Средства измерения

СОДЕРЖАНИЕ

ВВЕДЕНИЕ          03

1 Средства измерения         04

1.1 Классификация средств  измерений      04

1.2 Метрологические характеристики средств измерений   06

1.3 Нормирование метрологических характеристик средств измерения 08

1.4 Классы точности средств измерений      10

1.5 Погрешности средств измерения      14

2 Практические задания (4 вариант)      19

ЗАКЛЮЧЕНИЕ          22

СПИСОК ИСПОЛЬЗУЕМОЙ ЛИТЕРАТУРЫ     23

Приложение 1          24

ВВЕДЕНИЕ

Поэт начала ХХ века Осип Мандельштам писал: «Красота – не прихоть полубога, а хищный глаз простого столяра». Хорошо и образно сказано о наших предках, создавших такие шедевры древнерусского зодчества, как храм Василия Блаженного, храм Покрова на Нерли, деревянные церкви Кижей и др. Но не только глазомер помогал русским умельцам. Издавна каменщик, плотник и столяр использовали отвес, уровень, то есть средства измерений.

Средство измерений  – техническое средство, используемое при измерениях и имеющее нормированные  метрологические свойства.

Успех измерений зависит  от грамотного использования средств  измерений, от знания их свойств.

В первую очередь надо знать классификацию средств  измерений, их метрологические характеристики, погрешности средств измерений. Уже по обозначениям на школе прибора можно определить, с какой погрешностью мы будем измерять.

Современные приборы  не должны вносить искажения в  значения измеряемых ими величин, а  если  этого нельзя избежать, то они  должны допускать возможность учета  или исключения этих искажений каким-либо приемом.

1 СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЯ

1.1 КЛАССИФИКАЦИЯ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ

Средство измерения — это техническое средство, предназначенное для измерений, имеющее нормированные метрологические характеристики.

Классификация средств  измерений приведена в Приложении 1. Кратко дадим  пояснения к классификации по РМГ 29—99.

Меры — это средства измерения, воспроизводящие или хранящие  физическую величину заданного размера. Меры могут быть однозначными, воспроизводящими одно значение физической величины (гиря, калибр на заданный размер, образцы твердости,  шероховатости и др.), и многозначными — для воспроизведения плавно или дискретно ряда значений одной и той же  физической величины (измерительный конденсатор переменной емкости, набор конечных мер, магазин емкостей, индуктивности и сопротивления, измерительные линейки).

Измерения методом сравнения с  мерой выполняют с  помощью  специальных технических средств  — компараторов (равноплечие весы, измерительный мост и т. д.). Иногда в  качестве компаратора выступает человек, например при измерении длины линейкой.

Измерительные преобразователи — средства измерения, предназначенные для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и хранения, но не доступной для непосредственного восприятия наблюдателем. Это термопары, измерительные трансформаторы и усилители, преобразователи давления. По месту, занимаемому измерительной цепи, они делятся на первичные, промежуточные и т. п. Конструктивно они выполняются либо отдельными блоками, либо составной частью средства измерения. Не следует отождествлять измерительные преобразователи с преобразовательными элементами. Последние не имеют метрологических характеристик, как, например, трансформатор тока или напряжения.

Измерительный прибор —  средство измерения, предназначенное для переработки сигнала измерительной информации в другие, доступные для непосредственного восприятия наблюдателем формы.  Различают приборы прямого действия (амперметры, вольтметры,  манометры) и приборы сравнения (компараторы).

По способу отсчета  измеряемой величины средства измерения делятся на показывающие (аналоговые, цифровые), регистрирующие (на бумажную или магнитную ленту) и т. п.

Измерительная установка  — совокупность функционально объединенных средств измерения и вспомогательных устройств, расположенных в одном месте. Например, поверочные установки, установки для испытания электротехнических, магнитных и других материалов. Измерительная установка позволяет предусмотреть определенный метод измерения и заранее оценить погрешность измерения.

Измерительная система  — это комплекс средств измерений и вспомогательных устройств с компонентами связи (проводные, телевизионные и др.), предназначенный для выработки сигналов измерительной информации в форме, удобной для автоматической обработки, передачи и/или использования в автоматических системах управления.

В отличие от измерительных  установок, предусматривающих изменения  режима и условий функционирования, измерительная система не воздействует на режимы работы, а предназначена только для сбора и/или хранения информации. Частными случаями  измерительной системы являются информационно-вычислительный комплекс, информационно-измерительные системы. К последним можно отнести системы автоматического контроля, системы технического диагностирования, системы распознавания образов, системы для передачи неизмерительной информации. При организации поверки рабочих средств измерений используют различные эталоны и образцовые средства измерения.

