Классификация видов и методов измерений

Большое разнообразие измеряемых величин, условий проведения измерений, способов получения результата приводит к чрезвычайно большому разнообразию измерений. В тоже время многие конкретные измерения, несмотря на их внешнее различие, имеют много общего и часто выполняются по одинаковой схеме. Отсюда возникает необходимость и возможность их систематизации, выявления общих закономерностей, что позволяет значительно облегчить изучение всего многообразия измерений.

Измерения классифицируют:

по общим приёмам получения результатов измерений – прямые, косвенные, совместные, совокупные;

по выражению результата измерений – абсолютные, относительные;

по характеристики точности – равноточные, неравноточные;

по числу измерений в серии – однократные, многократные;

по отношению к изменению измеряемой величины – статические, динамические;

по метрологическому назначению – технические, метрологические.

Блок-схема классификации измерений представлена на рис. 1.2.

Прямое измерение – измерение, при котором искомое значение величины находят непосредственно из опытных данных. Например, измерение температуры воздуха термометром, силы тока – амперметром, диаметра вала – микрометром и т.п.

Косвенное измерение – это измерение, при котором искомое значение величины находят на основании известной зависимости между этой величиной и величинами, подвергаемыми прямым измерениям. При этом числовое значение искомой величины определяется по формуле:

z=f(a 1 , a 2 ,…, a m), (1.3)

где: z - значение искомой величины; a 1 , a 2 ,…, a m – значение непосредственно измеряемых величин.

Рис. 1.2. Блок-схема классификации измерений

Приведем несколько примеров косвенных измерений.

1. Определение значения активного сопротивления R резистора (рис. 1.3, а) на основе прямых измерений силы тока I , проходящегочерез резистор, и падения напряжения U на нём по формуле:

R=U/I . (1.4)

2. Определение плотности p тела цилиндрической формы (рис. 1.3, б) на основании прямых измерений его массы m , диаметра d и высоты h цилиндра по формуле:

p=4m / (p∙d 2 ∙h). (1.5)

3. Определение длины окружности L на основании прямого измерения диаметра d по формуле:

L=p∙d . (1.6)

в

б

а

Рис. 1.3. Примеры косвенных измерений

Косвенные измерения сложнее прямых, однако, они широко применяются на практике в случаях, когда прямые измерения практически невыполнимы, или когда косвенное измерение позволяет получить более точный результат по сравнению с прямым измерением.

В некоторых приборах вычисления функций, упомянутых в определении косвенных измерений, могут осуществляться как одна из операций преобразований “внутри” прибора. Измерения, проводимые с применением подобных измерительных приборов, относятся к прямым. К косвенным относятся только такие измерения, при которых расчёт осуществляется вручную или автоматически, но после получения результатов прямых измерений.

Во многих случаях вместо термина “косвенное измерение” применяют термин “метод косвенных измерений”. Это закреплено международными словарями в области метрологии и стандартами ряда стран и обусловлено тем, что измерение рассматривается как акт сравнения величины с единицей. Следовательно, косвенное измерение, строго говоря, - это не измерение, а метод измерений.

К совокупным измерениям относятся производимые одновременно измерения нескольких одноимённых величин, при которых искомые значения величин находят решением системы уравнений, получаемых при прямых измерениях различных сочетаний этих величин. К совокупным относятся, например, измерения, при которых массы отдельных гирь набора находят при известной массе одной из них и по результатам прямых измерений (сравнений) масс различных сочетаний гирь.

Совместные измерения – это производимые одновременно измерения двух или нескольких не одноименных величин для нахождения зависимости между ними.

Например, на основании одновременных измерений приращений ∆l длины детали в зависимости от изменений ∆t его температуры (не одноименных величин) определяют коэффициент К линейного расширения материала образца:

К=∆l/(l*∆t). (1.7)

Числовые значения искомых величин при совместных измерениях, как и при совокупных, могут определяться из системы уравнений, связывающих значения искомых величин со значениями величин, измеренных прямым (или косвенным) способом.

Чтобы получить числовые значения искомых величин, необходимо получить по крайней мере столько уравнений, сколько имеется этих величин.

В качестве примера рассмотрим задачу экспериментального определения зависимости сопротивления резистора от температуры. Предположим, что эта зависимость имеет вид:

R t =R o * (1+a*t+b*t 2), (1.8)

где: R o и R t – значения сопротивлений резистора при нулевой температуре и температуре t соответственно; a и b - постоянные температурные коэффициенты.

Требуется определить значения величин R o , a и b.

Очевидно, ни прямыми, ни косвенными измерениями здесь задачу не решить. Поступим следующим образом. При различных (известных) значениях температуры t 1 , t 2 и t 3 (она может быть измерена прямо или косвенно) измеряем (прямо или косвенно) значения R t 1 , R t 2 и R t 3 и записываем систему уравнений:

R t1 =R 0 *(1+a*t 1 +b*t 1 2);

R t2 =R 0 * (1+a*t 2 +b*t 2 2); (1.9)

R t 3 =R 0 *(1+a*t 3 +b*t 3 2).

Решая эту систему относительно R 0 , a и b, получаем значения искомых величин.

Абсолютное измерение – измерение, приводящее к значению измеряемой величины, выраженному в её единицах. Например, при измерении силы электрического тока амперметром или длины детали микрометром результат измерения выражается в единицах измеряемых величин (в амперах и миллиметрах).

В ГОСТ 16263 приведено другое определение: “абсолютное измерение – измерение, основанное на прямых измерениях одной или нескольких величин и использовании значений физических констант”. В таком понимании это понятие практически не применяется. Оно соответствует понятию «фундаментальное измерение», приведённому в международном словаре. Термин «абсолютное измерение» следует избегать, т. к. абсолютное, т. е. полностью безошибочное, измерение невозможно. Вместо него можно использовать термин «непосредственное измерение».

