Метрологические характеристики средств измерений
Классификация средств измерений
Средства измерений
Кратных и дольных единиц
Множители и приставки для образования
| Множитель | Приставка | Обозначение приставки | |
| русское | международное | ||
| 1018 | экса | Э | E |
| 1015 | пета | П | P |
| 1012 | тера | Т | T |
| 109 | гига | Г | G |
| 106 | мега | М | M |
| 103 | кило | к | k |
| 102 | гекто | г | h |
| 101 | дека | да | da |
| 10-1 | деци | д | d |
| 10-2 | санти | с | c |
| 10-3 | милли | м | m |
| 10-6 | микро | мк | m |
| 10-9 | нано | н | n |
| 10-12 | пико | п | p |
| 10-15 | фемто | ф | f |
| 10-18 | атто | а | a |
Среди получивших широкое распространение внесистемных единиц следует упомянуть: киловатт-час, ампер-час, градус Цельсия. Сокращенные обозначения, как русские, так и международные, производных единиц, названных в честь великих ученых, пишутся с заглавной буквы.
Средством измерений называется техническое средство, используемое при измерениях и имеющее нормированные метрологические свойства (характеристики).
Средства измерений принято классифицировать в зависимости от назначения и метрологических функций.
по назначению средства измерений подразделяются на меры, измерительные преобразователи, измерительные приборы и измерительные комплексы (установки, системы).
Мера - это средство измерений, предназначенное для воспроизведения физических величин заданного размера (значения). Меры делятся на однозначные, многозначные и наборы мер. К мерам относятся также стандартные образцы и образцовые вещества.
Измерительный преобразователь - это средство измерений, предназначенное для выработки сигналов измерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и (или) хранения, но не поддающейся непосредственному восприятию наблюдателем. Преобразуемая величина называется входной, а результат преобразования - выходной величиной. Если в результате преобразования природа физической величины не изменяется, измерительный преобразователь называется масштабным. По месту, занимаемому в измерительном приборе, измерительные преобразователи подразделяются на первичные, передающие и промежуточные. По характеру преобразования выделяют аналоговые, аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи.
Измерительный прибор - это средство измерений, предназначенное для выработки сигналов измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем. Измерительные приборы подразделяются на аналоговые и цифровые, показывающие и регистрирующие, прямого действия и сравнения.
Измерительные комплексы - это средства измерений, представляющие совокупность функционально объединенных между собой средств измерений и вспомогательных устройств, соединенных между собой каналами (линиями) связи и предназначенных для выработки сигналов измерительной информации в форме, удобной для непосредственного восприятия наблюдателем. Подобные комплексы называются также измерительными установками. Если сигналы измерительной информации вырабатываются комплексным измерительным устройством в форме, удобной для восприятия наблюдателем, а также для автоматической обработки результатов измерений, передачи их на расстояние и (или) использования в автоматических схемах управления, то такой комплекс называется измерительной системой. Отдельные средства измерений, входящие в измерительную систему, могут находиться друг от друга на больших расстояниях и использовать для взаимодействия между собой как проводные, так и беспроводные каналы связи.
Измерительный комплекс, оснащенный образцовыми средствами измерений и предназначенный для поверки других средств измерений, называется поверочной установкой.
Общая структура классификации средств измерений в зависимости от назначения представлена на рис. 1.4.
 |
по метрологическим функциям средства измерений подразделяются на эталоны, образцовые средства измерений и рабочие средства измерений.
Эталон единицы физической величины - это средство измерений (комплекс средств измерений), обеспечивающее воспроизведение и (или) хранение единицы физической величины с целью передачи размера единицы образцовым, а от них рабочим средствам измерений и утвержденное в качестве эталона. Эталоны подразделяются на первичные, специальные и вторичные.
Первичный эталон обеспечивает воспроизведение единицы с наивысшей в стране точностью, причем, эталон основной единицы воспроизводит эту единицу в соответствии с ее определением.
Специальный эталон обеспечивает воспроизведение единицы в особых условиях и заменяет для этих условий первичный эталон. Первичный и специальный эталоны, официально утвержденные в качестве исходных средств измерений в стране, называются государственными.
Вторичный эталон – это эталон, для которого размер воспроизведенной им единицы устанавливают по первичному эталону. Вторичные эталоны подразделяют на эталоны-копии, эталоны сравнения, эталоны-свидетели и рабочие эталоны. Выделяют также одиночные и групповые эталоны, эталонные наборы и другие эталоны.
Совокупность государственных эталонов называют эталонной базой страны. В России она сейчас насчитывает около 150 государственных эталонов и их число продолжает увеличиваться. Такую тенденцию нельзя признать положительной. Поэтому важной задачей современной метрологии является создание полной системы взаимосвязанных естественных эталонов на основе использования фундаментальных физических констант и высокостабильных квантовых явлений.
Образцовое средство измерений (ОСИ) – средство измерений, предназначенное или применяемое для поверки рабочих средств измерений или подчиненных образцовых средств измерений.
Образцовые средства измерений в зависимости от точности подразделяются на разряды 1-ый, 2-ой и т.д.; 1-ый разряд – самый высокий. Число разрядов для каждого вида ОСИ устанавливается государственной поверочной схемой.
Рабочее средство измерений - это средство измерений, используемое в широкой измерительной практике и, в отличие от перечисленных выше эталонов и ОСИ, не связанное с передачей единиц размера физических величин.
Все средства измерений, независимо от их конкретного назначения, обладают рядом общих свойств. Технические характеристики, описывающие эти свойства и оказывающие влияние на результаты и точность измерений, называются метрологическими характеристиками.
