Классификация средств измерений

Технические средства, с помощью которых мы производим измерение, будем называть средствами измерительной техники или средствами измерений.

 

Средства измерительной техники (измерительная техника) - обобщающее понятие, охватывающее технические средства, специально предназначенные для измерений[2].

 

Примечание: К средствам измерительной техники относят средства измерений и их совокупности (измерительные системы, измерительные установки), измерительные принадлежности, измерительные устройства

 

В законе № 102-ФЗ "Об обеспечении единства измерений" дано следующее определение средства измерений:

Средство измерений - техническое средство, предназначенное для измерений[15].

В РМГ 29-99 «Основные термины и определения»[8] даётся более развёрнутое определение:

Средство измерений - 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[8].

Это определение по сути не противоречит определению данному в законе, но формулирует некоторые дополнительные требования. Оно вскрывает суть средства измерений, заключающуюся:

- в «умении» хранить (или воспроизводить) единицу физической величины;

- в неизменности размера хранимой единицы.

 

Выполнение этих требований и обуславливают возможность выполнения измерения (сопоставление с единицей), т.е. «делают» техническое средство средством измерений. Если размер единицы в процессе измерений изменяется более чем установлено нормами, таким средством нельзя получить результат с требуемой точностью. Это означает, что измерять можно лишь тогда, когда техническое средство, предназначенное для этой цели, может хранить единицу, достаточно неизменную по размеру (во времени)[8].

Приведенное определение вскрывает суть средства измерений, заключающуюся, во-первых, в «умении» хранить (или воспроизводить) единицу физической величины; во-вторых, в неизменности размера хранимой единицы. Эти важнейшие факторы и обуславливают возможность выполнения измерения (сопоставление с единицей), т.е. «делают» техническое средство средством измерений. Если размер единицы в процессе измерений изменяется более чем установлено нормами, таким средством нельзя получить результат с требуемой точностью. Это означает, что измерять можно лишь тогда, когда техническое средство, предназначенное для этой цели, может хранить единицу, достаточно неизменную по размеру (во времени).

В настоящее время общее количество средств измерений, применяемых в стране в различных сферах деятельности, составляет более 1,0 миллиарда единиц. В результате развития промышленности, прироста производства и востребованности многих видов измерений в период 2005 - 2008 гг. парк средств измерений ежегодно пополнялся на (14 - 15) миллионов единиц. Количество ежегодно утверждаемых в стране новых типов средств измерений достигло 3000[16].

Происходят изменения в структуре парка средств измерений, применяемых в ряде отраслей. Количество средств измерений, подлежащих ежегодно поверке в законодательно установленных сферах, по экспертным оценкам составляет не менее 150 млн. единиц и порядка 200 млн. средств измерений должно калиброваться. Эти данные характеризуют верхние границы потребностей экономики в объемах проведения метрологического контроля пригодности средств измерений к применению[16].

Организационную основу обеспечения единства измерений в сфере обороны и безопасности составляет Метрологическая служба Вооруженных Сил Российской Федерации и находящееся в ее веден ии ФГУ "32 ГНИИИ Минобороны России", функционально определенное Государственным научным метрологическим центром для сферы обороны и безопасности, метрологические службы федеральных органов исполнительной власти сферы обороны и безопасности, метрологические воинские части и подразделения и другие поверочные органы метрологических служб сферы обороны и безопасности, которые, в основном, соответствуют решаемым задачам[16].

В практической деятельности военного инженера-связиста при техническом обслуживании и ремонте техники связи и автоматизации необходимо уметь выбирать средства измерений по их метрологическим характеристикам с учетом решаемых задач и требований к качеству измерений.

Средства измерений, в том числе с средства измерений военного назначения, подразделяются на:

- эталоны;

- рабочие эталоны, образцовые средства измерений и меры;

- рабочие средства измерений.

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[8].