Относительное измерение – измерение отношения величины к одноимённой величине, играющей роль единицы, или измерение величины по отношению к одноимённой величине, принимаемой за исходную. Относительное измерение основано на сравнение измеряемой величины с известным значением меры. Исходную величину при этом находят алгебраическим суммированием размера меры и показаний прибора. Например, контроль калибра пробки на вертикальном оптиметре.

Равноточные измерения – ряд измерений какой-либо величины, выполненных одинаковыми по точности средствами измерений в одних и тех же условиях. Например, измерение диаметра вала гладким микрометром и индикаторной скобой.

Неравноточные измерения – ряд измерений какой-либо величины, выполненных различными по точности средствами измерений и (или) в разных условиях.

Однократное измерение – измерение, выполненное один раз. Например, измерение конкретного момента времени по часам. В ряде случаев, когда нужна большая уверенность в получаемом результате, одного измерения оказывается недостаточно. Тогда выполняется два, три и более измерений одной и той же конкретной величины. В таких случаях допускается выражение: “двукратное измерение”, “трёхкратное измерение” и т.д.

Многократное измерение – измерение одной и той же физической величины, когда результат получают из нескольких следующих друг за другом измерений, т.е. измерение, состоящее из ряда однократных измерений.

С какого числа измерений можно считать измерение многократным? Строгого ответа на этот вопрос нет. Однако известно, что при числе отдельных измерений n>4, ряд измерений может быть обработан в соответствии с требованиями математической статистики. Следовательно, при четырёх измерениях и более измерение можно считать многократным. За результат многократного измерения обычно принимают среднеарифметическое значение из результатов однократных измерений, входящих в ряд.

Статическое измерение – измерение физической величины, принимаемой в соответствии с конкретной измерительной задачей за неизменную на протяжении времени измерения. Например, измерение длины детали при нормальной температуре, измерение размеров земельного участка.

Динамические измерения – измерения физической величины, размер которой изменяется с течением времени. Быстрое изменение размеров измеряемой величины требует её измерения с точной фиксацией момента времени. Например, измерение расстояния до уровня земли со снижающегося самолёта.

Технические измерения – измерения при помощи рабочих средств измерений. Технические измерения выполняются с целью контроля и управления научными экспериментами, контроля параметров изделий, технологических процессов, управления движением различных видов транспорта, диагностики заболеваний, контроля загрязнённости окружающей среды и т.п. Например, измерение давления пара в котле при помощи манометра, измерение ряда физических величин, характеризующих технологический процесс.

Метрологические измерения – измерения при помощи эталонов и образцовых средств измерений с целью воспроизведения единиц физических величин при передачи их размера рабочим средствам измерений. Например, при поверке образцовых мер магнитной индукции 3-го разряда на поверочной установке осуществляются измерения образцовым тесламетром 2-го разряда размера величины, воспроизведённой мерой. Эти измерения производятся с метрологической целью, т.е. являются метрологическими.

Любые измерения представляют собой физический эксперимент, выполнение которого основано на использовании тех или иных физических явлений. Совокупность физических явлений, на которых основаны измерения, называются принципом измерения .

Совокупность приёмов использования принципов и средств измерения составляет метод измерения .

Выбор того или иного метода измерений зависит от измерительной задачи, которую следует решать (точность результата измерений, быстрота его получения и др.). При решении любой измерительной задачи важно иметь такие средства измерений, в которых реализованы выбранные принципы измерений. Например, температуру можно измерить платиновым термометром сопротивления (реализованный принцип измерения – зависимость сопротивления платины от температуры) и термоэлектрическим термометром (реализованный принцип – зависимость термо э.д.с. от разности температур). Безусловно, при разработке того или иного метода измерений принцип измерений влияет на выбор средств измерений. Но это не означает, что принцип измерения следует считать одним из компонентов при определении метода измерений. Таким образом, можно сказать, что метод измерения – это способ решения измерительной задачи, характеризуемый его теоретическим обоснованием и разработкой основных приёмов применения средств измерения.

Различные методы измерений отличаются, прежде всего, организацией сравнения измеряемой величины с единицей измерения. С этой точки зрения все методы измерений в соответствии с ГОСТ 16263 подразделяются на две группы (рис. 1.4): методы непосредственной оценки и методы сравнения.

Рис. 1.4. Схема классификации методов измерений

Методы сравнения в свою очередь включают в себя метод противопоставления, дифференцированный метод, метод замещения, нулевой метод и метод совпадения.

Приметоде непосредственной оценки значение измеряемой величины определяют непосредственно по отсчётному устройству измерительного прибора прямого действия (измерительный прибор, в котором предусмотрено одно или несколько преобразований сигнала измерительной информации в одном направлении, т.е. без обратной связи). На этом методе основаны все показывающие (стрелочные) приборы (вольтметры, амперметры, индикаторы, манометры, термометры, тахометры и т.п.). Следует отметить, что при использовании данного метода измерений мера как вещественное воспроизведение единицы измерения, как правило, непосредственно в процессе измерения не участвует. Сравнение измеряемой величины с единицей измерения осуществляется косвенно путём предварительной градуировки измерительного прибора с помощью образцовых мер или образцовых измерительных приборов.

Точность измерений по методу непосредственной оценки в большинстве случаев невелика и ограничивается точностью применяемых измерительных приборов.

Метод сравнения с мерой – это такой метод измерений, в котором измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой. Примеры этого метода: измерение массы на рычажных весах с уравновешиванием гирями; измерение напряжения постоянного тока на компенсаторе сравнением с э.д.с. нормального элемента; измерение диаметра вала индикатором при настройке его на ноль по концевым мерам длины.

