Нормирование точности и технические измерения
.pdf
|
|
|
|
|
|
|
У |
|
|
|
|
|
|
Т |
|
|
|
|
|
|
Н |
|
|
|
|
|
|
|
Б |
|
|
локальные. |
|
|
й |
|
|
||
|
|
структура |
поверочной схемы |
||||
Рис. 2.10. Общая |
|
||||||
Поверочные схемы под азделяютсяи |
на государственные и |
||||||
|
|
т |
|
|
|
|
|
Государственная повер |
чная схема - поверочная схема, рас |
||||||
пространяющ аяся на всеоСИ данной ФВ, имеющиеся в стране. |
|||||||
|
з |
|
|
|
|
|
|
Л окальная поверочная схема - поверочная схема, распростра |
няю щ аяся на СИ данной ФВ, применяемы^ в регионе, отрасли, |
|
ведомстве или на |
итдельном предприятии (в организации). |
о |
2.7. Средства измерений. |
|
|
М трологические характеристики средств измерений |
|
п |
|
Средстваеизмерительной техники (измерительная техни |
ка)Р- обобщающее понятие, охватывающее технические сред ства, специально предназначенные для измерений. К сред ствам измерительной техники относят средства измерений и их совокупности (измерительные системы, измерительные установки), измерительные принадлежности, измерительные устройства.
Е средствам измерительной техники, непосредственно уча
91
ствующим в получении и преобразовании измерительной ин формации относятся средства измерений.
Средство изм ерений - техническое средство, предназначен ное для измерений, имеющее нормированные метрологические характеристики, воспроизводящее и (или) хранящ ее едини цу физической величины, размер которой принимаю т неиз менным (в пределах установленной погрешности) в течение известного интервала времени.
В зависимости от функционального назначения и кон
структивного исполнения различаю т |
такие виды средств из |
|||
мерений, как |
меры, измерительные |
|
У |
|
преобразователи, изме |
||||
|
|
|
Т |
|
рит ельные приборы, индикаторы, измерительные установки, |
||||
измерительные |
системы, |
измерительно-вычислительные |
||
комплексы . |
|
|
Н |
|
|
|
|
|
|
П ростейш им |
СИ является |
мера. Главная отличительная |
особенность меры - отсутствие каких-либо преобразований и з мерительной информации самим СИ. М ера физической вели
чины (мера величины; мера) - |
СИ, предназначенное для вос |
|
произведения и (илц) хранения физическойБвеличины одного |
||
|
|
и |
или нескольких заданны х размеров, значения которых вы |
||
раж ены в установленных един |
цахйзвестны с необходимой |
|
точностью. |
о |
|
Меры, предназначенные для воспроизведения физической |
||
|
т |
|
величины заданного размера,рназываю т однозначными, а вос |
||
|
и |
|
производящ ие физические величины ряда размеров - много |
значны ми. В качестве пр меров однозначных мер можно на |
||
|
|
з |
звать плоскопараллельную концевую меру длины, угольник |
||
(мера прям |
го |
|
угла), а из не относящ ихся к геометрическим |
||
п |
|
|
величинам - |
гирю (мера массы). К многозначным мерам сле |
дует отнести измерительную линейку, угловую концевую меру с несколькиме и рабочими углами, транспортир. Меры могут комРпл ктоваться в наборы или конструктивно объединяться в так называ мые м агазины .
Набор мер - ком плект мер разного размера одной и той же ф изической величины, предназначенных для применения на практике как в отдельности, так и в различны х сочетаниях (например, наборы концевы х мер длины, угловых концевых мер, наборы разновесов). Магазин мер - набор мер, конструк тивно объединенных в единое устройство, в котором имеются приспособления для их соединения в различны х комбинаци ях (например, м агазин электрических сопротивлений).
92
Измерительный преобразователь - техническое средство с нормированными метрологическими характеристиками, слу жащ ее для преобразования измеряемой величины в другую величину или измерительный сигнал, удобный для обработки, хранения, дальнейш их преобразований, индикации или пере дачи. Примеры измерительных преобразователей - микроме трическая пара винт-гайка, пружина динамометра.
