Средства измерений

Средствами измерений называют применяемые при измерениях технические средства, имеющие нормированные метрологические свойства. В этом определении основную смысловую нагрузку, вскрывающую метрологическую суть средств измерений (СИ), несут слова «нормированные метрологические свойства». Наличие нормированных метрологических свойств означает, вопервых, что средство измерений способно хранить или воспроизводить единицу (или шкалу) измеряемой величины, и, во-вторых, размер этой единицы остается неизменным в течение определенного времени.
Если бы размер единицы был нестабильным, нельзя было бы гарантировать требуемую точность результата измерений.

Отсюда следуют три вывода:
• измерять можно лишь тогда, когда техническое средство, предназначенное для этой цели, способно хранить единицу, достаточно стабильную (неизменную во времени) по размеру;
• техническое средство непосредственно после изготовления еще не является средством измерения; оно становится таковым только после передачи ему единицы от другого, более точного средства измерений (эта операция называется калибровкой);
• необходимо периодически контролировать размер единицы, хранимый средством измерения, и при необходимости восстанавливать его прежнее значение путем проведения новой калибровки.

По назначению различают рабочие средства измерений, применяемые для проведения технических измерений, и метрологические, предназначенные для проведения метрологических измерений. Метрологические средства измерений называются эталонами.

------------------------------------

Измерительный преобразователь (ИП) — СИ, предназначенное для преобразования измеряемой величины в другую величину или сигнал измерительной информации, удобный для обработки, хранения, дальнейших преобразований, индикации или передачи.

По расположению в измерительной цепи различают первичные и промежуточные измерительные преобразователи.

Первичный измерительный преобразователь, называемый также датчиком, — это тот измерительный преобразователь, на который непосредственно действует измеряемая величина.

Остальные измерительные преобразователи называют промежуточными. Они расположены после первичного измерительного преобразователя и могут выполнять различные операции преобразования измерительного сигнала.

Как правило, к ним относятся:

•  изменение физического рода величины;

•  масштабное (линейное или нелинейное) преобразование;

•  масштабно-временное преобразование;

•  аналого-цифровое преобразование;

•  цифро-аналоговое преобразование;

•  функциональное   преобразование   (любые   математические операции над значениями величины).

Следует иметь в виду, что указанная классификация достаточно условна. Во-первых, в одном СИ может быть несколько первичных измерительных преобразователей (например, термопара в цепи термоэлектрического термометра). Во-вторых, специфика аналитических измерений также приводит к нарушению указанного принципа классификации.

Аналитические измерения представляют собой преобразование измеряемой величины, являющейся информативным параметром анализируемой среды (информативный параметр —параметр, несущий информацию о измеряемой величине), и сравнением ее с мерой. Обычно они проводятся с помощью совокупности измерительных преобразователей, включающей следующие виды измерительных преобразователей:

• ИП1: измерительный преобразователь типа состав - состав, обеспечивающие масштабные преобразования анализируемой пробы. Проба характеризуется информативным параметромС(содержанием измеряемого компонента) и комбинацией неинформативных параметров Сн, к которым относятся содержание неопределяемых (мешающих) компонент и термодинамические параметры анализируемой среды. При прохождении через ИП1происходят процессы очистки, сушки, изменения температуры и давления смеси до требуемых величин и, после этих преобразований анализируемой среды, отбор ее требуемого количества. ИП1 обычно называют блоком отбора и подготовки пробы;

•  ИП2: измерительный преобразователь типа состав - свойство, обеспечивающие преобразование измеряемой величины С в то или иное физико-химическое свойство, удобное для последующего измерения и регистрации. Во многих случаях это преобразование идет в два этапа: получение промежуточного продукта в жидкой либо твердой фазе с содержанием компонента Ynpом(C), а затем его преобразование в свойство Ф(Ynpом)

•  ИП3: измерительный преобразователь типа свойство - выходной сигнал, обеспечивающие преобразование измеряемой величины в выходной измерительный сигнал W.Обычно это преобразование также осуще­ствляется в два этапа: в промежуточный сигнал Wnpом(Ф) и затем в выходной сигнал W(Wnpом). При этом преобразование Wnpом в W— это преобразование одной электрической величины в другую.

Получив с помощью совокупности измерительных преобразователей выходные сигналы от анализируемого объекта, по калибровочной зависимости произво­дят сравнение измеряемой величины с мерой и вырабатывают оценочные значения С*  измеряемой величины С.

Эта совокупность измерительных преобразователей не укладывается в приведенную классификацию, т. к. измеряемая величина непосредственно воздействует не только на первый измерительный преобразователь измерительной цепи, но и на их совокупность, включающую ИП1, ИП2 и первый преобразователь группы ИП3. При этом только второй преобразователь группы ИП3 является промежуточным. Отсюда следует, что в аналитических приборах роль первичного измерительного преобразователя выполняет совокупность измерительных преобразователей, осуществляющая последовательное, в несколько этапов, преобразование измеряемой величины в измерительный сигнал.