ГОСТ 16263 предусматривает пять методов измерений, основанных на сравнении с мерой.

Метод противопоставления – это метод сравнения с мерой, в котором измеряемая величина и величина воспроизводимая с мерой, одновременно воздействуют на прибор сравнения, с помощью которого устанавливается соотношение между этими величинами. Например, измерение массы на равноплечих весах с помощью измеряемой массы и уравновешивающих её гирь на двух чашках весов (рис. 1.5,а ).

Дифференциальный метод – это метод сравнения с мерой, в котором на измерительный прибор воздействует разность измеряемой величины и известной величины, воспроизводимой мерой. Например, измерения, выполняемые при поверке мер длины сравнением с образцовой мерой на компараторе, или измерения деталей при настройке индикатора по концевым мерам длины (рис. 1.5,б ).

б

а

Рис. 1.5. Примеры измерений методом противопоставления

и дифференцированным методом

Широко распространён на практике нулевой метод измерений – это метод сравнения с мерой, в котором результирующий эффект воздействия величин на прибор сравнения доводят до нуля. Например, измерения электрического сопротивления мостом с полным его уравновешиванием. Нулевой метод позволяет получить высокую точность измерения.

Методом замещения называется метод сравнения с мерой, в котором измеряемую величину замещают известной величиной, воспроизводимой мерой. Это, например, взвешивание поочерёдным помещением массы и гирь на одну и ту же чашку весов. Метод замещения можно рассматривать как разновидность дифференциального и нулевого метода, отличающиеся тем, что сравнение измеряемой величины с мерой производится разновремённо.

Метод совпадений – это метод сравнения с мерой, в котором разность между измеряемой величиной и величиной, воспроизводимой мерой измеряют, используя совпадения отметок шкал или периодических сигналов. Примерами этого метода являются измерения длин с помощью штангенциркуля, или измерение частоты вращения стробоскопом, где наблюдают совпадения положения какой-либо метки на вращающемся объекте в момент вспышек известной частоты.

Все методы измерений могут осуществляться контактным способом , при котором измерительные поверхности прибора взаимодействуют с проверяемым изделием, или бесконтактным способом , при котором взаимодействия нет. Например, измерение диаметра вала штангенциркулем осуществляется контактным способом, а измерение параметров резьбы на инструментальном микроскопе – бесконтактным способом.

При контактном способе измерений необходимо правильно выбирать форму измерительного наконечника в зависимости от формы измеряемой поверхности. Рекомендации по выбору формы измерительного наконечника приведены в табл. 1.1.

Описанные выше различия в методах сравнения измеряемой величины с мерой находят свое отражение и в принципах построения измерительных приборов.

С этой точки зрения различают измерительные приборы прямого действия и приборы сравнения. В измерительном приборе прямого действия предусмотрено одно или несколько преобразований сигнала измерительной информации в одном направлении, т.е. без обратной связи. Так, например, на рис. 1.6. приведена структурная схема электронного вольтметра переменного и постоянного тока, которая содержит выпрямитель В, усилитель постоянного тока УПТ и измерительный механизм ИМ. В этом приборе преобразование сигнала измерительной информации идёт только в одном направлении.

Характерной особенностью приборов прямого действия является потребление энергии от объекта измерения. Однако это не исключает возможности применения приборов прямого действия для измерения, например, электрического сопротивления или ёмкости, но для этого необходимо использовать вспомогательный источник энергии.

Измерительный прибор сравнения предназначен для непосредственного сравнения измеряемой величины с величиной, значение которой известно.

Рис. 1.6. Структурная схема электронного вольтметра

На рис. 1.7. приведена структурная схема автоматического прибора сравнения, содержащая устройство сравнения УС, устройство управления УУ и изменяемую (регулируемую) меру М с отсчётным устройством.

Рис. 1.7. Структурная схема автоматического прибора сравнения

Измеряемая величина Х и однородная с ним величина Х 0 попадают на входы устройства сравнения УС. Величина Х 0 получается от регулируемой меры М. В зависимости от результата сравнения Х и Х 0 устройство управления УУ воздействует на меру М таким образом, чтобы величина /Х-Х 0 / уменьшалась. Процесс управления заканчивается, когда Х=Х 0 . При этом значение измеряемой величины отсчитывается по шкале регулируемой меры. Если в устройстве сравнения происходит вычитание величин Х из Х 0 , то в данном приборе реализуется сравнение измеряемой величины с мерой нулевым методом.

Следует отметить, что сравнение измеряемой величины с мерой в приборах сравнения может осуществляться либо одновременно (нулевой метод), либо разновременно (метод замещения).

Таким образом, приведённая классификация видов и методов измерений позволяет не только систематизировать разнообразные измерения всевозможных физических величин и тем самым облегчить подход к решению конкретной измерительной задачи, но и с общих позиций подойти к рассмотрению структур и принципов действия различных измерительных приборов.

Понятие и термин “средство измерений” получили широкое распространение в метрологической практике с начала 70-х годов. К этому времени стала ясной необходимость, особенно для технических измерений, разработки единой метрологической методологии, охватывающей все области измерений и измеряемые величины. В связи с этим было признано удобным ввести некоторый термин, который охватывал бы любое техническое устройство, предназначенное для выработки, переработки, преобразования, отображения информации о размерах измеряемых величин.

По ГОСТ 16263 средство измерений – это техническое средство, используемое при измерениях и имеющее нормированные метрологические свойства. Это определение соответствует ИСО и МЭК, согласно которым средство измерений – это устройство, предназначенное для выполнения измерений “само по себе” или с применением другого оборудования.

Классификация видов средств измерений приведена на рис. 1.8.