Примечание - В случае, когда одним первичным эталоном технически нецелесообразно обслуживать весь диапазон измеряемой величины, создают несколько первичных эталонов, охватывающих части этого диапазона с таким расчетом, чтобы был охвачен весь диапазон. В этом случае проводят согласование размеров единиц, воспроизводимых «соседними» первичными эталонами

 

Для обеспечения единства измерений физической величины важно, чтобы единицы были одинаковы в их вещественном выражении в тех образцах (эталонах), с которыми сравнивается измеряемая физическая величина. В то же время, очевидно, что любой такой образец создается специально, и никакие два подобных образца не могут быть сделаны абсолютно одинаковыми: реальные размеры единицы в образцах обязательно будут в той или иной мере отличаться друг от друга. Отсюда следует, что среди таких образцов следует выбрать и узаконить какой-либо один, наилучшим образом соответствующий определению единицы, в качестве самого точного эталона (исходного эталона единицы), относительно которого затем определять и контролировать размер единицы для всех остальных эталонов и средств измерений. При наличии большого парка рабочих средств измерений различной точности возникает необходимость в создании системы эталонов различной степени точности, и тем самым — к иерархической соподчиненности эталонов единицы в такой системе. Именно по такому иерархическому принципу разрабатываются в нашей стране общероссийские поверочные схемы для средств измерений отдельных физических величин. Эти поверочные схемы являются нормативными документами (как правило, в виде ГОСТ), устанавливающими номенклатуру и соподчиненность средств измерений данной физической величины, обеспечивающих рациональную систему передачи размера единицы от единого исходного эталона всем имеющимся в стране эталонам и средствам измерений данной физической величины. Во главе любой из действующих общероссийских поверочных схем, стоит государственный эталон России единицы данной физической величины, обеспечивающий централизованное воспроизведение и хранение единицы на территории РФ для передачи ее размера средствам измерений, а так же эталонам соподчиненным с исходным в соответствии с утвержденной поверочной схемой[17].

Например, на рис.10 показана поверочная схема для средств измерений электрического напряжения до 1000 В[18][19].

Эталоны делятся на первичные, вторичные и рабочие эталоны.

 

Первичный эталон - эталон, обеспечивающий воспроизведение единицы с наивысшей в стране (по сравнению с другими эталонами той же единицы) точностью[8].

Первичные эталоны можно также разделить на международные и национальные эталоны.

Международный эталон - эталон, принятый по международному соглашению в качестве международной основы для согласования с ним размеров единиц, воспроизводимых и хранимых национальными эталонами[8].

Национальный эталон - эталон, признанный официальным решением служить в качестве исходного для страны[8].

Рис.10. МИ 1935-88 ГСИ[19]. Государственная поверочная схема для средств измерений электрического напряжения до 1000 В

Вторичный эталон - эталон, получающий размер единицы непосредственно от первичного эталона данной единицы[8].

Среди вторичных эталонов можно выделить, так называемые исходные эталоны.

Исходный эталон - эталон, обладающий наивысшими метрологическими свойствами (в данной лаборатории, организации, на предприятии), от которого передают размер единицы подчиненным эталонам и имеющимся средствам измерений[8].

Примечания - Исходным эталоном в стране служит первичный эталон, исходным эталоном для республики, региона, министерства (ведомства) или предприятия может быть вторичный или рабочий эталон. Вторичный или рабочий эталон, являющийся исходным эталоном для министерства (ведомства) нередко называют ведомственным эталоном. Эталоны, стоящие в поверочной схеме ниже исходного эталона, обычно называют подчиненными эталонами

Использовать при градуировке, калибровке, поверке средств измерений государственные эталоны нельзя. Поэтому при централизованном воспроизведении единиц величин создают строгую, метрологически взаимоподчиненную, иерархическую систему передачи размеров единиц.В этой системе размеры единиц от эталонов передают с помощью средств измерений специального назначения называемых рабочими эталонами.
Специфичность рабочих эталонов (образцовых средств измерений -ОСИ) заключается именно в их метрологическом назначении — эти средства измерений используются только в процедурах передачи размеров единиц. С целью обеспечения долговременной стабильности метрологических свойств образцовых средств измерений, использовать их в других целях запрещается.

