Основные понятия и определения
В соответствии с РМГ 29-99 [1] средство измерений – это техническое средство, предназначенное для измерений, имеющее нормированные метрологические характеристики, воспроизводящее и (или) хранящее единицу физической величины, размер которой принимают неизменным (в пределах установленной погрешности) в течение известного интервала времени.
Средства измерений (СИ), используемые в различных областях науки и техники, чрезвычайно разнообразны. Однако для этого множества можно выделить некоторые общие признаки, присущие всем СИ независимо от области применения. Эти признаки положены в основу различных классификаций СИ, некоторые из них приведены далее.
Классификация СИ по роли в процессе измерения и выполняемым функциямявляется основной и представлена на рисунке 1.1.
Рис. 1.1
По роли в процессе измерения и выполняемым функциямсредства измерений подразделяют на следующие виды: меры, измерительные приборы, измерительные преобразователи, измерительные установки, измерительные системы.
Мера: 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.
Различают следующие разновидности мер:
- однозначная мера — мера, воспроизводящая физическую величину одного размера (например, гиря 1 кг, конденсатор постоянной емкости);
- многозначная мера — мера, воспроизводящая физическую величину разных размеров (например, штриховая мера длины, конденсатор переменной емкости);
- набор мер — комплект мер разного размера одной и той же физической величины, предназначенных для применения на практике, как в отдельности, так и в различных сочетаниях (например, набор концевых мер длины);
- магазин мер — набор мер, конструктивно объединенных в единое устройство, в котором имеются приспособления для их соединения в различных комбинациях (например, магазин электрических сопротивлений).
Измерительный прибор:Средство измерений, предназначенное для получения значений измеряемой физической величины в установленном диапазоне. Измерительный прибор, как правило, содержит устройство для преобразования измеряемой величины в сигнал измерительной информации и его индексации в форме, наиболее доступной для восприятия. Во многих случаях устройство для индикации имеет шкалу со стрелкой или другим устройством, диаграмму с пером или цифровое табло, благодаря которым может быть произведен отсчет или регистрация значений физической величины.
В зависимости от вида выходной величины различают аналоговые и цифровые измерительные приборы.
Аналоговый измерительный прибор – это измерительный прибор, показания (или выходной сигнал) которого являются непрерывной функцией измеряемой величины (например, стрелочный вольтметр, стеклянный ртутный термометр).
Цифровой измерительный прибор – это измерительный прибор, показания которого представлены в цифровой форме.
В цифровом приборе происходит преобразование входного аналогового сигнала измерительной информации в цифровой код, и результат измерения отражается на цифровом табло.
По форме представления выходной величины (по способу индикации значений измеряемой величины) измерительные приборы разделяют на показывающие и регистрирующие измерительные приборы.
Показывающий измерительный прибор – измерительный прибор, допускающий только отсчитывание показаний значений измеряемой величины (микрометр, аналоговый или цифровой вольтметр).
Регистрирующий измерительный прибор – измерительный прибор, в котором предусмотрена регистрация показаний. Регистрация значений измеряемой величины может осуществляться в аналоговой или цифровой форме, в виде диаграммы, путем печатания на бумажной или магнитной ленте (термограф или, например, измерительный прибор, сопряженный с компьютером, дисплеем и устройством для печатания показаний).
Измерительный преобразователь:Техническое средство с нормативными метрологическими характеристиками, служащее для преобразования измеряемой величины в другую величину или измерительный сигнал, удобный для обработки, хранения, дальнейших преобразований, индикации или передачи. Полученные в результате преобразования величина или измерительный сигнал, не доступны для непосредственного восприятия наблюдателем, они определяются через коэффициент преобразования.
Измерительный преобразователь или входит в состав какого-либо измерительного прибора (измерительной установки, измерительной системы), или же применяется вместе с каким-либо средством измерений.
