Колчков В.И. МЕТРОЛОГИЯ, СТАНДАРТИЗАЦИЯ И СЕРТИФИКАЦИЯ. М.:Учебное пособие
3. Метрология и технические измерения
3.5. Средства измерений
3.5.5. Метрологические характеристики измерительных приборов
Метрологическими характеристиками измерительных приборов и установок являются: диапазон показаний, диапазон измерений, цена деления шкалы, длина деления шкалы, чувствительность и вариация и др.
Метрологическими характеристиками называются технические характеристики , определяющие свойства измерительных приборов и оказывающие влияние на результаты и на погрешности измерений. Они предназначены для оценки технического уровня и качества средства измерений.
Технические характеристики относятся к показателям точности, оказывающим влияние на результаты измерений
Диапазон показаний - область значений шкалы, ограниченная начальным и конечным значениями шкалы. Наибольшее и наименьшее значения измеряемой величины, отмеченные на шкале, называют начальным и конечным значениями шкалы прибора. Например, для оптиметра типа ИКВ - 3 диапазон показаний по шкале составляет ±0,1 мм, для длиномера типа ИЗВ диапазон показаний по шкале составляет 0 - 100 мм.
Диапазон измерений - область значений измеряемой величины с нормированными допускаемыми погрешностями средства измерений. Для оптиметра типа ИКВ - 3 диапазон измерений размеров составляет 0 - 200 мм, для длиномера - 0 - 250 мм.
Цена деления шкалы - разность значений величины, соответствующих двум соседним отметкам шкалы. Например, для оптиметра и длиномера это - 0,001 мм, а для микрометра - 0,01 мм.
Длина деления шкалы - расстояние между осями (центрами) двух соседних отметок шкалы, изме-ренное вдоль воображаемой линии, проходящей через середины малых отметок шкалы. Очевидно, чем больше длина деления шкалы, тем выше усиление и тем комфортнее воспринимается наблюдателем измерительная информация.
Чувствительность измерительного прибора - отношение изменения сигнала на выходе измерительного прибора к вызывающему его изменению измеряемой величины. Так, если при измерении диаметра вала с номинальным размером х = 100 мм изменение измеряемой величины равное 0,01 мм вызвало перемещение стрелки показывающего устройства на 10 мм, абсолютная чувствительность прибора составляет 10/0,01 = 1000, относительная чувствительность равна 10 (0, 01/100) = 10.000. Для шкальных измерительных приборов абсолютная чувствительность численно равна передаточному отношению и с изменением цены деления шкалы чувствительность прибора остаётся неизменной. Однако на разных участках шкалы чувствительность может быть разной. Понятие чувствительности может определяться передаточной функцией, как функцией отношения сигналов на входе и на выходе преобразователя, В зависимости от вида функции чувствительность может быть либо постоянной величиной, либо величиной, зависящей от этой функции. Если функция линейная, то прибор имеет линейную шкалу, в противном случае - нелинейную. Линейность шкалы зависит не только от характеристик преобразователя, но и от выбора единиц физических величин.
Наряду с чувствительностью существует понятие порог чувствительности , представляющее собой минимальное значение изменения измеряемой величины, которое может показать прибор. Порог чувствительности тем ниже, чем больше чувствительность. Кроме того, на него влияют конкретные условия наблюдения, например возможность, различать малые отклонения, стабильность показаний, величина трения покоя и др.
Вариация показаний измерительного прибора - разность показаний прибора в одной и той же точке диапазона измерений при плавном подходе "справа" и подходе "слева" к этой точке. Вариация по-казаний представляет собой алгебраическую разность наибольшего и наименьшего результатов при многократном измерении одной и той же величины в неизменных условиях. Вариация характеризует нестабильность показаний измерительного прибора.
Градуировочная характеристика прибора - это зависимость между значениями величин на выходе и входе средства измерений, представленная в виде формулы, таблицы или графика. В большинстве случаев приборы градуируют так, чтобы цена деления шкалы превышала максимальную погрешность градуировки, но этот принцип действует не всегда. Таким образом, хотя между точностью и чувствительностью существует определенное соответствие, путать эти понятия не следует. Градуировочная характеристика прибора может быть использована для уточнения результатов измерения.