Рабочий эталон - эталон, предназначенный для передачи размера единицы рабочим средствам измерений[8].

Примечание: Термин рабочий эталонв настоящее времязаменил собой термин образцовое средство измерений(ОСИ), что сделано в целях упорядочения терминологии и приближения ее к международной[8].

При необходимости рабочие эталоны подразделяют на разряды (1-й, 2-й, ..., n -й). В этом случае передачу размера единицы осуществляют через цепочку соподчиненных по разрядам рабочих эталонов. При этом от последнего рабочего эталона в этой цепочке размер единицы передают рабочему средству измерений[8].

Государственная эталонная база содержит 126 государственных первичных эталонов, 312 вторичных эталонов, в т.ч. 52 военных эталона, и около 100 тысяч рабочих эталонов. Государственные первичные, а также вторичные и рабочие эталоны образуют эталонную базу системы обеспечения единства измерений. Государственные первичные эталоны, воспроизводя основные и производные единицы величин, передают их размеры с помощью рабочих эталонов средствам измерений посредством многоуровневой и разветвленной системы передач размеров единиц величин. Эта система объединяет, кроме указанных выше 126-ти государственных первичных эталонов, 312-ти государственных вторичных эталонов, 52-х военных эталонов и около 100000 государственных рабочих эталонов, также около 75000 эталонов, принадлежащих юридическим лицам, аккредитованным на право поверки средств измерений[16].

В качестве национальных метрологических институтов (НМИ), являющихся разработчиками и хранителями государственных первичных эталонов, определены 7 федеральных государственных научно-исследовательских институтов, подведомственных Ростехрегулированию. Международным бюро мер и весов (МБМВ) установлена многоступенчатая процедура признания измерительных возможностей НМИ, включающая сличения государственных первичных эталонов стран-участниц, и подтверждение системы качества измерений в НМИ. В настоящее время по количеству признанных и опубликованных МБМВ измерительных возможностей Россия занимает третье место в мире, уступая лишь США и Германии[16].

Кроме обычных эталонов на практике используются также специальные эталоны, эталоны сравнения и эталоны свидетели.

Специальный эталон — эталон, обеспечивающий воспроизведение единицы в особых условиях и заменяющий для этих условий первичный эталон. Единица, воспроизводимая с помощью специального эталона, по размеру должна быть согласована с единицей, воспроизводимой с помощью соответствующего первичного эталона[20].

Эталон сравнения - эталон, применяемый для сличений эталонов, которые по тем или иным причинам не могут быть непосредственно сличены друг с другом[8].

Эталон-свидетель- вторичный эталон, применяемый для проверки сохранности первичного эталона и для замены его в случае порчи или утраты. Эталон-свидетель применяется лишь тогда, когда первичный эталон является невоспроизводимым.

 

В настоящее время, среди эталонов основных единиц Международной системы СИ, эталон-свидетель существует только для соблюдения сохранности первичного эталона единицы массы - килограмма, которая воспроизводится, как известно, с помощью прототипа, не имеющего своего естественного воплощения в природе[12].

Эталоны являются средствами поверки средств измерения.

Средства поверки - эталоны, поверочные установки и другие средства измерений, применяемые при поверке в соответствии с установленными правилами[8].

 

Некоторые средства измерений довольно часто называют также мерами[13].По назначению меры делят на образцовые и рабочие. Меры, утвержденные в качестве образцовых, предназначаются для поверки и градуировки рабочих средств измерений. Рабочие меры служат для измерений и, достаточно часто, являются элементами рабочих средств измерения (см. Например[21]).

Фактически между мерами и эталонами нет принципиальных различий. Просто меры наивысшего порядка точности называют эталонами.

Мера[14] физической величины (мера величины, 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[8].

 

Различают следующие разновидности мер[8]:

Однозначная мера - мера, воспроизводящая физическую величину одного размера (например, гиря 1 кг);

Многозначная мера - мера, воспроизводящая физическую величину разных размеров (например, штриховая мера длины);

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).