По характеру входного и выходного сигналов различаю т аналоговые и цифровые преобразователи; по месту, занимае мому в измерительной цепи, - первичные и промеж уточные. Преобразователи с пропорциональным преобразованием сиг
нала измерительной информации называю т масш табны м и. |
|
Т |
|
Первичный измерительный преобразователь - измеритель |
|
Н |
|
ный преобразователь, на который непосредственно воздействуУ |
ет измеряемая физическая величина. В одном СИ может быть несколько первичных преобразователей, например, ряд термо
пар измерительной установки, предназначенной для контроля |
|
температуры в разных точках холодильной емкости. |
|
Датчик - конструктивно обособленныйБпервичный преоб |
|
разователь, от которого поступают змерительные сигналы . |
|
Измерительный прибор |
бор)й- СИ, предназначенное |
для получения значений изме яемойифизической величины в установленном диапазоне. И зме ительный прибор предназна
чен для получения измери ельн(прй информации от измеряемой
физической величины, ее пре бразования и выдачи в форме, |
|||
|
|
|
о |
поддающейся непосредс венному восприятию оператором. |
|||
|
|
т |
|
Прибор включает в себя один или несколько измерительных |
|||
преобразователей ииприсоединенное к ним устройство отобра |
|||
ж ения измерительнойз |
информации типа ш кала-указатель, |
||
|
о |
|
|
указатель-диаграммная бумага, числовое табло. В зависимо |
|||
е |
|
редставления информации различаю т пока |
|
сти от сист мы |
|||
Р |
|
регистрирующие приборы, причем регистри |
|
зывающиепили |
рующие могут быть записываю щ ими либо печатаю щ ими, а в зависимости от формы выходного сигнала различаю т приборы с аналоговым либо с дискретным выходом (дискретные при боры часто называю т цифровыми).
Принято различать приборы прямого действия и приборы сравнения. Приборы сравнения называю т такж е ком парато рами.
Компаратор - средство сравнения, предназначенное для сличения мер однородных величин. Пример компаратора -
93
ры чаж ны е весы.
И ндикатор - техническое средство или вещество, предна значенное для установления наличия какой-либо физической величины или превы ш ения уровня ее порогового значения. При хим ических реакциях в качестве индикатора прим еня ют, например, лакмусовую бумагу. В области измерений ио низирую щ их излучений индикатор часто дает световой и (или) звуковой сигнал о превыш ении уровнем радиации установ ленного порогового значения. В некоторых случаях в качестве
индикаторов могут использоваться измерительные приборы
(омметр при проверке обрыва в электрической цепи, предель
ный элект-роконтактны й измерительный преобразователь с |
|
визуальной или звуковой сигнализацией). |
Т |
|
Н |
Сложное средство измерений можно представитьУв виде схе
мы, взяв за основу его измерительную цепь, которая вклю чает первичный и промежуточные измерительные преобразовате
ли, а такж е устройство |
отображения |
измерительной инфор |
||||
|
|
|
|
|
й |
|
мации. П ример структурной схемы измерительного прибора |
||||||
представлен на рис. 2 . 11. |
|
|
и |
Б |
||
|
|
|
р |
|
|
|
|
о |
|
|
|
||
т |
|
|
|
|
||
Рис. 2.11. Струк урная схема измерительного прибора |
||||||
В состав первичного |
|
змерительного преобразователя обя |
и зательно вклю чаетсязчувствительный элемент (ЧЭ). Средство
измерений может вклю чать устройство выдачи (отображе ния) измерительн й информации. У приборов с визуальным
выходом это чащ е всего |
отсчетные устройства типа ш кала- |
|
е |
|
|
указат ль или цифровое табло. Прибор может быть снабжен |
||
Р |
или |
одной ш калой с несколькими |
несколькимпи ш калам и |
||
указат лям и . В приборах и |
индикаторах применяю т и дру |
гие устройства визуальной индикации (нуль-указатели, табло светофорного типа), а такж е акустические устройства (звонок, генератор речи) и тактильны е устройства (например, вибратор наручного будильника). В качестве устройств выдачи инфор м ации могут использоваться такж е любые регистрирующие самопиш ущ ие или печатаю щ ие устройства.
В зависимости от степени участия оператора в процессе различаю т автоматические, автоматизированные и неавтома
94
тизированные средства измерений.
Автоматическое средство измерений - СИ, производящее без непосредственного участия человека измерения и все опе рации, связанные с обработкой результатов измерений, их ре гистрацией, передачей данных или выработкой управляю щ е го сигнала.
Автоматизированное средство измерений - СИ, производя щее в автоматическом режиме одну или часть измерительных операций.
Средства измерений подразделяю тся на виды и типы, при |
||
чем вид СИ может вклю чать несколько их типов. |
У |
|
|
||
|
Т |
|
Вид СИ - совокупность СИ, предназначенных для измере |
||
ний данной физической величины . |
Н |
|
Тип СИ - совокупность СИ одного и того же назначения,
основанных на одном и том же принципе действия, имею щ их одинаковую конструкцию и изготовленных по одной и той же технической документации. СИ одного типа могут иметь раз личные модификации.