Колчков В.И. МЕТРОЛОГИЯ, СТАНДАРТИЗАЦИЯ И СЕРТИФИКАЦИЯ. М.:Учебное пособие
3. Метрология и технические измерения
3.5. Средства измерений
3.5.3. Передача размера физических величин
Порядок передачи размера единиц физической величины от эталона или исходного образцового средства к средствам более низких разрядов, включая, рабочие, устанавливают в соответствии с поверочной схемой. Поверочная схема передачи единицы длины заключается в последовательном сличении и поверке. Передача единицы производится от рабочего эталона к образцовым мерам высшего разряда, а от них образцовым мерам низших разрядов, затем к рабочим средствам измерения (оптиметрам, измерительным машинам, контрольным автоматам и т. п.). Структура поверочной схемы состоит из нескольких уровней, соответствующих ступеням передачи размера единиц.
Существуют различные типы поверок измерительных приборов.
- Первый тип поверки - использование образцовой меры , аттестованной в соответствии со стандартами. Такая поверка может выполняться любой службой, в том числе и отраслевой.
- Второй тип поверки - сличение показаний прибора с показаниями образцового прибора или образ-цовой установки. Образцовая аппаратура имеет более высокий класс точности и, соответственно, дос-таточно высокую стоимость, поэтому поверка проводится, как правило, в специальных организациях - центрах стандартизации и метрологии.
- Третий тип поверки - поэлементно-эквивалентный метод. Это самый трудоемкий тип поверки. Сущность его заключается в том, что если прибор имеет, например, первичный преобразователь, усилитель, аналогово-цифровой преобразователь и какие-либо вспомогательные устройства, то рабо-тоспособность и погрешности определяют для всех составных частей, не поверяя прибор как целое. В этом случае в зависимости от типа составляющих они могут поверяться как приборы, измеряющие физические величины, отличные от тех, для измерения которых предназначен прибор. Например, профилограф-профилометр может иметь алмазный наконечник, электроизмерительный преобразователь, усилитель, интегрирующий блок и высоковольтный самописец или вывод на компьютер. В таком приборе можно поверять отдельно механическую, электрическую и электронную части и делать выводы о работоспособности и классе точности прибора как измерителя качества поверхности.
- В некоторых случаях, когда поверке подвергается новый измерительный прибор, этот метод поверки оказывается наиболее подходящим, а иногда и единственно возможным. Поверку некоторых типов приборов проводят без применения мер или образцовых приборов. Показания этих измерительных приборов можно контролировать по таблицам физическим констант и стандартным справочным данным. Такими константами, например являются: скорость света в вакууме, постоянная Авогадро - число частиц в 1 моле вещества, гравитационная постоянная и др. Показания этих приборов сличаются с физическими константами или со стандартными справочными данными.
3.5.4. Измерительные приборы и установки
Измерения физических величин в производственной деятельности выполняются с помощью рабочих средств измерения - измерительными приборами или измерительными установками .
Измерительный прибор - средство измерения, предназначенное для выработки измерительной ин-формации в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем.Измерительный прибор представляет собой устройство, градуированное, как правило, непосредственно в единицах измеряемой физической величины.
Измерительные приборы включают в себя: измерительный преобразователь (датчик), преобразователя сигнала в аналоговую или цифровую форму, усилитель сигнала, отсчетное устройство.
Современные приборы, кроме того, могут быть оснащены различными электронными устройствами. Например, цифровыми отсчётными устройствами, самописцами или магнитными накопителями, а также устройствами сочленения прибора с компьютером. В случае наличия у измерительных приборов цифровых выходов в виде быстродействующих портов типа USB -2 или Fire Wire (IEEE 1394) у пользователя появляются дополнительные возможности, например статистическая обработка результатов при проведении измерений в динамическом режиме, измерение параметров быстро протекающих процессов.
В зависимости от программного обеспечения процедуры измерений, появляются также многие сервисные возможности, например компьютер, может управлять процессом измерений, проводить анализ текущей измерительной информации и т.д.
Измерительный преобразователь - это устройство, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для её передачи, преобразования, обработки и хранения. Различают первичный, промежуточный, передающий и масштабный преобразователи.
- Первичный преобразователь занимает в измерительной цепи первое место и непосредственно воспринимает измерительную информацию.
- Промежуточный преобразователь занимает в измерительной цепи второе место.
- Передающий измерительный преобразователь предназначен для дистанционной передачи сигнала.
- Масштабный преобразователь предназначен для усиления величины в заданное число раз.
