Классификация средств измерений

Тема. Средства измерений и их характеристики 1. Классификация средств измерений Средства измерений принято классифицировать по виду, принципу действия и метрологическому назначению. Различают следующие виды средств измерений: меры, измерительные устройства, которые подразделяются на измерительные приборы и измерительные преобразователи, измерительные установки и измерительные системы (рис. 6). Мера - это 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 (штриховые и концевые меры длины; конденсатор переменной емкости; набор гирь) . Измерительный прибор — средство измерения, предназначенное для получения значений измеряемой физической величины в установленном диапазоне. По способу получения значений измеряемых величин измерительные приборы подразделяются на показывающие, в том числе аналоговые и цифровые, и на регистрирующие. Аналоговые измерительные приборы, у которых отсчетные устройства состоят из шкалы и указателя, причем один из них связан с подвижной системой прибора, а другой - с корпусом. Отсчет получают по положению указателя относительно отметок шкалы. Структурная схема аналогового измерительного прибора прямого действия представлена на рис. 2. Рис. 2. Структурная схема аналогового измерительного прибора прямого действия В данных приборах преобразование измерительной информации осуществляется только в одном направлении от входа к выходу. Измеряемая величина Х с помощью измерительного преобразователя ИП преобразуется в напряжение или ток, который воздействует на электромеханический измерительный механизм ИМ, вызывая перемещение его подвижной части и связанного с ней указателя отсчётного устройства ОУ. Отсчётное устройство содержит оцифрованную шкалу, с помощью которой оператор ОП получает количественный результат измерения. Градуировка шкалы прибора производится путём подачи на вход ряда известных значений измеряемой величины, реализуемых образцовой многозначной мерой М. Таким образом, сравнение измеряемой величины с единицей измерения в данном случае осуществляется косвенно, а мера М в процессе измерения непосредственного участия не принимает. Цифровой измерительный прибор - это измерительный прибор, автоматически вырабатывающий дискретные сигналы измерительной информации, показания которого представлены в цифровой форме. Например, кругломер, профилограф-профилометр и т.п. В отличие от аналоговых приборов в цифровых измерительных приборах обязательно автоматически выполняются следующие операции: • квантование измеряемой величины по уровню; • дискретизация её по времени; • кодирование информации. Представление измерительной информации в виде кода обеспечивает удобство её регистрации и обработки, возможность длительного хранения в запоминающих устройствах, передачу на значительные расстояния без искажений практически по любым каналам связи, непосредственный ввод в ЭВМ для обработки, а также исключает вносимые оператором при отсчёте субъективные погрешности. Преимуществами цифровых измерительных приборов перед аналоговыми являются: • удобство и объективность отсчёта; • высокая точность результатов измерения; • широкий динамический диапазон при высокой разрешающей способности; • высокое быстродействие за счёт отсутствия подвижных электромеханических элементов; • возможность автоматизации процесса измерения; • высокая устойчивость к внешним механическим и климатическим воздействиям. К недостаткам цифровых измерительных приборов следует отнести их схемную сложность и относительно высокую стоимость. В настоящее время элементной базой цифровых измерительных приборов являются микросхемы, что позволяет достигнуть высокого быстродействия и малых габаритных размеров приборов. 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. Измерительный преобразователь или входит в состав какого- либо измерительного прибора (измерительной установки, измерительной системы и др.), или применяется вместе с каким - либо средством измерения, например измерительный трансформатор тока, термопара в термоэлектрическом термометре, электропневматический преобразователь, датчик профилометра для измерения параметров шероховатости. По характеру преобразования различают измерительные преобразователи: •аналоговые, преобразующие одну аналоговую величину в другую аналоговую величину; •аналого-цифровые (АЦП), предназначенные для преобразования аналогового измерительного сигнала в цифровой код; •цифро-аналоговые (ЦАП),предназначенные для преобразования цифрового кода в аналоговую величину. Измерительная установка — совокупность функционально объединенных средств измерений (мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей и других устройств), предназначенная для измерений одной или нескольких физических величин и расположенная в одном месте, например установка для испытаний магнитных материалов; эталонная установка, входящая в состав эталона, и др. Измерительную установку крупных размеров, предназначенную для точных измерений физических величин, характеризующих изделие, называют измерительной машиной, например силоизмерительная машина, машина