Средства измерений принято такж е различатьБ |
по принци |
||
пам действия, т.е. по физическ |
и |
нципам, используемым |
|
м пр |
|||
для преобразования измеряемой велйчины или сигнала изм е |
|||
рительной информации, нап |
механические, оптические, |
||
рабочие СИ. Как было о мечено |
выше, под рабочим понимают |
||
гидравлические, пневматические и др. |
|
||
т |
|
различаю т эталонные и |
|
По метрологическому назначениюимер |
СИ, предназначенное для измерений, не связанны х с пере дачей размера един цы другим СИ. Эталонные СИ называю т
такж е средствами п |
|
. |
|
|
верки |
|
|
Средства веркиз- |
эталоны, поверочные установки и дру |
||
гие СИ, |
рименяемые при поверке в соответствии с установ |
||
ленными |
о |
|
|
равилами. |
|
|
Возможности использования СИ, а такж е их точностные свой |
|
|
п |
ства опр д ляются их метрологическими характеристиками. |
|
е |
|
Р |
|
М етрологическая характеристика СИ (метрологическая ха рактеристика; MX) - характеристика одного из свойств СИ, влияю щ ая на результат измерений и на его погрешность. Разли чают нормируемые метрологические характеристики, устанав ливаемые нормативными документами на СИ, и действительные характеристики, определяемые экспериментально. Метрологи ческие характеристики весьма разнообразны, различаются по значимости, информативности и зависят от типа СИ.
95
Д ля СИ, осущ ествляю щ их измерительное преобразование измеряемой физической величины, ш ироко применяю т инте гральную метрологическую характеристику, которая отраж а ет действительную функцию преобразования (так называемую градуировочную характеристику). Градуировочная характ е рист ика СИ - зависимость между значениями величин на входе и выходе СИ, полученная экспериментально. Градуиро вочная характеристика может быть вы раж ена в виде форму лы, граф ика или таблицы . Выраженную в виде формулы или
граф ика номинальную |
характеристику |
называют |
функцией |
|
преобразования |
СИ. |
|
|
У |
|
|
|
Т |
|
Н аряду с интегральными метрологическими характери |
||||
стиками для средств |
измерений предусмотрены |
возможно |
||
сти назначения |
и контроля множества |
Н |
|
|
различны х частных |
характеристик. Некоторые из них представляют интерес для пользователя, другие принципиально важ ны только для раз работчиков средств измерений. Е последним можно отнести
такие, как: |
|
|
- расстояниеБмежду |
|
|
|
- длина |
деления ш калы |
осями |
(или |
|||
центрами) |
|
|
|
и |
|
вдоль |
двух соседних отметок ш калы , измеренное |
||||||
воображаемой линии, проходящ еййчерез середины самых ко |
||||||
ротких отметок ш калы ; |
о |
|
|
|
||
|
|
|
|
|
||
- длина ш калы - длина линии, проходящ ей через центры |
||||||
|
т |
рк ш калы средства измерений и |
||||
всех самых коротких ме |
||||||
|
яние |
|
|
|
|
|
ограниченной начальной и конечной отметками. |
|
|
||||
Базовая |
линия ш калы может быть прямой |
или кривой, |
реально выполненной на приборе или воображаемой. Длина |
|||
|
о |
между ниж ним и верхним пределами |
|
ш калы есть расст |
|||
ш калы , измереннзе вдоль этой линии; |
- свойство сред |
||
- чувствительн сть средства измерений |
|||
е |
|
|
|
ства изм р ний, определяемое отношением изменения выход |
|||
Р |
|
|
|
ного сигналапэтого средства к вызываю щ ему его изменению |
|||
измеря мой величины . |
|
|
|
П римеры характеристик, важ ны х и для |
пользователя, и |
для разработчиков:
- диапазон показаний средства измерений (диапазон по казаний) - область значений ш калы прибора, ограниченная начальны м и конечным значениями ш калы ;
- диапазон измерений средства измерений (диапазон из мерений) - область значений величины, в пределах которой нормированы допускаемые пределы погрешности средства из
96
мерений. Примечание: значения величины, ограничивающие диапазон измерений снизу и сверху (слева и справа), называ ют соответственно нижним пределом измерений или верхним пределом измерений;
-вариация показаний измерительного прибора - разность показаний прибора в одной и той же точке диапазона измере ний при плавном подходе к этой точке со стороны меньш их и больших значений измеряемой величины;
-порог чувствительности средства измерений - характе
ристика средства измерений в виде наименьшего значения изменения физической величины, начиная с которогоУможетзначений измеряемой величины, в пределах которогоТ ее и з
менения не вызывают выходного сигнала средства измерений. Иногда ее называют «мертвая зона»;
- дрейф показаний средства измерений - изменение пока
Н
заний средства измерений во времени, обусловленное измене |
|||
нием влияю щ их величин или других факторов.Б |
|
||
Для выбора номенклатуры |
и |
|
|
назначения метрологических |
|||
характеристик важно |
определ |
ть йв д конкретного |
средства |
измерений, поскольку |
для азных СИ используют |
различ |
|
|
о |
|
|
ные MX и комплексы MX. М ет ологические характеристики |
|||
т |
|
|
средств измерений различныхрвидов существенно отличаю т
ся по номенклатуре. Так, для однозначной меры набор ме
трологических харак ер с ик вклю чает значение меры Y и
и характеристикизее погрешностей, а для преобразователя или
прибора комплексоMX значительно расш ирен, причем сами комплексы м гут существенно различаться.
