Технические основы обеспечения единства измерений

Средства измерений

 

Средством измерений называют техническое устройство, применяемое для измерений и имеющее нормированные метрологические характеристики.

По функциональному назначению средства измерений делят на эталоны единиц величин, меры, измерительные преобразователи, измерительные приборы, измерительные установки и системы.

Эталон единицы величины - средство измерений (или комплекс средств измерений), предназначенное для воспроизведения и (или) хранения единицы величины и утвержденное в качестве эталона в установленном порядке.

Эталоны бывают первичные (Государственные) и вторичные. Первичные эталоны воспроизводят единицу величины с наивысшей в стране точностью. Вторичные эталоны – эталоны, получающие единицу величины путем сличений с первичным эталоном. Вторичные эталоны создаются для организации поверочных работ и обеспечения сохранности Государственного эталона. Наиболее известными являются эталоны единицы длины – метра, единицы массы – килограмма. Менее известны эталоны единиц давления, времени, силы электрического тока, температуры, индуктивности и других единиц величин.

Государственные первичные эталоны содержатся и применяются Государственными научными метрологическими институтами.

Совокупность государственных первичных и вторичных эталонов, являющаяся основой обеспечения единства измерений в стране называется эталонной базой страны.

Мера - средство измерений, предназначенное для воспроизведения заданного значения величины. Меры разделяют на однозначные, многозначные, наборы мер, магазины мер, установочные.

Однозначная мера воспроизводит одно значение величины. Например, гиря 1 кг; плоскопараллельная концевая мера длины 70 мм; конденсатор постоянной емкости, резистор, нормальный элемент. К однозначным мерам относятся стандартные образцы состава и свойств веществ и материалов, в частности, образцы твердости, шероховатости, чистых металлов и сплавов, относительной диэлектрической проницаемости, для которых в результате испытаний установлены значения одной и более величин, характеризующих свойство или состав материала или вещества.

Для удобства применения однозначные меры могут поставляться в виде наборов и магазинов мер. В набор, состав которого обычно устанавливается нормативно-техническими документами, входит комплект мер воспроизводящих несколько значений одной и той же величины, которые при необходимости могут применяться как в отдельности, так и в различных сочетаниях. Магазин мер представляет собой единое устройство, в котором меры объединены конструктивно и имеются приспособления для их соединения в различных комбинациях (магазины электрических сопротивлений, индуктивностей).

Меры, воспроизводящие ряд значений величины, называют многозначными. К их числу принадлежат штриховые меры длины (измерительные линейки), вариометр индуктивности, конденсатор переменной емкости.

На мере указывают номинальное значение величины, которое оно воспроизводит (номинальное значение меры). В зависимости от допуска на значение величины, установленного при изготовлении мер, им присваивают классы точности. Меры, поделенные на классы, называют рабочими и используют при технических измерениях. При этом границы допуска рассматривают как пределы погрешности (расширенной неопределенности) значения меры.

Для установления действительного значения меры её подвергают калибровке/аттестации. Погрешность определения действительного значения меры называется погрешностью калибровки меры. В зависимости от погрешности калибровки (аттестации) меры подразделяют на разряды (1, 2, 3 и т.д. разряды). Меры, которым присвоен тот или иной разряд, применяют для поверки средств измерений (в этом случае по метрологическому назначению они являются эталонами того или иного разряда).

Измерительный преобразователь – это 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.

Измерительные преобразователи входят в состав измерительных приборов, установок и систем.

По месту в измерительной цепи различают первичные, передающие и промежуточные преобразователи. Первичный преобразователь – это преобразователь, на который непосредственно воздействует измеряемая величина. Конструктивно обособленный первичный преобразователь называют датчиком (термопара, динамометрическая пружина, датчик давления или перемещения, шунт и т.п.).

Передающие преобразователи – преобразователи, на выходе которых образуются величины, удобные для регистрации и передачи на расстояние. Преобразователь может одновременно выполнять функции первичного и передающего преобразователей.

Промежуточный преобразователь – измерительный преобразователь, занимающий место после первичного преобразователя (измерительные преобразователи тока, усилители и т.п.).

Основной характеристикой преобразователя является функция преобразования, определяемая как соотношение значений входной (преобразуемая величина) и выходной величин. Если в результате преобразования природа сигнала измерительной информации не изменяется а функция преобразования линейная, то преобразователь называется масштабным или усилителем.

