Средства измерения, их классификация и краткая характеристика

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО МОРСКОГО И РЕЧНОГО ТРАНСПОРТА

ФЕДЕРАЛЬНОЕ  ГОСУДАРСТВЕННОЕ  ОБРАЗОВАТЕЛЬНОЕ

УЧРЕЖДЕНИЕ  ВЫСШЕГО ПРОФЕССИОНАЛЬНОГО  ОБРАЗОВАНИЯ

«САНКТ-ПЕТЕРБУРГСКИЙ  ГОСУДАРСТВЕННЫЙ  УНИВЕРСИТЕТ

ВОДНЫХ  КОММУНИКАЦИЙ» 

Кафедра: Электротехники и Автоматики 
 
 
 

Реферат по Энциклопедии Водного  Транспорта 

Тема: средства измерения, их классификация и краткая характеристика 
 
 

Выполнил:

Ст. гр. ИП-11

Щукин И.М.

Проверил:

Терентьев В.Е. 
 
 

СПб, 2011 год 

Средство измерений (СИ) – техническое средство, предназначенное  для измерений, имеющее нормированные  метрологические характеристики, воспроизводящее  или хранящее единицу физической величины, размер которой принимают  неизменной  в течение известного интервала времени.

К средствам  измерений относятся меры, измерительные преобразователи, приборы, установки и системы.

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. Примеры мер: гири, измерительные резисторы, концевые меры длины, радионуклидные источники и др.

Меры, воспроизводящие  физические величины лишь одного размера, называются однозначными (гиря), нескольких размеров – многозначные (миллиметровая линейка – позволяет выражать длину как в мм, так и в см). Кроме того, существуют наборы и магазины мер, например, магазин емкостей или индуктивностей.

Измерительный преобразователь (ИП) - техническое  средство с нормативными метрологическими характеристиками, служащее для преобразования измеряемой величины в другую величину или измерительный сигнал, удобный  для обработки, хранения, индикации  или передачи. Измерительная информация на выходе ИП, как правило, недоступна для непосредственного восприятия наблюдателем

Преобразуемая величина, поступающая на измерительный  преобразователь, называется входной, а результат преобразования –  выходной величиной. Соотношение между ними задается функцией преобразования, которая является его основной метрологической характеристикой. 

По характеру  преобразования ИП могут быть аналоговыми, аналого-цифровыми (АЦП), цифро-аналоговыми (ЦАП), то есть,  преобразующими  цифровой сигнал в аналоговый или наоборот. При аналоговой форме представления сигнал может принимать непрерывное множество значений, то есть, он является непрерывной функцией измеряемой величины. В цифровой (дискретной) форме он представляется в виде цифровых групп или чисел.

Измерительный прибор – средство измерений, предназначенное для получения значений измеряемой физической величины в установленном диапазоне. Измерительный прибор представляет измерительную информацию в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем.

 По способу  индикации различают показывающие  и регистрирующие приборы. Регистрация  может осуществляться в виде  непрерывной записи измеряемой  величины или путем печатания  показаний прибора в цифровой  форме. 

 Приборы прямого  действия отображают измеряемую величину на показывающем устройстве, имеющем градуировку в единицах этой величины. Например, амперметры, термометры.

Приборы сравнения  предназначены для сравнения  измеряемых величин с величинами, значения которых известны. Такие приборы используются для измерений с большей точностью.

 По действию  измерительные приборы разделяют  на интегрирующие и суммирующие,  аналоговые и цифровые, самопишущие  и печатающие.

Измерительная установка и система – совокупность функционально объединенных мер, измерительных приборов и других устройств, предназначенных для измерений одной или нескольких величин и расположенная в одном месте (установка) или в разных местах объекта измерений (система). Измерительные системы, как правило, являются автоматизированными и по существу они обеспечивают автоматизацию процессов измерения, обработки и представления результатов измерений

 По метрологическому  назначению средства измерений  делятся на рабочие и эталоны. 

