Free Student HQ / FSHQ / "Штаб-Квартира свободного Студента"

Средства измерительной техники

Средства измерений, испытаний и вспомогательные принадлежности

Современные метрологические службы и другие подразделения юридических лиц, выполняющие измерительные и испытательные операции, оснащены разнообразными техническими устройствами, которые, в общем случае, подразделяются на средства измерительной техники, средства испытаний и вспомогательные принадлежности (измерительные и испытательные). Отнесение того или иного технического устройства к одной из названных выше групп обычно осуществляется, исходя из его функционального назначения, а в некоторых случаях из области применения. Термин «средства измерительной техники» объединяет многочисленные технические устройства, называемые средствами измерений и измерительными принадлежностями, т.е., как это трактует Закон РФ «Об обеспечении единства измерений» – технические устройства, предназначенные для измерений.

Средства измерений. Несколько условно, как будет показано ниже, средства измерений подразделяются на меры, измерительные преобразователи, средства сравнения и измерительные приборы. Часто встречающиеся названия: измерительная установка, измерительная машина, измерительная система, измерительно-вычислительный комплекс и т. д. получили эти наименования, исходя из их конструктивных или эксплуатационных особенностей, а, отчасти, и традиций. Все они с метрологической точки зрения являются измерительными приборами, метрологические нормы и требования к которым установлены комплексом нормативных документов Государственной системы обеспечения единства измерений (ГСИ). Решения об отнесении тех или иных технических устройств к средствам измерений, согласно Закону РФ "Об обеспечении единства измерений", принимает Госстандарт России.

Средства испытаний. В ГОСТ 16504-81 дается определение собственно средствам испытаний, представляющим собой технические устройства для проведения испытаний, и испытательному оборудованию – средствам испытаний, представляющим собой технические устройства для воспроизведения условий испытаний.

Первое понятие – «средство испытаний» – по существу очень близко к понятию «средство измерений», т. к. термин «испытания» является родовым по отношению к видовому термину «измерения». Испытания проводятся путем измерений, анализа, диагностирования, органолептическим способом и т.д; причем подавляющее большинство испытаний выполняется именно путем измерений с применением средств измерений в качестве средства испытаний. В то же время между понятиями «измерения» и «испытания» есть существенное различие, определяемое целями выполнения этих операций.

Цель измерений заключается в получении достоверного результата измерений, используемого для научного познания, получения измерительной информации о свойствах и параметрах объекта измерений и т.д. Причем значение измеряемого свойства (по размеру, положению на шкале измерения), как правило, заранее неизвестно с требуемой точностью.

Цель испытаний более узкая – получение однозначного ответа: соответствует ли испытуемый объект, его параметр и свойства известным, предписанным требованиям или нет. Важнейшим признаком любых испытаний, в отличие от измерений, является принятие на основе их результатов определенных решений, например, годен – негоден, соответствует – не соответствует и т.д.

Очень часто средства измерений используются как средства испытаний. Простейший пример. Если с помощью микрометра (средства измерений) определены диаметры стальных шариков с целью получить информацию об их размерах – это обычная измерительная процедура. Но если размеры этих шариков получены с целью определения пригодности их использования в шарикоподшипнике, т.е. получения ответа на вопрос, пригодны или непригодны они для сборки подшипника, – это уже испытания, а средство измерений – микрометр – использовано здесь в качестве средства испытаний.

Испытательное оборудование, в отличие от средств испытаний, обязательно содержит в своем составе устройства для воспроизведения условий испытаний и, при необходимости, средства измерений для контроля соответствия параметров условий испытаний заданным значениям. В состав испытательного оборудования могут входить также средства измерений параметров самих испытываемых изделий (продукции) в заданных условиях испытаний. Типичным примером испытательного оборудования является термобарокамера, создающая в замкнутом объеме заданное температурное поле и барометрическое давление. Техническими характеристиками термобарокамеры являются: диапазон воспроизводимых температур, равномерность теплового поля по объему камеры, диапазон воспроизводимого барометрического давления. Допуски на отклонения температуры от задаваемых значений определяются при аттестации термобарокамеры как испытательного оборудования в порядке, установленном ГОСТ 8. 568-97. В процессе испытаний объекта в термобарокамере условия испытаний – температура, барометрическое давление – измеряются входящими в состав термобарокамеры средствами измерений, имеющими достаточную точность для уверенного контроля температуры и давления в пределах соответствующих допусков.

Отметим еще одну общность операций измерений и испытаний. Такая известная всем метрологам, однозначно относимая к метрологическим операциям процедура, как поверка СИ, по существу, является процедурой испытаний СИ. Действительно, при поверке определяются метрологические характеристики поверяемого СИ, результаты сравниваются с предписанными для данного СИ нормами, и делается вывод о годности или негодности поверяемого средства измерений.