Измерительный прибор – средство измерения, предназначенное для преобразования сигнала измерительной информации к виду, доступному для восприятия и отсчета.

В зависимости от метода измерений, для которого предназначен измерительный прибор, различают приборы прямого действия (манометры, термометры, амперметры, тахометры и т.д.) и приборы сравнения (весы, индикаторная скоба, электрические компенсаторы и т.д.).

 

Если конструкция отсчетного устройства прибора позволяет считывать измерительную информацию, соответствующую любому значению величины в пределах диапазона показаний, то измерительный прибор называют аналоговым (осциллограф, ртутный термометр, манометр, индикатор часового типа и др.). В случае, если информация на отсчетном устройстве отображается в виде дискретных значений, прибор называют цифровым (цифровой вольтметр, измерительный микроскоп с цифровым отсчетом и т.п.). Шкала аналогового прибора является шкалой измерений в явном виде. У цифрового прибора шкала измерений в явном виде отсутствует, хотя и хранится им.

 

Регистрирующие измерительные приборы позволяют записывать измерительную информацию на бумажный носитель, магнитный диск или перфоленту, фотопленку или фотобумагу. К ним в частности относятся: локомотивные скоростемеры, автоматические потенциометры для регистрации изменения температуры, профилографы для оценки шероховатости поверхности, шлейфовые осциллографы. Регистрирующий прибор, в котором предусмотрена запись показаний в форме диаграммы, называют самопишущим. Печатающий измерительный прибор регистрирует информацию в цифровой форме. Большинство измерительных приборов допускают только отсчитывание показаний значений измеряемой величины и называются показывающими. Дополнительными функциональными возможностями обладают суммирующие и интегрирующие измерительные приборы.

Для классификации измерительных приборов используют физические принципы, реализованные в приборах для получения или для преобразования измерительной информации. Физический принцип, положенный в основу прибора называют принципом действия прибора.

В соответствии с решаемыми задачами меры, измерительные преобразователи и измерительные приборы могут объединяться в измерительные установки и системы.

Измерительная установка (измерительный стенд) представляет собой совокупность функционально объединенных мер, измерительных приборов, преобразователей и других устройств. Измерительные системы являются развитыми измерительными устройствами, в состав которых дополнительно включена ЭВМ для автоматической обработки результатов измерений. Измерительные системы используются в информационных, управляющих и контролирующих системах. Измерительную систему, перенастраиваемую в зависимости от изменения измерительной задачи, называют гибкой измерительной системой.

По метрологическому назначению средства измерений делят на эталоны, рабочие и вспомогательные средства измерений.

Эталоны – средства измерений (комплекс средств измерений), предназначенные для определения метрологических характеристик других средств измерений и утвержденные в качестве эталонов в установленном порядке. (Раньше такие средства измерений называли образцовыми). В зависимости от уровня метрологических характеристик эталонам присваивают разряды.

Эталоны как средства измерений определенного метрологического назначения следует отличать от эталонов единиц величин (см. выше) – технических устройств определенного функционального назначения.

Рабочие средства измерений предназначены для измерений, не связанных с контролем метрологических характеристик других средств измерений, то есть: показателей качества изделий, параметров технологических процессов и окружающей среды, результатов спортсменов, в медицинских целях, при осуществлении торговых операций и др.

В зависимости от условий применения рабочие средства измерений делят на следующие группы:

-лабораторные (используются в научных исследованиях, в медицине, в производственных лабораториях);

-производственные (применяются для обеспечения и контроля заданных характеристик технологических процессов, для контроля качества продукции, при ремонте технических устройств);

-полевые средства измерений (устанавливаются на транспортных средствах, буровых установках, передвижных электростанциях).

Вспомогательные средства измерений – средства измерения величин, влияющих на метрологические свойства другого средства измерений при его применении или поверке. Показания вспомогательных средств измерений используют для вычисления поправок к результатам измерений или для поддержания влияющих величин в заданных пределах.

Для реализации измерений необходимы также вспомогательные устройства, называемые измерительными принадлежностями. К ним относятся, например, термостаты; барокамеры; противовибрационные фундаменты; устройства, экранирующие влияние электромагнитных полей; тренога для установки прибора по уровню; струбцины и боковики для работы с плоскопараллельными концевыми мерами длины и др.