Мера – средство измерений, предназначенное для воспроизведения физической величины заданного размера. Например, гиря – мера массы; измерительный резистор – мера электрического сопротивления; температурная лампа – мера яркости или цветовой температуры; кварцевый генератор – мера частоты электрических колебаний. Различают однозначные меры, многозначные меры и наборы мер.

Рис. 1.8. Классификация видов средств измерений

Однозначная мера – это мера, воспроизводящая физическую величину одного размера. Например, гиря, плоскопараллельная концевая мера длины, измерительный резистор, конденсатор постоянной ёмкости и т.п.

Многозначная мера – мера, воспроизводящая ряд одноимённых величин различного размера. Например, штриховая мера длины, конденсатор переменной ёмкости и т.п.

Набор мер – специально подобранный комплект мер, применяемых не только по отдельности, но и в различных сочетаниях с целью воспроизведения ряда одноимённых величин различного размера. Например, набор гирь, набор плоскопараллельных концевых мер длины, набор угловых мер, набор измерительных конденсаторов и т.п.

Измерительный прибор – средство измерений, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем. Как правило, измерительный прибор имеет устройства для преобразования измеряемой величины в сигнал измерительной информации и его индикации в форме, наиболее доступной для восприятия. Устройства для индикации часто содержат шкалу со стрелкой или другим указателем, диаграмму с пером или цифровой указатель, благодаря чему можно отсчитывать показания или регистрировать значения физической величины. В случае сопряжения прибора с ЭВМ отсчёт производят при помощи монитора.

Различают следующие типы измерительных приборов.

Аналоговый измерительный прибор – это прибор, показания которого являются непрерывной функцией изменений измеряемой величины. Эти приборы имеют ряд преимуществ: относительную простоту, низкую стоимость, высокую информативность аналогового сигнала. Вместе с тем к недостаткам аналоговых измерительных приборов следует отнести наличие у большинства из них инерционных подвижных частей, снижающих их быстродействие и помехоустойчивость.

Структурная схема аналогового измерительного прибора прямого действия представлена на рис. 1.9.

Рис. 1.9. 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.

Обобщённая структурная схема цифрового измерительного прибора приведена на рис. 1.10.

Она содержит входной аналоговый преобразователь АП, аналого-цифровой преобразователь АЦП, образцовую меру М, цифровое средство отображения информации ЦСОИ и устройство управления УУ. Аналоговый преобразователь преобразует измеряемую величину x(t) в функционально с ней связанную аналоговую величину y(t), более удобную для преобразования в цифровой код. В качестве АП используют усилители, делители, фильтры и т.п.

Аналого-цифровой преобразователь выполняет операции квантования по уровню и по времени аналоговой величины, сравнивая её с мерой, и кодирование результатов. При этом на выходе вырабатывается дискретный сигнал ДС, который преобразуется цифровым средством отображения информации ЦСОИ в цифровой отсчёт N или в виде кода вводится в ЭВМ.

Показывающий измерительный прибор – это измерительный прибор, допускающий только отсчитывание показаний. К ним можно отнести микрометр, цифровой вольтметр и т.п.

Регистрирующий измерительный прибор – это измерительный прибор, в котором предусмотрена регистрация показаний. В свою очередь, регистрирующие измерительные приборы делятся на самопишущие, в которых предусмотрена запись показаний в форме диаграмм (самопишущий вольтметр, барограф, термограф, профилограф и т.п..), и на печатающие, в которых предусмотрено печатание показаний в цифровой форме.

Рис. 1.10. Обобщённая структурная схема цифрового измерительного

Измерительный прибор прямого действия – измерительный прибор, в котором предусмотрено одно или несколько преобразований сигнала измерительной информации в одном направлении, т.е. без применения обратной связи. Например, амперметр, манометр, ртутный стеклянный термометр.

Измерительный прибор сравнения предназначен для непосредственного сравнения измеряемой величины с величиной, значение которой известно. Например, равноплечие весы, электроизмерительный потенциометр, компаратор для линейных мер и др.

Интегрирующий измерительный прибор – это прибор, в котором подводимая величина подвергается интегрированию по времени или по другой независимой переменной. Например, электрический счётчик, профилограф-профилометр и т.п.

Измерительный преобразователь – средство измерений, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и (или) хранения, но не поддающейся непосредственному восприятию наблюдателем.

Обычно измерительные преобразователи входят в состав измерительных приборов, установочных систем и др. в качестве важнейшего устройства, от которого зависят точностные характеристики.

По характеру преобразования выделяют аналоговые, аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи. По месту в измерительной цепи – первичные и промежуточные преобразователи . Кроме того, есть масштабные преобразователи . Например, измерительный трансформатор тока является масштабным преобразователем, термопара в термоэлектрическом термометре – аналоговым преобразователем, преобразователь цифрового вольтметра – аналого-цифровым измерительным преобразователем.

Вспомогательное средство измерений – это средство измерений величин, влияющих на метрологические свойства другого средства измерений при его применении или поверке. Например, термометр для измерения температуры газа в процессе измерений объёмного расхода этого газа.

Измерительная установка – это совокупность функционально объединенных средств измерений (мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей) и вспомогательных устройств, предназначенная для выработки сигналов измерительной информации в форме, удобной для непосредственного восприятия наблюдателем и расположенная в одном месте. Например, установка для измерений удельного сопротивления электротехнических материалов, установка для испытаний магнитных материалов и т.п..

Измерительную установку с включенными в неё образцовыми средствами измерений называют поверочной установкой , измерительную установку, входящую в состав эталона – эталонной, установку, предназначенную для испытаний каких-либо изделий, иногда называют испытательным стендом . Некоторые виды измерительных установок получили название измерительных машин. Например, координатно-измерительная машина для измерения параметров сложных изделий в двухмерном или трёхмерном пространствах.

