Средства измерений и их классификация

Средство измерений — это техническое средство (или их ком­плекс), используемое при измерениях и имеющее нормированные метрологические характеристики. В отличие от таких технических средств, как индикаторы, предназначенных для обнаружения фи­зических свойств (компас, лакмусовая бумага, осветительная элек­трическая лампочка), СИ позволяют не только обнаружить физи­ческую величину, но и измерить ее, т.е. сопоставить неизвестный размер с известным.

Если физическая величина известного раз­мера есть в наличии, то она непосредственно используется для сравнения (измерение плоского угла транспортиром, массы — с помощью весов с гирями). Если же физической величины извест­ного размера в наличии нет, то сравнивается реакция (отклик) прибора на воздействие измеряемой величины с проявившейся ранее реакцией на воздействие той же величины, но известного размера (измерение силы тока амперметром).

Для облегчения срав­нения еще на стадии изготовления прибора отклик на известное воздействие фиксируют на шкале отсчетного устройства, после чего наносят на шкалу деления в кратном и дольном отношении. Опи­санная процедура называется градуировкой шкалы. При измерении она позволяет по положению указателя получать резуль­тат сравнением непосредственно по шкале отношений. Итак, СИ (за исключением некоторых мер — гирь, линеек) в простейшем случае производят две операции: обнаружение физической вели­чины; сравнение неизвестного размера с известным или сравнение откликов на воздействие известного и неизвестного размеров.

Другими отличительными признаками СИ являются, во-­первых, «умение» хранить (или воспроизводить) единицу физической ве­личины; во-­вторых, неизменность размера хранимой единицы. Если же размер единицы в процессе измерений изменяется более, чем установлено нормами, то с помощью такого средства невозможно получить результат с требуемой точностью. Отсюда следует, что измерять можно только тогда, когда техническое средство, предна­значенное для этой цели, может хранить единицу, достаточно не­изменную по размеру (во времени).

Средства измерений можно классифицировать по двум призна­кам: конструктивное исполнение; метрологическое назначение.

По конструктивному исполнению СИ подразделяют на меры физической величины, измерительные преобразователи, измерительные приборы, измерительные установки, измерительные си­стемы (рис. 6.4).

Меры физической величины — это средства измерений, пред­назначенные для воспроизведения и (или) хранения физической величины одного или нескольких заданных размеров. Различают меры: однозначные (гиря 1 кг, калибр, конденсатор постоянной емкости); многозначные (масштабная линейка, конденсатор пере­менной емкости); наборы мер (набор гирь, набор, калибров). Набор мер, конструктивно объединенных в единое устройство, в котором имеются приспособления для их соединения в различных комби­нациях, называется магазином мер. Примером такого набора может быть магазин электрических сопротивлений, магазин индук­тивностей. Сравнение с мерой выполняют с помощью специальных технических средств — компараторов (рычажные весы, измери­тельный мост и т. д.).

К однозначным мерам можно отнести стандартные образцы (СО). Существуют стандартные образцы состава и стандартные образцы свойств вещества (материала).

Стандартный образец состава — это стандартный образец с установленными значениями величин, характеризующих содержание определенных компонентов в веществе (материале).

Стандартный образец свойств — это стандартный образец с установленными значениями величин, характеризующих физические, химические, биологические и другие свойства.

Новые СО допускаются к использованию при условии прохож­дения ими метрологической аттестации. Указанная процедура — это признание этой меры, узаконенной для применения на основании исследования СО. Метрологическая аттестация проводится органа­ми метрологической службы.

Примером СО состава является СО состава углеродистой стали определенной марки, а примером СО свойств — шкала твердости Мооса, которая представляет собой набор 10 эталонных минералов для определения числа твердости по условной шкале. Каждый последующий минерал этой шкалы является более твердым, чем предыдущий. Эту шкалу используют для оценки относительной твердости стекла и керамики.

