Метрологические характеристики средств измерений. Государственная метрологическая служба. "Метрология — наука о измерениях"

Значимую роль в экономике любого государства играют метрологические стандарты, посредством которых осуществляется измерение физических параметров различных объектов. Для этого задействуются средства измерений, применение которых регламентируется отдельными положениями законодательства. В чем заключается специфика регулирования метрологии в России? Какие нормы права характеризуют утверждение и применение средств метрологических измерений?

Что такое метрология?

Для начала изучим некоторые теоретические моменты, отражащие особенности метрологии. метрологические характеристики — термины, имеющие отношение к данной научной отрасли.

Основные направления метрологии:

Теория измерений;

Применение физических величин;

Проблематика определения точности тех или иных измерений, а также нахождения единообразия в подходах к ним;

Выбор эталонов и образцов, а также практическое их внедрение в различных сферах хозяйства.

Основной предмет изучения рассматриваемой дисциплины — методы и инструменты, которые применяются в целях учета тех или иных объектов, исходя из их массы, длины, объема, мощности и т. д.

Основные понятия, которые применяются в метрологии:

Физический параметр (представляющий собой свойство объекта, которое отличает его по определенным критериям от других, даже если они в достаточной мере схожи с ним);

Измерение (процедура, предполагающая нахождение определенного значения по физическому параметру посредством применения различных инструментов и при сопоставлении со стандартными величинами);

И контроля — инструменты, которые задействуются в целях измерения той или иной единицы физического параметра.

Если говорить конкретно о средствах измерений, то можно отметить, что таковые могут быть представлены в нескольких разновидностях. Рассмотрим их подробнее.

Классификация

В общем случае под средством измерений принято понимать технический инструмент, задействуемый в целях измерения тех или иных объектов, которое обладает нормированными метрологическими параметрами, приспособлено к воспроизведению либо хранению определенных физических параметров, величина которых принимается как постоянная в рамках установленного интервала времени.

Можно отметить, что утверждение типа средств измерений в России осуществляется на уровне федеральных органов власти, таких как Федеральное агентство по и метрологии. В чем же заключаются особенности ее классификации? Средства измерений также тесно связаны с данным термином) могут быть представлены, в частности:

Мерой (как средством, которое задействуется в целях воспроизведения физических параметров конкретного размера);

Прибором (как средством, которое задействуется в целях выработки определенного сигнала по измерительным данным в удобной для пользователя форме);

Преобразователем (как средством, которое применяется в целях выработки сигнала по измерительным данным, который подлежит передаче в дальнейшую обработку в рамках задействуемой инфраструктуры);

Измерительной системой (как совокупностью средств, которые используются в целях выработки измерительных сигналов в требуемом формате, включая пользовательский).

Еще один критерий классификации средств измерений — уровень их автоматизации. Так, они бывают:

Автоматическими;

Частично автоматизированными;

Ручными.

Метрологические средства измерения также могут быть классифицированы исходя из их стандартизации. Так, они могут быть:

Стандартизованными;

Нерегулируемыми.

Еще один критерий классификации средств измерений — функциональность в рамках поверочной схемы. Так, они могут быть:

Эталонами;

Рабочими инструментами.

Другой важный критерий средств измерений — значимость измеряемого параметра. Исходя из указанного критерия, они могут быть:

Основными;

Вспомогательными.

В первом случае осуществляется измерение физического параметра, который важен с точки зрения успешного решения измерительной задачи. В свою очередь, есть средства измерений, метрологические характеристики которых предполагают измерение только тех параметров, которые имеют ограниченное влияние, но тем не менее важных и требующих учета.

Рассмотрим теперь собственно сущность метрологических характеристик рассматриваемых инструментов. Одним из источников данных для нас будут ГОСТы, регулирующие применение соответствующей инфраструктуры.

Метрологические характеристики инструментов измерения

В соответствии с государственными стандартами, регламентирующими то, каким образом должны задействоваться средства измерений, метрологические характеристики — это технические параметры, которые описывают свойства соответствующих инструментов, а также влияющие на результаты тех или иных измерений, проводимых в целях осуществления оценки их качества, а также в целях корректного определения их результатов.

Характеристики, о которых идет речь, могут быть нормируемыми или экспериментальными. Первые фиксируются в нормативной документации. Например, той, что включена в формируемый ВНИИМС госреестр средств измерений. Вторые задействуются в конкретной ситуации с учетом особенностей производственного процесса или среды, в которой осуществляются измерения.

Особенности реестра средств измерений

Полезно будет более подробно рассмотреть то, что представляет собой государственный реестр инструментов измерений. Данный ресурс входит в Федеральный информационный фонд и задействуется в целях регистрации тех решений, которые утверждены Росстандартом. Реестр средств измерений состоит из разделов, в которых отражены сведения:

Об инструментах, утвержденных Росстандартом, свидетельствах о введении средств измерений;

Конкретных экземплярах инструментов, утвержденных Росстандартом;

Аккредитованных государственных центрах, в которых проводятся испытания средств измерений.