Первичный преобразователь (датчик) имеет чувствительный элемент (контактный или бесконтактный), находящийся под непосредственным воздействием измеряемой величины. Преобразователи разнообразны по конструкции и принципу действия. Они могут быть: механические, оптические, емкостные, индуктивные, лазерные и др.
Усилители могут выполняться в виде катодных повторителей, амплитудно-частотных преобразователей, согласующих устройств с выходом на компьютер и др.
Измерительная установка - комплекс, включающий в себя несколько приборов и вспомогательных комплектующих устройств. Грань между прибором и установкой достаточно условна. Так, например, если температура измеряется при помощи термопары и вольтметра, можно говорить о термо-электрической установке, а можно то же самое назвать электрическим термометром.
Другой пример универсальный измерительный микроскоп (УИМ ) , являющийся прибором для измерения геометрических параметров деталей, по существу - измерительная установка с множеством дополнительных устройств и приспособлений.
Кроме измерительных приборов и вспомогательных устройств в состав измерительных установок могут входить меры или наборы мер. Например, наборы сменных шкал, объективов с разным фокусным расстоянием, наборы гирь, магазины сопротивлений и индуктивностей, нормальные гальванические элементы и т. д.
В настоящее время территориально разрозненные средства измерения могут соединяться каналами связи, образуя сети. Всё в совокупности представляет собой информационно-измерительную систему. Информация в этой системе может быть представлена в форме, удобной для непосредственного восприятия, а также передаваться по сети. Система позволяет проводить компьютерную обработку информации, анализировать её и использовать для автоматического управления производственными процессами.
Теория Практикум
Задания Информация
Значимую роль в экономике любого государства играют метрологические стандарты, посредством которых осуществляется измерение физических параметров различных объектов. Для этого задействуются средства измерений, применение которых регламентируется отдельными положениями законодательства. В чем заключается специфика регулирования метрологии в России? Какие нормы права характеризуют утверждение и применение средств метрологических измерений?
Что такое метрология?
Для начала изучим некоторые теоретические моменты, отражащие особенности метрологии. метрологические характеристики — термины, имеющие отношение к данной научной отрасли.
Основные направления метрологии:
Теория измерений;
Применение физических величин;
Проблематика определения точности тех или иных измерений, а также нахождения единообразия в подходах к ним;
Выбор эталонов и образцов, а также практическое их внедрение в различных сферах хозяйства.
Основной предмет изучения рассматриваемой дисциплины — методы и инструменты, которые применяются в целях учета тех или иных объектов, исходя из их массы, длины, объема, мощности и т. д.
Основные понятия, которые применяются в метрологии:
Физический параметр (представляющий собой свойство объекта, которое отличает его по определенным критериям от других, даже если они в достаточной мере схожи с ним);
Измерение (процедура, предполагающая нахождение определенного значения по физическому параметру посредством применения различных инструментов и при сопоставлении со стандартными величинами);
И контроля — инструменты, которые задействуются в целях измерения той или иной единицы физического параметра.
Если говорить конкретно о средствах измерений, то можно отметить, что таковые могут быть представлены в нескольких разновидностях. Рассмотрим их подробнее.
Классификация
В общем случае под средством измерений принято понимать технический инструмент, задействуемый в целях измерения тех или иных объектов, которое обладает нормированными метрологическими параметрами, приспособлено к воспроизведению либо хранению определенных физических параметров, величина которых принимается как постоянная в рамках установленного интервала времени.
Можно отметить, что утверждение типа средств измерений в России осуществляется на уровне федеральных органов власти, таких как Федеральное агентство по и метрологии. В чем же заключаются особенности ее классификации? Средства измерений также тесно связаны с данным термином) могут быть представлены, в частности:
Мерой (как средством, которое задействуется в целях воспроизведения физических параметров конкретного размера);
Прибором (как средством, которое задействуется в целях выработки определенного сигнала по измерительным данным в удобной для пользователя форме);
Преобразователем (как средством, которое применяется в целях выработки сигнала по измерительным данным, который подлежит передаче в дальнейшую обработку в рамках задействуемой инфраструктуры);
Измерительной системой (как совокупностью средств, которые используются в целях выработки измерительных сигналов в требуемом формате, включая пользовательский).
Еще один критерий классификации средств измерений — уровень их автоматизации. Так, они бывают:
Автоматическими;
Частично автоматизированными;
Ручными.