Измерительная установка: Совокупность функционально объединенных мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей и других устройств, предназначенная для измерений одной или нескольких физических величин и расположенная в одном месте.
Измерительная система:Совокупность функционально объединенных мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей, ЭВМ и других технических средств, размешенных в разных точках контролируемого объекта и т.п. с целью измерений одной или нескольких физических величин, свойственных этому объекту, и выработки измерительных сигналов в разных целях.
По метрологическому назначению все СИ подразделяются на эталоны, рабочие эталоны и рабочие СИ.
Эталон единицы физической величины (эталон): Средство измерений (или комплекс средств измерений), предназначенное для воспроизведения и (или) хранения единицы и передачи ее размера нижестоящим по поверочной схеме средствам измерений и утвержденное в качестве эталона в установленном порядке.
Рабочий эталон: Эталон, предназначенный для передачи размера единицы рабочим средствам измерений.
Рабочее средство измерений: Средство измерений, предназначенное для измерений, не связанных с передачей размера единицы другим средствам измерений.
Метрологическая характеристика средства измерений (метрологическая характеристика; MX): Характеристика одного из свойств средства измерений, влияющая на результат измерений и на его погрешность.
Для каждого типа средств измерений устанавливают свои метрологические характеристики. Метрологические характеристики, устанавливаемые нормативно-техническими документами, называют нормируемыми метрологическими характеристиками, а определяемые экспериментально — действительными метрологическими характеристиками.
Номенклатура метрологических характеристик и способы их нормирования установлены ГОСТ 8.009 [2].
Все метрологические характеристики СИ можно разделить на две группы:
- характеристики, влияющие на результат измерений (определяющие область применения СИ);
- характеристики, влияющие на точность (качество) измерения.
К основным метрологическим характеристикам, влияющим на результат измерений, относятся:
- диапазон измерений измерительных приборов;
- значение однозначной или многозначной меры;
- функция преобразования измерительного преобразователя;
- цена деления шкалы измерительного прибора или многозначной меры;
- вид выходного кода, число разрядов кода, цена единицы наименьшего разряда кода средств измерений, предназначенных для выдачи результатов в цифровом коде.
Диапазон измерений средства измерений (диапазон измерений): Область значений величины, в пределах которой нормированы допускаемые пределы погрешности средства измерений (для преобразователей – это диапазон преобразования).
Значения величины, ограничивающие диапазон измерений снизу и сверху (слева и справа), называют соответственно нижним пределом измерений или верхним пределом измерений. Для мер – пределы воспроизведения величин.
Однозначные меры имеют номинальное и действительное значение воспроизводимой величины.
Номинальное значение меры: Значение величины, приписанное мере или партии мер при изготовлении.
Пример — Резисторы с номинальным значением 1 Ом, гиря с номинальным значением 1 кг. Нередко номинальное значение указывают на мере.
Действительное значение меры:Значение величины, приписанное мере на основании ее калибровки или поверки.
Пример — В состав государственного эталона единицы массы входит платиноиридиевая гиря с номинальным значением массы 1 кг, тогда как действительное значение ее массы составляет 1,000000087 кг, полученное в результате сличений с международным эталоном килограмма, хранящимся в Международном Бюро Мер и Весов (МБМВ) (в данном случае это калибровка).
Диапазон показаний средства измерений (диапазон показаний): Область значений шкалы прибора, ограниченная начальным и конечным значениями шкалы.
Цена деления шкалы (цена деления): Разность значения величины, соответствующих двум соседним отметкам шкалы средства измерений.
К метрологическим характеристикам, определяющим точность измерения, относится погрешность средства измерений и класс точности СИ.
Погрешность средства измерений: Разность между показанием средства измерений и истинным (действительным) значением измеряемой физической величины.
(1.1)
В качестве 
выступает либо номинальное значение (например, меры), либо значение величины, измеренной более точным (не менее чем на порядок, т.е. в 10 раз) СИ.