Цели ведения реестра

Рассматриваемый реестр ведется в целях:

Учета инструментов измерений;

Формирования централизованных фондов сведений о соответствующих решениях, которые допущены к выпуску российскими предприятиями, а также к применению в тех или иных сферах хозяйства;

Регистрации аккредитованных учреждений, занимающихся испытаниями инструментов измерений;

Учета оформленных свидетельств о внедрении средств измерений, а также аттестатов аккредитованных учреждений, занимающихся испытаниями,

Учета программ испытаний инструментов измерений;

Информационного сопровождения граждан, организаций, а также национальных метрологических учреждений государств, которые участвуют в сотрудничестве по вопросам признания испытаний и внедрения средств измерений.

В отношении каждого типа инструментов, сведения о котором отражаются в Реестре, фиксируются:

Наименование;

Регистрационный номер;

Предназначение;

Страна-изготовитель;

Производитель;

Название центра испытаний;

Период действия сертификата;

Сведения об интервале между поверками;

Сведения о методике поверки.

Утверждение конкретного типа средств измерений осуществляется Росстандартом на основе итогов испытаний соответствующих инструментов, проведенных специализированными государственными центрами.

Если говорить о роли государства в регламентации применения инструментов, о которой идет речь, и о том, чтобы дополнять создаваемый ВНИИМС госреестр средств измерений с точки зрения нормирования работы специалистов, проводящих исследование физических параметров в тех или иных сферах, то можно обратить внимание на такие направления деятельности госструктур, как поверка и сертификация инфраструктуры измерений. Изучим данный аспект подробнее.

Поверка инструментов измерений

Итак, наряду с такими направлениями деятельности, как, например, утверждение типа средств измерений, государство ведет активную работу по регламентации их применения. В частности, в таком направлении, как поверка. Регламентируется ее проведение отдельным федеральным законом.

В соответствии с его положениями поверка инструментов измерений в ряде случаев является обязательной. Так, например, государственные средства измерений перед непосредственной эксплуатацией, а также при осуществлении их ремонта должны быть проверены — в рамках первичного или периодического мероприятия соответствующего типа.

Задача пользователей данных инструментов — своевременно осуществлять проверку. В принципе, хозяйствующие субъекты вправе провести ее самостоятельно, но только при одном условии — наличии аккредитации на предмет деятельности в сфере по обеспечению единства технических измерений. В некоторых случаях поверку должна проводить специализированная метрологическая служба, имеющая аккредитацию. Как правило, это касается тех случаев, когда правительством РФ определен конкретный перечень инструментов измерений, в отношении которых поверка должна проводиться по соответствующей схеме.

После того как рассматриваемая процедура проведена, выписывается свидетельство о ее осуществлении. Компетентные государственные ведомства могут разрабатывать специальные поверочные знаки, а также структуру соответствующего документа. Кроме того, некоторые госструктуры могут быть уполномочены на сбор результатов осуществления поверок по различным средствам измерений.

В некоторых случаях, даже если тот или иной инструмент не входит в перечень средств измерений, в отношении которых проведение поверок обязательно, пользователь подобной инфраструктуры может провести соответствующую процедуру добровольно.

Сертификация инструментов измерений

В рамках государственного регулирования пользования различными средствами измерений также осуществляется сертификация данной инфраструктуры. Ее сущность — в подтверждении прежде всего безопасности пользования тем или иным устройством. Кроме того, сертифицированный инструмент включается в государственный реестр средств измерений. Как правило, рассматриваемая процедура предполагает оформление:

Сертификата по ГОСТ Р либо декларации соответствия инструмента ГОСТ Р;

Сертификата о типе инструментов измерения.

Сертификация может быть осуществлена в Росстандарте либо в одном из аккредитованных центров. Сертификация — процедура, которая, как и поверка, может быть обязательной для определенных инструментов измерений. Как правило, подобные требования устанавливаются для средств измерения, которые используются в таких сферах:

Деятельность вооруженных сил государства;

Медицина;

Деятельность силовых структур;

Картография;

Геодезия;

Сфера регулирования реализации единства измерений.

Утверждение инструментов измерений

Полезно будет рассмотреть такой аспект применения инструментов, о которых идет речь, как утверждение средств измерения. Данная процедура также осуществляется при участии государства как часть метрологического контроля. Утверждение того или иного типа средства измерения осуществляет компетентная метрологическая служба. При этом устанавливаются:

Методики осуществления поверки характеристик средства измерения;

Конкретные показатели точности по измерению величин;

Оптимальные интервалы осуществления поверки инструмента.

По итогам утверждения средства измерения компетентное ведомство выдает специальный документ. Речь идет о таком источнике, как свидетельство об утверждении средств измерений. Оно может быть оформлено и на отдельно взятое устройство, и на серийный выпуск соответствующих решений.

Условием получения второго типа документа может быть соблюдение производителем определенных технических условий. Для того чтобы оформить свидетельство средств измерения, необходимо также разработать специальную документацию по эксплуатации инструмента. Если говорить о документе для серийного производства решений, то он выдается компетентными органами на 5 лет. После этого возможно его продление на основании запроса от фирмы-производителя. В свою очередь, если сертификат выдан на единичный продукт, то срок его действия соответствует периоду службы устройства.

Калибровка инструментов измерений

Еще один важный аспект государственного регулирования сферы метрологии — правовые акты, регламентирующие, каким образом должна осуществляться калибровка средств измерений. Что обозначает данный термин?