------------------------------

оспроизведение величины   QM = N[Q]   заданного размера осуществляется посредством меры величины  Q.

Мерой физической величины называют СИ, предназначенное для воспроизведения и (или) хранения физической величины одного или нескольких заданных размеров, значения которых известны с необходимой точностью. Примерами мер являются штриховая мера длины, нормальный элемент (мера ЭДС с номинальным значением 1 В), кварцевый генератор (мера частоты электрических колебаний), источник микропотоков газов и паров (ампула с веществом, выделяющимся в газообразном виде, являющаяся мерой скорости преобразования в газ целевого вещества). Меры подразделяют на однозначные (мера, хранящая один размер величины, например, плоскопараллельная концевая мера длины или конденсатор постоянной емкости) и многозначные (мера, хранящая несколько размеров величины, например, штриховая мера длины и конденсатор переменной емкости). В измерительной практике широко применяют не только отдельные меры, но и наборы мер (комплект мер разного размера одной и той эюе величины, например, набор плоскопараллельных концевых мер длины), а также магазины мер (набор мер, конструктивно объединенных в одно устройство, в котором имеются приспособления для их соединения в различных комбинациях, например, магазин электрических сопротивлений).

Воспроизводя или храня размер величины, которому присвоено определенное значение, мера тем самым хранит единицу этой величины. Иначе говоря, мера выступает в качестве носителя единицы величины и поэтому служит основой измерения.

Особый класс мер представляют собой стандартные образцы. Стандартный образец— мера одной или нескольких величин, характеризующих состав или свойства вещества (материала), в виде образца этого вещества (материала). Примерами стандартных образцов свойств являются стандартные образцы бензойной кислоты — меры теплоты сгорания, стандартные образцы специальной стали — меры свойств ферромагнитных материалов, стандартные образцы из кварца — меры относительной диэлектрической проницаемости. Примерами стандартных образцов состава являются различные вещества, например, металлы и сплавы с точно определенными значениями определяющего компонента и имеющихся примесей. Основной областью применения стандартных образцов является калибровка СИ при проведении аналитических измерений. Кроме того, из однородных стандартных образцов, так же как и из обычных эталонных мер, создают иерархические (по мере убывания точности) цепочки передачи размеров единиц. В этих цепочках стандартные образцы используются для передачи размеров единиц менее точным СИ, в том числе и другим стандартным образцам.

Особое место в системе мер занимают специфические стандартные образцы, очень широко применяемые в газоаналитических измерениях, которые называют поверочными газовыми смесями (ПГС). Поверочная газовая смесь — это баллон с чистым газом или газовой смесью, аттестованный метрологической службой в качестве однозначной меры содержания компонентов в газовой смеси. ПГС имеют некоторые отличия от стандартных образцов в виде твердых объектов. Главное из них заключается в ТОМ, что в процессе измерений они расходуются. Это обстоятельно часто приводит к существенному увеличению стоимости многократных измерений.

Как правило, стандартные образцы выпускаются и рассылаются измерительным лабораториям по их заказам специализированными фирмами или метрологическими лабораториями. Но бывают и исключения. Так, некоторые стандартные образцы измеритель может приготовить и сам, если будет строго соблюдать условия приготовления, указанные в спецификации на них. Например, стандартный образец содержания железа в воде можно приготовить, растворив стандартный образец порошкового железа в определенном количестве дистиллированной воды. Такие стандартные Образцы часто называют калибровочными смесями.

В заключение рассмотрения мер и особенностей их использования упомянем возможность использования в качестве мер некоторых природных явлений. Например, при точных измерениях углов широко применяется опора на естественный эталон — полный угол (плоский или телесный). При метрологическом обеспечении фотометров использовался свет определенной звезды на небосводе. Было тщательно измерено относительное спектральное распределение энергии в спектре этой звезды, наблюдаемое в различных точках СССР. После того как установили факт постоянства энергетических характеристик излучения звезды, соответствующая методика была узаконена для поверки ультрафиолетовых фотометров.

Последний пример показывает, каким способом можно проводить калибровку приборов с помощью таблиц стандартных справочных данных.

К ним относятся:

•  в механических измерениях — механические характеристики различных веществ (например, плотность чистых веществ при заданных температуре, влажности и давлении);

•  в температурных измерениях — константы, характеризующие фазовые переходы (плавление—отвердевание или кипение—конденсация), ЭДС различных термопар и др.;

•  в электрических измерениях — характеристики различных стабильных электрических явлений (например, ЭДС различных гальванических пар);

•  в оптических измерениях — различные атомные константы, т. к. вся физическая оптика опирается на излучательные и поглощательные свойства атомов и молекул.