1. Функция преобразования (статическая характеристика преобразования) — функциональная зависимость между информативными параметрами выходного и входного сигналов средства измерений. Функцию преобразования, устанавливаемую в научно-технической документации на данное средство измерений, называют номинальной функцией преобразования.
2. Чувствительность средства измерений ‑ отношение приращения выходного сигнала Δу средства измерений к вызвавшему это приращение изменению входного сигнала Δх. В общем случае чувствительность:
(2.16)
При нелинейной статической характеристике преобразования чувствительность зависит от x, при линейной характеристике чувствительность постоянна. У измерительных приборов при постоянной чувствительности шкала равномерная.
Величина, обратная чувствительности, называется постоянной прибора:
С=1/S (2.17)
3. Порог чувствительности ‑ наименьшее изменение входной величины, обнаруживаемое с помощью данного средства измерений. Порог чувствительности выражают в единицах входной величины.
4. Диапазон измерений — область значений измеряемой величины, для которой нормированы допускаемые погрешности средства измерений. Диапазон измерений ограничивается наибольшим и наименьшим значениями диапазона измерений.
С целью повышения точности измерений диапазон измерений средства измерений может быть разбит на несколько поддиапазонов. При переходе с одного поддиапазона на другой некоторые составляющие основной погрешности уменьшаются, что приводит к повышению точности измерений. При нормировании допускают для каждого поддиапазона свои предельные погрешности. Область значений шкалы, ограниченную начальными и конечными значениями шкалы, называют диапазоном показаний.
5. Цена деления шкалы измерительного прибора— разность значений величины, соответствующих двум соседним отметкам шкалы.
Для средств измерений, выдающих результаты измерений в цифровом коде, указывают цену единицы младшего разряда (единицы младшего разряда цифрового отсчетного устройства), вид выходного кода (двоичный, двоично-десятичный) и число разрядов кода.
6. Входное полное сопротивление ZBX указывают для оценки влияния средства измерений на режим работы объекта исследования. Входное сопротивление влияет на мощность, потребляемую от объекта исследования средством измерений.
7. Выходное полное сопротивление ZВЫХ позволяет оценить допустимую нагрузка на средство измерений. Чем меньше выходное сопротивление, тем больше допустимая нагрузка на средство измерений.
8. Погрешность средства измерений – отличие получаемых с его помощью результатов измерений от истинного значения измеряемой величины.
Погрешность измерительного прибора может быть выражена в виде:
‑ абсолютной погрешности Δх = x‑xи;
‑ относительной погрешности δ = Δх/x;
‑ приведенной погрешности γ = Δх/xN,
где x – показание прибора, xи – истинное значение измеряемой величины, xN – нормирующее значение.
Погрешность измерительного прибора определяют при его поверке и при этом вместо истинного значения используют действительное значение измеряемой величины, под которым понимают значение физической величины, найденное экспериментальным путем с помощью образцовых средств измерений и настолько приближающееся к истинному, что для данной цели может быть использовано вместо истинного значения.
Погрешность измерительных преобразователей может быть определена как по входу, так и по выходу преобразователя. Погрешность преобразователя по входу
(2.18)
где (fНОМ)‑1 — функция, обратная номинальной статической характеристике преобразователя fНОМ (x); х0 — действительное значение входной величины; у0 — действительное значение выходной величины.
Погрешность преобразователя по выходу
(2.19)
Погрешности средства измерений зависят от внешних условий (влияющих величин), поэтому их принято делить на основную и дополнительные.
Основной погрешностью средства измерений называют погрешность в условиях, принятых за нормальные.
Дополнительные погрешности средства измерений возникают при отклонении влияющих величин от нормальных значений (нормальных областей значений).
| Для большинства типов средств измерений за нормальные условия принимаются: температура (293 ± 5) К; атмосферное давление (100 ± 4) кПа; относительная влажность (65 ± 15)%; электрическое напряжение в сети питания (220 ± 22) В. |
Погрешности средств измерений имеют систематические и случайные составляющие. Случайные составляющие приводят к неоднозначности показаний. Поэтому случайные составляющие погрешности средств измерений стремятся сделать малыми по сравнению с другими составляющими. Большинство серийных средств измерений обладают этим свойством, тем не менее, высокоточные, высокочувствительные приборы могут иметь случайную составляющую погрешности средства измерений соизмеримую с систематической.
Поскольку систематические погрешности средства измерений являются известной функцией измеряемой величины, влияющих величин и времени, их влияние на результат измерений можно устранить путем введения поправок. Поправка в каждой точке шкалы средства измерений численно равна систематической погрешности и противоположна ей по знаку. Установить значение систематических погрешностей и определить поправки можно при поверке средства измерений или его метрологической аттестации.
Вариация выходного сигнала средства измерений – это разность между значениями информативного параметра выходного сигнала, соответствующими одному и тому же действительному значению входной величины при двух направлениях медленных изменений входной величины в процессе подхода к выбранному значению входной величины.
9. Динамические характеристики средства измерений ‑ это характеристики его инерционных свойств, определяющие зависимость выходного сигнала средства измерений от меняющихся во времени величин: параметров входного сигнала, внешних влияющих величин, нагрузки.
Полная динамическая характеристика — характеристика, однозначно определяющая изменения выходного сигнала средства измерений при любом изменении во времени информативного или неинформативного параметра входного сигнала, влияющей величины или нагрузки. К полным динамическим характеристикам относят:
‑ переходная характеристика,
‑ импульсная переходная характеристика,
‑ амплитудно-фазовая характеристика,
‑ совокупность АЧХ и ФЧХ,
‑ передаточная функция.
Частные динамические характеристики – отдельные функционалы или параметры полных динамических характеристик:
‑ время реакции средства измерения
‑ коэффициент демпфирования
‑ значение резонансной собственной частоты