Калибровка инструментов измерений — это процедура, осуществляемая в целях определения, а также подтверждения фактических значений по метрологическим характеристикам, а также пригодности инструмента измерений к применению. Главное отличие калибровки от поверки — это то, что рассматриваемая процедура реализуется прежде всего в отношении тех средств измерений, что не подлежат контролю и надзору государственными органами.

В соответствии с законодательством РФ те инструменты, которые не применяются в области государственного регулирования при обеспечении единства измерений, в добровольном порядке могут быть откалиброваны. Данная процедура осуществляется с применением различных эталонов, которые сопоставляются с государственными первичными эталонами или же при их отсутствии с национальными, которые приняты в иностранных государств.

Калибровку могут проводить частные лица — хозяйственные общества и индивидуальные предприниматели при условии прохождения добровольной аккредитации. Результаты данной процедуры могут быть впоследствии использованы в рамках поверки тех или иных средств измерения в порядке, определяемом правительством России. Таким образом, несмотря на то, что калибровка средств измерений осуществляется добровольно, государство тем не менее может прописывать регламенты, определяющие проведение данной процедуры, а также применение ее результатов.

Измерительный прибор – это средство измерения, посредством которого получается значение физической величины, принадлежащее фиксированному диапазону. В конструкции прибора обычно присутствует устройство, преобразующее измеряемую величину с ее индикациями в оптимально удобную для понимания форму.

В соответствии с методом определения значения измеряемой величины выделяют:

измерительные приборы прямого действия;
измерительные приборы сравнения.

Измерительные приборы прямого действия - это приборы, посредством которых можно получить значение измеряемой величины непосредственно на отсчетном устройстве.

Измерительный прибор сравнения – это прибор, посредством которого значение измеряемой величины получается при помощи сравнения с известной величиной, соответствующей ее мере.

Измерительные приборы могут осуществлять индикацию измеряемой величины по-разному. Выделяют:

показывающие измерительные приборы;
регистрирующие измерительные приборы.

Отсчетное устройство – конструктивно обособленная часть средства измерений, которая предназначена для отсчета показаний. Отсчетное устройство может быть представлено шкалой, указателем, дисплеем и др.

Измерительная установка – это средство измерения, представляющее собой комплекс мер, ИП, измерительных приборов и прочее, выполняющих схожие функции, используемые для измерения фиксированного количества физических величин и собранные в одном месте. В случае, если измерительная установка используется для испытаний изделий, она является испытательным стендом.

Измерительная система – это средство измерения, представляющее собой объединение мер, Ип, измерительных приборов и прочее, выполняющих схожие функции, находящихся в разных частях определенного пространства и предназначенных для измерения определенного числа физических величин в данном пространстве.

Рабочие средства измерения (РСИ) – это средства измерения, используемые для осуществления технических измерений. Рабочие средства измерения могут использоваться в разных условиях.

Эталоны – это средства измерения с высокой степенью точности, применяющиеся в метрологических исследованиях для передачи сведений о размере единицы. Более точные средства измерения передают сведения о размере единицы и так далее, таким образом образуется своеобразная цепочка, в каждом следующем звене которой точность этих сведений чуть меньше, чем в предыдущем.

Сведения о размере единицы предаются во время проверки средств измерения. Проверка средств измерения осуществляется с целью утверждения их пригодности.

Множество заводов, фабрик и других промышленных объектов привело к тому, что появилась необходимость ужесточить надзор за контрольно-измерительными приборами, которые установлены на таких объектах. Следить за работоспособностью данных устройств важно, однако необходимо наблюдение и за метрологическими характеристиками средств контроля, так как именно эти цифры и будут выдавать наиболее полную информацию о работоспособности промышленного комплекса.

Общие сведения

Так как тема довольно трудная для освоения, то лучше всего начать с объяснения того, что это такое.

Метрологические характеристики - это выражение показателей метрологических свойств этих приборов посредством цифр, выводимых на экран. Кроме того, влияние будет распространяться и на погрешность устройств. Есть небольшая классификация данных метрологических свойств устройств проведения измерений:

Параметры, которые влияют на месторасположение установки и дальнейшего применения того или иного прибора.
Параметры, которые определяют прецизионность, и указывающие на верность полученных результатов.

Метрологические свойства - это те факторы, которые могут оказать самое непосредственное влияние на итог тех измерений, которые осуществляются этими устройствами. Кроме того, влияние будет распространяться и на погрешность приборов.

Первую группу можно подразделить на два фактора, которые и являются определяющими. Первый - это диапазон измерений прибора, а второй - Однако большинство устройств имеет еще один фактор, который не слишком приятен, но избавиться от него практически невозможно - это погрешности средств измерений.

Нормирование устройств и погрешность измерений

Разбираться в таких терминах, как нормирование и погрешность, лучше всего вместе, так как без одного из них не было бы и другого. Если говорить простыми словами, то нормирование - это регламентированные пределы отклонений значений реальных метрологических характеристик от их номинального значения.

Процесс нормирования приборов создан для того, чтобы была возможность объединить множество устройств в классы, а также создать между ними взаимозаменяемость. В процессе эксплуатации может случиться так, что после нормирования метрологических характеристик, одна или несколько могут выйти за те пределы, которые установлены. Это говорит о том, что прибор вышел из строя, и он должен быть немедленно отрегулирован или же заменен на рабочий.

