|
|
|
|
|
|
||
Так как измеряются свойства, общие в качественном отношении многим объектам или явлениям, эти свойства без участия органов чувств человека должны быть каким-то образом обнаружены, в чем-то должны проявляться. Технические устройства, предназначенные для обнаружения (индикации) физических свойств,. называются индикаторами. Стрелка магнитного компаса, например, - индикатор напряженности магнитного поля; осветительная электрическая лампочка - индикатор электрического напряжения в сети; лакмусовая бумага - индикатор активности ионов водорода в растворах.
С помощью индикаторов устанавливается только наличие измеряемой физической величины, интересующего нас свойства материи. В этом отношении индикаторы играют ту же роль, что и органы чувств человека, но значительно расширяют их возможности.. Человек, например, слышит в диапазоне частот от 16 до 20 кГц, в то время как техническими средствами обнаруживаются звуковые колебания в диапазоне от инфранизких (доли герца) до ультравысоких (десятки и сотни килогерц) частот. Видят люди в узком оптическом диапазоне электромагнитных волн, а инструментально-регистрируются электромагнитные колебания от сверх низкочастотных радиоволн с частотой, составляющей доли герца, до высо-коэнергетичеокого уровня гамма-излучения с частотой порядка 1022 Гц. В то же время не созданы еще технические устройства, которые могли бы соперничать с обонянием человека или животных.
Так как индикаторы должны лишь реагировать на проявление свойств окружающего мира, важнейшей их технической характеристикой является порог реагирования (иногда его называют порогом чувствительности). Чем меньше порог реагирования, тем более слабое проявление свойства регистрируется индикатором. Современные индикаторы обладают очень низкими порогами реагирования, лежащими на уровне фоновых помех и собственных шумов аппаратуры. Последние имеют тепловую природу, поэтому для их снижения чувствительные элементы и электронные узлы особо чувствительных индикаторов охлаждают до температуры, близкой к абсолютному нулю. Селекцию (выделение) сигналов на фоне помех осуществляют с помощью специальных фильтров и накопителей. За счет этих и некоторых других мер порог чувствительности радиотелескопов, например, в сантиметровом диапазоне радиоволн доведен до 1018 Вт.
Однако обнаружить физическую величину и измерить ее - далеко не одно и то же. Как уже отмечалось, для измерения необходимо сравнить неизвестный размер с известным и выразить первый через второй в кратном* или дольном* отношении. Если физическая величина известного размера есть в наличии, то она непосредственно используется для сравнения. Так измеряют длину линейкой, плоский угол транспортиром, массу с помощью гирь и весов, электрическое сопротивление с помощью магазина сопротивлений. 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. Так измеряют: силу электрического тока - амперметром, электрическое напряжение - вольтметром, скорость - спидометром, давление - манометром, термодинамическую температуру - термометром и т. д.
От индикаторов эти измерительные приборы отличаются тем, что обеспечивают сравнение откликов на воздействие двух разных размеров физической величины (известного и неизвестного). При этом предполагается, что соотношение между откликами такое же, как и между сравниваемыми размерами. Для облегчения сравнения отклик на известное воздействие еще на стадии изготовления прибора фиксируют на шкале отсчетного устройства, после чего разбивают шкалу на деления в кратном и дольном отношении. Эта процедура называется градуировкой шкалы. При измерениях она позволяет по положению указателя получать результат сравнения непосредственно на шкале отношений.
Все технические средства, используемые при измерениях и имеющие нормированные метрологические характеристики*, называются средствами измерений. К ним относятся вещественные меры, измерительные преобразователи, измерительные приборы, измерительные установки и измерительные системы. Индикаторы к средствам измерений не относятся.
Вещественные меры предназначены для воспроизведения физической величины заданного размера, который характеризуется так называемым номинальным значением. При условии, что указывается точность, с которой воспроизводится номинальное значение физической величины, гиря является мерой массы, конденсатор - емкости, кварцевый генератор - частоты электрических колебаний и т. д. Различают однозначные и многозначные меры, а также наборы мер. Например, гиря и измерительный конденсатор постоянной емкости - это однозначные меры, масштабная линейка я конденсатор переменной емкости - многозначные меры, а набор гирь и набор измерительных конденсаторов являются наборами мер. Сравнение с мерой выполняют с помощью специальных технических средств - компараторов. Компараторами служат равноплечие весы, измерительный мост и т.д. Иногда в качестве компараторатора выступает человек (например, при измерении длины линейкой).
