teploteh (Конспект лекций по дисциплине Метрология и стандартизация. Часть 1. Метрология), страница 2

Первичный или специальный эталон, официально утвержденный в качестве исходного для страны, называется государственным.

Примеры: государственный первичный эталон единицы ЭДС (ГОСТ 8.027-75); специальный эталон единицы напряжения - тока в диапазонах частот 100...1500 Мгц (ГОСТ 8072-73 и 8075-73).

Государственные эталоны утверждаются Госкомитетом по стандартам.

В Харьковском центре метрологии хранится государственный эталон времени и частоты.

В метрологической практике широко используют вторичные эталоны, значения которых устанавливается по первичным эталонам. Вторичные эталоны являются частью подчиненных средств хранения единиц и передачи их размера. Они создаются и утверждаются в тех случаях, когда это необходимо для обеспечения наименьшего износа государственного эталона.

Вторичные эталоны по своему назначению делятся на эталоны-копии, эталоны сравнения, эталоны-свидетели и рабочие эталоны.

Эталон-копия предназначен для передачи размеров единиц рабочим эталонам. Он не всегда является физической копией государственного эталона.

Эталон-свидетель предназначен для проверки сохранности государственного эталона и для замены его в случае порчи или утраты.

Эталон сравнения применяют для сличения эталонов, которые по тем или иным причинам не могут быть непосредственно сличаемы друг с другом (пример : т.н. нормальный элемент, используемый для сличения государственного эталона Вольта с эталоном Вольта Международного бюро мер и весов).

Рабочий эталон применяют для передачи размера единицы образцовым средствам измерений высшей точности, а в отдельных случаях – наиболее точным средствам измерений.

Образцовое средство измерения – мера, измерительный прибор или измерительный преобразователь, служащий для поверки по ним других средств измерений и утвержденные в качестве образцовых.

Поверка средств измерений – определение метрологическим органом погрешности средств измерений и установления его пригодности к применению.

Образцовые средства измерений могут иметь разные разряды. Между ними существует соподчиненность : образцовые средства измерений первого разряда поверяют, как правило, непосредственно по рабочим эталонам, образцовые средства измерений второго и последующих разрядов подлежат поверке по образцовым средствам измерений непосредственно предшествующих разрядов. Для разных видов измерений устанавливаются, исходя из требований практики, различное число разрядов образцовых средств измерений.

Рабочее средство измерений – применяют для измерений, не связанных с передачей размеров единиц.

2. Средства измерений и их характеристики.

2.1 Классификация средств измерений.

Средство измерений – техническое средство, используемое при измерений и имеющее нормированные метрологические характеристики.

Метрологическими называются характеристики, оказывающие влияние на результат и погрешность измерения. Они входят в состав технических характеристик, определяющих другие свойства средств измерений (диапазоны частот, габаритные размеры, вид элементов питания).

Под нормированием метрологических характеристик понимается количественное задание определенных номинальных значений и допустимых отклонений от этих значений. Нормирование метрологических характеристик позволяет оценить погрешность измерения, достичь взаимозаменяемости средств измерений, обеспечить возможность сравнения средств измерений между собой и оценку погрешностей измерительных систем и установок на основе метрологических характеристик входящих в их состав средств измерений. Именно нормирование метрологических характеристик отличает средство измерений от других подобных технических средств (например, измерительный трансформатор от силового трансформатора …)

Уже указывалось, что в соответствии с ГОСТ все средства измерений делятся на шесть видов : меры, измерительные преобразователи, измерительные приборы, вспомогательные средства измерений, измерительные установки и измерительные системы. Наиболее многочисленной группой средств измерений являются измерительные приборы и преобразователи, которые обобщенно называются измерительными устройствами (ИУ). В силу большого разнообразия их классифицируют по различным признакам :

• По используемым физическим процессам ИУ разделяют на механические, электромеханические, электронные, оптоэлектронные и т.п.

• По физической природе измеряемой величины различают вольтметры, амперметры, термометры, манометры, уровнемеры, влагомеры и т.д.