 

В основании пирамиды на вершине которой находятся первичные эталоны являются рабочие средства измерения.

Рабочее средство измерений - средство измерений, предназначенное для измерений, не связанных с передачей размера единицы другим средствам измерений[8].

 

Рабочие средства измерения подразделяются по типу и виду.

Тип средства измерений- совокупность средств измерений одного и того же назначения, основанных на одном и том же принципе действия, имеющих одинаковую конструкцию и изготовленных по одной и той же технической документации[8].

 

Примечание- Средства измерений одного типа могут иметь различные модификации (например, отличаться по диапазону измерений)

Вид средства измерений - совокупность средств измерений, предназначенных для измерений данной физической величины[8].

 

Примечание - Вид средств измерений может включать несколько их типов.

 

Например, амперметры и вольтметры являются видами средств измерений, соответственно, силы электрического тока и напряжения. Рабочие средства измерения подразделяются на основные и вспомогательные.

Основное средство измерений - средство измерений той физической величины, значение которой необходимо получить в соответствии с измерительной задачей[8].

Вспомогательное средство измерений - средство измерений той физической величины, влияние которой на основное средство измерений или объект измерений необходимо учитывать для получения результатов измерений требуемой точности[8].

 

По степени автоматизации они делятся на не автоматические, автоматизированные и автоматические средства измерений.

Автоматизированное средство измерений - средство измерений, производящее в автоматическом режиме одну или часть измерительных операций[8].

Автоматическое средство измерений - средство измерений, производящее без непосредственного участия человека измерения и все операции, связанные с обработкой результатов измерений, их регистрацией, передачей данных или выработкой управляющего сигнала[8].

 

Обобщающим понятием для измерительных средств является также понятие измерительная техника.

Измерительная техника - обобщающее понятие, охватывающее технические средства, специально предназначенные для измерений[8].

 

К средствам измерительной техники, помимо собственно средств измерений, относят и их совокупности[8]:

- измерительные системы;

- измерительные установки;

- измерительные принадлежности;

- измерительные устройства.

 

Измерительная система (ИС)- 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 выработки измерительных сигналов в разных целях[8].

Измерительная установка (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[8].

Измерительные принадлежности - вспомогательные средства, служащие для обеспечения необходимых условий для выполнения измерений с требуемой точностью[8].

Измерительное устройство - часть измерительного прибора (установки или системы), связанная с измерительным сигналом и имеющая обособленную конструкцию и назначение[8].

Измерительный прибор (прибор)- средство измерений, предназначенное для получения значений измеряемой физической величины в установленном диапазоне[8].

 

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 и приборы сравнения, аналоговые и цифровые приборы, самопишущие и печатающие приборы[8].

Измерительно-вычислительный комплекс (ИВК) - функционально объединенная совокупность средств измерений, ЭВМ и вспомогательных устройств, предназначенная для выполнения в составе измерительной системы конкретной измерительной задачи[8].

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[8].

Средство сравнения - техническое средство или специально создаваемая среда, посредством которых возможно выполнять сравнения друг с другом мер однородных величин или показания измерительных приборов[8].

Компаратор - средство сравнения, предназначенное для сличения мер однородных величин[8].

Измерительная цепь- совокупность элементов средств измерений, образующих непрерывный путь прохождения измерительного сигнала одной физической величины от входа до выхода[8].

 

Примечание- Измерительную цепь измерительной системы называют измерительным каналом[8].

Индикатор- техническое средство или вещество, предназначенное для установления наличия какой-либо физической величины или превышения уровня ее порогового значения[8].

Показывающее устройство средства измерений (показывающее устройство) - совокупность элементов средства измерений, которые обеспечивают визуальное восприятие значений измеряемой величины или связанных с ней величин[8].

Регистрирующее устройство средства измерений (регистрирующее устройство)- совокупность элементов средства измерений, которые регистрируют значение измеряемой или связанной с ней величины[8].

