Средство измерения (СИ)– это техническое средство, предназначенное для измерений, имеющее нормированные метрологические характеристики воспроизводящее и(или) хранящее единицу ФВ, размер которой принимается неизменным (в пределах установленной погрешности) в течении известного интервала времени.
Рисунок - Классификация средств измерений
Меры – это СИ, воспроизводящие или хранящее физическую величину заданного размера.
Меры могут быть
- однозначными, воспроизводящими одно значение физической величины (гиря, калибр на заданный размер, образцы твердости, шероховатости, катушка сопротивления, нормальный элемент, воспроизводящий значение ЭДС), и
- многозначными – для воспроизведения плавно или дискретно ряда значений одной и той же физической величины (измерительный конденсатор переменной емкости, набор конечных мер, магазин емкостей, индуктивности и сопротивления, измерительные линейки).
Измерения методом сравнения с мерой выполняют с помощью специальных технических средств – компараторов (равноплечие весы, измерительный мост и т. д.). Иногда в качестве компаратора выступает человек, например, при измерении длины линейкой.
Измерительный преобразователь – техническое средство, служащее для преобразования измеряемой величины в другую величину или сигнал измерительной информации, удобной для обработки, хранения, дальнейшего преобразования, индикации или передачи и имеющее нормированные метрологические характеристики.
Это термопары, измерительные трансформаторы и усилители, преобразователи давления. По месту, занимаемому в измерительной цепи, они делятся на первичные, промежуточные и т. п. Конструктивно они выполняются либо отдельными блоками, либо составной частью СИ. Не следует отождествлять измерительные преобразователи с преобразовательными элементами. Последние не имеют метрологических характеристик, как, к примеру, трансформатор тока или напряжения.
По характеру преобразования различают: аналоговые, цифро-аналоговые, аналого-цифровые преобразователи. По месту в измерительной цепи различают: а) первичный измерительный преобразователь – измерительный преобразователь, на который непосредственно воздействует измеряемая физическая величина, т.е. первый преобразователь в измерительной цепи измерительного прибора (установки, системы).Конструктивно обособленный первичный преобразователь, от которого поступают измерительные сигналы (он "дает" информацию) называется датчиком;б) передающий измерительный преобразователь – измерительный преобразователь, предназначенный для дистанционной передачи сигнала измерительной информации; в) масштабный измерительный преобразователь – измерительный преобразователь, предназначенный для изменения размера величины в заданное число раз
Измерительный прибор– СИ, предназначенное для переработки сигнала измерительной информации в другие, доступные для непосредственного восприятия наблюдателем формы.
Различают приборы прямого действия (амперметры, вольтметры, манометры) и приборы сравнения (компараторы).
По способу отсчета измеряемой величины СИ делятся на показывающие (аналоговые, цифровые), регистрирующие (на бумажную или магнитную ленту) и т. п.
Измерительная установка – совокупность функционально объединенных СИ и вспомогательных устройств, расположенных в одном месте.
Измерительная установка – совокупность функционально объединенных мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей и других устройств, предназначенных для измерения одной или нескольких физических величин и расположенная в одном месте.
Например, поверочные установки, установки для испытания электротехнических, магнитных и других материалов. Измерительная установка позволяет предусмотреть определенный метод измерения и заранее оценить погрешность измерения.
Измерительная система – совокупность функционально объединенных мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей, ЭВМ и других технических средств, размещенных в разных точках контролируемого пространства (среды, объекта и т. п.) с целью измерений одной или нескольких физических величин, свойственных этому пространству (объекту, среде и т.п.).
Измерительная система – это комплекс СИ и вспомогательных устройств с компонентами связи (проводные, телевизионные др.), предназначенный для выработки сигналов измерительной информации в форме, удобной для автоматической обработки, передачи и (или) использования в автоматических системах управления.
В отличие от измерительных установок, предусматривающих изменения режима и условий функционирования, измерительная система не воздействует на режимы работы, а предназначена только для сбора и (или) хранения информации. Частными случаями измерительной системы являются
информационно-вычислительный комплекс (ИВК), информационно-измерительные системы (ИИС).
К последним можно отнести
системы автоматического контроля,
системы технического диагностирования и
системы распознавания образов,
системы для передачи неизмерительной информации.
При организации поверки рабочих СИ используют различные эталоны и образцовые СИ.
