ЗАСОБИ ВИМІРЮВАНЬ

Види засобів вимірювань

Для практичного вимірювання одиниці величини застосовуються технічні засоби, що називаються засобами вимірювання. До засобів вимірювання відносяться: міри, вимірювальні перетворювачі, вимірювальні прилади, вимірювальні установки і системи, вимірювальні приналежності.

Міра - засіб вимірювання, призначений для відтворення фізичних величин заданого розміру. До даного виду засобів вимірювання відносяться гирі, кінцеві міри довжини і т.п. На практиці використовують однозначні і багатозначні міри, а також набори і магазини мір. Однозначні міри відтворюють величини тільки одного розміру (гиря). Багатозначні міри відтворюють кілька розмірів фізичної величини. Наприклад, міліметрова лінійка дає можливість виразити довжину предмета в сантиметрах і в міліметрах.

Набори і магазини являють собою об'єднання (сполучення) однозначних або багатозначних мір для одержання можливості відтворення деяких проміжних або сумарних значень величини. Набір мір являє собою комплект однорідних мір різного розміру, що дає можливість застосовувати їх у потрібних сполученнях. Наприклад, набір лабораторних гир. Магазин мір - сполучення мір, об'єднаних конструктивно в одне механічне ціле, у якому передбачена можливість за допомогою ручних або автоматизованих перемикачів, зв'язаних з відліковим пристроєм, з'єднувати складовий магазин міри в потрібному сполученні. На такому принципі улаштовані магазини електричних опорів.

До однозначних мір відносять стандартні зразки і стандартні речовини. Стандартний зразок - це належним чином оформлена проба речовини (матеріалу), що піддається метрологічній атестації з метою встановлення кількісного значення визначеної характеристики. Ця характеристика (або властивість) є величиною з відомим значенням при встановлених умовах зовнішнього середовища. До таких зразків відносяться, наприклад, набори мінералів з конкретними значеннями твердості (шкала Мооса) для визначення цього параметра в різних мінералів. Стандартним зразком є зразок чистого цинку, що служить для відтворення температури 419,527°С за міжнародною температурною шкалою МТШ-90.

При користуванні мірами варто враховувати номінальне і дійсне значення мір, а також погрішність міри і її розряд. Номінальним називають значення міри, зазначене на ній. Дійсне значення міри повинне бути зазначене в спеціальному свідченні як результат високоточного вимірювання з використанням офіційного еталона.

Різниця між номінальним і дійсним значеннями називається погрішністю міри. Величина, протилежна за знаком погрішності, являє собою поправку до зазначеного на мірі номінального значення. Оскільки при атестації (перевірці) також можуть бути погрішності, міри підрозділяють на розряди (1-го, 2-го і т.д. розрядів) і називають розрядними еталонами (зразкові вимірювальні засоби), що використовують для перевірки вимірювальних засобів. Величина погрішності міри є основою для поділу мір на класи, що звичайно застосовується до мір, уживаним для технічних вимірювань.

Вимірювальний перетворювач - це засіб вимірювання, що служить для перетворення сигналу вимірювальної інформації у форму, зручну для обробки або збереження, а також передачі в пристрій, що показує, але не піддається безпосередньому сприйняттю спостерігачем.

Вимірювальні перетворювачі або входять у конструктивну схему вимірювального приладу, або застосовуються разом з ним, але сигнал перетворювача не піддається безпосередньому сприйняттю спостерігачем. Наприклад, перетворювач може бути необхідний для передачі інформації в пам'ять комп'ютера, для посилення напруги і т.д. Перетворену величину називають вхідною, а результат перетворення - вихідною величиною. Основною метрологічною характеристикою вимірювального перетворювача вважається співвідношення між вхідною і вихідною величинами, яка називається функцією перетворення.

Перетворювачі підрозділяються на первинні (безпосередньо сприймаючі вимірювану величину), що передають, на виході яких величина здобуває форму, зручну для реєстрації або передачі на відстань; проміжні, що працюють у сполученні з первинними і не впливають на змінювання роду фізичної величини.