Считается, что чем меньше погрешность, тем точнее средство измерений.
Погрешности СИ могут быть классифицированы по ряду признаков, в частности:
- по отношению к условиям измерения – основные, дополнительные;
- по способу выражения (по способу нормирования МХ) – абсолютные, относительные, приведенные.
Основная погрешность средства измерений (основная погрешность): Погрешность средства измерений, применяемого в нормальных условиях.
Как правило, нормальными условиями эксплуатации являются:
- температура (293 
5) К или (20 5) 0С;
- относительная влажность воздуха (65 15) % при 20 0С;
- напряжение в сети 220 В 10 % с частотой 50 Гц 1 %;
- атмосферное давление от 97,4 до 104 кПа.
Дополнительная погрешность средства измерений (дополнительная погрешность): Составляющая погрешности средства измерения, возникающая дополнительно к основной погрешности вследствие отклонения какой-либо из влияющих величин от нормального ее значения или вследствие ее выхода за пределы нормальной области значений.
При нормировании характеристик погрешностей средств измерений устанавливают пределы допускаемых погрешностей (положительный и отрицательный).
Пределы допускаемых основной и дополнительной погрешностей выражаются в форме абсолютных, приведенных или относительных погрешностей в зависимости от характера изменения погрешностей в пределах диапазона измерений. Пределы допускаемой дополнительной погрешности можно выражать в форме, отличной от формы выражения пределов допускаемой основной погрешности.
Абсолютная погрешность средства измерений (абсолютная погрешность): Погрешность средства измерений 
, выраженная в единицах измеряемой физической величины.
Абсолютная погрешность определяется по формуле (1.1).
Пределы допускаемой основной абсолютной погрешности могут быть заданы в виде:
(1.2)
или
, (1.3)
где 
- пределы допускаемой абсолютной погрешности, выраженной в единицах измеряемой величины на входе (выходе) или условно в делениях шкалы;
- значение измеряемой величины на входе (выходе) средств измерений или число делений, отсчитанных по шкале;
- положительные числа, не зависящие от .
Приведенная погрешность средства измерения (приведенная погрешность): Относительная погрешность, выраженная отношением абсолютной погрешности средства измерений к условно принятому значению величины (нормирующему значению), постоянному во всем диапазоне измерений или в части диапазона.
Приведенная погрешность средства измерений определяется по формуле:
%,(1.4)
где 
- пределы допускаемой приведенной основной погрешности, %;
- пределы допускаемой абсолютной основной погрешности, устанавливаемые по формуле (1.2);
- нормирующее значение, выраженное в тех же единицах, что и;
Пределы допускаемой приведенной основной погрешности следует устанавливать в виде:
, (1.5)
где 
- отвлеченное положительное число, выбираемое из ряда 1·10n; 1,5·10n; (1,6·10n); 2·10n; 2,5·10n; (3·10n); 4·10n; 5·10n; 6·10n (n=1, 0, -1, -2 и т.д.).
Нормирующее значение 
принимается равным:
- конечному значению рабочей части шкалы ( 
), если нулевая отметка находится на краю или вне рабочей части шкалы (равномерной или степенной);
- сумме конечных значений шкалы (без учета знака), если нулевая отметка – внутри шкалы;
- модулю разности пределов измерений для СИ, шкала которых имеет условный нуль;
- длине шкалы или ее части, соответствующей диапазону измерений, если она существенно неравномерна. В этом случае абсолютную погрешность, как и длину шкалы, надо выражать в миллиметрах.
Относительная погрешность средства измерений (относительная погрешность): Погрешность средства измерений, выраженная отношением абсолютной погрешности средства измерений к результату измерений или к действительному значению измеренной физической величины.
Относительная погрешность средства измерений вычисляется по формуле:
%, (1.6)
где 
- пределы допускаемой относительной основной погрешности, %;
- пределы допускаемой абсолютной погрешности, выраженной в единицах измеряемой величины на входе (выходе) или условно в делениях шкалы;
- значение измеряемой величины на входе (выходе) средств измерений или число делений, отсчитанных по шкале.
