Методы и средства измерений

Отметка шкалы (отметка) – знак на шкале средства измерений (черточка, зубец, точка и др.), соответствующий некоторому значению физической величины. Отметку шкалы средства измерений, у которой проставлено число, называют числовая отметка шкалы, а промежуток между двумя соседними отметками шкалы средства измерений называется делением шкалы.

Различают начальное  значение шкалы (наименьшее значение измеряемой величины, которое может быть отсчитано  по шкале средства измерений) и конечное значение шкалы (наибольшее значение измеряемой величины, которое может быть отсчитано  по шкале средства измерений). Так для медицинского термометра начальным значением шкалы является 34,3 °С, а конечным значением шкалы является 42 °С.

Указатель средства измерений (указатель) – часть показывающего устройства, положение которой относительно отметок шкалы определяет показания средства измерений. Указателем может быть стрелка, штрих, кромка детали, перемещающейся относительно шкалы, световое пятно с маркой, край столбика жидкости и т.д. Изменение показаний в системе шкала-указатель, может осуществляться за счет перемещения любого из элементов относительно другого.   Кроме демонстрирующих в метрологии используют также и регистрирующие приборы. Регистрирующее устройство средства измерений (регистрирующее устройство) – совокупность элементов средства измерений, которые регистрируют значение измеряемой или связанной с ней величины. В качестве регистрирующего устройства могут использоваться самописцы, печатающие устройства (символьные, в частности цифропечатающие; матричные, формирующие изображение из точек), устройства с фоторегистрацией или магнитной регистрацией данных и другие.

Сложное средство измерений можно представить  в виде схемы, взяв за основу его  измерительную цепь, которая включает первичный и промежуточные измерительные  преобразователи и устройство отображения измерительной информации.

В состав первичного измерительного преобразователя обязательно включается чувствительный элемент. Любое средство измерений обязательно имеет  устройство выдачи (отображения) измерительной  информации. У приборов с визуальными выходом это чаще всего отсчетные устройства типа шкала-указатель или цифровое табло. Прибор может быть снабжен несколькими шкалами (индикатор часового типа, измерительные головки ИГМ) или одной шкалой с несколькими указателями (часы с циферблатом и центральными стрелками). В приборах и индикаторах применяют и другие устройства визуальной индикации (нуль - указатели, табло светофорного типа), а также акустические устройства (звонок, зуммер таймера) и тактильные устройства (вибратор наручного будильника для слабо слышащих). В качестве устройств выдачи информации могут использоваться также любые регистрирующие самопишущие или печатающие устройства.

Структурную схему  измерительного прибора строят, как  правило, на базе кинематической, электрической, оптической или иной схемы. Пример взаимно увязанных схем равноплечих рычажных весов.

Выделение измерительных  преобразователей по кинематической схеме  осуществляют на основе логического  анализа выполняемых ими функций  и конструктивной завершенности (автономности). Возможно укрупненное и более мелкое дробление элементов функциональной кинематической схемы на измерительные преобразователи, например: чашка с собственным шарнирным подвесом – шарнирная тяга – равноплечий рычаг... Или обратное: равноплечий рычаг с чашками и шарнирами (первичный измерительный преобразователь) – устройство отображения измерительной информации (стрелка на рычаге – указатель и шкала с единственным делением). Шкала устройства отображения измерительной информации может иметь множество делений или только одно нулевое деление – вырожденная шкала, характерная для приборов типа нуль - компаратора, которые предназначены для измерения нулевым методом.

В зависимости  от степени участия оператора  в процессе, различают автоматические автоматизированные и неавтоматизированные средства измерений.

Автоматическое  средство измерений – средство измерений, производящее без непосредственного участия человека измерения и все операции, связанные с обработкой результатов измерений, их регистрацией, передачей данных или выработкой управляющего сигнала. Автоматическое средство измерений, встроенное в технологическую линию, нередко называют "измерительный автомат" или "контрольный автомат". Применяют также понятие "измерительные роботы".

Автоматизированное  средство измерений – средство измерений, производящее в автоматическом режиме одну или часть измерительных операций. Например, барограф осуществляет автоматическое измерение и регистрацию давления, а счетчик электроэнергии измеряет и регистрирует данные о потреблении энергии с автоматическим накоплением результатов).

Средства измерений  подразделяются на виды и типы, причем вид средств измерений может  включать несколько их типов. Амперметры являются видами средств измерений силы электрического тока, а вольтметры –  напряжения электрического тока.

Вид средства измерений – совокупность средств измерений, предназначенных для измерений данной физической величины.

Тип средства измерений – совокупность средств измерений одного и того же назначения, основанных на одном и том же принципе действия, имеющих одинаковую конструкцию и изготовленных по одной и той же технической документации. Средства измерений одного типа могут иметь различные модификации (например, индикаторы часового типа ИЧ отличаются по диапазонам показаний).

Кроме того, средства измерений принято различать  по принципам действия, то есть по физическим принципам, используемым для преобразования измеряемой величины или сигнала измерительной информации. Например, измерительный микроскоп относится к оптико-механическим приборам, индуктивный или резистивный преобразователь– к электрическим средствам измерений и т.д. Сложные приборы с длинной измерительной цепью обычно характеризуют одним (или двумя) наиболее важными принципами преобразования (лазерный интерферометр, фотоэлектрический угломер).