• По виду измеряемой величины или сигнала измерительной информации, а также по способу обработки сигнала приборы делятся на аналоговые и цифровые. В аналоговых приборах показания являются непрерывной функцией измеряемой величины, т.е. могут также, как и измеряемая величина, принимать бесконечное множество значений. При этом во время показания могут быть как непрерывной, так и дискретной (прерывистой) функцией измеряемой величины, т.е. различают приборы непрерывного и дискретного действия.

В цифровом приборе непрерывная по размеру и во времени величина преобразуется в дискретную, квантуется, кодируется и цифровой код отображается на цифровом отсчетном устройстве. В результате показания цифрового прибора являются дискретными во времени и квантованными по размеру, т.е. могут принимать лишь конечное число значений.

Внешним признаком аналоговых или цифровых приборов является наличие аналогового или цифрового показывающего или регистрирующего устройства. Соответственно приборы принято также разделять на показывающие, допускающие только отсчитывание показаний, и регистрирующие, в которых предусмотрена автоматическая регистрация показаний. Среди последних, в свою очередь, различают самопишущие и печатающие. В самопишущих приборах (являющихся аналоговыми) показания измеряемых значений величины записываются в виде графика осциллограммы, показывающей изменение значения величины во времени. В печатающих приборах (являющихся цифровыми) результаты измерений печатаются в цифровой форме.

Аналоговые показывающие устройства электронных приборов обычно представляют из себя электромеханический преобразователь и аналоговое отсчетное устройство. Последнее состоит из шкалы, проградуированной с помощью меры и играющей роль меры при измерении, и указателя, совершающего линейное или угловое перемещение. В качестве указателя используются либо стрелка, либо луч света.

Роль показывающего устройства может выполнять и электронно-лучевая трубка (ЭЛТ), обладающая весьма малой инерционностью, что позволяет наблюдать высокочастотные процессы (до сотен мегагерц, до наносекунд импульсы).

В качестве аналогово-регистрационных устройств в диапазоне частот до 10 Гц используются самописцы, содержащие электромеханический преобразователь, обеспечивающий перемещение записывающего узла со специальным пером. Запись осуществляется специальными чернилами (пастами) на бумаге, движущейся перпендикулярно направлению перемещения пера. В некоторых случаях используются термо-, электро-, и химочувствительные бумаги. В диапазоне до 20 КГц применяют светолучевые осциллографы, в которых запись осуществляется с помощью специальных гальванометров лучом света на фотобумаге или фотопленке, а также ультрафиолетовым лучом на специальной бумаге, самопроявляющейся на свету. Хорошая точность, чувствительность, многоканальность (до 10 и более), малые габаритные размеры являются причиной широкого применения этих приборов. Для регистрации более высокочастотных процессов используют электронно-лучевые осциллографы с фотографированием процесса с экрана ЭЛТ.

Для регистрации однократных процессов применяют также специальные запоминающие ЭЛТ, позволяющие хранить изображение десятки часов.
Цифровое отсчетное устройство обычно состоит из цифровых знаковых индикаторов, обеспечивающих воспроизведение десятичных цифр, и алфавитных индикаторов, позволяющих указать единицу измеряемой величины. В цифровых регистрирующих приборах, как правило, осуществляется печатание показаний с помощью алфавитно-цифровых печатающих устройств со скоростью до 10³ знаков в секунду. Для долговременного хранения информации используются также различные виды запоминающих устройств.

Цифровое отсчетное или регистрирующее устройство никак не ограничивает точность цифрового прибора, так как цифровой код без какой-либо погрешности может быть изображен на цифровом отсчетном устройстве.

Точность аналоговых приборов ограничивается погрешностями измерительных преобразователей, создающих перемещение указателя, погрешностями шкалы и личными (субъективными) погрешностями, вносимыми оператором (из-за конечной толщины указателя, длины деления шкалы и разрешающей способности глаза, из-за параллакса, из-за погрешности интерполирования при положении указателя между отметками делений шкалы). В результате погрешность аналоговых приборов составляет обычно 0,5 %. В то же время погрешность цифровых приборов удается уменьшить до 10^-6 %, а при измерении частотно-временных параметров и менее.

Однако не всегда цифровое отсчетное или регистрирующее устройство лучше аналогового. При большом числе одновременно измеряемых величин (контроль сложного объекта) показания аналоговых приборов воспринимаются легче, так как независимо от цифр на шкале пространственное положение указателя и характер его перемещения или осциллограмма регистрируемого процесса позволяет более оперативно проводить анализ контролируемого процесса.

