Средства измерений

1.

СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ
Средства измерительной техники - обобщающее понятие, охватывающее технические средства, специально предназначенные для измерений.
Средства измерительной техники: эталоны, средства измерений, измерительные
системы, измерительные установки, измерительные принадлежности, средства
сравнения, стандартные образцы и др.
Для обеспечения единства измерений необходима тождественность единиц, в которых проградуированы все средства измерений одной и той же физической величины.
Единство измерений достигается путем точного воспроизведения и хранения установленных единиц физических величин и передачи их размеров применяемым средствам измерений.
Эталоны
Высшим звеном в метрологической цепи передачи размеров единиц измерений
являются эталоны.
Эталон (единицы величины или шкалы измерений) - средство измерительной техники, предназначенное для воспроизведения, хранения и передачи единицы величины или шкалы измерений.
Эталон должен обладать тремя признаками: неизменностью, воспроизводимостью
и сличаемостью.

2.

Наивысшую в стране точность воспроизведения единицы обеспечивает первичный
эталон.
Первичный эталон - эталон, основанный на использовании первичной референтной
методики измерений или созданный как артефакт, выбранный по соглашению.
Метрологические свойства первичных эталонов единиц величин устанавливают
независимо от других эталонов единиц этих же величин.
Первичный эталон, воспроизводящий единицу в специфических условиях (например, высокие и сверхвысокие частоты) - первичный специальный эталон.
Государственный первичный эталон – это первичный эталон, признанный
решением уполномоченного на то государственного органа в качестве исходного на
территории государства.
Вторичный эталон - эталон, получающий единицу величины или шкалу измерений
непосредственно от первичного эталона данной единицы или шкалы.
Если эталоны не могут быть непосредственно сличены друг с другом используется
эталон сравнения.
Эталон, предназначенный для передачи размера единицы рабочим средствам измерений, называется рабочим.
При необходимости рабочие эталоны подразделяют на разряды (1-й, 2-й, ..., п-й). В
этом случае передачу единицы осуществляют через цепочку соподчиненных по
разрядам рабочих эталонов. При этом от последнего рабочего эталона в этой цепочке
единицу передают средству измерений.

3.

Эталон, обладающий наивысшими метрологическими свойствами в данной
лаборатории, организации, предприятии, от которого передают размеры единицы
подчиненным эталонам и имеющимся средствам измерений, называется исходным
эталоном.
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.
Эталон, используемый при калибровке или поверке называется калибратором
Термин калибратор используется только в определенных областях.
Эталоны, стоящие в поверочной схеме (калибровочной иерархии) ниже исходного
эталона, обычно называют подчиненными эталонами.
Размер единицы, хранимой подчиненными эталонами или рабочими, может быть
установлен по отношению к национальному первичному эталону. При этом может быть
несколько ступеней сравнения (через вторичные и рабочие эталоны).
Национальный эталон - эталон, признанный национальными органами власти для
использования в государстве или экономике в качестве исходного для страны.
В некоторых странах СНГ в качестве национального эталона используют вторичный
или рабочий эталон.
Термины государственный эталон и национальный эталон отражают по существу
одно и то же понятие.

4.

Эталон, принятый по международному соглашению в качестве международной
основы для согласования с ним размеров единиц, воспроизводимых и хранимых
национальными эталонами, называется международным.
Международный эталон - эталон, который признан всеми государствами, подписавшими международное соглашение, и предназначен для всего мира.
Совокупность государственных, первичных и вторичных эталонов составляют
эталонную базу страны, являющейся основой обеспечения единства измерений в
стране.
Стандартный образец - материал, достаточно однородный и стабильный в отношении определенных свойств для того, чтобы использовать его при измерении или при
оценивании качественных свойств в соответствии с предполагаемым назначением.
Один и тот же стандартный образец не может использоваться и для калибровки, и
для контроля точности результатов измерений применительно к одной и той же
измерительной системе
Естественный эталон - эталон, основанный на присущих и воспроизводимых свойствах материального объекта или явления.
Примеры: ячейка тройной точки воды как естественный эталон термодинамической
температуры. ; естественный эталон разности электрических потенциалов, основанный на эффекте Джозефсона; естественный эталон электрического сопротивления,
основанный на квантовом эффекте Холла.
Тройная точка воды - температура 273,16 К (0,01 °C) и давление 611,657 Па.
Значение величины естественного эталона приписывается по соглашению и не требует установления связи с другими эталонами того же вида.