Средства измерения, как правило, работают совместно с датчиками (измерительными преобразователями), имеющими свои метрологические характеристики.

1.2 МЕТРОЛОГИЧЕСИКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЯ

Качество измерений  зависит от многих факторов, в том  числе и от свойств средства измерения. Их учитывают в следующих случаях:

- априорная, т.е. до  проведения измерений, оценка  их точности. Для этого надо  знать точность имеющихся средств измерения;

- выбор средства измерения для обеспечения требуемой точности измерений (обратная задача по отношению к предыдущей);

- сравнение средств измерения по метрологическим свойствам при их проектировании и эксплуатации.

    Поэтому для  эффективного использования средства измерения необходимо знать их метрологические характеристики, т.е. такие характеристики их свойств, которые оказывают влияние на результаты и погрешности измерений. Номенклатура нормируемых метрологических характеристик средств измерений зависит от его назначения и условий эксплуатации. Большинство средств измерений предназначено для выполнения технических измерений – статических, с однократными наблюдениями и невысокими требованиями к точности. Однако все большее распространение получают средства измерения, используемые для высокоточных статических и динамических измерений. К их характеристикам предъявляются более жесткие требования.

    Обычно их  разбивают на группы.

   1. Характеристики  для определения показаний средств измерения (функция преобразования измерительного преобразователя и измерительного прибора с неименованной шкалой или со шкалой в единицах, отличных от единиц входной величины; значения однозначной или многозначной меры и т.д.).

   2. Характеристики  качества показаний – точности  и правильности. Точность показания определяется его средним квадратическим отклонением. Правильность обеспечивается внесением поправок, устанавливаемых при метрологических аттестациях средств измерения.

   3. Характеристики  чувствительности средств измерения к влияющим величинам. К ним относят функции влияния таких величин на результат измерений и учет изменений метрологических характеристик средств измерения, вызванных изменениями влияющих величин.

   4. Динамические  характеристики средств измерения, учитывающие их  инерционные свойства.

   5. Характеристики  взаимодействия с объектами или устройствами на входе и  выходе средства измерения.

   6. Неинформативные  параметры выходного сигнала,  обеспечивающие нормальную работу устройств, подключенных к средству измерения.

    Неинформативным  называется параметр входного  сигнала измерительного устройства, не связанный функционально с измеряемым свойством объекта измерения, например, частота переменного тока при измерении его амплитуды.

    Условия эксплуатации (температура, атмосферное давление  и т.п.), неинформативные параметры  входного сигнала и другие, так называемые, влияющие величины могут значительно изменить характеристики средств измерения. Обычно метрологические характеристики нормируют для нормальных и рабочих условий применения средств измерения.

  Погрешность средства измерения, используемого в нормальных условиях, называется, основной погрешностью.

    Для рабочих  условий с более широкими диапазонами  влияющих величин нормируется  при необходимости дополнительная  погрешность средства измерения. Нормальные и рабочие условия указывают в стандартах технических требований и другой нормативно-технической документации на конкретные виды средств измерения.

    Метрологические  характеристики являются показателями  качества и технического уровня  всех без исключения средств измерения. Обычно пользуются сведениями о метрологических характеристиках, содержащимися в нормативно-технических документах на средства измерения. Соответствие этим требованиям метрологических характеристик каждого отдельного экземпляра средства измерения должно проверяться.

    Проверка метрологическим  органом или специально на  то уполномоченным лицом соответствия  метрологических средств измерений к применению называется поверкой. Применение непроверенных средств измерений запрещено. Подробно все вопросы нормирования метрологических характеристик средств измерения регламентируются ГОСТ 8.009-84.

1.3 НОРМИРОВАНИЕ МЕТРОЛОГИЧЕСКИХ  ХАРАКТЕРИСТИК СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЯ

Под нормированием понимается установление границ на допустимые отклонения реальных метрологических характеристик средств измерения от их номинальных значений. Только посредством нормирования метрологических характеристик можно добиться их взаимозаменяемости и обеспечить единство измерений в государстве. Реальные значения метрологических характеристик определяют при изготовлении средств измерений и затем проверяют периодически во время эксплуатации. Если при этом хотя бы одна из метрологических характеристик выходит за установленные границы, то такое средство измерения либо подвергают регулировке, либо изымают из обращения.