Подтверждением большей информативности аналогово-отсчетных устройств является разработка для некоторых цифровых приборов шкалы в виде расположенных в линию светодиодов, управляемых цифровой схемой. Эта шкала воспринимается оператором как аналоговая, хотя прибор является целиком цифровым.

Наряду с точностью важной характеристикой является быстродействие измерительного устройства, характеризуемое числом измерений (преобразований) в единицу времени либо временем одного измерения. При измерении изменяющихся во времени величин повышение быстродействия играет важную роль. В общем случае повышение быстродействия измерительного прибора ограничивается быстродействием используемой элементной базы.

Для показывающих приборов обычно не требуется высокого быстродействия в силу ограниченности возможностей оператора при приеме информации.

Для регистрационных приборов, а также измерительных преобразователей требование быстродействия является существенным особенно когда обработка информации осуществляется с помощью ЭВМ. В этом случае цифровые измерительные устройства обеспечивают большее быстродействие, так как цифровой код может непосредственно, без участия оператора вводится в цифровые ЭВМ, исключения составляют электронные осциллографы позволяющие наблюдать и проводить анализ формы столь быстр протекающих процессов, преобразование которых в цифровой код сопряжен с большей погрешностью, либо вообще невозможно из-за ограниченного быстродействия цифровых средств измерений (параллельная обработка), но они приводят к усложнению прибора. К недостаткам цифровых приборов относят их сравнительно высокую стоимость.

• П
  о структурному принципу различают измерительные устройства прямого действия (преобразования); в котором реализуется метод непосредственной оценки, измерительные устройства, работа которая основана на методе сравнения. В измерительных приборах прямого действия (см. рис. 1) преобразование сигнала происходит в одном направлении последовательно. Здесь П₁ и П₂ – преобразователи с коэффициентами передачи К₁ и К₂. Если выходной сигнал У получается в форме, доступной для непосредственного восприятия, рассматриваемая структурная схема характеризует прибор, если для дальнейшей обработки и хранения, - преобразователь. На рис. 2 представлена структурная схема преобразователя, построенного на методе сравнения. Операция сравнения осуществляется с помощью сравнивающего устройства (СУ), в котором обычно одна величина вычитается из другой. Используя выходной сигнал СУ, с помощью преобразователя П можно управлять мерой и реализовать нулевой метод сравнения. В связи с тем, что в измерительных устройствах, основанных на методе сравнения, измеряемая величина уравновешивается (компенсируется) величиной, воспроизводимой мерой, их также называют измерительными устройствами с уравновешивающим (компенсационным) преобразователем. Измерительные устройства в общем случае имеют более высокую точность за счет использования меры. Отмечают также различие требований к отдельным преобразователям измерительных устройств с точки зрения обеспечения измерительных устройств. Так в ИУ непосредственной оценки общий коэффициент передачи К=К₁К₂ и его точность определяется соответствующей точностью всех преобразователей. В ИУ сравнения имеется отрицательная обратная связь и К=k/(1+k), где k, – коэффициенты передачи прямой и обратной цепей. При k>>1 получают К=1/и точность ИУ тогда определяется главным образом точностью преобразователей в цепи обратной связи (т.е. меры), в то время как коэффициент передачи k может быть нестабильным, лишь бы было большим k – петлевое усиление. Приборы сравнения могут быть выполнены с развертывающим или следящим уравновешиванием.

• По структурным признакам ИУ также можно классифицировать по числу каналов и по временной последовательности преобразований входных сигналов. В зависимости от числа входных сигналов, несущих информацию об измеряемой величине, ИУ бывают с одним (например – вольтметр), двумя (фазометр) и более входами, т.е. соответственно одно-, двух- (рис. 3. слева) и многоканальными (рис. 3. справа). В зависимости от временной последовательности преобразований входных сигналов (если их более чем 2) различают ИУ с одновременным (параллельным) и последовательным преобразованием. При последовательном преобразовании сигналы обрабатываются поочередно, причем за цикл измерения каждый сигнал через входное переключающее устройство (коммутатор) подается на вход преобразователя один раз. Разновидностью последовательного преобразователя является периодическое устройство, когда за время одного цикла измерения сигналы переключаются многократно. Последовательное преобразование позволяет уменьшить аппаратурные затраты за счет перехода от многоканальной структуры к одноканальной с входным коммутатором. Кроме того, одноканальная структура ИУ позволяет уменьшить ряд погрешностей, обычно вызываемых неидентичностью характеристик разных каналов.