5.

Естественный эталон - эталон, основанный на присущих и воспроизводимых свойствах материального объекта или явления.
Примеры: ячейка тройной точки воды как естественный эталон термодинамической
температуры; естественный эталон разности электрических потенциалов, основанный
на эффекте Джозефсона; естественный эталон электрического сопротивления, основанный на квантовом эффекте Холла.
Значение величины естественного эталона приписывается по соглашению и не требует установления связи с другими эталонами того же вида.

6.

Меры
Мера (материальная) - СИ, которое воспроизводит в процессе использования или
постоянно хранит величины одного или более данных родов, с приписанными им
значениями.
Примеры: эталонная гиря; эталонный резистор; линейная шкала (линейка);
эталонный генератор сигналов и др.
Материальная мера может быть эталоном.
Различают однозначные и многозначные (переменные) меры
Однозначная мера - мера, воспроизводящая физическую величину одного размера.
Примеры: нормальный элемент, конденсатор постоянной емкости.
Величины, для которых операция сложения выполняется сравнительно легко, воспроизводятся с помощью многозначных или однозначных мер, объединяемых в наборы или
магазины мер.
Многозначная мера - мера, воспроизводящая ряд одноименных величин различного
размера.
Примеры: миллиметровая линейка, конденсатор переменной емкости.

7.

Измерительные преобразователи
Измерительный преобразователь (ИП) - СИ или его часть, служащее для получения
и преобразования информации об измеряемой величине в форму, удобную для обработки, хранения, дальнейших преобразований, индикации или передачи.
Примеры: термопара, трансформатор электрического тока, тензодатчик и др.
Первичный измерительный преобразователь; чувствительный элемент – ИП, на который непосредственно воздействует материальный объект или явление, являющееся носителем величины, подлежащей измерению.
Примеры: чувствительная катушка платинового термометра сопротивления, ротор
турбинного расходомера, поплавок уровнемера, фотоэлемент спектрометра, и др.
Датчик - конструктивно обособленные первичный преобразователь или совокупность первичного и других измерительных преобразователей.
Детектор - техническое средство или вещество, которое указывает на наличие определенного свойства объекта измерения при превышении порогового значения соответствующей величиной.
Пример: галогенный течеискатель, лакмусовая бумага.
В химии для этого понятия часто используют термин индикатор.

8.

Классификация измерительных преобразователей
По характеру преобразования входной величины: аналоговые, аналого-цифровые;
цифро-аналоговые.
По месту в измерительной цепи: первичные, промежуточные, передающие, масштабные.
По физическому принципу действия:
Первичный преобразователь – ИП, на который воздействует измеряемая, т. е. первый
преобразователь в измерительной цепи измерительного прибора (установки, системы).
Пример: термопара в цепи термоэлектрического термометра.
Промежуточный преобразователь – ИП, занимающий в измерительной цепи место
после первичного.
Передающий преобразователь – ИП, служащий для дистанционной передачи измерительной информации.
Выходной преобразователь – ИП , стоящий последним в измерительной цепи.
Он снабжается отсчетным или регистрирующим устройством, фиксирующим значение измеряемой величины.
Масштабные преобразователи – ИП предназначенные для изменения в определенное число раз значения одной из величин, действующих в измерительной цепи, без изменения ее физической природы.
Примеры: делители напряжения, измерительные трансформаторы тока, измерительные усилители и т. п.

9.

В зависимости от наличия постороннего источника энергии разделяются на генераторные (энергетические) и параметрические.
Генераторные (энергетические) – ИП не требующие для осуществления преобразования постороннего источника энергии.
ИП вырабатывает ее сам за счет энергии преобразуемой величины. Пример: термоэлетрический ИП; пьезоэлектрический ИП.
Параметрические - ИП возбуждаемые от постороннего источника энергии.
Пример: емкостный преобразователь линейных перемещений.
Измерительные приборы
Измерительный прибор – СИ, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия.
Примеры: вольтметр, микрометр, термометр, электронные весы и др.
Классификация измерительных приборов
По способу индикации: показывающие и регистрирующие.
Показывающий измерительный прибор - измерительный прибор, в котором сигнал
измерительной информации представлен в визуальной форме.
Регистрирующие - приборы, в которых предусмотрена регистрация показаний.
По методу преобразования: приборы непосредственной оценки (приборы прямого
преобразования); приборы сравнения (приборы уравновешивающего преобразования); приборы смешанного преобразования.