Погрешности метрологических характеристик - это то значение разницы, которое возникло после измерения любой рабочей среды, между тем значением, что показывает прибор, и тем значением, которое в действительности наблюдается в рабочей среде. Если говорить проще, то это разница между номинальным значением и тем, что показал прибор.

Погрешности по ГОСТ

Так как государственный орган довольно пристально следит за качеством измерительных приборов, был введен ГОСТ, который четко прописывает, какие характеристики погрешностей измерительного прибора:

Наиболее важным фактором является цифра погрешности устройства для проведения измерений.
Также очень важным показателем является случайная часть, которая составляет общую погрешность для любого устройства.
Еще один важный фактор - это учет среднего квадратического отклонения той случайной части, которая входит в общую погрешность любого СИ при измерении.
Необходимо учитывать не только различные случайные составляющие и общие погрешности средств измерений, а еще и такие функции, как автокорреляция.

Характеристики средств измерений (СИ)

Так как эксплуатация измерительных приборов осуществляется и на объектах с повышенной опасностью, то все контрольные параметры и прочие характеристики регулируются определенными органами государства, которые, в свою очередь, разделили все характеристики на несколько групп.

Основные метрологические характеристики:

Первая группа - это параметры, которые предназначаются для определения результатов измерений. К ним относятся цена деления шкалы, длина деления шкалы, диапазон измерений, пределы измерений, чувствительность и т.д.
Вторая группа - это параметры чувствительности средств измерений к влияющим факторам. Под ними понимают те, изменения которых могут повлечь за собой неверные показатели на приборе.
К метрологическим характеристикам средств измерения относятся и динамические параметры, которые отражают инерционные свойства СИ. Они проявляются при влиянии на прибор различных параметров, изменяющих свои показатели во времени.

ГОСТ метрологических характеристик

Государственной службой контроля был издан ГОСТ 8.009-84, который установил номенклатуру метрологических характеристик (МХ). Также данный документ регламентирует четкие правила, которыми должны руководствоваться при выборе различных нормируемых для НМХ. Данные правила распространяются на некоторые устройства измерений.

Кроме того, были установлены порядки, по которым необходимо отбирать способы для проведения нормирования параметров МХ, а после этого заносить их в НТД. В дополнение к этому данный документ ввел четкие правила, которым должен соответствовать каждый прибор для измерения с технической точки зрения.

Кроме того, в данном ГОСТе есть положение, которое гласит о том, что допускается нормировать метрологические характеристики, которые не регламентированы в указе. Однако делать это разрешается только при согласовании с Госстандартом, а также только в том случае, если из-за свойств средства измерения его МХ не могут быть определены по тем стандартам, которые были приведены в ГОСТе.

Также есть исключения, на которые данный указ не распространяется - это эталонные приборы, поверочные установки и средства измерения, которые были разработаны, как образцовые экземпляры.

Общие положения ГОСТа

Метрологические характеристики средств измерений, которые были установлены, как стандартные, являются исходной информацией о приборе.
Данная исходная информация будет использоваться для определения результатов измерений, а также для расчетной оценки характеристик.
Также она будет использоваться для расчета метрологических характеристик и каналов измерительных систем, которые будут состоять из приборов, чья величина будет поддаваться нормированию.
Естественно, что исходная информация будет использоваться для того, чтобы наиболее оптимально подобрать место использования для каждого отдельного средства измерения.
Еще одно положение, которое касается нормативно-технического документа: в НТД необходимо нормировать метрологические характеристики, которые установлены этим же стандартом и, при необходимости, дополнительно нормировать те характеристики, которые нужны для работы прибора и являются специфическими.

Номенклатура МХ

Помимо общих положений, Госстандарт также установил общую номенклатуру метрологических характеристик:

Параметры, которые предназначены для определения результатов измерения (без каких-либо поправок).
Также была установлена номенклатура для функции преобразования измерительного преобразователя или же измерительного прибора в том случае, если шкала не имеет наименования или же ее градуировка проведена в отличных единицах от тех, которые имеются у входной величины - f(x).
Была установлена номенклатура для однозначной или же многозначной меры Y.
Номенклатура для вида выходного кода, для числа разрядов кода, для цены единицы наименьшего разряда кода средств измерений, которые предназначаются для выдачи результатов в цифровом виде.
Также была установлена номенклатура для цены деления шкалы измерительного прибора или же его многозначной меры.

Государственная метрологическая служба

Для того чтобы осуществлять деятельность по контролю за всеми эксплуатирующимися на данный момент устройствами измерения, существует госслужба РФ. Стоит сказать о том, что эта организация является не единым органом, а состоит из нескольких более мелких организаций. В метрологическую организацию входят государственные метрологические службы, целью которых является контроль и управление измерительной деятельностью, а также обеспечение единой таблицы измерений для каждого параметра.

Главное управление этой госорганизацией находится у такого органа власти, как Федеральное Агентство. Однако эта служба следит за общей работой всей структуры, в то время, как есть и метрологическое отделение, которое считается главным, но и оно входит в часть федеральной организации.