Измерительная система – совокупность средств измерения (мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей) и вспомогательных устройств, соединённых между собой каналами связи, предназначенная для выработки сигналов измерительной информации в форме, удобной для автоматической обработки, передачи и (или) использования в автоматических системах управления. Например, измерительная система теплоэлектростанции позволяет получать измерительную информацию о ряде физических величин в разных энергоблоках. Или с помощью радионавигационной системы, состоящей из ряда функционально объединенных измерительных комплексов, разнесённых в пространстве на значительное расстояние, определяют местоположение судов.

В зависимости от назначения измерительные системы разделяют на измерительные информационные, измерительные контролирующие, измерительные управляющие и др.

Измерительную систему, снабжённую средствами автоматического получения и обработки измерительной информации, называют автоматической измерительной системой. В автоматизированных производствах измерительные контролирующие системы работают автоматически, и их обычно именуют системами автоматического контроля .

В зависимости от числа измерительных каналов различают одно-, двух-, трёхканальные и т.д. измерительные системы.

Измерительно-вычислительный комплекс – функционально объединённая совокупность средств измерений, ЭВМ и вспомогательных устройств, предназначенных для выполнения в составе конкретной измерительной задачи.

По назначению приборы делятся на универсальные , предназначенные для измерения одинаковых физических величин различных объектов, и специализированные , используемые для измерения параметров однотипных изделий (например, размеров резьбы или зубчатых колёс) или одного параметра различных изделий (например, шероховатости или твёрдости).

По принципу действия, который положен в основу измерительной системы, приборы подразделяют на механические, оптические, оптико-механические, пневматические, электрические, рентгеновские, лазерные и др.

Средство измерений представляет собой техническое средство, предназначенное для нахождения опытным путем с оцененной точностью значения заранее выбранной измеряемой физической величины.

Средство измерений имеет нормированные метрологические характеристики, воспроизводящее и (или) хранящее единицу физической величины, размер которой принимается неизменным в пределах установленной погрешности и в течение известного интервала времени.

В зависимости от степени стандартизации выделяют:

• 1) стандартизованные средства измерений, изготовленные в соответствии с требованиями национального стандарта;
• 2) нестандартизованные средства измерений – уникальные средства измерений, предназначенные для специальной измерительной задачи, в стандартизации требований к которому нет необходимости. Нестандартизованные средства измерений не подвергаются государственным испытаниям (поверкам), а подлежат метрологическим аттестациям.

По степени автоматизации средства измерений делят:

• 1) на автоматические средства измерений , производящие в автоматическом режиме все операции, связанные с обработкой результатов измерений, их регистрацией, передачей данных или выработкой управляющего сигнала;
• 2) автоматизированные средства измерений, производящие в автоматическом режиме одну или часть измерительных операций;
• 3) неавтоматические средства измерений, не имеющие устройств для автоматического выполнения измерений и обработки их результатов (рулетка, теодолит и т.д.).

По конструктивному исполнению средства измерения делятся на: меры; измерительные преобразователи; измерительные приборы; измерительные установки; измерительно- информационные системы (рис. 4.4).

Рис. 4.4.

Мера – средство измерений, предназначенное для воспроизведения и (или) хранения физической величины заданного размера. Мера выступает в качестве носителя единицы физической величины и служит основой для измерений. К мерам относятся гири, концевые меры длины, нормальные элементы (меры ЭДС); кварцевый резонатор (мера частоты электрических колебаний). Меры, воспроизводящие физическую величину одного размера, называют однозначными. Меры, которые воспроизводят физическую величину разных размеров, называют многозначными. Примером многозначной меры является миллиметровая линейка, которая воспроизводит не только миллиметровые, но и сантиметровые размеры длины.

Меры могут составлять наборы или магазины мер. Набор мер представляет собой комплект однородных мер разного размера, предназначенных для применения в различных сочетаниях. Например, набор разновесов.

Магазин мер – это набор мер, в котором меры конструктивно объединены в единое устройство. Соединение мер может осуществляться автоматически или вручную. Примером магазина мер может служить магазин электрических сопротивлений.

Измерительный преобразователь предназначен для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и (или) хранения, но не поддающейся непосредственному наблюдению человеком (оператором).

Измеряемая (преобразуемая) величина, поступающая на измерительный преобразователь, называется входной величиной, преобразованная величина – выходной. Соотношение между входной и выходной величинами, которое может быть представлено формулой, таблицей, графиком, называется функцией преобра:ювания и является для измерительного преобразователя основной метрологической характеристикой.

Самым распространенным средством измерений является первичный измерительный преобразователь. Например, первичный преобразователь неэлектрической величины в электрическую. Первичные измерительные преобразователи не изменяют рода физической величины, а служат лишь для изменения размера измеряемой величины (например, делители или усилители напряжения). Часто измерительные преобразователи встраиваются в измерительный прибор.

Часть первичного преобразователя, воспринимающая измерительный сигнал на его входе, называется чувствительным элементом, или сенсором.

Первичный измерительный преобразователь, конструктивно оформленный как обособленное средство измерений (без отсчетного устройства) с нормированной функцией преобразования, называется датчиком. Например: датчик давления, датчик температуры, датчик скорости и т.д.

Вторичными (промежуточными ) измерительными преобразователями называются преобразователи, расположенные в измерительной цепи после первичного преобразователя и обычно по измеряемой (преобразуемой) величине однородные с ним.

По характеру преобразования измерительные преобразователи разделяются на аналоговые, аналого-цифровые, цифрово-аналоговые, цифровые. Цифровые преобразователи служат для изменения формата цифрового сигнала.

Измерительный прибор – средство измерений, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия человеком (оператором).

Конструктивно измерительные приборы представляют собой совокупность первичных и промежуточных преобразователей.