Метрологические средства измерения также могут быть классифицированы исходя из их стандартизации. Так, они могут быть:
Стандартизованными;
Нерегулируемыми.
Еще один критерий классификации средств измерений — функциональность в рамках поверочной схемы. Так, они могут быть:
Эталонами;
Рабочими инструментами.
Другой важный критерий средств измерений — значимость измеряемого параметра. Исходя из указанного критерия, они могут быть:
Основными;
Вспомогательными.
В первом случае осуществляется измерение физического параметра, который важен с точки зрения успешного решения измерительной задачи. В свою очередь, есть средства измерений, метрологические характеристики которых предполагают измерение только тех параметров, которые имеют ограниченное влияние, но тем не менее важных и требующих учета.
Рассмотрим теперь собственно сущность метрологических характеристик рассматриваемых инструментов. Одним из источников данных для нас будут ГОСТы, регулирующие применение соответствующей инфраструктуры.
Метрологические характеристики инструментов измерения
В соответствии с государственными стандартами, регламентирующими то, каким образом должны задействоваться средства измерений, метрологические характеристики — это технические параметры, которые описывают свойства соответствующих инструментов, а также влияющие на результаты тех или иных измерений, проводимых в целях осуществления оценки их качества, а также в целях корректного определения их результатов.
Характеристики, о которых идет речь, могут быть нормируемыми или экспериментальными. Первые фиксируются в нормативной документации. Например, той, что включена в формируемый ВНИИМС госреестр средств измерений. Вторые задействуются в конкретной ситуации с учетом особенностей производственного процесса или среды, в которой осуществляются измерения.
Особенности реестра средств измерений
Полезно будет более подробно рассмотреть то, что представляет собой государственный реестр инструментов измерений. Данный ресурс входит в Федеральный информационный фонд и задействуется в целях регистрации тех решений, которые утверждены Росстандартом. Реестр средств измерений состоит из разделов, в которых отражены сведения:
Об инструментах, утвержденных Росстандартом, свидетельствах о введении средств измерений;
Конкретных экземплярах инструментов, утвержденных Росстандартом;
Аккредитованных государственных центрах, в которых проводятся испытания средств измерений.
Цели ведения реестра
Рассматриваемый реестр ведется в целях:
Учета инструментов измерений;
Формирования централизованных фондов сведений о соответствующих решениях, которые допущены к выпуску российскими предприятиями, а также к применению в тех или иных сферах хозяйства;
Регистрации аккредитованных учреждений, занимающихся испытаниями инструментов измерений;
Учета оформленных свидетельств о внедрении средств измерений, а также аттестатов аккредитованных учреждений, занимающихся испытаниями,
Учета программ испытаний инструментов измерений;
Информационного сопровождения граждан, организаций, а также национальных метрологических учреждений государств, которые участвуют в сотрудничестве по вопросам признания испытаний и внедрения средств измерений.
В отношении каждого типа инструментов, сведения о котором отражаются в Реестре, фиксируются:
Наименование;
Регистрационный номер;
Предназначение;
Страна-изготовитель;
Производитель;
Название центра испытаний;
Период действия сертификата;
Сведения об интервале между поверками;
Сведения о методике поверки.
Утверждение конкретного типа средств измерений осуществляется Росстандартом на основе итогов испытаний соответствующих инструментов, проведенных специализированными государственными центрами.
Если говорить о роли государства в регламентации применения инструментов, о которой идет речь, и о том, чтобы дополнять создаваемый ВНИИМС госреестр средств измерений с точки зрения нормирования работы специалистов, проводящих исследование физических параметров в тех или иных сферах, то можно обратить внимание на такие направления деятельности госструктур, как поверка и сертификация инфраструктуры измерений. Изучим данный аспект подробнее.
Поверка инструментов измерений
Итак, наряду с такими направлениями деятельности, как, например, утверждение типа средств измерений, государство ведет активную работу по регламентации их применения. В частности, в таком направлении, как поверка. Регламентируется ее проведение отдельным федеральным законом.
В соответствии с его положениями поверка инструментов измерений в ряде случаев является обязательной. Так, например, государственные средства измерений перед непосредственной эксплуатацией, а также при осуществлении их ремонта должны быть проверены — в рамках первичного или периодического мероприятия соответствующего типа.