Метрологическиеп характеристики средств измерений по стан дарту ГОСТе8.009-84 подразделяют на следующие группы:
-Рхаракт ристики, предназначенные для определения ре зультатов измерений (без введения поправки) (их такж е на зывают ном инальны ми);
- характеристики погрешностей СИ; - характеристики чувствительности СИ к влияю щ им вели
чинам, которые тоже можно отнести к характеристикам по грешностей;
- динамические характеристики СИ; - неинформативные параметры выходного сигнала СИ (пред
почтительно рассматривать неинформативные параметры сигна
97
ла измерительной информации).
Н азваны такж е и «характ ерист ики СИ, отражающие их способность влият ь на инструментальную составляющую погрешности измерений вследствие взаимодействия СИ с любым из подклю ченных к их входу или выходу компонен тов ( т аких, ка к объект измерений, средство измерений и
т.п.)» .
Номинальные метрологические характеристики однознач
ной и многозначной мер включают значения мер, представ
ляемы е именованными числами. Д ля |
однозначной меры это |
||
одно номинальное значение Y, а для |
|
У |
|
многозначной меры - |
|||
|
|
Т |
|
множество значений Yi. Для ш триховых многозначных мер |
|||
обязательны |
такж е характеристики, |
связанные |
со ш калой. |
Д ля любых |
мер кроме номинальных |
Н |
обязательно |
значений |
нормируются характеристики погрешностей.
В качестве интегральной метрологической характеристики измерительного преобразователя или прибора можно исполь
зовать уж е рассматривавш ую ся ранее функцию преобразова |
|
ния. Это может быть номинальная характеристикаБ |
группы од |
и |
|
нородных СИ либо реальная граду ровочная характеристика |
|
конкретного экзем пляра СИ. Последняяйможет быть получена |
как единичная реализация, пучок реализаций или аппрокси |
||
|
о |
|
м ация пучка единичны х реализаций. |
||
|
т |
|
Градуировкой в узком |
смыслерназываю т такж е нанесение |
|
отметок на ш калу |
приб |
ра, например, осуществляемую ти |
|
пографским методом, ч о соответствует воспроизведению на
приборе номинальной функции преобразования СИ. Такое по |
|
|
о |
нятие градуир вки отражает технологическую сторону нане |
|
сения отмет к шзкалы прибора. |
|
Набор частных MX измерительного преобразователя может |
|
е |
|
вклю чать такие номинальные характеристики, как диапазон |
|
Р |
|
и пред лыппреобразования, чувствительность СИ, вид вы
ходного кода и число разрядов выходного кода, цена единицы наименьшего разряда кода, ном инальная ступень квант ова ния. Остальные MX выбирают из той же номенклатуры, что и для измерительны х приборов.
Для некоторых первичных измерительных преобразовате лей диапазон преобразования может ограничиваться их ф изи ческим и свойствами. Это касается термопар, фотоприемников лучистой энергии, емкостных и других преобразователей.
Для преобразователей с дискретной (цифровой, числовой)
98
выдачей сигнала измерительной информации вместо диапазо на и пределов преобразований приходится использовать такие MX, как вид выходного кода и число разрядов выходного кода.
Именно эти MX ограничивают возможности выдачи сигнала измерительной информации сверху и снизу.