10.

Приборы прямого преобразования
Прибор прямого преобразования
y k1k2...kn xn 1 kx
где k1, k2,…, kn – коэффициенты преобразования измерительных преобразователей.
При этом чувствительность (коэффициент преобразования) прибора прямого
преобразования:
dxn dx1 dx2 dxn
S k
...
k1 k2 ... kn
x
dx dx1 dxn 1

11.

Приборы уравновешивающего преобразования
Структурная схема прибора уравновешивающего преобразования
y k1k2 ... kn x k x k x xk
xk y 1 2... m y
y k x y
k
k
y
x
S
1 k
1 k
где 1 , 2 , … m- коэффициенты преобразования обратных преобразователей
Компенсация может быть полной и неполной. При полной компенсации (астатическое преобразование) в установившемся режиме имеем
y
1
x

12.

Приборы смешанного преобразования - когда часть цепи преобразования охвачена
отрицательной обратной связью.
По виду выдаваемой информации: аналоговые и цифровые.
Аналоговые - измерительные приборы, показания которыхо являются непрерывной
функцией измеряемой величины, например, стрелочный вольтметр.
Цифровые - измерительные приборы, автоматически вырабатывающие дискретные
сигналы измерительной информации, показания которыхо представлены в цифровой
форме, например, цифровой омметр.
Установка (измерительная) - совокупность функционально объединенных и
расположенных в одном месте мер, измерительных приборов, измерительных
преобразователей и других устройств, предназначенная для измерений одной или
нескольких величин.
Измерительная установка, применяемая для поверки - поверочная установка.
Измерительная установка, входящая в состав эталона - эталонная установка.
Измерительная система (ИС) - совокупность средств измерений и других средств
измерительной техники, размещенных в разных точках объекта измерения,
функционально объединенных с целью измерений одной или нескольких величин,
свойственных этому объекту.
Измерительная система в зависимости от решаемой измерительной задачи может
рассматриваться как единое средство измерений

13.

Измерительный прибор - СИ, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия.
Примеры: вольтметр, микрометр, термометр, электронные весы.
Измерительный прибор, в котором сигнал измерительной информации представлен в
визуальной форме, называют показывающим измерительным прибором.
Сигнал измерительной информации может быть представлен в визуальной, звуковой
или другой заданной форме. Он также может быть передан одному или нескольким
другим средствам измерений.
Измерительный прибор может быть эталоном.
Установка (измерительная) - совокупность функционально объединенных и
располо-женных в одном месте мер, измерительных приборов, измерительных
преобразовате-лей и других устройств, предназначенная для измерений одной или
нескольких величин.
Измерительная установка, применяемая для поверки - поверочная установка.
Измерительная установка, входящая в состав эталона - эталонная установка.

14.

Нормирование метрологических характеристик средств измерений
Нормирование метрологических характеристик - установление номинальных значений и границ допускаемых отклонений реальных метрологических характеристик
средств измерений от их номинальных значений.
Номенклатуру метрологических характеристик средств измерений устанавливает
ГОСТ 8.009-2003 «Нормирование и использование метрологических характеристик
средств измерений».
Характеристики, предназначенные для определения результатов измерений: 1) функция (статическая характеристика) преобразования измерительного преобразователя, а
также измерительного прибора с неименованной шкалой; 2) значение однозначной или
значения многозначной меры; 3) цена деления шкалы измерительного прибора или
многозначной меры; 4) вид выходного кода, число разрядов кода, цена единицы наименьшего разряда кода цифровых средств измерений.
Характеристики погрешностей средств измерений: ) характеристики систематической составляющей погрешности; 2) характеристики случайной составляющей погрешности; 3) характеристики погрешности.
Характеристики чувствительности средств измерений к влияющим величинам:
1) функции влияния; 2) изменения значений метрологических характеристик средств
измерений, вызванных изменениями влияющих величин в установленных пределах.
Динамические характеристики средств измерений:1) полная; 2) частные.
Характеристики взаимодействия средств измерений с объектом исследования и нагрузкой: 1) входное полное сопротивление; 2) выходное полное сопротивление.
Неинформативные параметры выходного сигнала средств измерений.