Одна из главных функций СО состава и свойств — контроль методики выполнения измерений в порядке внутреннего контроля испытательных лабораторий и внешнего контроля. Например, если аналитическая лаборатория металлургического предприятия располагает аттестованным СО углеродистой стали конкретной марки, то она на указанном СО может проверить надежность методики качественного и количественного химического анализа.

В зависимости от уровня признания (утверждения) и сферы применения различают категории СО — межгосударственные, государственные, отраслевые и СО предприятия (организации).
Так, государственные и отраслевые образцы состава почв атте­стованы на содержание макро­ и микроэлементов (марганца, ко­бальта, цинка, меди, молибдена, бора) и другие характеристики (рН и т. д.). Эти СО были аттестованы в межлабораторном эксперимен­те и предназначены для градуировки приборов, поверки СИ, кон­троля правильности анализов почв по аттестованным в СО пока­зателям, аттестации СО предприятий методом сличения.

Измерительные преобразователи — это средства измерений, служащие для преобразования измеряемой величины в другую величину или сигнал измерительной информации, удобный для обработки, хранения, дальнейших преобразований.
По характеру преобразования различают аналоговые, цифро­аналоговые (ЦАП) и аналого­цифровые (АЦП) преобразователи. По месту в измерительной цепи выделяют преобразователи пер­вичные (прибор, на который непосредственно воздействует изме­ряемая физическая величина) и промежуточные (прибор, занимаю­щий место в измерительной цепи после первичного преобразова­теля).

Конструктивно обособленный первичный измерительный пре­образователь, от которого поступают сигналы измерительной ин­формации, является датчиком. Датчик может быть вынесен на значительное расстояние от СИ, принимающего его сигналы. На­пример, датчики запущенного метеорологического радиозонда передают информацию о температуре, давлении, влажности и дру­гих параметрах атмосферы.

Если преобразователи не входят в измерительную цепь и их метрологические свойства не нормированы, то они не относятся к измерительным. Таковы, например, силовой трансформатор в ра­диоаппаратуре, термопара в термоэлектрическом холодильнике.

Измерительный прибор — это средство измерений, предна­значенное для получения значений измеряемой физической вели­чины в установленном диапазоне. Прибор, как правило, содержит устройство для преобразования измеряемой величины и ее инди­кации в форме, наиболее доступной для восприятия. Во многих случаях устройство для индикации имеет шкалу со стрелкой, диа­грамму с пером или цифроуказатель, с помощью которых могут быть произведены отсчет или регистрация значений физической величины. В случае сопряжения прибора с мини ­ЭВМ отсчет может производиться с помощью дисплея.

По виду индикации значений измеряемой величины измери­тельные приборы подразделяют на показывающие и регистриру­ющие. Показывающий прибор допускает только отсчиты­вание показаний измеряемой величины (микрометр, аналоговый или цифровой вольтметр). В регистрирующем приборе предусмотрена регистрация показаний — в форме диаграммы, путем печатания показаний (термограф; разрывная машина с пи­шущим элементом; измерительный прибор, сопряженный с ЭВМ, дисплеем и устройством для печатания показаний).

Измерительная установка — это совокупность функциональ­но объединенных мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей и других устройств, предназначенных для из­мерений одной или нескольких физических величин и расположенных в одном месте. Примером являются установка для измерения удельного сопротивления электротехнических материалов, установ­ка для испытаний магнитных материалов. Измерительную установ­ку, предназначенную для испытаний каких­ либо изделий, иногда называют испытательным с тендом.

Измерительная система — это совокупность функционально объединенных мер, измерительных приборов, измерительных пре­образователей, электронно-­вычислительных машин (ЭВМ) и других технических средств, размещенных в разных точках контролируе­мого пространства в целях измерений одной или нескольких фи­зических величин, свойственных этому пространству. Примером может служить радионавигационная система для определения ме­стоположения судов, состоящая из ряда измерительных комплексов, разнесенных в пространстве на значительном расстоянии друг от друга.