Вимірювальні прилади - це засоби вимірювання, що призначені для одержання вимірювальної інформації у формі, доступній для безпосереднього спостереження.

Отже, прилад повинний являти собою сукупність декількох перетворювачів і обов'язково мати вихідний пристрій.

За характером показань ці прилади можуть бути показуючими і аналоговими, а за принципом дії – приладами прямої дії, порівняння, інтегрування і підсумовування.

Прилади прямої дії відображають вимірювану величину на пристрої, що показує, який має шкалу градуювань в одиницях цієї величини. Зміни роду фізичної величини при цьому не відбувається. До приладів прямої дії відносять, наприклад, амперметри, вольтметри, термометри і т.п.

Прилади порівняння призначаються для порівняння вимірюваних величин з величинами, значення яких відомі. Такі прилади широко використовуються в наукових цілях, а також і на практиці для вимірювання таких величин, як яскравість джерел випромінювання, тиск стиснутого повітря й ін.

У залежності від призначення прилади поділяють на універсальні, призначені для вимірювання однакових фізичних величин різних об'єктів, і спеціальні, призначені для вимірювання параметрів виробу одного типу.

У залежності від принципу дії вимірювальної системи, прилади поділяються на механічні, оптичні, оптико-механічні, пневматичні, електричні і т.п.

У залежності з прийнятою термінологією прості прилади з механічним принципом дії вимірювальної системи називаються вимірювальним інструментом (мікрометр, штангенциркуль).

Усі вимірювальні прилади складаються з чуттєвого елемента, що знаходиться під безпосередньою дією фізичної величини, вимірювального механізму і відлікового пристосування. Відлікове пристосування приладу, що показує, має шкалу і покажчик, що виконаний у вигляді стрілки (матеріального стрижня) або променя світла (світлового покажчика). Шкала має сукупність позначок і проставлених біля деяких з них чисел відліку, що відповідає рядові послідовних значень величини.

Ціна розподілу шкали – це різниця значень величини, що відповідає двом сусіднім позначкам шкали. Початкове і кінцеве значення шкали – це найменше і найбільше значення вимірюваної величини, що позначено на шкалі.

Вимірювальні приналежності – це сукупність різних допоміжних елементів, призначених для роботи разом з вимірювальним приладом (наприклад, різні шунти для розширення шкали приладу). Вони необхідні для обчислення виправлень до результатів вимірювання, якщо потрібний високий ступень точності. Наприклад, термометр може бути допоміжним засобом, якщо показання приладу достовірні при строго регламентованій температурі; психрометр - якщо строго застерігається вологість навколишнього середовища.

Варто враховувати, що вимірювальні приналежності вносять певні погрішності в результат вимірювання, що пов'язані з погрішністю самого допоміжного засобу.

Вимірювальні установки і системи - це сукупність засобів вимірювання, об'єднаних за функціональною ознакою з допоміжними пристроями, для вимірювання однієї або декількох фізичних величин об'єкта вимірювання. Звичайно такі системи автоматизовані і забезпечують уведення інформації в систему, автоматизацію самого процесу вимірювання, оброблення і відображення результатів вимірювання для їх сприйняття користувачем.

Вимірювальні інформаційні системи – це засоби вимірювання, призначені для автоматичного представлення інформації у вигляді, зручному для використання в системах керування і регулювання.

У залежності від призначення розрізняють 4 різновиду вимірювальних систем:

1.        вимірювальна система (ВС), призначена для встановлення кількісних характеристик об'єкта;

2.        система контролю (СК), призначена для установлення відповідності параметрів об'єкта нормам або вимогам до характеристик об'єкта;

3.        система діагностики (СД), призначена для встановлення причин несправностей і їхньої локалізації в об'єкті;

4.        система розпізнавання (СР), призначена для встановлення приналежності даного об'єкта до деякого класу зразків об'єкта.