для измерения больших длин в промышленном производстве, координатно-измерительная машина и др. Измерительная система — совокупность функционально объединенных мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей, ЭВМ и других технических средств, размещенных в разных точках контролируемого объекта, с целью измерений одной или нескольких физических величин, свойственных этому объекту, и выработки измерительных сигналов в разных целях. Измерительные системы разделяютна: • информационно - измерительные системы ( ИИС ) — совокупность функционально объединенных средств измерений, средств вычислительной техники и вспомогательных устройств, соединенных между собой каналами связи, предназначенных для выработки сигналов измерительной информации о физических величинах, свойственных данному объекту, в форме, удобной для автоматической обработки, передачи и (или) использования ее в автоматических системах управления, например, измерительная система теплоэлектростанций, позволяющая получать измерительную информацию из разных энергоблоков; радионавигационная система для определения местоположения различных объектов, состоящая из ряда измерительных комплексов, находящихся на значительном расстоянии друг от друга; измерительная система, используемая при производстве нефтепродуктов, и др; • измерительно — вычислительные комплексы (ИВК ), которые представляют собой функционально объединенную совокупность средств измерений, компьютера и вспомогательных устройств, и в составе измерительной системыслужат для выполнения конкретной измерительной задачи; По уровню автоматизации все средства измерений делятся на три основные группы: • неавтоматические; •автоматизированные, которые осуществляют одну или часть измерительной операции в автоматическом режиме; • автоматические, производящие в автоматическом режиме измерения и все операции, связанные с обработкой результатов измерений, регистрацией, передачей и хранением данных или выработкой управляющих сигналов. По уровню стандартизации средства измерений делятся на: •стандартизованные, изготовленные в соответствии с требованиями соответствующего государственного или отраслевого стандарта; • нестандартизованные (уникальные), применяемые для решения специфических измерительных задач в специальных направлениях науки техники, в стандартизации требований к которым нет необходимости. В основном средства измерений являются стандартизованными. Они выпускаются серийно и обязательно подвергаются государственным испытаниям. Нестандартизованные средства измерений разрабатывают специализированные научно­исследовательские организации и выпускают единичными экземплярами. Они не проходят государственных испытаний, их характеристики определяют при метрологической аттестации. Все многообразие измерительных средств, используемых для линейных измерений в машиностроении, обычно классифицируют по конструктивному устройству и назначению. По конструктивному устройству измерительные приборы делят на механические, оптические, электрические и пневматические и др. По назначению измерительные приборы разделяют на универсальные, специальные и для контроля. Универсальные измерительные приборы широко применяют в контрольно-измерительных лабораториях всех типов производств, а также в цехах единичных и мелкосерийных производств. Универсальные измерительные приборы подразделяются: 1. механические: • простейшие инструменты - поверочные измерительные линейки, плиты и лекальные угольники, щупы, образцы шероховатости поверхности; • штангенинструменты — штангенциркуль, штангенглубиномер, штангенрейсмас, • штангензубомер; • микрометрические инструменты — микрометр, микрометрический нутромер, микрометрический глубиномер; • приборы с зубчатой передачей — индикаторы часового типа; рычажно-механические — миниметры, рычажные скобы; 2. оптические: вертикальный и горизонтальный оптиметры, малый и большой инструментальные микроскопы, универсальный микроскоп, концевая машина, проекторы, интерференционные приборы; 3. Пневматические: длинномеры, ротаметры; 4. Электрические: электроконтактные измерительные головки, индуктивные приборы, профилографы, профилометры, кругломеры и др. Специальные измерительные приборы предназначены для измерения одного или нескольких параметров деталей определенного типа; например приборы для измерения (контроля) параметров коленчатого вала, распределительного вала, параметров зубчатых колес, диаметров глубоких отверстий. Приборы для контроля геометрических параметров по назначению делят на приборы для приемочного (пассивного) контроля (калибры), для активного контроля в процессе изготовления деталей и приборы для статистического анализа и контроля. Для измерения углов и конусов широко применяют универсальные средства измерений и калибры. В качестве универсальных средств измерений используют угломеры транспортирные с нониусом и оптические; для более точных конусов используют синусные линейки, а также различные универсальные измерительные приборы с аттестованными роликами и шариками, калиброванными кольцами, ножами и концевыми мерами длины. При контроле гладких конусов калибрами проверяют, находится ли отклонение базорасстояния в нормированных пределах. С этой целью калибры изготовляют с уступами или двумя рисками, расстояние между которыми равно допустимому отклонению базорасстояния. 