Функции органа управления

В соответствии с законом, который предписывает установить единство измерений на всей территории, на государственную метрологическую службу были возложены такие функции, как:

Координировать деятельность с целью обеспечения единства измерения между различными регионами и отраслями.
Устанавливать правила разработки, а также хранения и эксплуатации единиц измерения.
Определять общие метрологические требования к измерительным приборам, методикам, а также полученным результатам после измерений.
Осуществлять государственный метрологических контроль над приборами.
Контролировать соблюдение международных договоров о признании результатов испытания, а также
Участвовать в различных международных организациях, которые обеспечивают единство в единицах измерения.
Утверждать нормативные документы, которые созданы для обеспечения единства измерения.

Состав ГМС

Стоит сказать о том, что в состав ГМС входит множество других различных организаций. К примеру:

7 научных метрологических государственных центров.
ВНИИМС, а также около 100 других различных центров по стандартизации и метрологии.

Самые большие научные центры, которые обладают необходимым количеством специалистов и оборудованием, являются держателями государственных эталонов. То есть тех приборов, на которые равняются все остальные. Кроме того, данные институты и научные центры занимаются проведением исследований по теории измерений, по разработке научно-методических основ измерений и т.д. Деятельность этих и других организаций регулируется Федеральным агентством по и метрологии.

Принципы управления в отрасли

Для того чтобы осуществлять управление за метрологической деятельностью в различных госотраслях, государство создало отдельные организации, которые назвали метрологическими службами.

Главным человеком в таких аппаратах являлся главный метролог. А в самих отраслях были введены более мелкие по значимости конторы, которые вели свою метрологическую деятельность. Если говорить о более мелких масштабах, то на каждом промышленном объекте были введены отдельные службы, отвечающие за калибровку и настройку измерительного оборудования, а также за его поверку.

Государство обязало создавать такие небольшие организации на своих предприятиях всех, чья деятельность той или иной стороной затрагивает использование устройств измерения, для осуществления надзора и контроля.

Структура метрологической службы

Стоит сказать о том, что структура такой службы определяется типовым положением и имеет следующий вид:

Первая и главная служба метролога, которая располагается в центральном аппарате отрасли.
Далее идут метрологические службы, относящиеся к базовым.
Последними идут наиболее мелкие службы, которые привязываются непосредственно к предприятию или организации в составе этой отрасли.

Основные задачи, которые ставятся перед метрологическими службами, довольно просты и понятны. Данные государственные органы должны обеспечивать единство измерения, повышать уровень метрологического обеспечения промышленности и осуществлять метрологический контроль и надзор за каждым средством измерения.

В соответствии с методом определения значения измеряемой величины выделяют:

измерительные приборы прямого действия;
измерительные приборы сравнения.

Измерительные приборы могут осуществлять индикацию измеряемой величины по-разному. Выделяют:

показывающие измерительные приборы;
регистрирующие измерительные приборы.

Метрология – наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способа достижения требуемой точности.

Измерение – нахождение значения физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств и выражение полученного результата в принятых единицах.

Признаки измерения :

Наличие физической величины

Требуется проведение опыта

Наличие средства измерения

Числовое значение физической величины

Средство измерения – такое измерительное средство, которое обладает нормированными техническими характеристиками.

Физическая величина – свойство, общее в качественном отношении для многих физических объектов, процессов или явлений, но индивидуальная в количественном отношении.

Действительное значение физической величины – значение, которое удовлетворяет в данном случае потребительским задачам.

Классификация ФВ .

Может совершать работу: активные, пассивные

Детерминированные, случайные

Аналоговые – ФВ, которая имеет бесконечное множество значений в заданном диапазоне; квантованные

Во времени: непрерывные, дискретные

Виды измерений .

По признаку получения результата :

Прямые – измерения, при которых искомое значение определяется непосредственно в ходе эксперимента

Косвенное – используется известная функциональная зависимость между результатами измеренными прямым способом и искомой ФВ

Совместные – производится одновременное измерение нескольких разноименных ФВ для нахождения зависимости между ними

Совокупные – измерения, когда происходит одновременное измерение нескольких одноименных ФВ для определения искомых значений другой ФВ

По признаку изменения во времени :

Статические – измерение значения некоторой ФВ, значение которой неизменно в течение времени использования результата

Динамические

По признаку кратности измерения :

Однократные

Многократные

По признаку точности

Равноточные – обеспечиваются неизменные условия проведения, одни и те же средства измерения

Неравноточные – различные по уровню точности средства измерения.

Информация – сведения, уменьшающие априорную неопределенность об объекте.

Сигнал измерительной информации – сигнал, параметры которого функционально связаны с измеряемой величиной.

Информационный аспект измерения: получение любого СИИ – цепочка преобразований сигналов.

Средство измерения – технические средства, обладающие нормированными метрологическими характеристиками.

Носителем ФВ является сигнал.

Сигнал – это физический процесс протекающий во времени.

Интегральные характеристики :

- коэффициент амплитуды

- формы

- усиления

- синусоидальный

1,1,1 – меандр

- пилообразный

Классификация средств измерения .

Меры – средства измерения, воспроизводящие ФВ заданного размера

Измерительные преобразователи – средства измерения, которые выдают СИИ в форме удобной для передачи, хранения, обработки, но неудобной для непосредственного восприятия наблюдателем. Термопара. Электрическую величину в электрическую (трансформатор). Не электрическую в электрическую. Генераторные (термопара). Параметрические (термометр сопротивления) не генерируют сигнал, для работы требуется дополнительный источник питания. Датчик – конструктивно оформленный измерительный преобразователь.