«Лицо» современной измерительной техники определяется автоматизированными измерительными системами, информаци­онно-­измерительными системами, измерительно­вычислительными комплексами. Типичная информационно-­измерительная система содержит в своем составе ЭВМ и обеспечивает сбор, обработку и хранение информации, поступающей от многочисленных датчи­ков, характеризующих состояние объекта или процесса.

При этом результаты измерений выдаются как по заранее заданной програм­ме, так и по запросу. Применение новейших измерительных систем позволяет не только ускорить процесс измерения (что немаловажно для скоро­портящихся товаров), но и дать более объективную характеристи­ку качества конкретной партии товара. По метрологическому назначению все СИ подразделяются на два вида — рабочие СИ и эталоны.

Рабочие средства измерений предназначены для проведения технических измерений. По условиям применения они могут быть:

• лабораторными, используемыми при научных исследовани­ях, проектировании технических устройств, медицинских измерениях;
• производственными, используемыми для контроля характе­ристик технологических процессов, контроля качества гото­вой продукции, контроля отпуска товаров;
• полевыми, используемыми непосредственно при эксплуата­ции таких технических устройств, как самолеты, автомобили, речные и морские суда и др.

К каждому виду рабочих СИ предъявляются специфические требования: к лабораторным — повышенная точность и чувстви­тельность; к производственным — повышенная стойкость к ударно­-вибрационным нагрузкам, высоким и низким температурам; к по­левым — повышенная стабильность в условиях резкого перепада температур, высокой влажности.

Эталоны являются высокоточными СИ, а потому используются для проведения метрологических измерений в качестве средств передачи информации о размере единицы. Размер единицы пере­дается «сверху вниз», от более точных СИ к менее точным «по це­почке»: первичный эталон — вторичный эталон — рабочий эталон 0­го разряда — рабочий эталоно­го разряда — … — рабочее СИ.

Передача размера осуществляется в процессе поверки СИ. Це­лью поверки является установление пригодности СИ к применению. Соподчинение СИ, участвующих в передаче размера единицы от эталона к рабочим СИ, устанавливается в поверочных схемах СИ. Федеральное агентство по техническому регулированию и ме­трологии располагает самой современной эталонной базой.

Она входит в тройку самых совершенных наряду с базами США и Япо­нии. Эталонная база в дальнейшем будет развиваться в количе­ственном и главным образом в качественном отношении. Перспек­тивно создание многофункциональных эталонов, т. е. эталонов, воспроизводящих на единой конструктивной и метрологической основе не одну, а несколько единиц физических величин или одну единицу, но в широком диапазоне измерений. Так, метрологические институты страны создают единый эталон времени, частоты и дли­ны, который позволит, кстати, уменьшить погрешность воспроиз­ведения единицы длины до 1 10 11.

Если технический уровень первичных эталонов в России благо­даря успехам науки и энтузиазму ученых можно оценить как впол­не удовлетворительный, то состояние парка СИ, находящихся в практическом обращении, прежде всего рабочих эталонов и СИ, внушает тревогу. Если в 1980­х гг. срок обновления измерительной техники, как правило, составлял 5 … 6 лет (для сравнения в США и Японии — не более трех лет), то наблюдаемый сейчас регресс в области национального приборостроения еще больше увеличил сроки обновления рабочих эталонов и рабочих СИ, что ведет к значительному старению измерительной техники.

Другой проблемой национальных производителей СИ является высокая стоимость их разработок в сравнении с зарубежными фирмами. Для преодоления традиционного отставания необходимо также в отечественных приборах предусматривать: высокую степень автоматизации на базе микропроцессорной технологии, быстро­действие, высокую надежность, пониженные массу, габаритные размеры и энергопотребление, высокий уровень эстетики и эрго­номики.

Многообразие СИ обусловливает необходимость применения специальных мер по обеспечению единства измерений. Одно из условий соблюдения единства измерений — установление для СИ определенных (нормированных) метрологических характеристик.