Нормы на значения метрологических  характеристик устанавливаются  стандартами на отдельные виды средств измерения. При этом делается различие между нормальными и рабочими условиями применения средства измерения.

Нормальными считаются  такие условия применения средства измерения, при которых влияющие на процесс измерения величины (температура, влажность, частота, напряжение питания, внешние магнитные поля и т.д.), а также неинформативные параметры входных и выходных сигналов находятся в нормальной для данных средств измерения области значений, т.е. в такой области, где их влиянием на метрологические характеристики можно пренебречь. Нормальные области значений влияющих величин указываются в стандартах или технических условиях на средства измерения данного вида в форме номиналов с нормированными отклонениями, например, температура должна составлять 20±2°С, напряжение питания – 220 В±10% или в форме интервалов значений (влажность 30 – 80 %).

Рабочая область значений влияющих величин шире нормальной области  значений. В ее пределах метрологические характеристики существенно зависят от влияющих величин, однако их изменения нормируются стандартами на средства измерения в форме функций влияния или наибольших допустимых изменений. За пределами рабочей области метрологические характеристики принимают неопределенные значения.

Для нормальных условий  эксплуатации средства измерения должны нормироваться характеристики суммарной погрешности и ее систематической и случайной составляющих. Суммарная погрешность средства измерения в нормальных условиях эксплуатации называется основной погрешностью и нормируется заданием предела допускаемого значения, т.е. того наибольшего значения, при котором средство измерения еще может быть признано годным к применению.

Перечисленные выше метрологические характеристики следует нормировать не только для нормальной, но и для всей рабочей области эксплуатации средств измерения, если их колебания, вызванные изменениями внешних влияющих величин и неинформативных параметров входного сигнала в пределах рабочей области, существенно меньше номинальных значений. В противном случае эти характеристики нормируются только для нормальной области, а в рабочей области нормируются дополнительные погрешности путем задания функций влияния  или наибольших допустимых изменений  раздельно для каждого влияющего фактора; в случае необходимости – и для совместного изменения нескольких факторов. Функции влияния нормируются формулой, числом, таблицей или задаются в виде номинальной функции влияния и предела допускаемых отклонений от нее.

Для используемых по отдельности средств измерения, точность которых заведомо превышает требуемую точность измерений, нормируются только пределы допускаемого значения суммарной погрешности и наибольшие допустимые изменения метрологических характеристик. Если же точность средства измерения соизмерима с требуемой точностью измерений, то необходимо нормировать раздельно характеристики систематической и случайной погрешности и функции влияния. Только с их помощью можно найти суммарную погрешность в рабочих условиях применения средства применения.

Динамические характеристики нормируются  путем задания номинального дифференциального  уравнения или передаточной, переходной, импульсной весовой функции. Одновременно нормируются наибольшие допустимые отклонения динамических характеристик от номинальных.

1.4 КЛАССЫ ТОЧНОСТИ  СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ

   Учет всех метрологических  характеристик средств измерения – сложная процедура, оправданная при измерениях высокой точности в метрологической практике. На производстве, как правило, такая точность не нужна. Большинство измерений являются однократными, поэтому за их результат принимается то значение величины, которое непосредственно снято с прибора (без обработки и оценивания погрешности, так как в этом нет необходимости). Но это не означает, что погрешности результатов данного вида измерений неизвестны. Они регламентируются заранее (до выполнения измерений) выбором необходимых по точности средств измерения. Поэтому для средств измерения, используемых в повседневной практике, принято деление по точности на классы.

    Классом точности называется  обобщенная характеристика всех  средств измерения данного типа, обеспечивающая правильность их показаний и устанавливающая оценку снизу точности показаний.

    В стандартах на средства измерения конкретного типа устанавливаются требования к метрологическим характеристикам, в совокупности определяющие класс точности средств измерений этого типа. Например, у плоскопараллельных концевых мер длины такими характеристиками являются пределы допускаемых отклонений от номинальной длины и плоскопараллельности; пределы допускаемого изменения длины в течение года.

    Устанавливая класс точности, нормируют пределы допускаемой  основной погрешности. Ее дольные значения принимают в качестве пределов допускаемых дополнительных погрешностей.

    Пределы допускаемых  погрешностей выражают в форме  абсолютных, приведенных или относительных погрешностей. Это зависит от характера изменения погрешности (в пределах диапазона измерений), назначения и условий применения средства измерения.

    Если погрешность результатов  измерений выражают в единицах  измеряемой величины (например, при измерении длины, массы), то пределы допускаемых погрешностей выражают в форме абсолютных погрешностей.