Задача пользователей данных инструментов — своевременно осуществлять проверку. В принципе, хозяйствующие субъекты вправе провести ее самостоятельно, но только при одном условии — наличии аккредитации на предмет деятельности в сфере по обеспечению единства технических измерений. В некоторых случаях поверку должна проводить специализированная метрологическая служба, имеющая аккредитацию. Как правило, это касается тех случаев, когда правительством РФ определен конкретный перечень инструментов измерений, в отношении которых поверка должна проводиться по соответствующей схеме.
После того как рассматриваемая процедура проведена, выписывается свидетельство о ее осуществлении. Компетентные государственные ведомства могут разрабатывать специальные поверочные знаки, а также структуру соответствующего документа. Кроме того, некоторые госструктуры могут быть уполномочены на сбор результатов осуществления поверок по различным средствам измерений.
В некоторых случаях, даже если тот или иной инструмент не входит в перечень средств измерений, в отношении которых проведение поверок обязательно, пользователь подобной инфраструктуры может провести соответствующую процедуру добровольно.
Сертификация инструментов измерений
В рамках государственного регулирования пользования различными средствами измерений также осуществляется сертификация данной инфраструктуры. Ее сущность — в подтверждении прежде всего безопасности пользования тем или иным устройством. Кроме того, сертифицированный инструмент включается в государственный реестр средств измерений. Как правило, рассматриваемая процедура предполагает оформление:
Сертификата по ГОСТ Р либо декларации соответствия инструмента ГОСТ Р;
Сертификата о типе инструментов измерения.
Сертификация может быть осуществлена в Росстандарте либо в одном из аккредитованных центров. Сертификация — процедура, которая, как и поверка, может быть обязательной для определенных инструментов измерений. Как правило, подобные требования устанавливаются для средств измерения, которые используются в таких сферах:
Деятельность вооруженных сил государства;
Медицина;
Деятельность силовых структур;
Картография;
Геодезия;
Сфера регулирования реализации единства измерений.
Утверждение инструментов измерений
Полезно будет рассмотреть такой аспект применения инструментов, о которых идет речь, как утверждение средств измерения. Данная процедура также осуществляется при участии государства как часть метрологического контроля. Утверждение того или иного типа средства измерения осуществляет компетентная метрологическая служба. При этом устанавливаются:
Методики осуществления поверки характеристик средства измерения;
Конкретные показатели точности по измерению величин;
Оптимальные интервалы осуществления поверки инструмента.
По итогам утверждения средства измерения компетентное ведомство выдает специальный документ. Речь идет о таком источнике, как свидетельство об утверждении средств измерений. Оно может быть оформлено и на отдельно взятое устройство, и на серийный выпуск соответствующих решений.
Условием получения второго типа документа может быть соблюдение производителем определенных технических условий. Для того чтобы оформить свидетельство средств измерения, необходимо также разработать специальную документацию по эксплуатации инструмента. Если говорить о документе для серийного производства решений, то он выдается компетентными органами на 5 лет. После этого возможно его продление на основании запроса от фирмы-производителя. В свою очередь, если сертификат выдан на единичный продукт, то срок его действия соответствует периоду службы устройства.
Калибровка инструментов измерений
Еще один важный аспект государственного регулирования сферы метрологии — правовые акты, регламентирующие, каким образом должна осуществляться калибровка средств измерений. Что обозначает данный термин?
Калибровка инструментов измерений — это процедура, осуществляемая в целях определения, а также подтверждения фактических значений по метрологическим характеристикам, а также пригодности инструмента измерений к применению. Главное отличие калибровки от поверки — это то, что рассматриваемая процедура реализуется прежде всего в отношении тех средств измерений, что не подлежат контролю и надзору государственными органами.
В соответствии с законодательством РФ те инструменты, которые не применяются в области государственного регулирования при обеспечении единства измерений, в добровольном порядке могут быть откалиброваны. Данная процедура осуществляется с применением различных эталонов, которые сопоставляются с государственными первичными эталонами или же при их отсутствии с национальными, которые приняты в иностранных государств.
Калибровку могут проводить частные лица — хозяйственные общества и индивидуальные предприниматели при условии прохождения добровольной аккредитации. Результаты данной процедуры могут быть впоследствии использованы в рамках поверки тех или иных средств измерения в порядке, определяемом правительством России. Таким образом, несмотря на то, что калибровка средств измерений осуществляется добровольно, государство тем не менее может прописывать регламенты, определяющие проведение данной процедуры, а также применение ее результатов.