Сьогодні широко застосовуються цифрові вимірювальні перетворювачі. У них інформація про вимірювану величину піддається квантуванню за рівнем, дискретизації за часом і кодуванню спочатку у виді коду двійкової системи числення, а потім десяткової системи. Таким чином, вихідна величина відображається на цифровому відліковому пристрої. Представлення вимірювальної інформації у виді коду забезпечує можливість її реєстрації й обробки, тривалого збереження в запам'ятовуючих пристроях і введення в ЕОМ для обробки.

З моменту своєї появи (70-і роки ХХ століття) цифрова вимірювальна техніка розвивалася в двох напрямках: створення автономних цифрових вимірювальних приладів і цифрових вимірювальних перетворювачів. У сучасних цифрових вимірювальних приладах широко застосовують мікропроцесор – пристрій, що складається з однієї, рідко декількох інтегральних схем (БІС) і виконує ряд функцій центрального процесора програмувальної обчислювальної машини.

Складність задач контролю, автоматизації експерименту, обробки інформації привела до появи нового різновиду засобів вимірювання – вимірювально-обчислювальних комплексів (ВОК).

ВОК орієнтований на автоматизацію технологічних процесів виробництва, експериментальних установок, приладових стендів і обчислювальних засобів. ВОК створюються на базі обчислювальних комплексів, що випускаються серійно, (ЕОМ) і програмно-керованих пристроїв зв'язку з об'єктом. Останнім часом широкий розвиток одержали ВОК, що виконані на базі мікропроцесорів.

ВОК – це автоматизований засіб вимірювання електричних величин, на основі якого можливе створення вимірювальної інформаційної системи шляхом приєднання до входу вимірювальних сигналів датчиків вимірюваних величин з уніфікованим електричним вихідним сигналом і генерація на основі програмних компонентів ВОК програм обробки інформації і керування експериментами, орієнтованими на рішення конкретних задач. ВОК призначені в основному для побудови на їхній основі наступних систем:

-          автоматизованих систем управління технологічним процесом (АСУТП);

-          систем автоматизації випробувань і наукових досліджень виробів і об'єктів промисловості (САНД);

-          систем автоматизованої перевірки засобів вимірювання;

-          автоматизованих вимірювальних інформаційних систем.

Метрологічні характеристики засобів вимірювання

Метрологічна характеристика засобу вимірювання – це характеристика однієї з властивостей засобу вимірювання, які впливають на результат вимірювання або його погрішність.

Основними метрологічними характеристиками є: діапазон вимірювання (або показання) і різні складові погрішності засобу вимірювання. Для кожного типу засобів вимірювання установлюють свої метрологічні характеристики. (Наприклад, діапазон вимірювання, діапазон показання, номінальне значення міри, дійсне значення міри, погрішність засобу вимірювання або її складові, нестабільність (стабільність), варіація показання, поріг чутливості, коефіцієнт перетворення й ін.)

Метрологічні характеристики, що установлюються нормативними документами, називаються нормованими метрологічними характеристиками, а ті, що визначаються експериментально – дійсними метрологічними характеристиками.

Діапазон показання – це область значень шкали приладу, обмежена кінцевим і початковим значеннями шкали.

Діапазон вимірювання – це область значень вимірюваної величини, для якої нормуються припустимі помилки приладу. Межа вимірювання – це найбільше і найменше значення діапазону вимірювання.

Варіація показання вимірювального приладу – різниця між двома показаннями приладу, коли одне і теж значення вимірюваної величини досягається внаслідок її збільшення або її зменшення.

Стабільність засобу вимірювання – це здатність засобу вимірювання зберігати свої метрологічні характеристики в заданих границях протягом заданого інтервалу часу

Номінальне значення міри – значення величини, приписане мірі або партії мір при виготовленні (наприклад, гиря з номінальним значенням 1 кг).

Дійсне значення міри – дійсне значення величини, відтворене і збережене мірою. Воно знаходиться шляхом звірення міри з більш точним засобом вимірювання. (Наприклад, Державний еталон – платино-іридієва гиря з номінальним значенням маси 1 кг після звірення з Міжнародним еталоном одержала значення 1,000000087 кг – на 87 мкг більше).