    Если границы абсолютных погрешностей средства измерения остаются практически неизменными, применяют форму приведенных погрешностей, если же эти границы нельзя считать постоянными – форму относительных погрешностей.

    Абсолютной  погрешностью прибора (меры) называют  разность между показанием прибора (номинальным значением меры) и истинным значением измеряемой (воспроизводимой) величины. Пределы допускаемой абсолютной основной погрешности Δ устанавливают в зависимости от характера изменения погрешности в диапазоне измерений. Если погрешности не зависят от значения измеряемой величины x, то нормируют только границы Δ = ± a, если же с увеличением x погрешность возрастает линейно, то ее пределы устанавливают по формуле:

Δ = ± (a + bx),

 где a и b – положительные  числа. Например, для генератора низкой частоты Г3-36 Δ = ± (0,03⋅f +2) Гц, где f – значение частоты.

    Указание только  абсолютной погрешности не позволяет  сравнивать между собой по точности приборы с разными диапазонами измерений. Поэтому для электроизмерительных приборов, манометров, приборов измерения физико-химических величин и др. характеристикой точности служит приведенная погрешность.

    Приведенной  погрешностью называют отношение  абсолютной погрешности к нормируюшему значению XN (в %), в качестве которого выбирают верхний предел или диапазон измерений, длину шкалы и т.д.

γ =± (Δ⋅100) /XN = ± p%.

Здесь p – положительное число, выбираемое из ряда 1⋅10n; 1,5⋅10n; 2,5⋅10n; 4⋅10n; 5⋅10n; 6⋅10n (n =1,0, −1,−2, …). По этой формуле определяют пределы

допускаемой приведенной основной погрешности прибора. Например, пределы допускаемых погрешностей показывающих амперметров выражают в форме приведенных погрешностей, так как границы погрешностей средств измерения данного вида практически неизменны в пределах диапазона измерений.

    Относительной       погрешностью        называют       отношение абсолютной погрешности к значению измеряемой величины.

    Пределы допускаемой  относительной основной погрешности  находят по формуле δ = (Δ/x)⋅100 = ± q%, если границы абсолютных погрешностей можно полагать практически неизменными, и по формуле:

δ = (Δ/x)⋅100 = ±[c+ d(│Xk / x│−1)] %,

если границы абсолютных погрешностей можно полагать меняющимися линейно. Здесь q – отвлеченное положительное число, выбираемое из ряда, аналогичному ряду для p; Xk – больший по модулю из пределов измерений; c=b+ d; d = a/│Xk; c и d выбирают аналогично q.

    Выражение  пределов допускаемой погрешности  в форме приведенных и относительных погрешностей является предпочтительным, так как они позволяют выражать пределы допускаемой погрешности числом, которое остается одним и тем же для средства измерения одного уровня точности, но с различными верхними пределами измерений.

    В связи  с большим разнообразием средств измерений и их метрологических характеристик ГОСТ 8.401-80 определены способы обозначения классов точности. Выбор способа зависит от того, в каком виде нормирована погрешность средства измерения. При выборе прибора для измерений следует учитывать, что его класс точности определяется основной предельной абсолютной погрешностью. Этой погрешности на различных отметках шкалы будут соответствовать разные значения относительной погрешности.

1.5 ПОГРЕШНОСТИ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЯ

Погрешности средств  измерений – отклонения метрологических свойств или параметров средства измерения от номинальных, влияющие на погрешности результатов измерений (создающие так называемые инструментальные ошибки измерений). Причины возникновения погрешностей чрезвычайно многообразны, поэтому классификация погрешностей, как впрочем, и всякая другая классификация, носит достаточно условный характер. Вместе с тем, она позволяет выделить специфичные подгруппы, которые подчиняются определенным математическим операциям (например, случайные погрешности) или физическим принципам.

Исходя из этих соображений, классификация погрешностей может быть представлена следующими группами (рис.1)

Рис.1

• Абсолютная погрешность
• Относительная погрешность
• Приведенная погрешность

Рис. 2

Абсолютная погрешность выражается в единицах измеряемой величины.

D = Х – А_и        

где: D - абсолютная погрешность (в единицах измеряемой ФВ)

       Х  – результат измерения

       А_и – истинное значение измеряемой ФВ.

На практике,  абсолютную погрешность определяют по формуле:

D = Х – А

где – действительное значение измеряемой ФВ.

По такой погрешности  нельзя напрямую судить о точности измерения.