Рабочее СИ - средство измерений, предназначенное для измерений, не связанное с передачей размера единицы другим средствам измерений. Рабочее средство измерений может использоваться и в качестве индикатора.   Индикатор – техническое средство или вещество, предназначенное для установления наличия какой-либо физической величины или превышения уровня ее порогового значения. Индикатор не имеет нормированных метрологических характеристик. Примерами индикаторов являются  осциллограф, лакмусовая бумага и т.д.

Эталон - средство измерений, предназначенное для  воспроизведения и (или) хранения единицы и передачи ее размера другим средствам измерений. Среди них можно выделить рабочие эталоны разных разрядов, которые ранее назывались образцовыми средствами измерений. Более подробно эталоны будут рассмотрены  ниже.

 Метрологические характеристики СИ

Метрологическая характеристика (МХ) –  характеристика одного из свойств средства измерений, влияющая на результат измерений  и его погрешность. Метрологические  характеристики позволяют судить об их пригодности для измерений  в известном диапазоне с известной точностью. Метрологические характеристики, устанавливаемые нормативными документами на средства измерений, называют нормируемыми метрологическими характеристиками, а определяемые экспериментально – действительными.

 Для каждого типа СИ устанавливаются свои метрологические характеристики. Ниже рассматриваются наиболее распространенные на практике метрологические характеристики.

Диапазон измерений  СИ – область   значений величины, в пределах которой нормированы  его допускаемые пределы погрешности. Для мер это их номинальное значение, для преобразователей — диапазон преобразования. Различают нижний и верхний пределы измерений, которые выражаются значениями величины, ограничивающими диапазон измерений снизу и сверху.

Погрешность СИ — разность между показанием средства измерений – Хп и истинным (действительным) значением измеряемой величины – Х д.

 Существует  распространенная классификация  погрешностей средств измерений.  Ниже приводятся примеры их  наиболее часто используемых  видов.

Абсолютная погрешность  СИ – погрешность средства измерений, выраженная в единицах измеряемой величины. Абсолютная погрешность удобна для практического применения, т.к. дает значение погрешности в единицах измеряемой величины.

Относительная погрешность СИ – погрешность средства измерений, выраженная отношением абсолютной погрешности СИ к результату измерений или к действительному значению измеренной величины. Относительная погрешность дает наилучшее из всех видов погрешностей представление об уровне точности измерений, который может быть достигнут при использовании данного средства измерений. Однако она обычно существенно изменяется вдоль шкалы прибора, например, увеличивается с уменьшением значения измеряемой величины. В связи с этим часто используют приведенную погрешность.

Приведенная погрешность  СИ – относительная погрешность, выраженная отношением абсолютной погрешности  средства измерений к условно принятому значению величины, которое называют нормирующим.

Для показывающих приборов нормирующее значение устанавливается в зависимости от особенностей и характера шкалы. Приведенные погрешности позволяют сравнивать по точности средства измерений, имеющие разные пределы измерений, если абсолютные погрешности каждого из них не зависят от значения измеряемой величины.

 По условиям  проведения измерений погрешности СИ подразделяются на основные и дополнительные.

Основная погрешность  СИ – погрешность средства измерений, применяемого в нормальных условиях, т.е. в условиях, которые определены для него как нормальные.

Дополнительная  погрешность СИ – составляющая погрешности  СИ, возникающая дополнительно к  основной погрешности вследствие отклонения какой-либо из влияющих величин от нормального  ее значения. Деление погрешностей на основные и дополнительные обусловлено  тем, что свойства средств измерений зависят от внешних условий.

 Погрешности   по своему происхождению разделяются  на систематические и случайные.

Систематическая погрешность СИ – составляющая погрешности  средства измерений, принимаемая за постоянную или закономерно изменяющуюся. Систематические погрешности являются в общем случае функциями измеряемой величины и влияющих величин (температуры, влажности, давления, напряжения питания и т.п.).

Случайная погрешность  СИ – составляющая погрешности средства измерений, изменяющаяся случайным образом. Случайные погрешности средств измерений обусловлены случайными изменениями параметров составляющих эти СИ элементов и случайными погрешностями отсчета показаний приборов.

Стабильность  СИ — качественная характеристика средства измерений, отражающая неизменность во времени его метрологических характеристик.