Более существенным отличием поверки от испытаний является то, что метрологические характеристики средства поверки всегда имеют прослеживаемость до соответствующих эталонов, тогда как для средств испытаний это не всегда обязательно.

Несколько по-иному обстоит дело с процедурой калибровки СИ, когда владелец СИ, представляя его на калибровку, просит указать фактические значения метрологических характеристик калибруемого СИ. В этом случае его калибровка превращается в процедуру измерения метрологических характеристик данного СИ.

Не останавливаясь на описании измерительных вспомогательных принадлежностей, отметим, что в ряде случаев некоторые средства измерений могут использоваться как вспомогательные принадлежности. Так, например, в подавляющем большинстве нормативных документов по поверке средств измерений, в разделе условия поверки заданы довольно широкие пределы температуры окружающего воздуха (20 ± 5) °С, атмосферного давления (100 ± 10) кПа, влажности (до 80 %) и т.д. Поэтому обычно при контроле условий поверки не выполняются полновесные измерения параметров условий поверки с определением погрешности измерений, а только контролируется факт, что параметры находятся в заданных пределах. Здесь эти средства измерений можно считать вспомогательными принадлежностями при выполнении поверки.

В общем виде средства измерений, конструктивно выполненные как измерительные приборы, содержат в себе первичный преобразователь, меру, средство сравнения, средство отображения, регистрации или передачи измерительной информации и другие узлы и устройства. В этой главе мы не ставим цель рассмотреть все стороны и свойства средств измерений, а несколько подробнее остановимся на таких элементах как мера, измерительный преобразователь, средство сравнения и другие, сведения о которых, по нашему мнению, недостаточно четко изложены в существующей литературе по метрологии и приборостроению. Не будем касаться и вспомогательных принадлежностей, применяемых при измерениях и испытаниях.

Меры количественных и качественных свойств

Приоритет мер в истории метрологии предопределил двойной смысл употребления термина "мера".

Нередко термины – мера (меры) употребляются для обозначения обобщенной совокупности каких-либо средств измерений, например, "линейные меры", или в наименовании совокупности исторически сложившихся национальных (региональных) систем измерений - "русские меры", "английские меры", встречается выражение "метрические меры" и др. Во всех этих случаях термином "мера" подменяются понятия "средство измерений" либо "единица измерения".

По определению, приведенному в РМГ 29-99, под термином мера понимают средство измерений, предназначенное для воспроизведения и (или) хранения величины одного или нескольких заданных размеров, значения которых выражены в установленных единицах и известны с необходимой точностью. Этим определением охватываются меры только скалярных величин. В более общем случае мера – средство измерений, воспроизводящее и (или) хранящее одну или несколько точек шкалы измерений (МИ 2365-96). Такое определение меры применимо в шкалах, описывающих как количественные свойства (величины), так и качественные свойства. К этому определению необходимо добавить пояснение, что в большинстве случаев мера – это тело, вещество, устройство и пр., воспроизводящее и (или) хранящее при определенных условиях, некоторое установленное значение величины или точку шкалы. Существует большое разнообразие мер, различающихся по конструктивным особенностям, по способу хранения или воспроизведения размеров единиц измерений или точек шкал, по характеру применения в метрологии и измерительной технике и по многим другим признакам. Сразу отметим, что не для всех единиц и шкал измерений, используемых в практической метрологии, необходимо и возможно создание мер. Меры занимают в метрологической иерархии все без исключения уровни, от международных эталонов до рабочих СИ. Пример: меры массы – мерой (гирей) является международный прототип килограмма, мерами являются национальные и рабочие эталоны массы и рабочие СИ массы (торговые гири).

Рассмотрим многообразие мер, используемых в современной метрологии. По конструктивному исполнению все меры можно разделить на два вида: меры, конструктивно оформленные как законченное, готовое к использованию средство измерений, и меры, конструктивно встроенные в измерительные приборы (встроенные меры). Примерами конструктивно самостоятельных мер являются: гири, концевые меры длины, меры твердости, катушки электрического сопротивления, нормальные элементы и т.д. – это так называемые однозначные меры. Из однозначных мер формируются наборы мер – совокупность определенного числа однородных однозначных мер, применение которых в различных комбинациях позволяет получить заданное значение величины в определенных пределах, при этом каждая мера набора применяется отдельно, независимо от остальных или в сочетании с другими. Примером таких наборов мер служит набор гирь, набор концевых мер. Однозначные меры, конструктивно объединенные в один прибор, позволяющий переключением воспроизводить дискретный набор значений величины, называют магазинами мер, пример – магазин мер электрического сопротивления или емкости.