2. Метрологические характеристики средств измерений Метрологической характеристикой называется характе­ристика одного из свойств средства измерений, влияющая на результат измерений и на его погрешность (РМГ 29-99). Метрологические характеристики, устанавливаемые нормативно­техническими документами, называются нормированными метрологическими характеристиками, а определяемые экспериментально - действительными. Основными нормируемыми метрологическими характеристи­ками средств измерений для технических измерений являются: Цена деления шкалы — разность значений величин, соответствующих двум соседним отметкам шкалы. Понятие «длина деления шкалы» означает расстояние между осями двух соседних отметок шкалы. Начальное значение шкалы - наименьшее значение измеряемой величины, которое может быть отсчитано по шкале средства измерений. Конечное значение шкалы - наибольшее значение измеряемой величины, которое может быть отсчитано по шкале средства измерений. Диапазон показаний — область значений шкалы средства измерений, ограниченная ее начальным и конечным значениями шкалы. Диапазон измерений — область значений измеряемой величины, в пределах которой нормированы допускаемые пределы погрешности средства измерений. Пределы измерений— наибольшее или наименьшее значение физической величины, ограничивающие диапазон измерений. Диапазон измерений меньше или равен диапазону показаний. Например, для вертикального оптиметра с ценой деления 0,001 мм диапазон измерений и диапазон показаний совпадают и равны 0,2 мм. Пределы измерений совпадают с начальным и конечным значениями шкалы и равны+ 0,1 мм. Высота стойки, на которой крепится измерительная головка, определяет максимальный размер измеряемого элемента детали. Чувствительность — свойство средства измерений, определяемое отношением изменения выходного сигнала этого средства к вызывающему его изменению измеряемой величины. Разрешающая способность - минимальная разность двух значений измеряемых однородных величин, которая может быть различима с помощью средства измерений. Стабильность — качественная характеристика средства измерений, отражающая неизменность во времени его метрологических характеристик. Основной метрологической характеристикой средства измерений является его погрешность. Погрешность средства измерений или инструментальная погрешность средства измерений имеет определяющее значение для наиболее распространенных технических измерений, в том числе для измерения линейных и угловых размеров. Для измерительных преобразователей основной метрологической характеристикой является функция преобразования - соотношение между выходным и входным сигналами средства измерений. Погрешность средства измерений- разность между показанием средства измерений Хпок и истинным (действительным) значением Хд измеряемой физической величины ΔХ = Хпок - Хд. Предел допускаемой погрешности средства измерений - это наибольшее значение погрешности средства измерений, устанавливаемое нормативным документом для данного типа средств измерений, при котором оно еще признается годным к применению. Пределы допускаемой основной погрешности задаются в виде абсолютных, относительных или приведенных погрешностей. 3. Классификация погрешностей средств измерений Наиболее распространенной является следующая классификация погрешностей средств измерений. 1. В зависимости от условий проведения измерений различают основную и дополнительную погрешности средств измерений. Основной погрешностью средства измерений называют погрешность при использовании его в нормальных условиях, указываемых в стандартах, технических условиях, паспортах и т.п. В большинстве нормативно-технической документации на средства измерений к нормальным условиям относятся следующие внешние условия: • температура окружающей среды 293 К ± 5 К; • относительная влажность 65 % ± 15 % ; • атмосферное давление 100 кПа ± 4 кПа (750 мм рт.ст. ± 30 мм рт. ст.); •напряжение питающей электрической сети (для электрических и других средств измерений, имеющих электрические цепи ) 220 В ± 2% с частотой 50 Гц. Нормальные условия выполнения линейных и угловых измерений определены ГОСТ 8.050-73*. Дополнительной погрешностью средства измерений называют погрешность, возникающую вследствие отклонений одной из влияющих величин от нормального значения или выхода ее за пределы нормальной области значений. К влияющим физическим величинам относят такие величины, которые не измеряются данным средством измерений, но которые оказывают влияние на результат измерений, например дополнительная температурная погрешность из-за резкого скачка температуры окружающей среды или дополнительная погрешность за счет изменения атмосферного давления. 