Градуировочная  характеристика СИ – зависимость  между значениями величин на входе  и выходе средства измерений, полученная экспериментально. Может быть выражена в виде формулы, графика или таблицы.

 Использование  СИ

С точки зрения применения в зависимости от решаемой измерительной задачи и дальнейшего  использования результатов измерений  средств измерений можно разделить  на стандартизованные и нестандартизованные.

 Стандартизованное  СИ - средство измерений, изготовленное  и применяемое в соответствии  с требованиями государственного  или отраслевого стандарта. Стандартизованные  средства измерений  обычно  подвергают испытаниям и вносят  в Государственный реестр.

Нестандартизованное СИ – средства измерений, стандартизация требований к которому признана нецелесообразной. К нестандартизованным обычно относятся узкоспециализированные средства измерений, изготовленные в единичных экземплярах и не предназначенные для массового производства. Измерительные задачи, решаемые с помощью таких средств измерений, носят ограниченный и локальный характер. Как правило, такие средства измерений используются на одном или нескольких предприятиях для вспомогательных измерений. Часто они применяются в качестве индикаторов. К понятию стандартизованного средства измерений примыкает понятие узаконенного средства измерений.

Узаконенное СИ – средство измерений, признанное годным и допущенное для применения уполномоченным на то органом. Примеры узаконенных средств измерений: государственные эталоны становятся таковыми в результате утверждения национальным органом по стандартизации, рабочие средства измерений, предназначенные для серийного выпуска, которые узакониваются путем утверждения тип (см. ниже).

 Все многообразие  средств измерений подразделяется  на типы и виды.

Тип средств  измерений – совокупность средств  измерений одного и того же назначения, основанных на одном и том же принципе действия, имеющих одинаковую конструкцию  и изготовленных по одной технической документации. То есть, тип средств измерений - это абсолютно одинаковые приборы, различающиеся лишь заводскими номерами. В отличии от типа различают вид средств измерений, который включает в себя их более широкий круг.

Вид средства измерений  – совокупность СИ, предназначенных для измерения данной физической величины. Вид средств измерений может включать в себя несколько их типов. Например, амперметр является видом средства измерений для измерения силы тока.

 Возможность  или невозможность использования средства измерения для решения поставленной измерительной задачи характеризуется такими понятиями, как метрологическая исправность и метрологический отказ.

Метрологическая исправность СИ – состояние средств  измерений, при котором все нормируемые  метрологические характеристики соответствуют установленным требованиям. Тогда они могут использоваться в соответствии с их назначением и метрологическими характеристиками.

Метрологический отказ СИ – выход метрологической  характеристики средства измерений  за установленные пределы. Если метрологический отказ произошел из-за технических неполадок, то они должны быть устранены. Если же прибор технически исправен, то в случае метрологического отказа его класс  точности должен быть понижен.

Нормирование  погрешностей СИ

В основе нормирования погрешностей средств измерений  лежат следующие основные положения.

1. В качестве  норм указывают пределы допускаемых погрешностей, включающие в себя систематические и случайные составляющие.

2. Порознь нормируют  все свойства СИ, влияющие на их точность: отдельно нормируют основную погрешность, по отдельности – все дополнительные погрешности и другие свойства, влияющие на точность измерений. При выполнении данного требования обеспечивается максимальная однородность средств измерений одного типа, то есть близкие значения дополнительных погрешностей, обусловленных одними и теми же факторами. Это дает возможность заменять один прибор другим однотипным без возможного увеличения суммарной погрешности.

Класс точности СИ и его обозначение

Установление  рядов пределов допускаемых погрешностей позволяет упорядочить требования к средствам измерений по точности. Это упорядочивание осуществляется путем установления классов точности СИ.

Класс точности СИ – обобщенная характеристика данного  типа СИ, отражающая уровень их точности, выражаемая пределами допускаемой  основной, а в некоторых случаях  и дополнительных погрешностей (они рассмотрены выше), а также другими характеристиками, влияющими на точность. Класс точности применяется для средств измерений, используемых в технических измерениях, когда нет необходимости или возможности выделить отдельно систематические и случайные погрешности, оценить вклад влияющих величин с помощью дополнительных погрешностей. Класс точности позволяет судить о том, в каких пределах находится погрешность средств измерений одного типа, но не является непосредственным показателем точности измерений, выполняемых с помощью каждого из этих средств. Класс точности СИ конкретного типа устанавливают в стандартах технических требований или других нормативных документах.