15.

Классы точности средств измерений
Класс точности средства измерений – обобщенная характеристика данного типа
средств измерений, как правило, отражающая уровень их точности, выражаемая пределами допускаемых основной и дополнительных погрешностей, а также другими
характеристиками, влияющими на точность.
Класс точности дает возможность судить о том, в каких пределах находится погрешность средства измерений одного типа, но не является непосредственным показателем
точности измерений, выполняемых с помощью каждого из этих средств.
Класс точности средств измерений конкретного типа устанавливают в стандартах
технических требований (условий) или в других нормативных документах.
Общие положения о делении СИ на классы точности и способы нормирования
метрологических характеристик регламентирует ГОСТ 8.401-80 «Классы точности
средств измерений. Общие требования».
Данный ГОСТ не устанавливает классы точности СИ, для которых предусмотрены
нормы отдельно для систематической и случайной составляющих погрешности, а
также если необходимо учитывать динамические характеристики.
Предел допускаемой погрешности средства измерений – наибольшее значение погрешности средств измерений, устанавливаемое нормативным документом для данного
типа средств измерений, при котором оно еще признается годным к применению.
Обычно устанавливают пределы допускаемой погрешности, то есть границы зоны, за
которую не должна выходить погрешность.

16.

Пределы допускаемых основной и дополнительной погрешностей следует выражать в
форме приведенных, относительных и абсолютных погрешностей.
Пределы допускаемой дополнительной погрешности допускается выражать в форме
отличной от формы выражения допускаемой основной погрешности.
Приведенная и относительная погрешности выражаются одними и теми же числами
для СИ одного уровня точности, но с различными верхними пределами измерения.
Пределы допускаемой основной погрешности устанавливают в следующей последовательности:
1)Пределы допускаемой абсолютной погрешности по формулам:
а) а
или
б) a bX
а) если граница погрешностей средств измерений остается практически неизменной в
пределах диапазона измерения (присутствует чисто аддитивная составляющая
погрешности);
б) если границы погрешностей остаются практически линейными (присутствует как
аддитивная, так и мультипликативная составляющие погрешности).
пределы допускаемой абсолютной основной погрешности, выраженной в единицах измеряемой величины или в делениях шкалы;
a , b – постоянные положительные числа.
2) Пределы допускаемой приведенной основной погрешности (в процентах) в устанавливают по формуле:

17.

- пределы допускаемой приведенной основной погрешности, %;
X- нормирующее значение, выраженное в тех же единицах, что и
N
р – отвлеченное положительное число из ряда:
(n = 1, 0, –1, –2 и т. д.). Значения, указанные в скобках, не устанавливают для вновь
разрабатываемых средств измерений.
3) Пределы допускаемой относительной основной погрешности устанавливают по
формулам:
X
K
1
а) 100 q б) c d
с b d
X
d а
XK
X
X
а) если значение установлено по формуле: а ; б) в случае присутствия
соизмеримых аддитивной и мультипликативной составляющих погрешностей.
В стандартах или технических условиях на СИ должно быть установлено минимальное значение х равное х0 , начиная с которого применим принятый способ
выражения пределов допускаемой относительной погрешности.
Пределы допускаемых дополнительных погрешностей устанавливают в виде:
а) постоянного значения для всей рабочей области влияющей величины; б) отношения предела допускаемой дополнительной погрешности, соответствующего регламентированному интервалу влияющей величины, к этому интервалу; в) предельной
функции влияния; г) функциональной зависимости пределов допускаемых отклонений от номинальной функции влияния.

18.

Предел допускаемой вариации выходного сигнала и пределы допускаемой нестабильности выражают в виде доли допускаемой основной погрешности.
Способы выражения остальных метрологических характеристик устанавливаются в
стандартах на средства измерений конкретного вида.
Пределы допускаемых погрешностей должны быть выражены не более чем двумя
значащими цифрами, причем погрешность округления при вычислении пределов не
должна быть более 5 %.
Обозначение классов точности в документации
Для СИ, пределы допускаемой основной погрешности выражаются в форме абсолютной или относительной погрешности, установленных в виде графика, таблицы
или формулы отличной от ранее приведенных, классы точности в документации обозначаются прописными буквами латинского алфавита или римскими цифрами.
Допускается добавлять индексы в виде арабской цифры.
Классам точности, которым соответствуют меньшие пределы допускаемых погрешностей, должны соответствовать буквы, находящиеся ближе к началу алфавита, или
цифры, означающие меньшие числа.
Для СИ, пределы допускаемой основной погрешности выражаются в форме приведенной или относительной погрешности в соответствии с формулами:
p
XN
q
X
классы точности в документации обозначаются числами, которые равны этим пределам, выраженных в процентах.