Измерительные приборы – средства измерения, вырабатывающие СИИ в форме, удобной для непосредственного восприятия наблюдателем. Аналоговые, цифровые. Выходная величина аналогового есть непрерывная функция входной величины. В зависимости от возможности сохранности результата разделяются на показывающие и регистрирующие. В зависимости от места установки выделяют стационарные и переносные.

Измерительные установки – совокупность конструктивно и функционально объединенных средств измерения и вспомогательных устройств, предназначенная для рационального построения измерительного эксперимента.

Измерительная система – совокупность конструктивно и функционально объединенных средств измерения и вспомогательных устройств, предназначенная для автоматического сбора измерительной информации от ряда объектов с последующей передачей, обработкой, хранением.

К – коммутатор

ПНК – преобразователь напряжение-код

КС – канал связи

М – модулятор

ДМ – демодулятор

Методы измерений .

В зависимости от использования меры :

Метод непосредственной оценки – в процессе измерения меры не участвуют, результат получается непосредственно на отсчетном устройстве средства измерения. Мера используется опосредованно – при изготовлении прибора.

Методы сравнения – мера непосредственно участвует в процессе измерения

Нулевой метод .

НИ – нуль индикатор

Ех – измеряемое напряжение

U0 – образцовая мера

Метод заключается в том, что разность измеряемой величины и величины, воспроизводимой мерой, в процессе измерения сводится к 0, что и фиксируется НИ. Результат равен значению меры. Мостовые измерительные приборы. При высокой точности меры метод позволяет получить результат измерения с высокой точностью.

Дифференциальный метод .

Разность измеряемой величины и величины, воспроизводимой мерой, измеряется с помощью средства измерения. Результат получается как сумма значения меры и показаний средства измерения. Данный метод позволяет получать результат измерения с высокой точностью при использовании средства измерения сравнительно невысокой точности.

Δ – абсолютная погрешность вольтметра.

Метод замещения .

Происходит поочередное измерение измеряемой величины и величины, воспроизводимой мерой. Значение неизвестной величины определяется по этим двум измерениям. Обладает достаточной точностью в случае, если объект измерения примерно равен мере.

Погрешности измерений .

Погрешность – количественная характеристика

Точность – качественная характеристика, отражающая близость к нулю погрешности.

Классификация.

По способу выражения :

По месту (причине) возникновения :

Методическая – из-за неадекватности принятой модели объекта измерения

Инструментальная – приборная погрешность самого средства измерения

По характеру изменения :

Систематическая – постоянна или изменяется по известному закону

Случайная – изменяется по законам случайных чисел. Для ее нахождения используются элементы теории вероятности, статистические измерения

Промахи – субъективная погрешность оператора

По способу воздействия окружающей среды на средство измерения :

Основная – возникает при нормальных условиях эксплуатации средства измерения

Дополнительная – в условиях, отличных от нормальных

По характеру изменения во времени :

Статические – возникают при измерении постоянной во времени величины

Динамические – при измерении сигнала, изменяющегося во времени

По связи с измеренной величиной :

Аддитивная – не зависит от измеряемой величины

Мультипликативная – зависит от измеряемой величины

Характеристики средств измерений .

Неметрологические – характеристики, которые не влияют на точность результата измерения (вес, размер, цвет).

Метрологические – влияют на точность (входное сопротивление, емкость, трение и т.д.)

Основные метрологические характеристики :

Номинальная статическая функция преобразования – зависимость между информационными параметрами входного и выходного сигнала. Вводится для типа средства измерения.

Действительная функция преобразования (уравнение преобразования) – реальная характеристика преобразования. В виде функциональной зависимости, таблицы входных и выходных значений, функции в координатах.

Чувствительность – отношение приращения выходной величины к вызвавшему это приращение приращения входной величины.

Порог чувствительности (разрешающая способность) – минимальное значение входной величины, которое может быть обнаружено по изменению выходной величины.

Постоянная прибора – отношение некоторого значения измеряемой величины к показанию прибора в делениях.

Цена деления – разность между соседними отметками шкалы, причем, если эта разность есть величина постоянная, то шкала равномерная.

Диапазоны показаний – разность между максимальным и минимальным значениями.

Диапазоны измерений – область на шкале средства измерения, в которой определены (заданы) метрологические характеристики – рабочий диапазон

Характеристики средства измерения, влияющие на измерительную цепь.

Погрешности средства измерения. Основная, дополнительная. Аддитивная, мультипликативная.

Нормирование погрешности средства измерения .

Класс точности средства измерения – основная интегральная метрологическая характеристика средства измерения, дающая предел основной погрешности. В некоторых случаях класс точности задает и дополнительные погрешности, и другие метрологические характеристики. Значение класса точности выбирают из некоторого числового ряда:

У электронных осциллографов класс точности отражает другую величину.

Нормирование – задание номинальной характеристики для данного типа средства измерения и допускаемых отклонений для данного результата.

Тип средства измерения – совокупность средств измерений одного и того же назначения, основанная на одном и том же принципе, имеющие одинаковую конструкцию и выполненные по одной технологической документации.