• По точности ИУ делят на образцовые, используемые для поверки других ИУ и утвержденные в качестве образцовых, и рабочие, используемые непосредственно в практических измерениях, не связанных с передачей размера единиц.

• По частотному диапазону ИУ делят на низкочастотные (НЧ), высокочастотные (ВЧ) и сверхвысокочастотные (СВЧ), по ширине полосы частот – на широкополосные и избирательные (селективные).

• По месту использования ИУ делят на лабораторные и производственные, которые резко отличаются по условиям эксплуатации, по техническим и метрологическим характеристикам.

Дополним классификацию измерительных преобразователей. Их многообразие определяется различием требуемых видов преобразователей.

• Преобразователи физического рода сигнала используются тогда, когда измеряемая величина неудобна для непосредственного измерения. Так многие неэлектрические величины предварительно преобразовываются в электрические (механическое перемещение или угловое вращение в электрическую величину) или одни электрические величины в другие (сопротивление в напряжение). Название таких преобразователей определяется либо принципом действия, либо родом входного и выходного сигналов (например, термоэлектрический преобразователь, преобразователь напряжение-частота)

• Функциональные преобразователи обеспечивают необходимую зависимость между информативными параметрами входного и выходного сигналов. Такие преобразователи называют : дифференцирующий, интегрирующий, суммирующий, логарифмирующий и т.п.

• Согласование по уровню (размеру) входного сигнала осуществляется с помощью масштабных преобразователей. К ним относятся : делитель, усилитель, трансформатор тока (напряжения).

• Согласование по сопротивлению обеспечивается с помощью согласующих преобразователей (согласующий трансформатор, эмиттерный повторитель).

• По месту включения в общей цепи преобразователи делят на первичные, к которым подводится измеряемая величина, промежуточные и передающие, предназначенные для дистанционной передачи сигналов.

• По виду характеристики преобразования преобразователи делят на линейные и нелинейные.

2.2 Метрологические характеристики средств измерений и их нормирование.

Для каждого вида средств измерений (СИ), исходя из их специфики и назначения, нормируется определенный комплекс метрологических характеристик, указываемый в нормативно-технической документации на СИ. В этот комплекс должны включатся такие характеристики, которые позволяют определить погрешность данного СИ в известных рабочих условиях его применения. Общий перечень основных нормируемых метрологических характеристик СИ, формы их представления и способы нормирования установлены в ГОСТ 8.009-72. В него входят :

• пределы измерений, пределы шкалы;

• цена деления равномерной шкалы аналогового прибора или многозначной меры, при неравномерной шкале – минимальная цена деления;

• выходной код, число разрядов кода, номинальная цена единицы наименьшего разряда цифровых СИ;

• номинальное значение однозначной меры, номинальная статическая характеристика преобразования измерительного преобразователя;

• погрешность СИ;

• вариация показаний прибора или выходного сигнала преобразователя ;

• полное входное сопротивление измерительного устройства;

• полное выходное сопротивление измерительного преобразователя или меры;

• неинформативные параметры выходного сигнала измерительного преобразователя или меры;

• динамические характеристики СИ;

• функции влияния;

• наибольшие допустимые изменения метрологических характеристик СИ в рабочих условиях применения.

Нормирование метрологических характеристик необходимо для решения следующих задач :

• придания всей совокупности однотипных СИ требуемых одинаковых свойств и уменьшения их номенклатуры;

• обеспечение возможности оценки инструментальных погрешностей и сравнения СИ по точности;

• обеспечение возможности оценки погрешности измерительных систем по погрешностям отдельных СИ. Погрешности, присущие конкретным экземплярам СИ, устанавливаются только для образцовых СИ при их аттестации.

Рассмотрим указанные характеристики, а также ряд важных понятий, связанных с ними.