ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИЗМЕРЕНИЙ. ЛЕКЦИЯ 9. МЕТРОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ИЗМЕРЕНИЙ. ЛЕКЦИЯ 9. МЕТРОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ Кафедра «Физика» МАТИ Чернышев С. Л. nature@front. ru

Средства измерительной техники (РМГ 29 -99) — обобщающее понятие, охватывающее технические средства, специально предназначенные для измерений. К средствам измерительной техники относят . средства измерений (измерительные приборы, меры, измерительные преобразователи), их совокупности (измерительные системы, измерительные комплексы, измерительные установки), а также измерительные принадлежности и измерительные устройства.

Средство измерений (РМГ 29 -99) — техническое средство, предназначенное для измерений, имеющее нормированные метрологические характеристики, воспроизводящее и (или) хранящее единицу физической величины, размер которой принимают неизменным (в пределах установленной погреш- ности) в течение известного интервала времени. Примечание — При оценивании величин по условным шкалам шкалы выполняют роль «средства измерений» этих величин. Средство измерений (определение из закона «Об обеспе- чении единства измерений» ) — техническое средство, пред- назначенное для измерений.

Измерительный прибор — средство измерений, предназначенное для получения значений измеряемой физической величины в установленном диапазоне. По способу индикации значений измеряемой величины измерительные приборы разделяют на показывающие и . регистрирующие. По действию измерительные приборы разделяют на интегрирующие и суммирующие. Различают также приборы прямого действия, приборы сравнения, аналоговые и цифровые приборы, самопишущие и печатные приборы.

Особенности измерительных приборов с учетом принципа действия В интегрирующих измерительных приборах подводимая величина подвергается интегрированию по времени или по другой независимой переменной (электрические счётчики, газовые счётчики). . Суммирующие измерительные приборы, дают значение двух или нескольких величин, подводимых по различным каналам, например, ваттметр, суммирующий мощности нескольких электрических генераторов).

Особенности измерительных приборов с учетом принципа действия В измерительных приборах прямого действия (например, манометре, амперметре) осуществляется одно или несколько преобразований измеряемой величины и значение её находится без сравнения с известной одноимённой величиной. В измерительных приборах сравнения измеряемая вели- чина непосредственно сравнивается с одноимённой величи- ной, воспроизводимой мерой (примеры — равноплечные весы, электроизмерительный потенциометр, компаратор для линейных мер).

Мера физической величины Мера — это 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. . Наряду с простейшими мерами, такими, как меры массы (гири) или меры вместимости (мерные стаканы, цилиндры и т. д. ), к мерам относятся и более сложные устройства, например, нормальные элементы (меры электродвижущей силы), катушки электрического сопротивления, светоизме- рительные лампы и пр.

Разновидности мер физической величины Меры подразделяются на однозначные (воспроизводящие физическую величину одного размера) и многозначные (обеспечивающие воспроизведение ряда величин различного размера, например нескольких длин). Примеры первых — гиря, измерительная колба, катушка индуктивности; примеры . вторых — линейка со шкалой, конденсатор переменной ёмкости, вариометр индуктивности. Из мер могут составляться наборы (гирь, концевых мер длины и пр. ) для ступенчатого воспроизведения ряда одно- имённых величин в определённом диапазоне значений. Наборы мер электрических величин иногда снабжаются переключателями и образуют магазины (электрических сопротивлений, ёмкостей и др. ).

Меры, используемые для определения масштаба увеличения В измерительных микроскопах (оптический, электронный, сканирующий туннельный или атомно-силовой) используют меры «ширины линий» и меры периода или штриховые меры. Меры первой группы обычно представляют собой пластины из стекла или монокристаллического кремния, на . поверхности которых сформированы полоски различной ширины из иного материала (хром, тантал и др. ). Номинальные значения ширины полосок определяются независимым способом с высокой точностью. Современные меры ширины охватывают диапазон от 18 до 1350 нм. Эталон длин в нанометровом диапазоне (от 7 до 1350 нм), в котором применяются данные меры, характеризуется погрешностью от 0, 5 до 10 нм.