По уровню автоматизации СИ подразделяются на: • неавтоматическое средство измерений – средство измерений, не имеющее устройств для автоматического выполнения измерений и обработки их результатов; • автоматизированное средство измерений – средство измерений, производящее в автоматическом режиме одну или часть из мерительных операций; • автоматическое средство измерений – средство измерений, производящее в автоматическом режиме измерения и все операции, связанные с обработкой результатов измерений, их регистрацией, передачей данных или выработкой управляющего сигнала. По метрологическому назначению СИ подразделяются на: • рабочее средство измерений – средство измерений, предназначенное для измерений не связанных с передачей размера единицы другим средствам измерения. К ним относятся средства измерений, применяемые в научных целях, при контроле параметров продукции и технологических процессов, в астрономии, в геодезии и т. п; • метрологическое средство измерений – средство измерений, предназначенное для метрологических целей: воспроизведение единицы и (или) ее хранение или передача размера единицы рабочим средствам измерений. К ним относят - эталоны, - образцовые средства измерений, - поверочные установки, - средства сравнения компараторы), - стандартные образцы. По отношению к измеряемой физической величине различают: • основное средство измерений – средство измерений той физической величины, значение которой необходимо получить в соответствии с измерительной задачей; • вспомогательное средство измерений – средство измерений той физической величины, влияние которой на основное средство измерений или объект измерений необходимо учесть для получения результатов измерений требуемой точности. Метрологические характеристики средств измерений
Под метрологическими характеристиками (МХ) понимают такие характеристики СИ, которые позволяют судить об их пригодности для измерений в известном диапазоне с известной точностью. В отличие от СИ приборы или вещества не имеющие нормированных МХ, называют индикаторами. СИ – это техническая основа метрологического обеспечения.
Все средства измерений имеют общие свойства, позволяющие сопоставлять их между собой: метрологические, эксплуатационные, информационные и др. Метрологическая характеристика средства измерений – характеристика одного из свойств средства измерений, влияющая на результат ипогрешность его измерений. Для каждого типа СИ устанавливают своиметрологические характеристики. Метрологические характеристики, устанавливаемые нормативно-техническими документами, называют нормируемыми метрологическими характеристиками, а определяемые экспериментально – действительными метрологическими характеристиками. К метрологическим характеристикам относятся 1. градуировочная характеристика, 2. погрешность средства измерений, 3. чувствительность, 4. цена деления шкалы, 5. порог чувствительности, 6. диапазон измерений, 7. вариация показаний и др. От того, насколько они точно будут выдержаны при изготовлении и стабильны при эксплуатации, зависит точность результатов, получаемая с помощью СИ. 1. Градуировочная характеристика СИ – зависимость между значениями величин на входе и выходе средства измерений, полученная экспериментально. Градуированная характеристика может быть выражена в виде формулы, графика или таблицы. 2. Погрешность СИ – важнейшая метрологическая характеристика, определяемая как разность между показанием СИ и истинным (действительным) значением измеряемой величины. Для меры показанием является ее номинальное значение. 3. Чувствительность СИ – свойство СИ, определяемое отношением изменения выходного сигнала этого средства к вызывающему его измене-нию измеряемой величины. Различают абсолютную и относительную чув-ствительность. Абсолютную чувствительность определяют по формуле S=∆y/∆x, относительную чувствительность – по формуле Somн=∆y /(∆x /x), где ∆y – изменение сигнала на выходе; ∆x – изменение измеряемой величины, x – измеряемая величина. При нелинейной статической характеристике преобразования чувствительность зависит от x,при линейной характеристике она постоянна. У измерительных приборов при постоянной чувствительности шкала равномерная, т. е. расстояние между соседними делениями шкалы одинаковое. 4. Цена деления шкалы (постоянная прибора) – разность значения величины, соответствующая двум соседним отметкам шкалы СИ. Приборы с равномерной шкалой имеют постоянную цену деления. В приборах с неравномерной шкалой цена деления может быть разной на разных участках шкалы, и в этом случае нормируется минимальная цена деления. Цена деления шкалы равна числу единиц измеряемой величины, приходящихся на одно деление шкалы прибора, и может быть также определена через абсолютную чувствительность: С=1/S . 5. Порог чувствительности – наименьшее значение изменения физической величины, начиная с которого может осуществляться ее измерение данным средством. Порог чувствительности выражают в единицах входной величины. 