Измерительный прибор – это средство измерения, посредством которого получается значение физической величины, принадлежащее фиксированному диапазону. В конструкции прибора обычно присутствует устройство, преобразующее измеряемую величину с ее индикациями в оптимально удобную для понимания форму.
В соответствии с методом определения значения измеряемой величины выделяют:
- измерительные приборы прямого действия;
- измерительные приборы сравнения.
Измерительные приборы прямого действия - это приборы, посредством которых можно получить значение измеряемой величины непосредственно на отсчетном устройстве.
Измерительный прибор сравнения – это прибор, посредством которого значение измеряемой величины получается при помощи сравнения с известной величиной, соответствующей ее мере.
Измерительные приборы могут осуществлять индикацию измеряемой величины по-разному. Выделяют:
- показывающие измерительные приборы;
- регистрирующие измерительные приборы.
Отсчетное устройство – конструктивно обособленная часть средства измерений, которая предназначена для отсчета показаний. Отсчетное устройство может быть представлено шкалой, указателем, дисплеем и др.
Измерительная установка – это средство измерения, представляющее собой комплекс мер, ИП, измерительных приборов и прочее, выполняющих схожие функции, используемые для измерения фиксированного количества физических величин и собранные в одном месте. В случае, если измерительная установка используется для испытаний изделий, она является испытательным стендом.
Измерительная система – это средство измерения, представляющее собой объединение мер, Ип, измерительных приборов и прочее, выполняющих схожие функции, находящихся в разных частях определенного пространства и предназначенных для измерения определенного числа физических величин в данном пространстве.
Рабочие средства измерения (РСИ) – это средства измерения, используемые для осуществления технических измерений. Рабочие средства измерения могут использоваться в разных условиях.
Эталоны – это средства измерения с высокой степенью точности, применяющиеся в метрологических исследованиях для передачи сведений о размере единицы. Более точные средства измерения передают сведения о размере единицы и так далее, таким образом образуется своеобразная цепочка, в каждом следующем звене которой точность этих сведений чуть меньше, чем в предыдущем.
Сведения о размере единицы предаются во время проверки средств измерения. Проверка средств измерения осуществляется с целью утверждения их пригодности.
Учебные задачи
- 1. Изучить классификацию измерений и измерительных приборов.
- 2. Изучить статические и динамические погрешности измерений и методы их оценки.
- 3. Обосновать статические погрешности измерительных приборов.
- 4. Составить представление о динамических характеристиках и погрешностях приборов.
- 5. Изучить подходы к оптимальному проектированию измерительного канала приборов.
- 6. Оценить методы определения погрешностей средств измерений в реальных условиях эксплуатации.
- 7. Составить представление об определении погрешностей измерительных каналов автоматических систем контроля.
Тема главы
Рассмотрены инструменты количественной оценки качественных преобразований развития систем «Метрология», «Стандартизация» и «Сертификация» как институтов качества.
Классификация измерений и измерительных приборов
Измерить какую-либо величину - значит сравнить ее с другой однородной величиной (мерой), принятой за единицу.
Число q, выражающее отношение измеряемой величины 0 к единице измерения?/, называется числовым значением измеряемой величины:
q = ^ или 0 = qU.
Уравнение (4.1.1) является основным уравнением измерения: его правая часть называется результатом измерения.
Результат измерения - всегда именованное число и состоит из единицы измерения и, которая имеет свое наименование, и числа q, показывающего, сколько раз данная единица содержится в измеряемой величине 0.
При измерении физических величин не всегда возможно непосредственно сравнивать измеряемую величину с мерой, и в этих случаях измерение производится сравнением с какой-либо другой физической величиной, однозначно связанной с измеряемой (например, измерение температуры производится по величине электрического сопротивления).
Измерения делятся на прямые, косвенные и совокупные.
Прямыми измерениями называются такие, при которых значение измеряемой величины определяется непосредственным сравнением ее с мерами или показаниями измерительных приборов, градуированных в выбранных единицах измерения.
Основные методы прямых измерений: непосредственного определения, компенсационный (нулевой) и дифференциальный (разностный).
Методом непосредственного определения значение измеряемой величины прямо преобразуется в выходную величину прибора, т. е. приборы непосредственно показывают (или записывают) измеряемую величину. Метод непосредственного определения широко используется в приборах промышленного контроля.