Способ нормирования погрешности средства измерения зависит от характера абсолютной погрешности данного средства.

Погрешность имеет аддитивный характер .

при равномерной шкале.

с галочкой снизу. При неравномерной шкале.

Мультипликативный характер погрешности .

в кружочке.

Смешанный характер погрешности .

Поверка – это выяснение соответствия данного средства измерения своему классу точности.

Нормирование дополнительной погрешности .

Нормирование дополнительной погрешности сводится к заданию коэффициента влияния или функции влияния.

Электромеханические приборы .

Это приборы, в которых электрическая энергия измеряемого сигнала преобразуется в механическую энергию подвижной части прибора.

Измерительная цепь – служит для преобразования электрической энергии входного сигнала в электрическую же энергию (масштабирование)

Измерительный механизм – для преобразования электрической энергии в механическую движения подвижной части.

Отсчетное устройство – для визуализации.

Классификация электромеханических приборов .

По виду измеряемой величины (ток, напряжение, сопротивление, мощность, частота, фаза)

По роду электрического сигнала

По способу создания противодействующего момента (механический – пружина, логометрический – за счет дополнительной катушки, создающей встречное магнитное поле)

По способу успокоения подвижной части (магнитно-индукционный, воздушный, жидкостный)

По типу измерительного механизма (магнито-электрический, электро-магнитный, электро-динамический, электро-статический, индукционный, ферро-динамический)

Магнито-электрические приборы.

Магнитные полюсные наконечники, неподвижный сердечник, рамка с током, противодействующая пружинка.

Поле в зазоре равномерное.

Достоинства :

Недостатки :

Низкая перегрузочная способность

Невозможность работы на переменном токе

Относительная сложность производства

Приборы на основе МЭИМ .

Амперметры.

Вольтметры.

Омметры .

Последовательная схема.

Влияние источника питания на результат измерения убирается с помощью магнитного шунта, встроенного в конструкцию ИМ, который влияет на магнитное поле для компенсации напряжения питания.

Параллельная схема.

Достоинства:

Высокая точность

Высокая надежность

Недостаток: зависимость от напряжения питания.

Возможно построение комбинированных приборов (тестеров), измеряющих одновременно напряжение, ток, сопротивление, (индуктивность, емкость). На основе МЭИМ строятся также такие высокочувствительные приборы, как гальванометры, а также приборы для измерения на переменном напряжении.

Электронные аналоговые приборы и преобразователи .

Средства измерения, в которых преобразование сигнала измерительной информации производится с помощью аналоговых электронных устройств. Выходной сигнал таких средств измерения является непрерывной функцией входного сигнала. Используются для измерения всех видов электрических сигналов: напряжение, ток, сопротивление, фаза, частота…

Электронные вольтметры – средства измерения, в которых измеряемое напряжение преобразуется в постоянный ток, который измеряется МЭИМ.

Характеристики:

Широкий диапазон измеряемых значений напряжения, от 10^-9 В на постоянном токе до 10^3 В на переменном токе.

Высокая чувствительность за счет использования входных усилителей

Большое входное сопротивление

Широкий частотный диапазон измеряемого напряжения от 0 до 10^8 Гц

Неравномерность АЧХ не должна превышать ±3 дБ относительно опорной.

Электронные вольтметры подразделяются на :

Постоянного тока

Переменного тока

Универсальные (также измеряют дополнительные величины)

Импульсные

Селективные

Электронные вольтметры постоянного напряжения .

Входной делитель, Усилитель постоянного тока, Измерительный механизм.

Обладают высокой чувствительностью.

Особенности:

При
появляется дрейф нулевого уровня.

Для увеличения чувствительности используется модулятор, демодулятор.

Функцию модулятора и демодулятора выполняют аналоговые ключи, которые управляются генератором синхронно. Позволяет получать величину коэффициента усиления до ~10^5. Зависит от полярности.

Вольтметры переменного тока .

В зависимости от преобразователя:

Амплитудных значений

Средних значений

Действующих значений

Пиковые детекторы – преобразователи в вольтметрах амплитудных значений.

Пиковый детектор с открытым входом.

Происходит подзаряд конденсатора положительной полуволной, отрицательная полуволна не пропускается диодом. Для минимизации пульсаций подбирают время заряда-разряда конденсатора

Пиковый детектор с закрытым входом.

Из-за градуировки в действующих значениях
, коэффициент амплитуды синусоидального сигнала. Если не синусоидальный сигнал, то

Вольтметры средних значений .

Усилитель переменного напряжения, преобразователь.

Увеличение входного напряжения увеличивает чувствительность и уменьшает влияние нелинейности входных диодов преобразователя (за счет перехода в область линейной зависимости)

для несинусоидального сигнала.

Для усиления сигнала используют квадратирующие устройства.

. Шкала у таких приборов квадратичная.

Универсальные вольтметры .

На основе пиковых детекторов с закрытым входом.

Постоянное напряжение: 0.1÷600В

Переменное напряжение: 1÷600В

Сопротивление: 10Ом÷100Мом

Импульсные вольтметры.

Для измерения амплитуды сигналов различной формы.

Особенности:

Шкала градуируется в амплитудных значениях. Пиковый детектор с закрытым входом.