Измерительные преобразователи - это средства измерений, вырабатывающие сигналы измерительной информации в форме, удобной для дальнейшего преобразования, передачи, хранения, обработки, но как правило, недоступной для непосредственного восприятия наблюдателем. Измерительные преобразователи получили очень широкое распространение. К ним относятся термопары, измерительные усилители, преобразователи давления и многие другие виды измерительных устройств. По месту, занимаемому в измерительной цепи, они делятся на первичные, промежуточные и т. д. Конструктивно преобразователи являются либо отдельными блоками, либо составной частью средства измерений. Если преобразователи не входят в измерительную цепь и их метрологические свойства не нормированы, то они не относятся к измерительным. Таковы, например, операционный усилитель, делитель напряжения в цепи электропитания, силовой трансформатор и т. п.
Измерительная цепь: 1-первичный измерительный преобразователь с чувствительным элементом 2; 3-промежуточные измерительные преобразователи
Измерительный прибор представляет собой совокупность преобразовательных элементов, образующих измерительную цепь, и отсчетного устройства. В отличие от вещественной меры прибор не воспроизводит известное значение физической величины. Измеряемая величина должна подводиться к нему и воздействовать на его первичный преобразователь.
Измерительные установки состоят из функционально объединенных средств измерений и вспомогательных устройств, собранных в одном месте. В измерительных системах эти средства и устройства территориально разобщены и соединены каналами связи. И в установках, и в системах выходной сигнал измерительной информации может иметь форму, удобную как для непосредственного восприятия, так и для автоматической обработки, передачи и использования в автоматизированных системах управления.
Многообразие средств измерений заставляет принимать соответствующие меры, чтобы не нарушить единство измерений. Под единством измерений понимают такое их состояние, при котором результаты выражены в узаконенных единицах, а точность измерений документирована. Первое требование обычно выполняется благодаря тому, что результаты измерений выражаются в единицах СИ. Для соблюдения второго требования средства измерений должны иметь определенные (нормированные) метрологические характеристики.
Метрологическими характеристиками средств измерений называются такие их технические характеристики, которые влияют на результаты и точность измерений. В полном их перечне, установленном ГОСТ 8.009-84, можно выделить следующие группы характеристик: а) градуировочные характеристики, определяющие соотношение между сигналами на входе и выходе средства измерений в статическом режиме. К ним относятся, например, номинальная статическая характеристика преобразования измерительного преобразователя, номинальное значение однозначной меры, пределы и цена деления шкалы, вид и параметры цифрового кода; б) динамические характеристики, отражающие инерционные свойства средств измерений при воздействии на них меняющихся во времени величин ? параметров входного сигнала, внешних влияющих величин, нагрузки.
По степени полноты описания инерционных свойств средств измерений динамические характеристики делятся на полные и частные. К полным динамическим характеристикам относятся: дифференциальное уравнение, описывающее работу средства измерений;
передаточная функция; переходная характеристика; импульсная характеристика;
совокупность амплитудно- и фазочастотной характеристик. Частными динамическими характеристиками могут быть отдельные параметры полных динамических характеристик или характеристики, не отражающие полностью динамических свойств средств измерений, но необходимые для выполнения измерений с требуемой точностью (например, время установления показаний) или для контроля однородности свойств средств измерений данного типа; показатели точности;
функции влияния, т. е. зависимость изменений метрологических характеристик от изменений влияющих величин или неинформативных параметров входного сигнала. На эти характеристики средств измерений устанавливаются нормы с целью: 1) оценки точности измерений; 2) сравнения средств измерений между собой и выбора из них таких, которые обеспечивают требуемую точность измерений; 3) достижения взаимозаменяемости средств измерений.
Номенклатура нормируемых метрологических характеристик и полнота, с которой они должны описывать свойства средств измерений, зависят от их назначения, условий эксплуатации, режима работы и многих других факторов. У средств измерений, используемых преимущественно для высокоточных измерений и метрологической аттестации других средств измерений, нормируются до десятка и более метрологических характеристик. Комплекс их оговаривается в стандартах общих технических требований и стандартах общих технических условий на средства измерений; стандартах технических требований к средствам измерений (если отсутствует стандарт общих технических требований); стандартах технических условий на средства измерений (если нет стандарта общих технических условий); в технических условиях на средства измерений (если отсутствуют стандарты общих, технических требований, технических требований, общих технических условий); в технических заданиях на разработку средств измерений (если отсутствуют все вышеперечисленные нормативно-технические документы). Нормы на отдельные метрологические характеристики приводятся в эксплуатационной документации (паспорте, техническом описании, инструкции по эксплуатации и т. п.) в виде номинальных значений, коэффициентов, функций, заданных формулами, таблицами или графиками, пределов допускаемых отклонений от номинальных значений и функций. Соответствие метрологических характеристик установленным для них нормам должно проверяться. Проверка метрологическим органом соответствия метрологических характеристик нормам и установление на этой основе пригодности средств измерений к применению называется поверкой. Постановлением Совета Министров СССР от 4 апреля 1983 г. N 273 "Об обеспечении единства измерений в стране" применение непроверенных средств измерений запрещено.