Компенсационный (нулевой) метод состоит в уравновешивании неизвестной измеряемой величины известной. Значение измеряемой величины находится после достижения равновесия по значению уравновешивающей (известной) величины. Момент равновесия фиксируется устройством или прибором, называемым нуль-индикатором. К числу приборов, основанных на компенсационном методе, относятся потенциометры, уравновешенные мосты, дифманометры с силовой компенсацией и др.
Компенсационный метод более точен, чем метод непосредственного определения.
Дифференциальный (разностный) метод заключается в том, что прибором определяется разность между измеряемой и некоторой известной (образцовой) величиной, после чего измеряемая величина находится путем алгебраического сложения.
Существенный признак прямого измерения - результат выражается в тех же единицах, что и измеряемая величина.
Косвенными измерениями измеряемая величина определяется не непосредственно, а на основании данных прямых измерений величины, связанной с искомой определенным соотношением.
Примеры косвенных измерений - определение плотности по массе и объему или расхода по перепаду давления.
Косвенные измерения широко применяются в практике контроля производственных процессов, когда прямые измерения невозможны.
При совокупных измерениях числовые значения измеряемой величины определяются путем решения ряда уравнений, полученных из совокупности прямых измерений одной или нескольких однородных величин.
Совокупные измерения применяются в лабораторной и исследовательской практике.
Измерения могут быть также классифицированы:
- по характеристике точности - равноточные (ряд измерений какой-либо величины, выполненных одинаковыми по точности измерительными приборами в одних и тех же условиях, в противном случае измерения признаются неравноточными);
- по числу измерений и роду измерений - однократные, многократные;
- по отношению к изменению измеряемой величины: статические (время = const) и динамические (время = varia);
- по выражению результата измерения: абсолютные (в единицах измеряемой величины) и относительные (в относительных единицах, как правило, в процентах).
Измерительными приборами называются устройства, служащие для прямого или косвенного сравнения измеряемой величины с единицей измерения.
При централизованном контроле любой измерительный прибор (измерительная система) состоит из трех основных узлов: первичного преобразователя (в технической литературе встречается и термин датчик, употребленный в том же значении, что и первичный преобразователь), канала связи и вторичного прибора.
Первичный преобразователь - измерительное устройство, установленное на объекте измерения, преобразует контролируемую величину в выходной сигнал, удобный для передачи по каналу связи.
Первичные преобразователи весьма разнообразны как по принципу действия, так и по характеру выходных сигналов; их можно классифицировать по ряду признаков:
- а) по виду контролируемой величины (преобразователи температуры, давления, расхода, уровня, плотности и т. п.);
- б) по принципу действия (электрические, пневматические и т. п.);
- в) по виду и характеру выходного сигнала.
Выходные сигналы преобразователей могут быть непрерывными и прерывными (дискретными).
Важнейшая характеристика первичного преобразователя - вид функциональной зависимости между изменениями контролируемой величины и выходным сигналом преобразователя; предпочтительна линейная зависимость.
Канал связи служит для передачи сигнала от первичного преобразователя к вторичному прибору. Если сигнал электрический, то в качестве канала связи используются электрические провода или кабель. Для пневматических или гидравлических сигналов используются металлические и пластмассовые трубки.
Наибольшее распространение в современных системах централизованного контроля получили электрические и пневматические дистанционные передачи, причем пневматические системы применяются, главным образом, во взрыво- и пожароопасных производствах, где применение электрических передач затруднено.
Вторичный прибор - устройство, воспринимающее сигнал от первичного преобразователя и выражающее его в численном виде при помощи отсчетного устройства. Во многих случаях один и тот же вторичный прибор может быть использован для измерения различных параметров (разница будет лишь в градуировке шкалы).
Шкалы технических приборов обычно градуируются так, чтобы показания их были численно равны отсчету. Например, отсчету д = 50 по шкале ртутного термометра, градуированного в °С, соответствует показание 0 = 50. Единица измерения температуры и= 1 °С.
По способу отсчета измерительные приборы подразделяются на следующие группы.
Приборы с ручной наводкой, у которых процесс измерения осуществляется сравнением измеряемой величины с мерами или образцами при непосредственном участии наблюдателя (весы с гирями, оптический пирометр с исчезающей нитью).
Показывающие приборы указывают значение измеряемой величины в момент измерения на отсчетном устройстве.