Особое место занимают приборы прямого действия. Они преобразуют измеряемую величину, как правило, без изменения ее рода и отображают ее на показывающем устройстве, которое проградуировано в единицах этой величины. Например, амперметр, вольтметр и пр.

Более точными являются приборы сравнения, которые предназначены для сравнения измеряемых величин с величинами, значения которых известны. Сравнение осуществляется с помощью компенсационных цепей прибора. Например, измерение массы осуществляется через установку эталонных гирь на равноплечных весах.

Измерительные приборы подразделяются на аналоговые и цифровые. В соответствии с уравнением измерений (4.1) значение величины равно произведению ее числового значения на размер единицы измерения. Информация о числовом значении физической величины, называемая измерительной информацией, в процессе измерений передается с помощью тех или иных сигналов.

В аналоговых приборах устанавливается прямая связь между значением измеряемой величины и значением сигнала физической величины. Например, в ртутном термометре высота столбика ртути соответствует конкретному значению температуры. При этом, очевидно, используется не само числовое значение, а аналоговая величина.

В цифровых измерительных приборах сигналы измерительной информации подвергаются дискретизации и передаются для отображения в виде отдельных кратковременных импульсов, являющихся носителями измерительной информации.

По способу записи измеряемой величины регистрирующие измерительные приборы делятся на самопишущие и печатающие. В самопишущих приборах запись показаний представляется в графическом виде (например, осциллограф), в печатающих – в числовой форме.

Измерительная установка – совокупность функционально объединенных средств измерений, предназначенная для выработки сигналов измерительной информации в форме, удобной для непосредственного наблюдения человеком и расположенная в одном месте.

Измерительная установка может включать в себя меры, измерительные приборы и преобразователей, а также различные вспомогательные устройства.

Измерительно-информационная система – совокупность средств измерений, соединенных между собой каналами связи и предназначенная для выработки сигналов измерительной информации в форме, удобной для автоматической обработки, передачи и (или) использования в автоматических системах управления.

По метрологическому назначению средства измерений подразделяются на два вида: рабочие средства измерений и эталоны.

Рабочие средства измерений (далее РСИ) предназначены для измерений параметров и характеристик объектов контроля и измерений. РСИ являются самыми многочисленными и широко применяемыми. Так, к РСИ относят электросчетчик, применяемый для измерения электрической энергии; теодолит – для измерения плоских углов; нутромер – для измерения малых длин (диаметров отверстий); термометр – для измерения температуры; измерительная система теплоэлектростанции, позволяющая получить измерительную информацию о ряде физических величин в разных энергоблоках.

Эталоны предназначены для воспроизведения и хранения единицы величины (кратных или дольных значений единицы) с целью передачи ее размера другим средством измерения.

По общему назначению средства измерений могут использоваться для проведения поверочных мероприятий, калибровки или для осуществления технических измерений.

Средством измерений называют 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), средства измерений 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, средства измерений (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 средств измерений 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 и метрологическое назначение.

По конструктивному исполнению средства измерений подразделяют на меры, измерительные преобразователи; измерительные приборы, измерительные установки, измерительные системы (рис. 6.4).

Рис. 6.4.

Меры физической величины - 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. Существуют стандартные образцы состава и стандартные образцы свойств. Стандартный образец состава вещества (материала) - стандартный образец с установленными значениями величин, характеризующих содержание определенных компонентов в веществе (материале). Стандартный образец свойств веществ (материалов) - стандартный образец с установленными значениями величин, характеризующих физические, химические, биологические и другие свойства.

Новые стандартные образцы допускаются к использованию при условии прохождения ими метрологической аттестации. Указанная процедура - признание этой меры, узаконенной для применения на основании исследования стандартного образца. Метрологическая аттестация проводится органами метрологической службы. Примером стандартного образца состава является стандартный образец состава углеродистой стали определенной марки. Примером стандартного образца свойств выступает уже упомянутая ранее шкала твердости Мо- оса, 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 стандартных образцов состава и свойств - контроль методики выполнения измерений в порядке внутреннего контроля испытательных лабораторий и внешнего контроля. Например, если аналитическая лаборатория металлургического предприятия располагает аттестованным стандартным образцом углеродистой стали конкретной марки, то она на указанном стандартном образце может проверить надежность методики качественного и количественного химического анализа. В зависимости от уровня признания (утверждения) и сферы применения различают категории стандартных образцов - межгосударственные, государственные, отраслевые и стандартные образцы предприятия (организации).

В практике метрологическими службами используются стандартные образцы разной категории для выполнения различных задач. Так, создаваемые в Центральном институте агрохимического обслуживания сельского хозяйства государственные и отраслевые образцы состава почв аттестованы на содержание макро- и микроэлементов (марганца, кобальта, цинка, меди, молибдена, бора) и другие характеристики (величина PH и др.). Эти стандартные образцы были аттестованы в межлабораторном эксперименте и предназначаются для градуировки приборов, поверки средств измерений, для контроля правильности анализов почв по аттестованным в стандартных образцах показателям, для аттестации стандартных образцов предприятий методом сличения.

Измерительные преобразователи - 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, аналого-цифровые измерительные преобразователи. По месту в измерительной цепи выделяют первичные (на которые непосредственно воздействует измеряемая физическая величина) и промежуточные (занимающие место в измерительной цепи после первичного измерительного преобразователя).

Конструктивно обособленный первичный измерительный преобразователь, от которого поступают сигналы измерительной информации, является датчиком. Датчик может быть вынесен на значительное расстояние от средства измерений, 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 - средство измерения, 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 цифроу- казатель, 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 изделий, иногда называют испытательным стендом.

Измерительная система - совокупность функционально объединенных мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей, ЭВМ и других технических средств, размещенных в разных точках контролируемого пространства с целью 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, измерительно-вычислительными 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 средства измерений подразделяют на два вида: рабочие средства измерений 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 при эксплуатации таких технических устройств, как самолеты, автомобили, речные и морские суда и др.