Поріг чутливості засобу вимірювання – найменша зміна вимірюваної величини, що викликає помітну зміну вихідного сигналу засобу вимірювання. Наприклад, якщо найменша зміна маси, що викликає помітне переміщення стрілки ваг, складає 10 мг, то поріг чутливості ваг дорівнює 10 мг.

Чутливість засобу вимірювання – відношення зміни вихідного сигналу до спричиненої ним зміни вимірюваної величини. Розрізняють абсолютну чутливість: і відносну чутливість : , де l – вихідний сигнал, x - вимірювана величина (вхідний сигнал).

Клас точності засобу вимірювання – це узагальнена характеристика, яка обумовлена межами припустимих основних і додаткових погрішностей, а також іншими властивостями засобів вимірювання, що впливають на точність, значення яких встановлюють у стандартах на окремі види засобів вимірювання. Клас точності звичайно позначають числом. Клас точності засобу вимірювання конкретного типу встановлюють у стандартах технічних вимог (умов). Для кожного класу точності встановлюють конкретні вимоги до метрологічних характеристик, що у сукупності встановлюють рівень точності засобів вимірювання даного класу точності.

За метрологічним призначенням засоби вимірювання поділяють на два види - робочі засоби вимірювання і еталони. Робочі засоби вимірювання застосовують для визначення параметрів (характеристик) технічних пристроїв, технологічних процесів, навколишнього середовища й ін. Робочі засоби можуть бути лабораторними (для наукових досліджень), виробничими (для забезпечення і контролю заданих характеристик технологічних процесів), польовими (для літаків, автомобілів, судів і т.п.). Кожний з цих видів робочих засобів відрізняється особливими показниками. Так, лабораторні засоби вимірювання - самі точні і чуттєві, а їхні показання характеризуються високою стабільністю. Виробничі мають стійкість до впливів різних факторів виробничого процесу: температури, вологості, вібрації і т.п., що може позначитися на вірогідності і точності показань приладів. Польові працюють в умовах зовнішніх впливів, що постійно змінюються в широких межах.

Статистична характеристика вимірюваної величини

Унаслідок недосконалості методів і засобів вимірювання, впливу умов вимірювання і недосконалості органів почуттів спостерігача, а також багатьох інших факторів виникають погрішності вимірювання (рис. 2.1).

Ці погрішності поділяються на два види: випадкові і систематичні. Випадкові погрішності (у тому числі грубі погрішності і промахи) змінюються випадково при повторних вимірах однієї і тієї ж величини. Систематичні погрішності залишаються постійними або закономірно змінюються при повторних вимірах однієї і тієї ж величини.

Випадкова погрішність не може бути виключена з результатів вимірювання, однак її вплив може бути зменшений за рахунок повторних вимірювань однієї і тієї ж величини й обробки експериментальних даних.

Грубі погрішності і промахи з'являються через помилки або неправильні дії виконавця (його психофізичного стану, неправильного відліку, помилок запису або обчислень, неправильного включення приладу й ін.), а також при короткочасних різних змінах при проведенні вимірювання (вібрація, надходження холодного або теплого повітря, поштовх приладу виконавцем і ін.).

Систематичні погрішності – це визначені функції невипадкових факторів, склад яких залежить від фізичних, конструктивних і технологічних особливостей засобів вимірювання, умов їхнього використання, а також індивідуальних якостей спостерігача. Складні закономірності, яким підкоряються систематичні погрішності, визначаються або при створенні засобів вимірювання і комплектації вимірювальної апаратури, або безпосередньо при підготовці вимірювального експерименту й у процесі його проведення.

Обробка результатів вимірювання фізичної величини включає обчислення наступних статистичних характеристик вимірюваної величини

– середнього арифметичного (), середнього квадратичного відхилення (), стандартного відхилення середнього (), коефіцієнта варіації ().

, (1)

де x_i – значення фізичної величини, обміряне в i – му вимірі;

n – кількість вимірів фізичної величини.

. (2)

. (3)

. (4)

Істинне значення фізичної величини буде лежати в інтервалі

, (5)

де - гранична помилка вимірювання.

