Метрология: наука об измирениях

Электромеханические и электронные приборы. Используемые при электрорадиоизмерениях приборы по принципу действия можно разделить на электромеханические и электронные. К электромеханическим относят приборы, основанные на взаимодействии полей, чаще всего магнитных. Электромеханические приборы применяют в основном для измерений в цепях постоянного тока и токов промышленной частоты, обычно с погрешностью 1...4%. Существуют и более точные электромеханические приборы, обеспечивающие погрешность 0,1 ...0,2 %. Достижение такой точности связано со значительным удорожанием приборов.

Электромеханические приборы  магнитоэлектрической системы используются в измерительной практике как  составная часть тестеров для измерений напряжения, тока и сопротивления на постоянном токе или на низких частотах.

При радиотехнических измерениях применяют электронные приборы, построенные на основе активных элементов: транзисторов, диодов и интегральных микросхем. В аналоговых электронных приборах в качестве показывающего устройства часто используют магнитоэлектрические приборы или электронно-лучевые трубки (ЭЛТ), а в цифровых — различные цифровые показывающие устройства.

Измерительные приборы прямого преобразования и сравнения. Измерительные приборы характеризуют функцией преобразования — зависимостью выходного сигнала у от входного х, т.е. у = /(х) в статическом режиме при неизменном во времени измерительном сигнале. В литературе функцию преобразования часто называют гра- дуировочной характеристикой.

По принципу построения различают измерительные приборы прямого преобразования и средства сравнения. Приборы прямого преобразования реализуют метод непосредственной оценки измеряемой величины. Они состоят из последовательно соединенных измерительных преобразователей (рис. 1.1). Для описания линейных преобразователей удобно пользоваться коэффициентом передачи. Общий коэффициент передачи прибора прямого преобразования

где у их— выходной и входной сигналы; К_П — коэффициент передачи последовательно включенных преобразователей; К₁ (/ = = 1, 2, ..., п) — коэффициенты передачи измерительных преобразователей.

 

 

Рис. 1.2. Структурная схема  прибора сравнения

Преобразователь1		Преобразователь2		Преобразователь n	У	Отсчетное
						устройство

Рис. 1.1. Структурная схема  прибора прямого преобразования

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Средства измерений  сравнения реализуют метод сравнения  измеряемой величины с величиной, воспроизводимой мерой. Их строят по структурной схеме, показанной на рис. 1.2. Цепь прямого преобразования, состоящая из последовательно включенных измерительных преобразователей, охвачена отрицательной связью. Обратную связь реализует преобразователь обратной связи. управляющий мерой. Сравнивающее устройство обычно производит вычитание сигнала обратной связи х_{а с} из входного сигнала х, так что выходной сигнал средства измерений

у = К_п(х-х_ос). (1.3)

Сигнал обратной связи

(1.4)

где К_ос — коэффициент передачи цепи обратной связи.

Средства измерений  сравнения могут быть реализованы  с полным и неполным уравновешиванием. При полном уравновешивании х = х_ос и, следовательно, у = х/К_0С, а коэффициент передачи

К= 1/К_ос. (1.5)

Коэффициент передачи такого средства измерений полностью определяется коэффициентом обратной связи К_ос и не зависит от коэффициента передачи цепи прямого преобразования. Метод измерений, при котором х = х_ос, называют нулевым.

Если уравновешивание  неполное, то реализуется дифференциальный метод, при котором измеряется разность х - х_{0 с}. При этом выходной сигнал получают из совместного решения уравнений (1.3) и (1.4):

У - К_пх/(1 + К_пК_ос). (1.6)

Обычно К_пК_{о с} > 1, поэтому у ~ х/К_{0 С}, и К а 1 /К_{о с}. Следовательно, коэффициент передачи прибора сравнения практически не зависит от коэффициента передачи цепи прямого преобразования, а определяется цепью обратного преобразования. Метод замещения основан на сравнении измеряемой величины с мерой известной величины.

Средства измерений  чаще всего имеют комбинированную  структуру и содержат несколько внутренних цепей обратной связи, а также преобразователи, не охваченные обратной связью.