Селективные вольтметры .

Для измерения действующих значений напряжения в некоторой полосе частот или действующего значения определенных гармоник.

Пропускает одну частоту. Действующее значение сигнала для реального вольтметра. Невысокая точность 6÷15% основная погрешность. 0.1мкВ÷1В. 10Гц÷100кГц.

Электронно-лучевой осциллограф .

Для визуального наблюдения, измерения и регистрации электрических сигналов.

Особенности:

Широкий частотный диапазон

Высокая чувствительность

Большое входное сопротивление

Электронно-лучевая трубка.

К – катод: эмиссия электронов.

А1, А2 – аноды.

А1 – фокусировка: толщина линии

А2 – ускоряющий анод.

УГО – усилитель горизонтального отклонения. УВО – вертикального.

А3 – измерение импульсных сигналов большой скважности.

Характеристики :

Чувствительность

Полоса пропускания

Длительность послесвечения – время между прекращением действия луча и моментом, когда яркость достигнет 1% от первоначальной

Рабочая площадь экрана: геометрические размеры и нелинейность отклонения луча.

Обобщенная структура осциллографа .

ВД – входной делитель – масштабирование входного сигнала

ПУ – пусковое устройство – пуск канала вертикального отклонения

ЛЗ – линия задержки – для задержки входного сигнала на некоторое время, время срабатывания ГР

ВУ – выходной усилитель – для формирования сигнала, управляющего непосредственно пластинами вертикального отклонения.

УВО – усилитель вертикального отклонения

КА – калибратор амплитуд – генератор прямоугольных импульсов с известными значениями амплитуды и частоты. Таким образом, при калибровке устанавливаются нормированные значения амплитуды и частоты, по которым осуществляется настройка коэффициентов отклонения и развертки.

КД – калибратор длительности

БС – блок синхронизации – для получения устойчивой картинки, для чего частота ГР делается переменной

ГР – генератор развертки – формирование пилообразного сигнала

УГО – усилитель горизонтального отклонения

Нормировка погрешности .

4 класса точности: 1(3%), 2(5%), 3(10%), 4(12%) – для Ко и Кд.

Эта погрешность нормируется, когда на вход осциллографа подаются нормированные сигналы (меандр или синус).

Если период наблюдаемого сигнала кратен частоте ГР, то видим стационарную картинку. Для компенсации времени сдвига используется ЛЗ.

Ждущая и автоматическая синхронизация: в режиме ждущей ГР запускается только одновременно с приходом наблюдаемого сигнала.

Закрытый вход – проходит только переменная составляющая, Открытый – постоянная тоже.

Цифровые измерительные устройства .

Это устройства, автоматически вырабатывающие дискретные сигналы цифровой информации и показания представляются в цифровом виде.

Вырабатывает цифровой код в соответствии с измеряемой величиной, при этом непрерывная аналоговая величина квантуется по уровню и дискретизируется во времени.

Дискретизация во времени – преобразование, при котором значение величины отличается от 0 и совпадает с соответствующим значением измеряемой величины только в определенные моменты времени. Промежутки между этими значениями – шаг дискретизации.

Квантование по уровню – преобразование, при котором непрерывная аналоговая величина принимает фиксированные, квантованные значения. Эти значения – уровни квантования или кванты.

Важной характеристикой является правило отождествления измеряемой величины и уровней квантования.

Основные методы преобразования непрерывной величины в код .

Метод последовательного счета – обладает максимальным временем измерения, но самый дешевый.

Метод последовательного приближения – каждый следующий шаг – половина предыдущего.

Метод считывания – одновременное сравнение измеряемой величины со всеми уровнями квантования сразу. Время измерения самое маленькое, но дорогой.

Классификация ЦИУ .

По способу преобразования :

последовательного счета

последовательного приближения

считывания

По виду измеряемой величины

По способу усреднения измеряемой величины :

мгновенных значений

усредняющие (интегрирующие)

По режиму работы :

циклического действия (по жесткой программе)

следящие – отслеживают изменения квантующей величины на некоторое значение

ЦИУ=АЦП+ОУ, ЦП=ЦАП+АЦП

Основные метрологические характеристики ЦИУ.

Статические :

погрешность дискретности (квантования)

чувствительности

реализации уровней квантования

от действия помех

Погрешность дискретности .

Погрешность квантования – методическая. Систематическая – мат ожидание.

Погрешность чувствительности . Возникает в следствии неидеальности сравнивающего устройства.

Погрешность от реализации уровней квантования .

Δд – методическая; Δч, Δр – инструментальная

Если смещение уровней квантования зависит от номера уровня, то погрешность
.

Погрешность, возникающая при квантовании временного интервала. При измерении временного интервала используются квантующие импульсы известной частоты.

Погрешности от временного сдвига старт- и стоп-импульсов относительно квантующего.

Старт-импульс синхронизируют с половиной периода квантующего импульса.

Класс точности c/d.

Время-импульсный цифровой вольтметр .

Измеряемое Uxпреобразуется во временной интервалTx, который в свою очередь измеряется путем квантования импульсами стабильной частотыf0 и подсчетом этих импульсов за времяtxпреобразуется в код.

Угол наклона Ukили скорость его формирования известны.