6. Диапазон измерений – область значений величины, в пределах которой нормированы допускаемые пределы погрешности СИ. Значения величины, ограничивающие диапазон измерений снизу и сверху (слева и справа), называют соответственно нижним и верхним пределом измерений. С целью повышения точности измерений диапазон измерений СИ можно разбить на несколько поддиапазонов. При переходе с одного поддиапазона на другой некоторые составляющие основной погрешности уменьшаются, что приводит к повышению точности измерений. При нормировании погрешности допускают для каждого поддиапазона свои предельные значения погрешности. Область значений шкалы прибора, ограниченную начальными и конечными значениями шкалы, называют диапазоном показаний. 7. Вариация показаний – наибольшая вариация выходного сигнала прибора при неизменных внешних условиях. Она является следствием трения и люфтов в узлах приборов, механического и магнитного гистерезиса элементов и др. Вариация выходного сигнала – это разность между значениями выходного сигнала, соответствующими одному и тому же действительно-му значению входной величины при медленном подходе слева и справа к выбранному значению входной величины. Динамические характеристики, т.е. характеристики инерционных свойств (элементов) измерительного устройства, определяющие зависи-мость выходного сигнала СИ от меняющихся во времени величин: параметров входного сигнала, внешних влияющих величин, нагрузки. К ним относят дифференциальное уравнение, описывающее работу средства измерений; переходную и импульсную переходную функции, амплитудные и фазовые характеристики, передаточную функцию. Динамические свойства средства измерений определяют динамическую погрешность. Динамическая погрешность средства измерений – погрешность средства измерений, возникающая при измерении изменяющейся (в процессе измерений) физической величины. Нормируемые метрологические характеристики – совокупность метрологических характеристик данного типа средств измерений, устанавливаемая нормативными документами на средства измерений. Нормируемые метрологические характеристики, включаемые в этот комплекс, должны отражать реальные свойства СИ, и их номенклатура должна быть достаточной для оценки инструментальной составляющей погрешности измерений в рабочих условиях применения СИ с той степенью достоверности, которая требуется для решения поставленной измерительной задачи. Общий перечень нормируемых метрологических характеристик СИ, формы их представления и способы нормирования устанавливаются ГОСТом. В него могут входить: • пределы измерений, пределы шкалы; • цена деления равномерной шкалы аналогового прибора или многозначной меры, при неравномерной шкале – минимальная цена деления; • выходной код, число разрядов кода, номинальная цена единицы наименьшего разряда цифровых СИ; • номинальное значение однозначной меры; • градуировочная характеристика; • погрешность СИ; • вариация показаний прибора или выходного сигнала преобразователя; •полное входное сопротивление измерительного устройства, полное выходное сопротивление измерительного преобразователя или меры; • неинформативные параметры выходного сигнала измерительного преобразователя или меры; • динамические характеристики СИ; функции влияния. Кроме метрологических характеристик при эксплуатации средств измерений важны и неметрологические характеристики: - показатели надежности, - электрическая прочность, - сопротивление изоляции, - устойчивость к климатическим и механическим воздействиям, - время установления рабочего режима и др. Надежность средства измерений – это способность СИ сохранятьнормированные характеристики при определенных условиях работы в течение заданного времени. Основными критериями надежности приборовявляются вероятность и средняя продолжительность безотказной работы. Вероятность безотказной работы определяется вероятностью отсутствия отказов прибора в течение определенного промежутка времени. Средняя продолжительность – отношение времени работы прибора к числу отказов за это время.
Поверка измерительных устройств
Поверка средств измерения− очень давнее изобретение.
Со времени Киевской Руси имеются свидетельства о существовании эталонов. Например «золотой пояс» великого князя Святослава Ярославича (1073-1076) равнялся 108 см, причем о нем сказано: «Се мера и основание».
Поверка средства измерений − установление пригодности средства измерений к применению на основании контроля соответствия метрологических характеристик требованиям, установленным в Государственных стандартах и в технической документации производителя [1].
Поверка− это определение специальным органом метрологической службы метрологических характеристик средства измерения и установление его пригодности к применению по результатам контроля их соответствия предъявляемым требованиям [2].
Вопросы поверки средств измерений получили пояснения в ПР 50.2.006-94 ГСИ.
Порядок проведения поверки средств измерений, МИ 1837-93 ГСИ.
Типовое положение о контрольно-поверочном пункте территориального органа Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии, МИ 2284-94 ГСИ.
Порядок аттестации поверительных средств измерений, МИ 2273-93 ГСИ.