2. По форме выражения (представления) погрешности средств измерений разделяются на абсолютные, относительные и приведенные. Абсолютной погрешностью Δ средства измерений называется погрешность средства измерений, выраженная в единицах измеряемой физической величины. Относительной погрешностью δ средства измерений называется отношение абсолютной погрешности Δ к результату измерений или к действительному значению измеренной величины Хд δ = ΔХ/Х *100, %. Приведенной погрешностью γ средства измерений (измерительного прибора) называется отношение абсолютной погрешности Δ к нормирующему значению XN: γ = Δ/ХN*100, %. Нормирующее значение принимается равным конечному значению шкалы в случае, если ее начальное значение равно нулю или вне ее рабочей зоны. В случае двухзначного отсчетного устройства прибора за нормирующее значение X принимают диапазон показаний, например начальное значение шкалы - 30, а конечное + 30, нормирующее значение = 60. 3. По характеру проявления погрешности средств измерений разделяют на систематические и случайные. Систематическими называются погрешности, которые при повторных измерениях остаются постоянными или изменяются закономерно. Одной из самых распространенных систематических погрешностей является погрешность градуировки (погрешность нанесения делений на шкалу измерительного прибора). Случайными называются погрешности, которые изменяются при повторных измерениях случайным образом. Появление случайной погрешности средства измерений может быть вызвано, например, перекосами элементов средств измерений в направляющих, изменением моментов трения в опорах. 4. В зависимости от характера изменения физической величины различают статическую и динамическую погрешности средств измерений. Статическая погрешность средства измерений — погрешность, возникающая при измерении величины, принимаемую за неизменную, например измерение длины или диаметра вала. Динамическая погрешность средства измерений — погрешность, возникающая при измерении изменяющейся (в процессе измерений) величины, например измерение термопарой температуры в элетропечи . 5. Основную и реже дополнительную погрешности нормируют пределами допускаемой погрешности средства измерений. Типовыми видами погрешностей, входящих в основные погрешности средств измерений, являются аддитивные, мультипликативные и погрешности гистерезиса. Аддитивными погрешностями (получаемыми путем сложения), или погрешностями нуля, называют постоянные погрешности при всех значениях измеряемой величины. Если аддитивная погрешность является систематической, то она обычно устраняется корректированием нулевого значения выходного сигнала. Возникновение случайной аддитивной погрешности вызывается трением в опорах, контактными сопротивлениями, дрейфом нуля, случайными и периодическими колебаниями в выходном сигнале. Мультипликативной погрешностью (получаемой путем умножения), или погрешностью чувствительности средства измерения, называют погрешность, которая линейно изменяется с изменением измеряемой величины. Причиной ее возникновения является изменение коэффициента преобразования отдельных элементов и узлов измерительных систем. Наиболее существенной и трудно устранимой погрешностью является погрешность гистерезиса, или погрешность обратного хода. Причиной этой погрешности является люфт и сухое трение в элементах, трение в пружинах, упругие эффекты в чувствительных элементах. Погрешность гистерезиса принято оценивать вариацией показаний измерительного прибора: W=Хпок пр - Хпок об, где Хпокпр и Хпок об - показания прибора при прямом и обратном ходе. 4. Классы точности средств измерений Класс точности - это обобщенная характеристика данного типа средств измерений, отражающая уровень их точности и выражаемая пределами допускаемых основной иногда и дополнительных погрешностей, а также другими характеристиками, влияющими на точность. Класс точности дает возможность судить о том, в каких пределах находится погрешность средств измерений одного типа, но не характеризует точность самих измерений, выполняемых этими средствами, так как погрешность измерений зависит и от метода измерений и от условий измерений и от средства измерений и т.д. Для установления класса точности средств измерений применяются общие правила, которые содержатся в ГОСТ 8.401 - 80 «Классы точности средств измерений. Общие требования ». Средство измерений может иметь два или более класса точности, если у него несколько диапазонов измерений - для каждого из них устанавливается свой класс точности или если средство измерений предназначено для измерений нескольких величин (например, для измерения электрического напряжения и сопротивления). Класс точности присваивается средствам измерений при их разработке по результатам государственных приемочных испытаний. Исторически сложилось так, что на классы точности разделены все средства измерений, кроме измерительных приборов для измерения линейных и угловых величин. Класс точности всех видов средств измерений, кроме названных, указывается на циферблатах, щитках и корпусах, приводится в нормативно-технических документах. Форма представления класса точности средства измерений определяется пределами допускаемой основной погрешности измерений. Форма представления класса точности