В ГОСТ 15094-69[22] приводится следующая классификация средств измерений:

Признак классификации	Разновидности измерительных приборов
Выполняемые метрологические функции	Эталоны, образцовые приборы, рабочие приборы
Характер измерений, вид измеряемых величин, основные выполняемые функции, совокупность технических характеристик и очередность разработки	Подгруппы, виды, типы
Точность	Классы точности: (K:= 1; 1,5; 2; 2,5; 3; 4; 5; 6.)
Условия эксплуатации	Группы: 1, 2, 3, 4, 5
Частотный диапазон	Низкочастотные, высокочастотные
Принцип действия	Аналоговые, цифровые
Метод измерения	Прямого действия, сравнения
Способ представления измерительной информации	Показывающие, регистрирующие
Способ отсчета	С непосредственным отсчетом, с управляемым отсчетом
Способ регистрации	Самопишущие, печатающие
Конструктивные особенности	Переносные, передвижные, стационарные
Прочие	Текущего значения, интегрирующие, суммирующие и пр.

Для средств измерений различных видов используются специальные обозначения.

По видам средств измерений они разделены на 20 следующих групп, обозначаемых буквой:

А — приборы для измерения силы тока.

В—приборы для измерения напряжения.

Е — приборы для измерения параметров компонентов и цепей с сосредоточенными постоянными.

М — приборы для измерения мощности.

Р — приборы для измерения параметров элементов и трактов с распределенными постоянными.

Ч — приборы для измерения частоты и времени.

Ф — приборы для измерения разности фаз и группового времени запаздывания.

С — приборы для наблюдения, измерения и исследования формы сигнала и спектра.

Х — приборы для наблюдения и исследования характеристик радиоустройств.

И — приборы для импульсных измерений.

П — приборы для измерения напряженности поля и радиопомех.

У — усилители измерительные.

Г — генераторы измерительные.

Д — аттенюаторы и приборы для измерения ослаблений.

К—комплексные измерительные установки.

Л — приборы общего применения для измерения параметров электронных ламп и полупроводниковых приборов.

Ш — приборы для измерения электрических и магнитных свойств материалов.

Я —блоки радиоизмерительных приборов.

Э — измерительные устройства коаксиальных и волноводных трактов:

Б — источники питания для измерений и радиоизмерительных приборов:

Группы, в свою очередь, делятся на подгруппы, обозначаемые цифрой. Например, приборы для измерения напряжения делятся на следующие подгруппы:

• Bl —установки или приборы для поверки вольтметров;
• В2 — вольтметры постоянного тока;
• ВЗ — вольтметры переменного тока;
• В4 — вольтметры импульсного тока;
• В5 — вольтметры фазочувствительные (векторметры);
• В6 —вольтметры селективные;
• В7 —вольтметры универсальные,
• В8 — измерители отношения напряжений и (или) разности напряжений;
• В9 — преобразователи напряжений.

Условное обозначение радиоизмерительного прибора состоит из обозначения вида, к которому он относится, и номера модели; перед номером модели ставится дефис. В случае модернизации или усовершенствования прибора в конце обозначения прибора добавляется буква А (при первой модернизации), Б (при второй) и т. д. по порядку. После признака модернизации указывается признак условий работы прибора, а после него признак конструктивной модификации. Порядковый номер конструктивной модификации обозначается арабскими цифрами через дробь.

Например, прибор В2-3БТ/2 является вольтметром постоянного тока, третьей модели, второй модернизации, предназначен для работы в условиях тропического климата и относится ко второй конструкторской модификации.

Комбинированные приборы классифицируются по основной измеряемой или выдаваемой ими величине. Для их отличия после обозначения подгруппы ставится буква К. Например, вольтомметр ВК7-9 относится к подгруппе приборов для измерения напряжений.

Обозначение блоков приборов состоит из признака вида с добавлением индекса, указывающего на выполняемые функции. Например, сменный блок предварительного усилителя осциллографов С1-15 и С1-17 обозначается Я4С-44 (вид Я4 — это блоки приборов для наблюдения, измерения и исследования формы сигнала и спектра).