Обычно метрологические характеристики нормируют раздельно для нормальных и рабочих условий применения средств измерений. Нормальными считаются такие условия, ради которых изменением метрологических характеристик под воздействием влияющих величин принято пренебрегать. Так, для многих типов средств измерений нормальными условиями применения являются: температура 293 K атмосферное давление 100 кПа; относительная влажность 65; электрическое напряжение в сети питания 220 В. Рабочие условия отличаются от нормальных более широкими диапазонами изменения влияющих величин. И те и другие указываются в стандартах технических требований и другой нормативно- технической документации на конкретные виды средств измерений.
Учет всех нормируемых метрологических характеристик средств измерений - сложная и трудоемкая процедура, оправданная только при измерениях очень высокой точности, характерных для метрологической практики. В обиходе и на производстве, как правило, такая точность не нужна. Поэтому для средств измерений, используемых в повседневной практике, принято деление по точности на классы. Классом точности называется обобщенная характеристика всех средств измерений данного типа, устанавливающая оценку снизу точности их показаний. В стандартах на средства измерений конкретного типа устанавливают требования к метрологическим характеристикам, в совокупности определяющие класс точности средств измерений этого типа. У плоскопараллельных концевых мер длины, например, такими характеристиками являются: пределы допускаемых отклонений от номинальной длины и плоскопараллельности, пределы допускаемого изменения длины в течение года. У мер электродвижущей силы (нормальных элементов) - пределы допускаемой нестабильности ЭДС в течение года.
Для мало изменяющихся метрологических характеристик допускается устанавливать требования, единые для двух и более классов точности. Независимо от классов точности нормируют метрологические характеристики, требования к которым целесообразно устанавливать едиными для средств измерений всех .классов точности, например, входные или выходные сопротивления. Классы точности присваиваются типам средств измерений с учетом результатов государственных приемочных испытаний. Средствам измерений с несколькими диапазонами измерений одной и той же физической величины или предназначенным для измерений разных физических величин могут быть присвоены различные классы точности для каждого диапазона или каждой измеряемой величины. Так, амперметр с диапазонами 0-10, 0-20 и 0-50 А может иметь разные, классы точности для отдельных диапазоов;
электроизмерительному прибору, предназначенному для измерений напряжения и сопротивления, могут быть присвоены два класса точности: один как вольтметру, другой - как омметру. Метрологические характеристики средств измерений должны соответствовать установленным для них нормам как при выпуске готовой продукции, так и в процессе эксплуатации.
Обозначения классов точности наносятся на циферблаты, щитки и корпуса средств измерений, приводятся в нормативно-технических документах. При этом в эксплуатационной документации. на средство измерений, содержащей обозначение класса точности, должна быть ссылка на стандарт или технические условия, в которых установлен класс точности для этого типа средств измерений. Обозначения могут иметь форму заглавных букв латинского алфавита (например, М, С и т. д.) или римских цифр (I, II, III, IV и т. д.) с добавлением условных знаков. Смысл таких обозначений раскрывается в нормативно-технической документации. Если же класс точности обозначается арабскими цифрами с добавлением какого-либо условного знака, то эти цифры непосредственно устанавливают оценку снизу точности показаний средства измерений.
Для средств измерений с равномерной, практически равномерной или степенной шкалой, нулевое значение входного (выходного) сигнала у которых находится на краю или вне диапазона измерений, обозначение класса точности арабскими цифрами из ряда:
где n=1, 0,-1,-2 и т.д., означает, что значение измеряемой величины не отличается от того, что показывает указатель отсчетного устройства, более чем на соответствующее число процентов от верхнего предела измерений.
Обозначение классов точности цифрами из того же ряда предпочтительных чисел может сопровождаться применением дополнительных условных знаков. (Так, например, отметка снизу 0,5;1,6;2,5 и т.д) означает, что у измерительных приборов этого типа с существенно неравномерной шкалой значение измеряемой величины не может отличаться от того, что показывает указатель отсчетного устройства, больше чем на указанное число процентов от всей длины шкалы или ее части, соответствующей диапазону измерений. Заключение чисел в окружность (например, 0,02;0,4;1,0;3,0 в кружочке и т. д.) означает, что проценты исчисляются непосредственно от того значения, которое показывает указатель. Необходимо еще раз подчеркнуть, что класс точности является обобщенной характеристикой средств измерений. Значение его позволяет определить не точность конкретного измерения, а лишь указать пределы, в которых находится значение измеряемой величины. Между тем, точность конкретного измерения во многих случаях представляет известный интерес.