пределами допускаемой основной абсолютной погрешности Δпр применяется преимущественно для СИ линейных размеров или массы, которые принято выражать в единицах длины или массы. Иногда класс точности для этих приборов обозначают прописными буквами латинского алфавита (L,M,C и т. д., причем классам точности, которым соответствуют меньшие пределы допускаемых погрешностей, присваиваются буквы, находящиеся ближе к началу алфавита) или римскими цифрами(I, II, Ш, IV и т. д.). Класс точности для других измерительных приборов (электрических величин) в основном выражается пределами допускаемой основной приведенной или относительной погрешности и обозначается числами, равными этим пределам в процентах из установленного ряда: 1*10n; 1,5*10n; 2,0*10n; 2,5*10n; 4*10n; 5*10n; 6*10n; (n=1; 0; -1; -2; -3 и т.д.). Основой для определения формы представления класса точности измерительного прибора является характер изменения основной абсолютной погрешности средства измерений в пределах диапазона измерений. Если основная абсолютная погрешность имеет аддитивный характер (границы погрешностей средства измерений не изменяются в пределах диапазона измерений, рис.7,а), то класс точности представляется пределом допускаемой приведенной погрешности γ =± Δ/ХN*100=±р,%, где Δ = ± а - пределы допускаемой основной абсолютной погрешности прибора; р- отвлеченное положительное число, выбирается из ряда значений (1.2); ХN – нормирующее значение. а б в Рис. 7. Характерные случаи изменения границ абсолютных погрешностей средств измерений Класс точности указывается значением предела допускаемой приведенной погрешности: • класс точности 1,5 (γ = ±1,5 %) при условии, что ХN - нормирующее значение выражено в единицах измеряемой величины; Если основная абсолютная погрешность имеет мультипликативный характер (границы погрешности средства измерений линейно изменяются в пределах диапазона измерений, рис. 7,б),то класс точности представляется пределом допускаемой относительной погрешности, которая определяется по формуле δ =± Δ/Х *100=±q,% , где ΔХ = ±b X­ пределы допускаемой основной абсолютной погрешности прибора, Х- показание средства измерений; q - отвлеченное положительное число, выбирается из ряда значений (1.2). В таком случае класс точности указывается в кружке пределом допускаемой относительной погрешности 1,5= ± 1,5 %). Если основная абсолютная погрешность имеет и аддитивную, и мультипликативную составляющие (рис.7, в), то класс точности представляется пределом допускаемой относительной погрешности, которая определяется по формуле: где Δ = ± (а+b X); с и d - отвлеченные положительные числа, которые выбираются из ряда значений (1.2), а соответствие между ними устанавливается стандартами на отдельные виды средств измерений; XK - больший по модулю предел измерения для шкал с нулем по середине; Х - показание средства измерений. В таком случае класс точности указывается в виде дроби c/d, например 0,02/0,01; так обозначаются, в основном, классы точности для цифровых измерительных приборов. Примеры обозначения классов точности средств измерений представлены в табл. 6. При установлении класса точности пределы допускаемой дополнительной погрешности непосредственно не учитываются, но в соответствии с ГОСТ 8.009 - 84 и ГОСТ 8.401 - 80 предусматривается указание их в технической документации. По указанному классу точности можно определить предел допускаемой абсолютной погрешности средства измерений. Пример1. Амперметр класса точности 1,0 с пределами измерений от -10 А до + 25 А показывает 5А. Определить предел допускаемой абсолютной погрешности амперметра. Решение. Класс точности амперметра задан пределом допускаемой приведенной погрешности γ =1,0 %. γ =± Δ/ХN*100= ±1,0%. Xn=35А. Предел допускаемой абсолютной погрешности определяется Δ=1,0*35/100=0,35 A. Таблица 6 Примеры обозначения классов точности Пример 2. Счетчик электрической энергии класса точности (2), показывает 500 квт-ч. Определить предел допускаемой абсолютной погрешности счетчика. Решение. Класс точности счетчика задан пределом допускаемой относительной погрешности δ δ =± Δ/Х *100=±2 % . Тогда Δ=2*500/100=±10 квт-ч где показание счетчика Х= 500 квт-ч. Пример 3. Амперметр класса точности 0,02/0,01 с равномерной шкалой и пределами измерений от 0...50 А показывает 10А . Определить предел допускаемой абсолютной погрешности. Решение. Класс точности представлен пределом допускаемой относительной погрешности: где с = 0,02; d = 0,01; ХК= 50 А - больший по модулю предел измерений; X = 10 А - показание амперметра. Предел допускаемой абсолютной погрешности составит Δ = ± 0,06*10/100=0,006 А. Контрольные вопросы 1. Какие существуют основные виды средств измерений? 2. Что означает мера? 3. Какие измерительные приборы Вы знаете? 4. Что такое измерительный преобразователь? 5. Что представляет собой вспомогательное средство измерений? 6. Что такое измерительная система и измерительно-вычислительный комплекс? 7. Какие основные метрологические показатели измерительных приборов Вы знаете? 8. Что называют ценой действия шкалы? 9. Что такое диапазон измерения прибора?