Области использования средств измерений, подлежащих поверке, МИ 2322-95 ГСИ.
Типовые нормы времени на поверку средств измерений.
По решению Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии право поверки средств измерений может быть предоставлено аккредитованным метрологическим службам юридических лиц, которые функционируют в соответствии с действующим законодательством и нормативными документами по обеспечению единства измерений. Порядок аккредитации метрологических служб определяется Правительством Российской Федерации.
Поверка средств измерений осуществляется физическим лицом, аттестованным в качестве доверителя органом Государственной метрологической службы (ГМС) в соответствии с ПР 50.2.012-94. Поверитель (физическое лицо) − сотрудник органа ГМС или юридического лица, аккредитованного на право поверки, непосредственно производящее поверку средств измерений и прошедшее аттестацию в установленном порядке.
Результат поверки− подтверждение пригодности средств измерений к применению или признание их непригодными к применению. В первом случае на средство измерения и (или) его техническую документацию наносится оттиск поверительного клейма и (или) выдается Свидетельство о поверке.
Поверительное клеймо – знак установленной формы, наносимый на средства измерения и признающий его годным к применению (правила использования поверительных клейм оговорены в ПР 50.2.007-94 ГСИ. Поверительные клейма).
Во втором случае оттиск поверительного клейма и (или) свидетельство о поверке аннулируется и выписывается Свидетельство о непригодности [2].
Средства измерений подвергаются
первичной,
периодической,
внеочередной,
инспекционной, а также
экспертной поверкам.
Первичная поверка производится при выпуске средств измерения или после ремонта, а также при ввозе их в Россию.
Периодической поверке подлежат средства измерений, находящиеся в эксплуатации или на хранении, через определенный промежуток времени.
Внеочередную поверку проводят при эксплуатации и (или) хранении средства измерения до наступления срока его периодической поверки в случаях: повреждения знака поверительного клейма или утраты Свидетельства о поверке; ввода средств измерения в эксплуатацию после длительного хранения; проведения повторной настройки; предполагаемом ударном воздействии на средство измерения или неудовлетворительной его работе; отправке потребителю средств измерений, не реализованных по истечении срока, равного половине срока между периодическими поверками.
Инспекционную поверку проводят с целью выявления пригодности к применению средства измерения при осуществлении государственного метрологического надзора.
Экспертную проверку проводят при возникновении спорных вопросов по метрологическим характеристикам, исправности средств измерений и пригодности их к использованию.
При поверке важен выбор оптимального соотношения между допускаемыми погрешностями эталонного средства и поверяемого средства измерения. Как правило, это соотношение принимается 1:3, когда при поверке вводят поправки на показания рабочих средств измерений. Если поправку не вводят, то по погрешностям эталонные средства измерений выбираются из соотношения 1:5.
Для правильной передачи размеров единиц от эталона к рабочим средствам измерений составляют поверочные схемы [2, 3, 4], устанавливающие метрологические соподчинения государственного эталона, разрядных эталонов и рабочих средств измерений. Государственные поверочные схемы распространяются на все средства измерений. Локальные поверочные схемы предназначены для метрологических органов ведомств, подчиненных им предприятий и конкретных предприятий.
Поверке могут подвергаться только средства измерений утвержденного типа, то есть внесенные в Государственный реестр средств измерений. В соответствии с законом РФ «Об обеспечении единства измерений» те средства измерений, которые не подлежат обязательной поверке, могут калиброваться при выпуске из производства или ремонте, при эксплуатации, продаже или прокате [4].
Приборы и устройства ГСП перед монтажом или после ремонта должны пройти стендовую поверку, т.е. комплекс проверок отдельных характеристик и элементов приборов с целью выявления возможных повреждений и определения соответствия приборов классу точности, обозначенному на его шкале или в аттестате. К основным операциям, производимым при стендовых проверках средств измерений относятся: внешний осмотр, установка стрелки (пера) на нулевую отметку, проверка сопротивления изоляции электрической схемы, проверка точности срабатывания сигнальных устройств. Проверка герметичности узла чувствительного элемента измерительного блока, определение основной погрешности и вариации, определение погрешности хода диаграммы, проверка самопишущею устройства, определение погрешности интегратора.
Выполнение поверок соответствует одному из следующих методов:
- непосредственному сличению поверяемого средства измерения с образцовым;
- сличению поверяемого средства измерения при помощи прибора сравнения;