Образцовые вещества и стандартные образцы Отдельную категорию мер составляют образцовые вещества — чистые или приготовленные по особой спецификации, обладающие известными и воспроизводимыми свойствами: чистая вода, чистые газы (водород, кислород), чистые металлы (цинк, серебро, золото, платина), бензойная . кислота и др. К мерам относятся и получающие всё более широкое распространение стандартные образцы, обладающие определёнными физическими свойствами (например, образцы стали определённого состава, твёрдости и т. д. ).

Измерительные преобразователи Измерительный преобразователь — это средство измерений, преобразующее измеряемую физическую величину в другую величину или сигнал для последующей передачи, обработки или регистрации. Конструктивно обособленный первичный преобра- . зователь (преобразователь, на который непосредственно воздействует измеряемая величина), от которого поступают измерительные сигналы, называется датчиком. Например, датчики радиозонда передают измерительную информацию о температуре, давлении, влажности и других параметрах атмосферы. В области ионизирующих излучений вместо термина «датчик» используют термин «детектор» .

Особенности измерительных преобразователей В отличие от измерительного прибора, сигнал на выходе измерительного преобразователя (выходная величина) не поддаётся непосредственному восприятию наблюдателя. Обязательное условие измерительного преобразования — сохранение в . выходной величине измерительного преобразователя информации о количественном значении измеряемой величины. Измерительное преобразование — единственный способ построения любых измерительных устройств. Отличие измерительного преобразователя от других видов преобразователей — способность осуществлять преобразования с установленной точностью.

Виды измерительных преобразователей По виду преобразуемых величин различают измерительные преобразователи электрических величин в электрические, электрических — в неэлектрические, неэлектрических — в электрические, неэлектрических — в неэлектрические. Примерами первых могут служить делители напряжения . и тока, измерительные усилители тока и напряжения; примерами вторых — механизмы электроизмерительных приборов, преобразующие изменение силы тока или напряжения в отклонение стрелки или светового луча; примерами третьих — термопары, терморезисторы, фотоэлементы; примерами четвёртых — пневматические измерительные преобразователи, зубчатые передачи, оптические системы и т. п.

Частотные измерительные преобразователи В последние годы наметилась тенденция преобразования измеряемых величин в частоту электрических импульсов с помощью так называемых частотных измерительных преобразователей. Такие измерительные преобразователи разработаны почти для . всех известных физических величин. Основные достоинства частотных измерительных преобразователей — простота и высокая точность передачи их выходной величины (частоты) по каналам связи, а также относительная простота цифрового отсчёта результата измерения с помощью цифровых частотомеров.

Измерительные системы и комплексы Измерительная система — совокупность функционально объединенных мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей, ЭВМ и других технических средств, размещенных в разных точках контролируемого объекта и т. п. с целью измерений одной или нескольких физических . величин, свойственных этому объекту, и выработку измерительных сигналов в различных целях. Измерительно-вычислительный комплекс — функционально объединенная совокупность средств измерений, ЭВМ вспомогательных устройств, предназна- ченная для выполнения в составе измерительной системы конкретной измерительной задачи.

Метрологическая характеристика средства измерений (метрологическая характеристика; MX) — характеристика одного из свойств средства измерений, влияющая на результат измерений и на его погрешность. Различают нормируемыме метрологические характеристики, . устанавливаемые нормативными документами на средства измерений, и действительные характеристики, определяемые экспериментально. Метрологические характеристики весьма разнообразны, они существенно различаются по значимости и информативности и существенно зависят от типа средств измерений.

Градуировочная характеристика Интегральная метрологическая характеристика — градуировочная характеристика средства измерения — представляет зависимость между значениями величин на входе и выходе средства измерений. Полученная экспериментально градуировочная харак- . теристика может быть выражена в виде формулы, графика или таблицы. Выраженную в виде формулы или графика, номинальную характеристику называют функцией прео- бразования средства измерений. Иногда номинальную (нормативную) и экспериментальную функции преобра- зования называют статическими характеристиками измерительных преобразователей и приборов.