Наиболее широко применяются шкаловые отсчетные устройства. Шкалы выполняются как неподвижными, так и подвижными; в последнем случае шкала перемещается относительно неподвижного указателя. Отметки на шкалах располагаются вдоль прямой линии или по дуге окружности на плоской и цилиндрической поверхности циферблата.
На рис. 4.1.1 показаны наиболее типичные шкалы измерительных приборов.
- 11111111111П1|1Щ111Ш1Ц1||1Ш1ПП1|Щ1ПП1
- 0 20 40 60 80 100
Рис. 4.1.1. Ш калы: а - прямолинейная; б - дуговая; в - круговая равномерная; г - профильная; д - барабанная; е - круговая неравномерная
Положение указателя определяется углом поворота или линейным его перемещением от нуля или начала шкалы. Зависимость между положением указателя и отсчетом называется характеристикой шкалы.
Характеристика шкалы для приборов с угловым перемещением указателя (рис. 4.1.2) выражается уравнением.
где (р - угол поворота указателя от нулевой отметки шкалы, а для безнулевых шкал - от начала шкалы; д - отсчет по шкале.
Рис. 4.1.2. Ш каловое отсчетное устройство с дуговой шкалой
Для приборов с прямолинейными шкалами (рис. 4.1.3)
я=А(Ю,
где N - линейное смещение указателя от нуля шкалы (для безнулевых шкал - от начала шкалы).
Рис. 4.1.3. Ш каловое отсчетное устройство с прямолинейной шкалой
Множитель 100 °С, помещенный на шкале рис. 4.1.3, указывает, что при прочтении показания прибора надо величину, отмеченную указателем, умножить на 100.
Линейное смещение указателя от нулевой отметки дуговых и круговых шкал составляет:
где Я ш - радиус шкалы.
Равномерные шкалы имеют линейную характеристику вида
Я = -(# в ~Я Н) + Я Н
N , .
Я=-гг -(Я 0 ~Я Н) + Я Н,
Самопишущие (регистрирующие) приборы снабжаются приспособлениями, автоматически записывающими на бумажной ленте или диске текущее значение измеряемой величины во времени. Запись осуществляется пером в виде непрерывной линии или печатным устройством с периодическим печатанием на бумажной ленте числовых значений отсчетов. На одной бумажной ленте могут быть записаны несколько измеряемых величин. В этом случае в прибор встраивается автоматический переключатель, последовательно подключающий к измерительной системе одну из нескольких точек измерения. На рис. 4.1.4 приведены схемы типичных регистрирующих устройств. Характеристики регистрирующих устройств аналогичны характеристикам шкало-вых отсчетных устройств.
Комбинированные приборы осуществляют показания и регистрацию измеряемой величины. Измерительные приборы могут снабжаться также дополнительными устройствами для сигнализации (сигнализирующие приборы), регулирования измеряемой величины (регулирующие приборы) и для других целей.
Суммирующие (интегрирующие) приборы дают суммарное значение измеряемой величины за определенный промежуток времени. Эти приборы снабжаются счетчиками, которые часто встраиваются в один корпус с показывающим или самопишущим прибором, имея с ним одну измерительную систему.
Чувствительностью измерительного прибора называется отношение линейного или углового перемещения указателя к изменению измеряемой величины, вызвавшему это перемещение.
Линейная чувствительность 5 = угловая чувствительность 5 у = или 5 у =
Рис. 4.1.4. а - с записью в полярных координатах на дисковой диаграмме; б - с записью в прямоугольных координатах на ленточной диаграмме; в - с печатающим устройством
4 Ф. *0"
для приборов с дуговыми и круговыми шкалами чувствительность где ДУУ и Д(р - перемещение указателя; АО - изменение измеряемой величины; Л ш - радиус шкалы (см. рис. 4.1.2).
Чем больше чувствительность прибора, тем меньшую долю измеряемой величины можно измерить. Величина чувствительности является мерой, при помощи которой сравниваются однотипные приборы.
Величина, обратная чувствительности (С), называется ценой деления шкалы прибора, т. е.
Диапазон измерения, как разница между верхним и нижним пределом измерения, и порог чувствительности формируют первую группу метрологических свойств прибора (в общем случае - средства измерения), вторая группа свойств нацелена на повышение качества измерений и соответствующих измерительных приборов. Интегрально это проявляется в точности измерений - близостью к нулю погрешностей измерений и измерительного прибора.