В качестве самостоятельных средств измерения существуют многозначные меры, воспроизводящие дискретный или непрерывный ряд значений величин (участок шкалы) в заданном диапазоне. К ним относятся, например, линейки с делениями, конденсаторы переменной емкости и др. Многозначные меры нередко оснащают шкалами – отсчетными устройствами, указывающими значение воспроизводимой величины.

К мерам относятся также стандартные образцы (СО) веществ (материалов) с установленными в результате метрологической аттестации (по ГОСТ 8.315) значениями величин, характеризующих свойства или состав этого вещества (материала). СО свойств веществ (материалов) аттестуются, как правило, по одному значению хранимой величины (однозначные меры). К таким мерам относятся, например, СО диэлектрической проницаемости, СО угла среза кварца и многие другие. СО состава веществ и материалов обычно аттестуются по нескольким значениям одноименных величин, характеризующим, например, массовую долю (в % или в г/м3), молярную (моль/м3) концентрацию ряда веществ (химических элементов), входящих в состав образца. Такие СО можно считать комбинированными мерами. Примером являются СО состава различных марок легированных сталей, чугунов, сплавов цветных металлов, состава газовых и жидкостных смесей и т.д.

Существуют СО, воспроизводящие размер нескольких разноименных единиц, например, СО температуры и теплот фазовых переходов (воспроизводит размер кельвина и джоуля); СО удельной энергии сгорания и молярной доли основного компонента (воспроизводит размер джоуля и единицы молярной концентрации бензойной кислоты в образце). Такие СО невозможно отнести к однозначным или многозначным мерам. По воспроизведению размера конкретных единиц измерений – это однозначные меры, но по набору воспроизводимых разноименных единиц они многозначны. Можно и их назвать комбинированными мерами. Часто в качестве особой категории мер выступают чистые природные вещества и химические элементы, позволяющие в определенных условиях воспроизводить и хранить размер некоторых единиц. Такие вещества и химические элементы обычно используют в качестве реперов (контрольных точек с известным значением величины) при воспроизведении и хранении шкал измерений. Так, международная температурная шкала 1990 г. (МТШ-90) построена по значениям основных реперных точек – мер температуры.

Некоторые химические элементы и вещества используются для воспроизведения нескольких температурных реперных точек. Шкала водородного показателя рН построена на ряде растворов определенных химических веществ, являющихся эталонными мерами рН. В кондуктометрии также в качестве эталонных мер удельной электрической проводимости жидкостей используются растворы химических веществ.

Химические элементы и вещества используются также в качестве мер в различных процедурах идентификации. При этом элементы и вещества играют роль классов эквивалентности в соответствующих шкалах наименований.

Своеобразными мерами являются аттестованные смеси веществ, представляющие собой средства измерений в виде смеси определенных количеств различных веществ, приготовляемой на месте применения в соответствии с утвержденной, в установленном порядке, технической документацией. Такие меры предназначены для воспроизведения и хранения размеров единиц величин, характеризующих содержание определенных компонентов в составе смеси, значения которых установлены по расчетно-экспериментальной процедуре ее изготовления. Аттестованные смеси могут представлять собой механические смеси твердых веществ, смеси газов, растворов, суспензий и т.д.

Все рассмотренные выше меры имеют материальное воплощение в виде устройств, изделий, образцов, растворов и т. д. Вместе с тем существуют меры, которые не могут быть материализованы. К таким мерам относятся, например, сигналы точного времени и частоты, передаваемые по каналам радио и телевидения, которые по существу являются мерами (реперами) моментов времени национальной шкалы времени и размера единицы частоты – герца, хранимыми государственным эталоном времени и частоты (ГЭТ 1-98) ВНИИФТРИ.

Меры позволяют воспроизводить и (или) хранить практически все многообразие единиц и шкал измерений, характеризующих как количественные, так и качественные свойства предметов, явлений, процессов, описываемых метрическими и неметрическими шкалами. В шкалах наименований, которыми описываются качественные свойства, применяются меры: атласы цветов и другие меры цвета, СО цветности водных растворов (хромо-кобальтовая шкала), СО белой поверхности и др. К качественным мерам следует отнести комбинированные меры характеристик дефектов, используемых для поверки (настройки) ультразвуковых дефектоскопов и медицинских приборов. К качественным мерам можно отнести и такие меры комбинированных свойств (расстояний, взаимного положения и формы), как шаблоны. Особого классификационного рассмотрения требуют такие многомерные координатные меры, как геодезические знаки.

В шкалах порядка широко используются меры твердости, воспроизводящие шкалы неархимедовых величин – чисел твердости металлов и других материалов.