Система обозначений средств измерений. Электронные радиоизмерительные средства измерений обозначают несколькими символами. Первый символ — буква русского алфавита — характеризует измеряемый параметр или назначение средства измерений. Так, буквой В обозначают вольтметры, буквой Ч — частотомеры, С — осциллографы, Ф — фазометры, М — ваттметры, Г — генераторы.

Второй символ в обозначении  прибора — цифра — конкретизирует назначение прибора. В каждой подгруппе приборы подразделяют на несколько видов в зависимости от выполняемой функции. Например, в подгруппе В различают: В1 —установки или приборы для поверки вольтметров; В2 — вольтметры постоянного тока; ВЗ — вольтметры переменного тока; В4 — импульсные вольтметры.

Третий символ указывает  номер модели. В комбинированных приборах после буквы, обозначающей основной измеряемый параметр, добавляют букву К. Если прибор подвергался модификации, то после номера модели добавляют букву А, а если модификаций было две, то добавляют букву Б.

Принятая классификация не распространяется на некоторые электроизмерительные приборы и эталонными средства измерений. Так, вольтметры, частотомеры и другие измерительные приборы в этом случае обозначают буквами Р, Ф или Щ и несколькими цифрами, от двух до четырех. Одной и той же буквой могут обозначаться приборы разного назначения, например Ф4327 — анализатор спектра, Ф200 — цифровой вольтметр, Ф4206 — цифровой омметр, Ф5034 — частотомер[7, c.10- 11].

В настоящее время  используют большое количество импортных  средств измерений, выпущенных различными фирмами, для которых нет единой системы обозначений.

1.6. МЕТРОЛОГИЧЕСКАЯ СЛУЖБА

Для решения основной задачи метрологии — обеспечения  единства измерений — существует метрологическая служба. Ее организационная структура включает в себя сеть научно-исследовательских метрологических институтов, промышленных предприятий и центров стандартизации и метрологии, рассредоточенных по территории страны для метрологического обслуживания измерительной техники без массовых дальних перевозок.

Меры обеспечения единства измерений. Для обеспечения единства измерений реализуют следующие научно-технические, методические и административные мероприятия:

14. использование законодательно установленной системы единиц физических величин, разрешенных для применения. Она основана на системе единиц СИ, дополненной некоторыми другими единицами;
15. разработка и применение эталонов единиц физических величин, воспроизводящих единицы в соответствии с их определением. Парк эталонов составляет материальную основу обеспечения единства измерений и повышения их точности;
16. использование только аттестованных данных о физических константах и физико-химических свойствах материалов и веществ;
17. государственные испытания при разработке, выпуске и импорте приборов. К обращению в стране допускаются только приборы при условии удовлетворения ими определенных метрологических требований;
18. периодическая поверка находящихся в обращении средств измерений. Изъятие из обращения неисправных приборов;
19. измерения и поверка приборов строго в соответствии с аттестованными методами измерений и поверки. Погрешность измерений должна быть известна;
20. метрологический надзор и контроль над состоянием и применением средств измерений.

Нормативно-правовой основой  метрологического обеспечения научной и производственной деятельности является Государственная система обеспечения единства измерений (ГСИ). Она представляет собой совокупность нормативно-технических документов, регламентирующих номенклатуру единиц физических величин, методы воспроизведения заданного размера физических величин, их передачу рабочим средствам измерений, метрологические характеристики средств измерений, оформление и представление средств измерений. Основными документами являются государственные стандарты. Более низкий статус имеют руководящие документы, рекомендации, правила и технические условия.

Система единиц. В нашей стране, как и в большинстве стран мира, принята Международная система единиц СИ. Основными единицами системы являются метр, килограмм, секунда, ампер, кельвин, кандела, моль, а дополнительными — радиан, стерадиан. Производные единицы — вольт, ватт, джоуль и другие — образуют из основных и дополнительных на основе зависимостей, связывающих эти параметры. Например, количество электричества определяют произведением тока на время.