Ц ена единицы наименьшего разряда кода или номинальная ступень квантования, если последняя больше цены единицы наименьшего разряда кода, для устройств с дискретной вы да чей измерительной информации ограничивает фиксируемый
мерительные приборы. Поэтому далее будем рассматривать |
||
метрологические характеристики измерительныхБ |
приборов. |
|
|
и |
|
Частные номинальные метролог ческие характеристики |
||
измерительного прибора включаютйд апазон измерений и ди |
||
апазон показаний (определен я п ведены выше). |
||
о |
|
|
Для приборов с дискретным (цифровым, числовым) устрой |
||
т |
|
|
ством отображения измери рельной информации возможный |
||
уровень изменения входного сигнала снизу. В соответствии с |
||
этим положением можно провести аналогию между номиналь |
ной ступенью квантования и порогом чувствительности СИ.
П оскольку измерительные преобразователи выдают изм е |
|
|
У |
рительную информацию в форме, не поддающейся непосред |
|
ственному восприятию оператором, реальные значения их MX |
|
Т |
|
обычно определяют с подключением к этим СИ устройств ото |
|
бражения информации, после чего они превращ аю тся в и з |
|
Н |
|
диапазон показаний определяется видом выходного кода и чис
и ный), двенадцатирзчный, ш естидесятиричный и др., например,
лом разрядов кода. Код может быть десятиричный (десятич
семиричный к д для дней недели. Важно такж е предельное число знаков на табло, в том числе цифр (число разрядов вы
ходного кода) и других (не цифровых) знаков. Существенными |
|
|
о |
признаками являю тся виды знаков и их содержание, напри |
|
мер, |
пфиксированной или плавающей разделительной |
десятичнойналичиезапятой (точки), минуса, знака переполнения или неправильного подключения прибора и др.
Одной из наиболее важ ны х характеристик для приборов с |
|
Р |
|
устройством отображения информации типа ш кала-указатель |
|
является цена деления ш калы - |
разность значений величин, |
соответствующих двум соседним |
отметкам ш калы средства |
измерений. |
|
Для приборов с дискретным (цифровым) устройством ото бражения измерительной информации - цена единицы наи
99
меньшего разряда кода либо номинальная ступень квант о вания, если она больше цены единицы наименьш его разряда кода. Наименьш ее значение номинальной ступени квантова ния совпадает с ценой единицы наименьш его разряда выход ного кода, а любое иное должно быть кратно этому значению . В случае десятиричного кода применяю т множители 2 или 5 (ступень квантования равна двукратному либо пятикратному значению цены единицы наименьш его разряда кода).
В РМГ 2 9 -9 9 приведены такие характеристики как по греш ность, систематическая погрешность и случайная по грешность средства измерений.
казанием средства измерений и истинным (действительным)
Н |
У |
|
значением измеряемой физической величины . |
|
|
Д ля меры, которая долж на воспроизводить |
величину за |
Погрешность средства измерений - разностьТмеж ду по
данного размера, за погрешность принимаю т разность между
ее истинны м и номинальны м значениями. |
|
|||||
Систематическая |
погрешность |
средства измерений - со |
||||
ставляю щ ая погреш ности |
средства измерений,Б |
принимаемая |
||||
|
|
|
|
и |
|
|
за постоянную или закономерно |
зм еняю щ ую ся. |
|||||
Случайная погрешность средствайизмерений - составля |
||||||
ю щ ая погреш ности |
средства зме |
ений, изм еняю щ аяся слу |
||||
чайны м образом. |
|
о |
|
|
|
|
|
т |
|
|
|
||
По формам представлениярразличаю т абсолютную и отно |
||||||
и |
средств |
измерений. Относительную |
||||
сительную погрешнос |
|
погрешность обычно вы раж аю т в процентах. Разновидностью относительной является приведенная погрешность средства
измерений - |
тн сительная погрешность, вы раж енная отно |
ш ением абс |
лютнзй погрешности средства измерений к услов |
но принятомупозначению величины, постоянному во всем диа пазоне изм р ний или в части диапазона. Условно принятое значение в личины называю т нормирующим значением . Ч а
сто Рза нормирующеее значение принимаю т верхний предел и з мерений.
В зависимости от условий использования средств измере ний и реж им а измерений принято различать основную и до полнительную , статическую и динамическую погрешности.
Основная погрешность средства измерений - погрешность средства измерений, применяемого в нормальных условиях.
Дополнительная погрешность средства измерений - со ставляю щ ая погрешности средства измерений, возникаю щ ая
100