К шкалам разностей (интервалов) относятся меры длины (линейки, рулетки, концевые меры, калибры, щупы и др.), реперные точки практических температурных шкал, шкалы Цельсия, Фаренгейта, Реомюра, сигналы точного времени по национальной шкале и др. К шкалам отношений относятся меры массы, реперные точки температурной шкалы МТШ- 90, источники ионизирующих излучений – меры активности радионуклидов, энергетические меры. В абсолютных шкалах применяются меры ослабления, коэффициентов отражения и пропускания электромагнитного излучения, звука и др.

Мера обычно имеет номинальное значение воспроизводимого и (или) хранимого размера величины, указанное непосредственно на мере или в сопроводительной документации. За действительное значение меры принимается полученное экспериментально, фактически воспроизводимое мерой значение. В зависимости от погрешности, с какой регламентированы действительные значения мер, они делятся на классы или разряды в соответствии с занимаемым местом в поверочной схеме. Вместе с тем существуют меры, маркировка которых не совпадает с действительным значением меры. Так, например, гиря массой 1 кг, предназначенная только для использования с неравноплечими сотенными весами, имеет обозначение номинала – 100 кг, грузы конкретного грузопоршневого манометра обычно маркируют не по массе, а по значению давления, воспроизводимого манометром с данным поршнем. Такие меры классики метрологии называли "условными мерами".

Конструктивное исполнение мер чрезвычайно разнообразно. Достаточно упомянуть такие простейшие по конструкции меры, как меры массы, концевые меры и такие сложнейшие конструкции, как цезиевый репер частоты, стабилизированный лазер для воспроизведения единицы длины – метра.

Условия, необходимые для воспроизведения мерами шкал или единиц измерений, могут быть различными. Концевые меры, штриховые меры длины (линейки) и др. не требуют каких-либо особых условий, они всегда готовы к употреблению. Их можно назвать пассивными мерами. Другие, такие как нормальный элемент меры интенсивности ионизирующих излучений, сами генерируют размер воспроизводимого значения величины. Их иногда называют активными мерами. Существует большая группа мер, для использования которых требуются определенные условия. Большинство электрических и радиотехнических мер, например, воспроизводят размер единиц только в случаях, когда через них пропускается электрический ток. К ним относятся, например, катушки сопротивления, катушки индуктивности, меры электрической емкости и многие другие.

Отметим, что широко распространенные меры массы – гири в комплекте с равноплечими весами – фактически используются для воспроизведения силы притяжения (веса). Другой особенностью ряда мер является их расходуемость. Например, мера твердости металлов может быть использована ограниченное число раз, пока определенная доля ее поверхности не будет занята отпечатками индентора. Большинство СО также является расходуемыми мерами.

По определению любое средство измерений (измерительный прибор или преобразователь) должен содержать в себе меру. И это действительно так, хотя на первый взгляд не всегда можно сказать, что является мерой в том или ином средстве измерений. В таком простейшем средстве измерений, как штангенциркуль, встроенная многозначная мера в виде линейки с миллиметровыми делениями явно видна. Но если мы обратимся ко всем известным стрелочным приборам: вольтметрам, амперметрам, гальванометрам любой системы (магнитоэлектрическим, электромеханическим, электростатическим и т.д.), то неочевидно, что в них является встроенной мерой. Мерой в таких стрелочных приборах является упругая пружинка или упругие растяжки, удерживающие стрелку на некоторой отметке отсчетной шкалы. В цифровых вольтметрах встроенной мерой является стабилитрон или, ранее, нормальный элемент.

Во многих эталонах высшего звена, использующих калориметрический первичный преобразователь и реализующих метод замещения на постоянном токе, мерой служит прецизионный резистор (или тот же стабилитрон) в компенсационной схеме калориметра.

Упомянем, что могут существовать и меры многомерных величин, например, применяются волноводные меры комплексного (двухмерного) коэффициента отражения СВЧ электромагнитного излучения. Своеобразной дополнительной координатой служит частота, на которой выполняется измерение в электрорадиотехнике и электронике.

Итак, в прикладной метрологии существуют и применяются меры не только количественных, но и качественных свойств, которые можно классифицировать по следующим основным группам: меры качественных свойств, меры неархимедовых величин, меры скалярных величин, стандартные образцы, комбинированные меры, многозначные меры.

Брянский Л.Н., Дойников А.С., Крупин Б.Н. - Метрология. Шкалы, эталоны

 

Сайт создан в 2012 г. © Все права на материалы сайта принадлежат его автору!
Копирование любых материалов сайта возможно только с разрешения автора и при указании ссылки на первоисточник.
Яндекс.Метрика