных показателей: метрологических(цена деления, погрешность, пределы измерений, измерительное усилие), эксплуатационных и экономических: массовость (повторяемость измеряемых размеров) и доступность их для контроля; а также, стоимость и надежность СИ, метод измерения; время, затраченное на настройку и процесс измерения; масса, габаритные размеры, рабочая нагрузка; жесткость объекта контроля, шероховатость его поверхности; режим работы и т.д.

Учитывая различные цели контрольно-измерительных операций и их различную принадлежность к этапам ЖЦП, невозможно предложить единую методику выбора СИ, а можно выделить только ряд общих принципов выбора СИ.