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

Эталоны являются высокоточными средствами измерений, а потому используются для проведения метрологических измерений в качестве средств передачи информации о размере единицы. Размер единицы передается «сверху вниз», от более точных средств измерений к менее точным «по цепочке»: первичный эталон - вторичный эталон - рабочий эталон 0-го разряда - рабочий эталон 1-го разряда... - рабочее средство измерений.

Передача размера осуществляется в процессе поверки средства измерений. Целью поверки является установление пригодности средства измерений к применению. Соподчинение средств измерений, участвующих в передаче размера единицы от эталона к рабочему средству измерений, устанавливается в поверочных схемах средства измерений.

Госстандарт 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 уменьшить погрешность воспроизведения единицы длины до 1 ? КГ 11 .

Технический уровень первичных эталонов в России благодаря успехам науки можно оценить как вполне удовлетворительный, но состояние парка средств измерений, находящихся в практическом обращении, прежде всего рабочих эталонов и средств измерений, внушает тревогу. В 1980-х гг. срок обновления отечественной измерительной техники, как правило, составлял 5-6 лет (для сравнения в США и Японии - не более трех лет). Сейчас состояние отечественного приборостроения увеличило сроки обновления рабочих эталонов и рабочих средств измерений, что ведет к значительному старению измерительной техники.

Другой проблемой отечественных производителей средств измерений является высокая стоимость их разработок в сравнении с зарубежными фирмами. Для преодоления этого отставания необходимо 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 средств измерений обусловливает необходимость применения специальных мер по обеспечению единства измерений. Одним из важных условий соблюдения единства измерений является установление для средств измерений определенных (нормированных) метрологических характеристик.

Под средством измерений понимается техническое средство (или их комплекс), предназначенное для измерений, имеющее нормированные метрологические характеристики, воспроизводящие и(или) хранящие единицу физической величины, размер которой принимается неизменным (в пределах установленной погрешности) в течение известного интервала времени.

Классификация средств измерений

Средства измерений можно классифицировать по следующим основным признакам: тип, вид и метрологическое назначение.

Тип - это совокупность средств измерений, имеющих принципиальную одинаковую схему, конструкцию и изготавливаемых по одним и тем же техническим условиям.

Вид - это совокупность типов средств измерений, предназначенных для измерений какой-либо одной физической величины.

По метрологическому назначению средства измерений подразделяются на рабочие средства измерений, предназначенные для измерений физических величин; метрологические средства измерений, предназначенные для обеспечения единства измерений.

По конструктивному исполнению средства измерений подразделяются на: меры; измерительные приборы; измерительные установки; измерительные системы; измерительные комплексы.

По уровню автоматизации - на неавтоматизированные средства измерений; автоматизированные средства измерений; автоматические средства измерений.

По уровню стандартизации: стандартизованные средства измерений; нестандартизованные средства измерений.

По отношению к измеряемой физической величине: основные средства измерений; вспомогательные средства измерений.

Мера - средство измерений, предназначенное для воспроизведения заданного размера физической величины. Например, набор плоскопараллельных концевых мер длины.

Различают меры однозначные и многозначные.

Однозначная мера воспроизводит физическую величину одного размера (например, концевые меры длины, калибры и т. п.).

Многозначная мера - мера, воспроизводящая физическую величину разных размеров. Например, линейка.

Комплект мер разного размера одной и той же физической величины, необходимый для применения на практике, как в отдельности, так и в различных сочетаниях называется набором мер.

Измерительный прибор - средство измерений, предназначенное для получения значений измеряемой физической величины в установленном диапазоне. Измерительный прибор, как правило, содержит устройство для преобразования измеряемой величины в сигнал измерительной информации и его индикации в форме, наиболее доступной для восприятия. Например, в качестве устройства для индикации используются шкала и стрелка и т. п.

Различают следующие измерительные приборы: показывающий, аналоговый, цифровой, регистрирующий, самопишущий, печатающий, суммирующий, интегрирующий, сравнения.

Показывающий измерительный прибор допускает только отсчитывание показаний измеряемой величины (штангенциркуль, микрометр, вольтметр и т. п.). В аналоговом измерительном приборе показания или выходной сигнал являются непрерывной функцией измеряемой величины (ртутный термометр).

Цифровой измерительный прибор - измерительный прибор, показания которого представлены в цифровой форме (штангенциркуль с числовым отсчетом).

Регистрирующий измерительный прибор - измерительный прибор, в котором предусмотрена регистрация показаний. Регистрация может быть как в аналоговой, так и числовой форме. Делятся на самопишущие и печатающие измерительные приборы.

Самопишущий измерительный прибор - регистрирующий прибор, в котором предусмотрена запись показаний в форме диаграммы.

Печатающий прибор - прибор, в котором предусмотрено печатание показаний в цифровой форме.

Суммирующий измерительный прибор - измерительный прибор, показания которого функционально связаны с суммой двух или нескольких величин, подводимых к нему по различным каналам (например, ваттметр).

Интегрирующий измерительный прибор - измерительный прибор, в котором значение измеряемой величины определяется путем ее интегрирования по другой величине (счетчик электроэнергии).

Измерительный прибор сравнения - измерительный прибор, предназначенный для непосредственного сравнения измеряемой величины с величиной, значение которой известно (равноплечие весы, потенциометр и т. п.).

Измерительная установка - совокупность функционально объединенных мер, измерительных приборов и других устройств, предназначенных для измерений одной или нескольких физических величин и расположенная в одном месте.