Особенно широко применяются стандартные справочные данные в аналитических измерениях. Это данные о всевозможных свойствах чистых веществ, различные зависимости свойств сплавов и газовых смесей от состава, коэффициенты поглощения и показатели преломления прозрачных веществ, гигрометрические и психрометрические таблицы и т. д.

Категория стандартных справочных данных является в метрологии одной из самых важных. Научные исследования в этой области проводятся во всех крупных метрологических институтах мира и многих физических лабораториях различных стран. Ведущие позиции занимает метрологический центр США — Национальный институт стандартов и технологий (NIST), одним из главных направлений деятельности которого является разработка и утверждение стандартных справочных данных. В России координацией исследований в этой области занимается НИИ стандартных справочных данных (НИИССД) Ростехрегулирования РФ. Координацию исследований в мире осуществляет международный Комитет по сбору и оценке численных данных для науки и техники (КОДАТА).

-----------------------------------------------

Средство измерений, реализующие измерительное преобразование, сравнение с мерой, воспроизведение величины заданного размера в комплексе, называется измерительным прибором.

Измерительный прибор — СИ, предназначенное для получения значений измеряемой величины в установленном диапазоне. Как правило, измерительный прибор имеет устройства для преобразования измеряемой величины в сигнал измерительной информации и устройство для его индикации в форме, наиболее доступной для восприятия. Во многих случаях устройство для индикации имеет шкалу со стрелкой, диаграмму, цифровое табло или дисплей, благодаря которым может быть произведен отсчет или регистрация результата измерений. В компьютеризированных СИ регистрация результата измерений может проводиться автоматически на носитель того или иного вида. Различают следующие виды измерительных приборов:аналоговые (выходной сигнал является непрерывной функцией измеряемой величины) и цифровые (выходной сигнал представлен в цифровом виде), показывающие (допускают толькоотсчитывание показаний) и регистрирующие (предусмотрена регистрация результатов измерений), суммирующие (показания функционально связаны с суммой двух или нескольких величин)и интегрирующие (значение измеряемой величины определяется путем ее интегрирования по другой величине). Например, микрометр и цифровой вольтметр относятся к показывающим измерительным приборам, барограф — к регистрирующим.

Различают также измерительные приборы прямого действия и сравнения. В измерительном приборе прямого действия результат измерений снимается непосредственно с его устройства индикации. Примерами таких приборов являются амперметр, манометр. ртутно-стеклянный термометр. Измерительные приборы прямого действия предназначены для измерений методом непосредственной оценки.

В отличие от них, измерения методом сравнения с мерой проводится с помощью измерительных приборов сравнения, называемых также компараторами. Измерительный прибор сравнения— измерительный прибор, предназначенный для непосредственного сравнения измеряемой величины с величиной, значение которой известно. Примерами компараторов являются: двухчашечные весы, интерференционный компаратор мер длины, мост электрического сопротивления, электроизмерительный потенциометр, фотометрическая скамья с фотометром. Компараторы для выполнения своих функций могут не хранить единицу. Такие компараторы, строго говоря, нельзя считать средствами измерений. Тем не менее, они должны обладать рядом важных метрологических свойств, прежде всего, обеспечивать небольшую случайную погрешность и высокую чувствительность измерений.

Любой измерительный прибор прямого действия можно использовать в качестве компаратора, если последовательно регистрировать его показания при измерениях величины, воспроизводимой мерой, и неизвестной величины. Именно так и делается в аналитических измерениях: аттестация стандартных образцов, как правило, проводится методом сличения при помощи компаратора, в роли которого может выступить любой аналитический прибор, способный с приемлемой точностью измерить величину, воспроизводимую этими образцами. Как правило, такое применение измерительного прибора может обеспечить гораздо более высокую точность измерений, чем при его использовании для измерений методом непосредственной оценки. Это легко понять, если учесть, что при использовании измерительного прибора в качестве компаратора реализуется метод измерений, называемый методом замещения, при котором исключается систематическая погрешность измерительного прибора. С другой стороны, при методе замещения результат измерений отягощают две случайные погрешности измерительного прибора, т. к. проводятся два измерения (измеряемой величины и величины, воспроизводимой мерой). Поэтому, если измерительный прибор имеет большую случайную погрешность, он непригоден для использования в качестве компаратора. Если же его случайная погрешность мала, в связи с отсутствием систематической составляющей погрешность измерений будет меньше, чем при измерении методом непосредственной оценки.

Друзья! Приглашаем вас к обсуждению. Если у вас есть своё мнение, напишите нам в комментарии.