Гранична помилка вимірювання з обраною довірчою імовірністю Р (найчастіше приймають рівної 0,95) визначається по формулі

, (6)

де t_a - коефіцієнт Стьюдента, що залежить від кількості вимірювань (ступеня волі f = n-1) і значення довірчої імовірності (рівня помилки a = 1-P). Значення коефіцієнта Стьюдента приймається з таблиць.

Відносна погрішність вимірювання визначається за формулою

, % . (7)

Визначення грубих погрішностей (промахів) здійснюється виходячи зі співвідношення: якщо відношення найбільшого (найменшого) відхилення i -го виміру величини від її середньоарифметичного значення до середнього квадратичного відхилення більше (або дорівнює) табличного значення статистики максимального відхилення при заданій довірчій імовірності при даній кількості вимірювань:

. (8)

Після виключення з результатів вимірювання тих вимірювань, що проведені з грубими погрішностями (що є промахами), перераховують.

Еталони, їхня класифікація і види

Особливим засобом вимірювання є еталон. Еталон - це високоточна міра, призначена для відтворення і збереження одиниці величини з метою передачі її розміру іншим засобам вимірювання. Від еталона одиниця величини передається розрядним еталонам, а від них робочим засобам вимірювання.

Еталони класифікують на первинні, вторинні і робочі.

Первинний еталон - це еталон, що відтворює одиницю фізичної величини з найвищою точністю, можливої в даній області вимірювання на сучасному рівні науково-технічних досягнень. Первинний еталон може бути національним (державним) і міжнародним.

Національний еталон затверджується національним органом з метрології як вихідний засіб вимірювання для країни. В Україні національні (державні) еталони затверджує Держспоживстандарт.

Первинному еталонові супідрядні вторинні і робочі (розрядні) еталони. Розмір відтвореної одиниці вторинним еталоном звіряється з державним еталоном.

Вторинні еталони (їх іноді називають "еталони-копії") можуть затверджуватися або Держспоживстандартом, або державними науковими метрологічними центрами, що зв'язано з особливостями їхнього використання.

Робочі еталони сприймають розмір одиниці від вторинних еталонів і у свою чергу служать для передачі розміру менш точному робочому еталонові (або еталонові більш низького розряду) і робочим засобам вимірювання.

Найпершими офіційно затвердженими еталонами минулого прототипи метра і кілограма, виготовлені у Франції у 1799 р. були передані на зберігання в Національний архів Франції, тому їх стали називати "метр Архіву" і "кілограм Архіву". З 1872 р. кілограм став визначатися як рівний масі "кілограма Архіву". Кожен еталон основної або похідної одиниці Міжнародної системи SІ має свою цікаву історію і зв'язаний з тонкими науковими дослідженнями й експериментами.

Державні еталони - це національне надбання країни, по їх технічних характеристиках можна оцінити науковий і технічний потенціал держави, визначити перспективи її соціально-економічного розвитку, здатність вийти на передові рубежі науково-технічного прогресу. Еталонна база сприяє також захисту інтересів споживачів і держави в сфері якості і безпеки продукції.

Після розпаду СРСР велика частина цієї бази залишилася в Росії. Україна фактично, у перші роки незалежності була начебто "прив'язана" до еталонної бази Росії, що обмежувало й ускладнювало роботу з організації забезпечення єдності вимірювань.

Виходячи з цього, Харківський науково-дослідний інститут метрології (ХНДІМ) разом з іншими компетентними службами вже в 1992 році розробили програму створення еталонної бази України, що була затверджена урядом України.

В результаті у Харкові створено 34 державних еталона з 69 існуючих в Україні. Створена еталонна база забезпечує потреби вітчизняних товаровиробників, сприяє підвищенню конкурентоспроможності продукції і її вихід на світовий ринок. У розвиток еталонної бази України розроблена нова програма "Еталонна Україна" відповідно до якої у нас в 2006 р. повинно бути 80 державних еталонів, що наближає Україну до держав з розвинутою економікою і наукою - до оптимального метрологічного забезпечення.