Измерительной системой называется совокупность функционально объединенных мер, измерительных приборов, ЭВМ и других технических средств, размешенных в разных точках контролируемого пространства (объекта) с целью измерений одной или нескольких физических величин, свойственных этому пространству (объекту).

Все средства измерений делятся на универсальные средства и средства специального назначения.

Универсальным называется средство измерений, предназначенное для измерений длин, углов в определенном диапазоне размеров изделий с разнообразной конфигурацией. Например, один и тот же прибор с дополнительными приспособлениями (стойки, штативы и т. п.) может быть использован для измерения различных размеров. Эта особенность универсальных средств измерений способствует их широкому применению.

Специальным называется средство измерений, предназначенное для измерений специальных элементов у деталей определенной формы (например, калибры, приборы для измерения углов, параметров зубчатых колес и т. п.) или специальных параметров у деталей вне зависимости от ее геометрической формы (приборы для измерения шероховатости, отклонений формы и т. п.).

Средства измерений длин и углов в зависимости от физического принципа, положенного в основу построения измерительного преобразователя прибора, подразделяют на следующие группы: штриховые (имеют линейную или угловую шкалу и нониус - штангенинструменты, угломеры); микрометрические (основаны на использовании винтовой пары - микрометры); рычажно-механические (индикаторы часового типа, рычажные скобы и т. п.); рычажно-оптические (оптиметры); оптико-механические (проекторы, инструментальные микроскопы и т. п.); пневматические (основаны на применении сжатого воздуха); гидравлические; электрические и электронные; комбинированные (основаны на использовании различных принципов) и др.

Средства измерений специального назначения подразделяют на следующие группы: измерение формы и расположения поверхностей; измерения параметров шероховатости поверхности; измерения параметров резьбы; измерения параметров углов и конусов; измерений параметров зубчатых колес.

Классификация средств измерений

Средство измерения – техническое средство, предназначенное для измерений (определение по Федеральному закону от 26.06.2008 №102-ФЗ "Об обеспечении единства измерений"), а также имеющее нормированные метрологические характеристики, воспроизводящее и (или) хранящее единицу физической величины, размер которой принимают неизменным (в пределах установленной погрешности) в течение известного интервала времени (определение по РМГ 29-99 "Рекомендации по межгосударственной стандартизации. Метрология. Основные термины и определения").

Средства измерения принято классифицировать по виду, принципу действия и метрологическому назначению (см. параграф 3.5).

По техническому назначению выделяют следующие средства измерения:

• мера физической величины – средство измерения, предназначенное для воспроизведения и (или) хранения физической величины одного или нескольких заданных размеров, значения которых выражены в установленных единицах и известны с необходимой точностью;
• измерительный прибор – средство измерения, предназначенное для получения значений измеряемой физической величины в установленном диапазоне;
• 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;
• измерительная установка (измерительная машина ) – совокупность функционально объединенных мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей и других устройств, предназначенная для измерений одной или нескольких физических величин и расположенная в одном месте;
• измерительная система – совокупность функционально объединенных мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей, ЭВМ и других технических средств, размещенных в разных точках контролируемого объекта и т.п. с целью измерений одной или нескольких физических величин, свойственных этому объекту, и выработки измерительных сигналов в разных целях;
• измерительно-вычислительный комплекс – функционально объединенная совокупность средств измерений, ЭВМ и вспомогательных устройств, предназначенная для выполнения в составе измерительной системы конкретной измерительной задачи.

По степени автоматизации средства измерения делят на автоматические, автоматизированные и ручные. По стандартизации средств измерений – на стандартизированные и нестандартизированные. По положению в поверочной схеме – на эталоны и рабочие средства измерения. По значимости измеряемой физической величины:

• на основные средства измерения той физической величины, значение которой необходимо получить в соответствии с измерительной задачей;
• вспомогательные средства измерения той физической величины, влияние которой на основное средство измерений или объект измерений необходимо учитывать для получения результатов измерений требуемой точности.

Метрологические характеристики измерительных средств

Все средства измерений, независимо от их конкретного исполнения, обладают рядом общих свойств, необходимых для выполнения их функционального назначения. Технические характеристики, описывающие эти свойства и оказывающие влияние на результаты и на погрешности измерений, называются метрологическими характеристиками.

Комплекс нормируемых метрологических характеристик устанавливается таким образом, чтобы с их помощью можно было оценить погрешность измерений, осуществляемых в известных рабочих условиях эксплуатации посредством отдельных средств измерений или совокупности средств измерений, например автоматических измерительных систем.

Одной из основных метрологических характеристик измерительных преобразователей является статическая характеристика преобразования, называемая функцией преобразования, или градуировочной характеристикой. Она устанавливает зависимость

y=f(x)

где у – информативный параметр выходного сигнала измерительного преобразователя; х – информативный параметр входного сигнала.

Статическая характеристика нормируется путем задания в форме уравнения, графика или таблицы. Понятие статической характеристики применимо к измерительным приборам, если под независимой переменной х понимать значение измеряемой величины или информативного параметра входного сигнала, а под зависимой величиной у – показание прибора.

Если статическая характеристика преобразования линейна, т.е.

у = Кх,

то коэффициент (К) называется чувствительностью измерительного прибора (преобразователя). В противном случае под чувствительностью следует понимать производную от статической характеристики.

Важной характеристикой шкальных измерительных приборов является цена деления, т.е. то изменение измеряемой величины, которому соответствует перемещение указателя на одно деление шкалы. Если чувствительность постоянна в каждой точке диапазона измерения, то шкала называется равномерной. При неравномерной шкале нормируется наименьшая цена деления шкалы измерительных приборов.

У цифровых приборов шкалы в явном виде нет, и на них вместо цены деления указывается цена единицы младшего разряда числа в показании прибора.

Важнейшей метрологической характеристикой средств измерений является погрешность (см. параграф 3.3).