 При выражении  предела допускаемой основной  погрешности в форме абсолютной  погрешности класс точности в  документации и на средствах  измерения обозначается прописными  буквами латинского алфавита  или римскими цифрами. Чем дальше буква от начала алфавита, тем больше погрешность. Расшифровка соответствия букв значению абсолютной погрешности осуществляется в технической документации на средство измерения.

В настоящее  время по отношению к современным  средствам измерений понятие класс точности применяется довольно редко. В основном он чаще всего используется для описания характеристик электроизмерительных приборов, аналоговых стрелочных приборов всех типов, некоторых мер длины, весов, гирь общего назначения, манометров.

Эталоны и их использование

Эталоны классифицируются по различным признакам. Так, они  делятся на первичные, вторичные  и рабочие.   Первичный эталон  воспроизводит единицу с наивысшей (по сравнению с другими эталонами  той же величины) точностью.   Государственный первичный эталон - это эталон, признанный в качестве исходного на территории государства. Вторичный эталон получает  размер единицы от первичного эталона. Рабочий эталон  предназначен для передачи размера единицы рабочим средствам измерений, так как для поверки многочисленных рабочих средств измерений нецелесообразно использовать очень точный и дорогой первичный эталон. Этот термин заменяет  применявшийся ранее термин образцовое средство измерений. Рабочие эталоны подразделяют на разряды: 1-й, 2-й и т.д.

Эталонная база РФ состоит из 118 государственных  эталонов и более 300 вторичных эталонов. Государственные эталоны служат для воспроизведения физических величин, поэтому структура эталонной  базы соответствует структуре единиц СИ. Основа этой базы — эталоны основных единиц СИ кроме эталона единицы количества вещества (моль). Большинство эталонов сосредоточено в двух метрологических институтах РФ - Всероссийском научно-исследовательском институте метрологии им. Д.И. Менделеева (ВНИИМ) и Всероссийском научно-исследовательском институте физико-технических и радиотехнических измерений (ВНИИФТРИ).

Под передачей  размера единицы величины понимается приведение размера величины, хранимой средством измерений, к размеру  единицы, воспроизводимой эталоном. Эта процедура осуществляется при поверке средств измерений.

Поверка средств  измерений – установление органом  государственной метрологической  службы (или другим официально уполномоченным органом, организацией) пригодности  СИ к применению на основе экспериментально определяемых метрологических характеристик и подтверждения их соответствия установленным обязательным требованиям.

Результаты поверки  средств измерений, признанных годными  к применению, оформляют выдачей  свидетельства о поверке, нанесением поверительного клейма на приборы или в техническую документацию (паспорт) прибора.     Поверку СИ могут проводить также метрологические службы юридических лиц, аккредитованные на право поверки средств измерений в государственных метрологических органах.

 Поверка подразделяется на первичную (при выпуске средств измерений), периодическую (при их эксплуатации), внеочередную, инспекционную (при различных проверках), комплектную (всей измерительной установки или системы целиком), поэлементную (отдельных элементов установки или системы), выборочную (отдельных экземпляров средств измерений).

Поверочная схема  для СИ – нормативный документ, устанавливающий соподчинение средств  измерений, участвующих в передаче размера единицы от эталона к  рабочим средствам измерений, с  указанием методов и погрешности при передаче.. Различают государственные(на все средства измерений данной величины в стране) и локальные поверочные схемы (на средства измерений в регионе, отрасли, предприятии). Требования к поверочным схемам определены стандартом ГСИ «ГОСТ 8.061-80. Поверочные схемы. Содержание и построение».

Средства измерений, не входящие в сферу государственного метрологического контроля, могут подвергаться калибровке.

Калибровка СИ – совокупность операций, устанавливающих  соотношение между значением величины, полученным с помощью данного СИ и соответствующим значением величины, определенной с помощью эталона, с целью определения действительных метрологических характеристик этого СИ.