Пределы допускаемой относительной основной погрешности устанавливают:
если 
, то в виде:
, (1.7)
где 
- отвлеченное положительное число, выбираемое из ряда, приведенного выше;
или, если 
, то в виде:
(1.8)
где 
- больший (по модулю) из пределов измерений;
- положительные числа, выбираемые из ряда, приведенного выше,
,
где - положительные числа, не зависящие от (см. формулу 1.3).
В обоснованных случаях пределы допускаемой относительной основной погрешности определяют по более сложным формулам либо в виде графика или таблицы.
Характеристики, введенные ГОСТ 8.009, наиболее полно описывают метрологические свойства СИ. Однако в настоящее время в эксплуатации находится достаточно большое количество СИ, метрологические характеристики которых нормированы несколько по-другому, а именно на основе классов точности.
Класс точности средств измерений (класс точности): Обобщенная характеристика данного типа средств измерения, как правило, отражающая уровень их точности, выражаемая пределами допускаемых основной и дополнительной погрешностей, а также другими характеристиками, влияющими на точность.
Класс точности дает возможность судить о том, в каких пределах находится погрешность измерений этого класса. Это важно при выборе средств измерений в зависимости от заданной точности измерении. Обозначение классов точности СИ присваивают в соответствии с ГОСТ 8.401 [3].
Правила построения и примеры обозначения классов точности в документации и на средствах измерений приведены в таблице 1.1.
Обозначение класса точности наносят на циферблаты, щитки и корпуса СИ, приводят в нормативной документации на СИ.
Номенклатура нормируемых метрологических характеристик СИ определяется назначением, условиями эксплуатации и многими другими факторами. Нормы на основные метрологические характеристики приводятся в стандартах, в технических условиях (ТУ) и эксплуатационной документации на СИ.
Таблица 1.1
Примеры обозначения классов точности
| Формула для определения пределов допускаемой основной погрешности | Пределы допускаемой основной погрешности | Обозначение класса точности | Примечания | |
| в документации | на средстве измерений | |||
Абсолютная:
| При измерении постоянного тока
 А
| Класс точности М | М | D - пределы допускаемой основной погрешности, выраженной в единицах измеряемой величины на входе (выходе) или условно в делениях шкалы;
х – значение измеряемой величины на входе (выходе) средств измерений или число делений, отсчитанных по шкале;
 и  – положитель-
ные числа, не зависящие от х.
|
Абсолютная:
| При измерении линейно изменяющегося напряжения
 мВ
| Класс точности С | С | |
Приведенная
 ,
|
 %
 %
| Класс точности 1,5 Класс точности 0,5 | 1,5
| если нормирующее значение CN выражено в единицах величины на входе (выходе) средств измерений;
если нормирующее значение определяется длиной шкалы или ее части
|
Относительная
|  %
| Класс точности 0,5 | 
0,5
| |
Относительная
| 
| Класс точности 0,02/0,01 | 0,02/0,01 |  – больший по модулю из пределов измерений
|
1.2 Цель работы:
- ознакомление с технической документацией на СИ и определение по ней основных классификационных признаков и нормируемых метрологических характеристик применяемых средств измерений;
- приобретение навыков определения основных классификационных признаков, применяемых средств измерений и их нормируемых метрологических характеристик непосредственно по средствам измерений;
- закрепление теоретических знаний по разделу «Классификация средств измерений» изучаемой дисциплины «Метрология, стандартизация и сертификация».
1.3Используемое оборудование и приборы:
1 осциллограф;
2 вольтметр цифровой;
3 вольтметр аналоговый;
4 генератор;
5 усилитель;
6 источник питания;
7 элемент нормальный термостатированный;
8 источник калиброванных напряжений программируемый.