19.

Для СИ, пределы допускаемой основной погрешности выражаются в форме
относительных погрешности в соответствии с формулой:
XK
c d
1
X
X
Классы точности в документации обозначаются числами c и d , разделяя их косой
чертой.
Обозначение классов точности на средствах измерений
На циферблаты, щитки и корпуса СИ наносятся условные обозначения классов точности, включающие числа, прописные буквы латинского алфавита или римские цифры,
с добавлением знаков указанных в таблице.
Для приборов с существенно неравномерной шкалой допускается указывать пределы
допускаемой основной относительной погрешности для части шкалы, лежащей в
пределах, отмеченных специальными знаками (например, точками или треугольниками). К значению предела допускаемой относительной погрешности в этом случае
добавляют знак процента и помещают в кружок, например
. Этот знак не является
обозначением класса точности.
Обозначение класса точности допускается не наносить на высокоточные меры, и СИ,
для которых действующими стандартами установлены особые внешние признаки,
зависящие от класса точности, например шестигранная форма гирь общего назначения.
За исключением технически обоснованных случаев должны также наноситься
обозначение стандарта или технических условий.

20.

21.

СИ с двумя или более диапазона измерений одной и той же физической величины
допускается присваивать два и более класса точности.
Пример- Амперметр имеет диапазоны: 0-10, 0-20, 0-50 А классы точности в которых различны.
СИ предназначенным для измерений двух или более физических величин, допускается присваивать различные классы точности для каждой измеряемой величины.
Мультиметр – по напряжению один класс, по току – другой.
Для ограничения номенклатуры СИ по точности для СИ конкретного вида следует
устанавливать ограниченное число классов точности, определяемое технико-экономическими обоснованиями.
Классы точности цифровых измерительных приборов со встроенными вычислительными устройствами для дополнительной обработки результатов измерений следует устанавливать без учета режима обработки.
Если в стандарте установлено несколько классов точности, то допускается
присваивать класс точности при выпуске из производства, а также понижать класс
точности по результатом поверки. При этом класс точности набора мер определяется
классом точности меры с наибольшей погрешностью.
Обозначение класса точности средства измерений дает достаточно полную
информацию для вычисления приближенной оценки погрешностей результатов
измерений.

22.

ЗАДАЧА 1
Вольтметром класса точности 1.0 с верхним пределом измерения 10 В измеряется
напряжение UX = 3 B. Определить абсолютную и относительную погрешность
измерения напряжения UX.
Решение
Обозначение класса точности 1.0 свидетельствует о том, что класс точности
определяется по приведенной погрешности :
p 1%
p
XN
Нормирующее значение X N в данном случае равно верхнему пределу измерения, т.е.
X N 10 B
Из формулы находим: X N 1 10 0,1B
100
100
Абсолютная погрешность измерения равна 0,1B
Это значение погрешности неизменно при любом показании прибора.
При присутствии случайной погрешности получим: 2 2
СЛ
ПР
Находим относительную погрешность измерения по формуле:
0,1
100% 100% 3,3%
X
3

23.

ЗАДАЧА 2
Вольтметром класса точности 0.02/0.01 с верхним пределом измерения 10 В измеряется напряжение UX = 3 B. Определить абсолютную и относительную погрешность
измерения напряжения UX.
Решение:
Обозначение класса точности 0.02/0.01 говорит что класс точности определяется по
относительной погрешности , форма выражения которой имеет вид:
X
K
c d
1
X
X
и класс точности обозначается как:
.
Подставив c и d в формулу найдем относительную погрешность измерения
UX = 3 B:
0,02 0,01 10 1 0,04%
X
3
Абсолютная погрешность найдется как: * Х 0,04 * 3/100 0,0012В