Компенсация систематической погрешности измерительного преобразователя Реальная линейная функция преобразования отличается от номинальной за счет постоянной систематической погрешности. Такую погрешность прибора называют «аддитивной» . Для исключения такой погрешности из результата . измерения к нему следует алгебраически добавить необходимую поправку, равную систематической погрешности по модулю и противоположную по знаку. Для аппаратурного устранения таких инструментальных составляющих в приборах обычно предусматривают специальное регулировочное устройство например, корректор нуля в электроизмерительных приборах.

Виды (группы) метрологических характеристик Метрологические характеристики (МХ) средств измерений разделяют на следующие группы: номинальные характеристики, предназначенные для определения результатов измерений (без введения поправки); . характеристики погрешностей СИ; характеристики чувствительности СИ к влияющим величинам, которые тоже можно отнести к характеристикам погрешностей; динамические характеристики СИ; неинформативные параметры выходного сигнала СИ.

Частные метрологические характеристики Частные номинальные метрологические характеристики измерительного прибора включают: диапазон измерений — область значений величины, в пределах которой нормированы допускаемые пределы погрешности средства измерений; . диапазон показаний — область значений шкалы прибора, ограниченная начальным и конечным значениями шкалы. Примечание — значения величины, ограничивающие диапазон измерений снизу и сверху (слева и справа), называют соответственно нижним пределом измерений или верхними пределом измерений.

Диапазон показаний Для приборов с дискретным (цифровым, числовым) устройством отображения измерительной информации диапазон показаний определяется видом выходного кода и числом разрядов кода. Код может быть десятиричный (десятичный), двенадца- тиричный, шестидесятиричный и другой, например, . семиричный код для дней недели. Важно также предельное число знаков на табло, в том числе цифр (число разрядов выходного кода) и других (не цифровых) знаков. Существенными признаками являются виды знаков и их содержание, например, наличие фиксированной или плавающей разделительной десятичной запятой (точки), минуса, знака переполнения или неправильного подключения прибора и др.

Погрешности средств измерений Погрешность средства измерений — разность между показанием средства измерений и истинным (действительным) значением измеряемой физической величины. По сути, это определение не отличается от определения понятия «погрешность измерений» , поэтому необходима . дальнейшая работа по усовершенствованию определения. Систематическая погрешность средства измерений — составляющая погрешности средства измерений, принимаемая за постоянную или закономерную изменяющуюся. Случайная погрешность средства измерений — составляющая погрешности средства измерений, изменяю- щаяся случайным образом.

Класс точности средств измерений Обобщенная характеристика данного типа средств измерений, как правило, отражающая уровень их точности, выражаемая пределами допускаемой основной и дополни- тельной погрешностей, а также другими характеристиками, влияющими на точность. . Основная погрешность средства измерений — погрешность средства измерений, применяемого в нормальных условиях. Дополнительная погрешность средства измерений — составляющая погрешности средства измерений, возникаю- щая дополнительно к основной погрешности вследствие отклонения какой-либо из влияющих величин от нормального значения.

Предел допускаемой погрешности средства измерений Предел погрешности — наибольшее значение погрешности средств измерений, устанавливаемое нормативным доку- ментом для данного типа средств измерений, при котором оно еще признается годным к применению. Пример 1. Для 100 -миллиметровой концевой меры длины 1 . -го класса точности пределы допускаемой погрешности равны ± 50 мкм. Пример 2. Пределы допускаемой основной погрешности прибора для измерения силы электрического тока класса точности 0, 5 равны ± 0, 5% (в единицах измеряемой величины).

Пример описания средства измерений Лабораторные весы серии ВМ высокого класса точности с ярким светодиодным индикатором. Модели весов с дискрет- ностью 1 мг на нагрузки 150, 210 и 310 г. . Наибольший предел взвешивания – 510 г. Наименьший предел взвешивания 0, 5 г. Класс точности (ГОСТ 24104) II (высокий)