Допускаются к использованию  и широко распространены также некоторые другие единицы, которые оказались удобными в некоторых областях или сохранились в силу традиций. К таким единицам относятся единицы плоского угла (градус, минута, секунда), единица давления (мм рт. ст.).

Эталоны единиц физических величин. Для обеспечения единства измерений следует иметь средства измерений, воспроизводящие и хранящие размеры единиц физических величин, а также передавать эти единицы рабочим средствам измерений. Воспроизведение физических величин с высшей точностью осуществляют с помощью эталонов единиц физических величин, обеспечивающих единообразие мер и единство измерений.

В зависимости от их назначения различают несколько видов эталонов. Первичным называют эталон, обеспечивающий воспроизведение единицы физической величины с наивысшей в стране точностью. Специальные эталоны воспроизводят единицу в особых условиях, в которых первичный эталон неработоспособен. Например, первичный эталон воспроизводит единицу ЭДС и напряжения на постоянном токе. Эталоны ЭДС и напряжения для диапазонов частот 20 Гц ... 30 МГц и 30 МГц ... 3 ГГц являются специальными. Эталоны, воспроизводящие единицу одной и той же физической величины в разных диапазонах частот, значительно отличаются по своей структуре и могут строиться на различных принципах измерений.

Первичные или специальные  эталоны, официально утвержденные в качестве исходных для страны, называют государственными.

Прикладная метрологическая  деятельность осуществляется обычно с помощью вторичных эталонов, эталонов-свидетелей, эталонов сравнения и рабочих эталонов.

Эталон-свидетель служит для проверки сохранности государственного эталона или его замены в случае порчи или утраты. Эталон сравнения предназначен для передачи воспроизводимого первичным эталоном размера при сличении (сравнении) эталонов, которые не могут быть сличены друг с другом из-за невозможности их перевозки. [7, c.11- 12].

 

Рабочий эталон предназначен для передачи размера физической единицы рабочим средствам измерений. В литературе встречается и устаревшее название рабочих эталонов — образцовые средства измерений.

В настоящее время  в нашей стране существует более 140 первичных и специальных эталонов. грешность воспроизведения может возрастать до нескольких процентов.

Возрастающие требования к точности измерений в различных  областях народного хозяйства стимулируют  создание новых специальных эталонов и увеличение точности уже существующих. При разработке эталонов стремятся использовать стабильные физические явления и процессы, воспроизведение которых обеспечивается фундаментальными законами физики и мало зависит от конкретных особенностей построения эталонов. Примером такого подхода является утвержденный в 1983 г. Государственный первичный эталон времени и частоты, основанный на резонансном поглощении электромагнитной волны атомами цезия.

Эталоны различных физических величин стараются строить так, чтобы они образовывали взаимосвязанную  систему. Такие связи устанавливаются  за счет использования первичных эталонов основных физических величин. Например, специальные эталоны мощности электромагнитных колебаний на СВЧ и мощности в оптическом диапазоне связаны между собой, так как их аттестуют по напряжению и сопротивлению на постоянном токе. Эталоны одной и той же физической величины для разных диапазонов частот сличают на перекрывающихся границах рабочих диапазонов.

1.7. ГОСУДАРСТВЕННЫЕ ИСПЫТАНИЯ, ПОВЕРКА И РЕВИЗИЯ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ

Важнейшими мерами по обеспечению определенного метрологического уровня разрабатываемых, выпускаемых и находящихся в эксплуатации средств измерений являются испытания, поверка и ревизия.

Государственные испытания. Государственным испытаниям подвергают образцы средств измерений, предназначенных к серийному производству, а также ввозу из-за границы. В ходе испытаний устанавливают соответствие реальных метрологических характеристик средств измерений техническим нормам и современному уровню развития измерительной техники.

Существуют приемочные и контрольные испытания. Государственным приемочным испытаниям подвергают опытные образцы средств измерений нового типа, предназначенных для серийного производства, а также образцы средств измерений, ввозимых из- за границы. Положительные результаты приемочных испытаний служат основанием для выдачи разрешения на серийное производство средств измерений, а для импортируемых средств измерений — на ввоз партии.