Для оценки точности измерений  более удобно пользоваться относительной погрешностью.

Относительная погрешность  – это отношения абсолютной погрешности  измерения к истинному (действительному) значению измеряемой величины:

Где А      -  действительное значение ФВ.

Относительная погрешность  чаще выражается в процентах:

Для указания и нормирования погрешности средства измерения, используется еще один способ выражения погрешности – приведенная погрешность.

Приведенная погрешность  – это относительная погрешность, в которой абсолютная погрешность средства измерения отнесена к условно принятому нормирующему значению Х_N, постоянному во всем диапазоне измерений (или части диапазона).

В качестве нормирующего значения Х_N принимают:

• В стрелочных (аналоговых) приборах Х_N = Х_к, где Х_к – верхний предел измерений данного средства измерения, у которого начальное значение равно «0» (рис.3 а).

Рис. 3

Шкалы приборов

Если значение «0» находится  в середине шкалы , то Х_N = |-Х₁| + Х₂ (рис. 3 б).

• Для  средств измерения, шкала которых имеет условный нуль, Х_N равно модулю разности пределов измерений. Например, шкала термоэлектрического термометра имеет градуировку «100⁰¸600⁰С». Для него Х_n=500⁰С.
• В цифровых измерительных приборах (ЦИП) нормирующее значение Х_N указывается в технических характеристиках прибора для каждого поддиапазона (в таблице).

2. В зависимости от  места возникновения различают:

- аппаратурные погрешности;

- методические погрешности;

- субъективные погрешности.

• Аппаратурная  погрешность измерения обусловлена несовершенством средства измерения. Аппаратурная погрешность средства измерения определяется его классом точности.
• Методическая погрешность – обусловлена несовершенством метода измерения.

Наиболее характерным  примером методической погрешности  является влияние измерительного прибора  на измеряемую схему.

При электро-радиоизмерениях  измерительный прибор может быть представлен некоторой эквивалентной  схемой. В простейшем случае (при  измерениях на постоянном токе  или в области низких частот) достаточным будет представление средства измерения в виде активного сопротивления, эквивалентного входному сопротивлению прибора R_вх.

При измерениях на высоких (ВЧ) и особенно сверхвысоких (СВЧ) частотах, необходимо учитывать входные емкости (С_вх) и индуктивности (L_вх) средства измерения, что намного усложняют процесс измерения.

• Субъективная (личная) погрешность оператора. Возникает из-за промаха или личных качеств оператора.

Примеры промаха:

- считывание показаний по неправильной шкале;

- неправильная настройка  и  др.

Примеры влияния личных качеств:

Определение доли деления на шкале  прибора:

Рис. 4

- При определении времени по секундомеру – погрешность D из-за личного времени инерции экспериментатора  (от фиксации глазом до нажатия на кнопку секундомера).

• Систематические погрешности;
• Случайные погрешности.

Систематическая погрешность  измерения D_с – составляющая погрешности измерения, остающаяся постоянной или закономерно изменяющаяся при повторных  измерениях одной и той же величины.

Случайная погрешность  измерений  - составляющая погрешности измерения, изменяющаяся случайным образом при повторных измерениях одной и той же величины.

Результирующая погрешность  измерения всегда содержит обе эти  составляющие:

D = D_с +

• Статическая погрешность: D_ст – составляющая погрешности измерения при постоянной во времени измеряемой величины или измерении в установившемся режиме.
• Динамическая погрешность: - составляющая погрешности измерения при изменении сигнала во времени; она обусловлена динамическими (инерционными) свойствами прибора.
• 5. По влиянию внешних условий различают:
• Основная погрешность – погрешность средства измерений, используемого в нормальных условиях эксплуатации;
• Дополнительная погрешность – погрешность измерения, возникающая при выходе одной из влияющих величин (Р, Т⁰, … ) за границы нормальных условий.
• 6. По зависимости от измеряемой величины различают:
• Аддитивная погрешность D_ад – составляющая погрешности, которая не зависит от величины измеряемой физической величины.
• Мультипликативная погрешность D_м – составляющая погрешности, изменяющаяся пропорционально значению измеряемой ФВ.

2 ПРАКТИЧЕСКИЕ ЗАДАНИЯ

Задание № 5

Три закройщика измерили рост одного и того же клиента и  получили результаты: 1,82 м; 182 см; 1820 мм. Какой результат можно считать значением физической величины? Запишите результаты, используя дольные единицы СИ и десятичный множитель.