Средства измерений  узаконивают уполномоченные органы, например, путем утверждения типа средства измерений. Узаконенное средство измерений – средство измерений, признанное годным и допущенное для применения уполномоченным на то органом. Одним из методов официального утверждения является стандартизация средств измерений. Средства измерений подвергают испытаниям и в случае положительных результатов стандартизуют и вносят в Госреестр.Стандартизованное средство измерений – средство измерений, изготовленное и применяемое в соответствии с требованиями государственного или отраслевого стандарта. Одним из видов стандартизованных средств измерений является стандартный образец (СО) – образец вещества (материала) с установленными в результате метрологической аттестации значениями одной или более величин, характеризующими свойство или состав этого вещества (материала). Различают стандартные образцы свойств и стандартные образцы состава. Стандартные образцы свойств веществ и материалов являются однозначными мерами и могут применяться в качестве рабочих эталонов, с присвоением разряда в соответствии с местом в государственной поверочной схеме. Примеры стандартных образцов свойства: СО относительной диэлектрической проницаемости, СО высокочистой бензойной кислоты. Стандартные образцы состава могут иметь аттестованные значения одной или более величин, характеризующими свойство или состав этого вещества, например СО состава углеродистой стали.

Не все средства измерений стандартизуют. Разработанные  для единичного производства средства измерений могут быть узаконены  без их стандартизации. Нестандартизованное средство измерений (НСИ) – средство измерений, стандартизация требований к которому признана нецелесообразной.

По метрологическому назначению различают эталонные  и рабочие средства измерений. Рабочее  средство измерений – средство измерений, предназначенное для измерений, не связанных с передачей размера единицы другим средствам измерений. Эталонные средства измерений называют также средствами поверки. Средства поверки – эталоны, поверочные установки и другие средства измерений, применяемые при поверке в соответствии с установленными правилами.

Возможности использования  средств измерений, а также их точностные свойства определяются их метрологическими характеристиками

Метрологическая характеристика средства измерений (метрологическая  характеристика; MX) – характеристика одного из свойств средства измерений, влияющая на результат измерений и на его погрешность. Различают нормируемыме метрологические характеристики, устанавливаемые нормативными документами на средства измерений, и действительные характеристики, определяемые экспериментально. Метрологические характеристики весьма разнообразны, они существенно различаются по значимости и информативности и существенно зависят от типа средств измерений.

Для средств  измерений, осуществляющих измерительное  преобразование измеряемой физической величины, широко применяют интегральную метрологическую характеристику, которая отражает действительную функцию преобразования (так называемая градуировочная характеристика). Градуировочная характеристика средства измерения (градуировочная характеристика) – зависимость между значениями величин на входе и выходе средства измерений, полученная экспериментально. Градуировочная характеристика может быть выражена в виде формулы, графика или таблицы. Выраженную в виде формулы или графика, номинальную характеристику называют функцией преобразования средства измерений. В некоторых метрологических источниках номинальную и экспериментальную функции преобразования называют статическими характеристиками измерительных преобразователей и приборов, противопоставляя их полным динамическим характеристикам.

Функции преобразования Zо измерительных преобразователей с аналоговым и с дискретным выходными  сигналами графически представлены на рисунке 3. Их можно записать в  виде

Zо = f(Y),

где Y – сигнал на входе преобразователя;     

Z – сигнал на выходе преобразователя,  

Для измерительных  приборов в качестве интегральных метрологических  характеристик можно рассматривать  номинальные и реальные функции  преобразования (реальная функция есть градуировочная характеристика прибора). 

Градуировочные характеристики можно рассматривать как экспериментальные модели функции преобразования измерительного прибора.

Наряду с интегральными  метрологическими характеристиками для  средств измерений предусмотрены  возможности назначения и контроля множества различных частных характеристик. Часть из них представляет интерес для пользователя, другие принципиально важны только для разработчиков средств измерений. К последним можно отнести такие как:

• длина деления шкалы – расстояние между осями (или центрами) двух соседних отметок шкалы, измеренное вдоль воображаемой линии, проходящей через середины самых коротких отметок шкалы;
• длина шкалы – длина линии, проходящей через центры всех самых коротких отметок шкалы средства измерений и ограниченной начальной и конечной отметками. Линия может быть прямой или кривой, реально выполненной на приборе или воображаемой, и длина шкалы есть расстояние вдоль этой линии между нижним и верхним пределами шкалы.
• чувствительность средства измерений (чувствительность) – свойство средства измерений, определяемое отношением изменения выходного сигнала этого средства к вызывающему его изменению измеряемой величины.

Примеры характеристик, важных и для пользователя, и для  разработчиков:

• диапазон показаний средства измерений (диапазон показаний) – область значений шкалы прибора, ограниченная начальным и конечным значениями шкалы
• диапазон измерений средства измерений (диапазон измерений) – область значений величины, в пределах которой нормированы допускаемые пределы погрешности средства измерений.

Примечание —  Значения величины, ограничивающие диапазон измерений снизу и сверху (слева  и справа), называют соответственно нижним пределом измерений или верхними пределом измерений;

• вариация показаний измерительного прибора (вариация показаний) – разность показаний прибора в одной и той же точке диапазона измерений при плавном подходе к этой точке со стороны меньших и больших значений измеряемой величины. Примечание — В высокочувствительных (особенно в электронных) измерительных приборах вариация приобретает иной смысл и может быть раскрыта как колебание его показаний около среднего значения (показание"дышит");
• порог чувствительности средства измерений (порог чувствительности) – характеристика средства измерений в виде наименьшего значения изменения физической величины, начиная с которого может осуществляться ее измерение данным средством. Кроме этого термина на практике применяются также термины: порог реагирования, порог подвижности, срабатывание, порог срабатывания и пороговая чувствительность, которые следует рассматривать как синонимы, не подлежащие применению;
• зона нечувствительности средства измерений (зона нечувствительности) – диапазон значений измеряемой величины, в пределах которого ее изменения не вызывают выходного сигнала средства измерений. Иногда эту зону называют мертвой;
• дрейф показаний средства измерений (дрейф показаний) – изменение показаний средства измерений во времени, обусловленное изменением влияющих величин или других факторов.