МЕТРОЛОГИЯ, СТАНДАРТИЗАЦИЯ И СЕРТИФИКАЦИЯ

Поможем в ✍️ написании учебной работы

Имя

Поможем с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой

Нажимая кнопку "Продолжить", я принимаю политику конфиденциальности

МЕТРОЛОГИЯ, СТАНДАРТИЗАЦИЯ И СЕРТИФИКАЦИЯ

Утверждено Редакционно-издательским советом

университета в качестве учебного пособия

Пермь 2003

УДК 53.03+658.516+658.562](075.8)

Щ 25

Рецензенты:

канд.техн.наук, доцент В.А. Трефилов

(Пермский государственный технический университет);

технический директор, канд. техн. наук И.Я. Сальников

(ЗАО «Энергосервис»)

Щапова И.Н.

Щ 25 Метрология, стандартизация и сертификация: Учеб. пособие / Перм. гос. техн. ун-т. – Пермь, 2003. – 69 с.

Рассмотрены основы метрологии, методы и средства измерений электрических и неэлектрических величин, организационные и нормативно-методические основы стандартизации и сертификации.

Для студентов, обучающихся по направлению «Электротехника, электромеханика и электротехнологии».

УДК 53.03+658.516+658.562](075.8)

ã Пермский государственный

технический университет, 2003

ОГЛАВЛЕНИЕ

1. ПРЕДМЕТ И ЗАДАЧИ МЕТРОЛОГИИ......................................................... 5

1.1. Краткая историческая справка о развитии метрологии................. 6

1.2. Физические свойства и величины.................................................... 7

2. ИЗМЕРЕНИЕ, МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЙ,

СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ............................................................................. 10

3. МЕТРОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ............................................................................... 15

3.1. Основные понятия теории погрешностей...................................... 16

3.2. Систематические погрешности: обнаружение и исключение....... 21

3.3. Компенсация систематической погрешности в процессе

измерения........................................................................................ 23

3.4. Случайные погрешности (вероятностное описание).................... 24

3.5. Классы точности средств измерений............................................. 25

4. ЭЛЕКТРОИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ

И ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН......................................... 28

4.1. Электромеханические приборы..................................................... 28

4.2. Магнитоэлектрические приборы с преобразователем

переменного тока в постоянный.................................................... 33

4.3. Электронные аналоговые вольтметры.......................................... 36

4.4. Компенсаторы постоянного тока................................................... 38

4.5. Измерительные мосты.................................................................... 40

5. ЦИФРОВЫЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ............................................. 42

6. ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ

И ИЗМЕРИТЕЛЬНО-ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ КОМПЛЕКСЫ...................... 46

7. МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ

НЕЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН................................................................ 49

7.1. Генераторные измерительные преобразователи.......................... 50

7.2. Параметрические измерительные преобразователи..................... 52

8. ПРИНЦИПЫ МЕТРОЛОГИЧЕСКОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ........................... 58

8.1. Основы метрологического обеспечения........................................ 58

8.2. Метрологические службы и организации..................................... 59

9. ГОСУДАРСТВЕННАЯ СИСТЕМА СТАНДАРТИЗАЦИИ......................... 60

9.1. Основы государственной системы стандартизации...................... 60

9.2. Научно-технические принципы стандартизации.......................... 61

9.3. Определение оптимального уровня унификации и стандартизации 62

9.4. Международная организация по стандартизации (ИСО)............ 63

10. СЕРТИФИКАЦИЯ ПРОДУКЦИИ.............................................................. 63

Список литературы............................................................................... 69

ПРЕДМЕТ И ЗАДАЧИ МЕТРОЛОГИИ

В процессе познавательной деятельности человека возникает множество задач, для решения которых необходимо располагать количественной информацией о том или ином свойстве объектов материального мира (явления, процесса, вещества, изделия). Основным способом получения такой информации являются измерения, при правильной организации и выполнении которых получают результат измерения с большей или меньшей точностью отражающий интересующие свойства объекта познания.

Необходимо иметь в виду, что сегодня измерения пронизывают все сферы инженерного труда. Измерительная информация является основой для принятия технических и управленческих решений при испытаниях продукции, оценивании ее технического уровня, аттестации и сертификации качества. И естественно, что только высокая и гарантированная точность результатов измерений обеспечивает правильность принимаемых решений. Поэтому знание современных правил, норм и требований в области измерений также обязательно для специалистов, осуществляющих функции управления и организации производства.

При этом важно не только уметь выполнить измерение и оценить погрешность результата, но и так спланировать и осуществить процедуру измерения, чтобы обеспечить требуемую точность или свести погрешности к минимуму.

Говоря о точности измерений, следует заметить, что уровень точности, к которому надо стремиться, должен определяться критериями технической и экономической целесообразности. Известно, что увеличение точности измерения вдвое удорожает само измерение в несколько раз. В то же время снижение точности измерения в производстве ниже определенной нормы приводит к браку продукции. При назначении точности измерений важно также учитывать их значимость.

С развитием науки, техники и разработкой новых технологий измерения охватывают все новые и новые физические величины, существенно расширяются диапазоны измерений, как в сторону измерения сверхмалых значений, так и в сторону очень больших значений физических величин. Непрерывно повышаются требования к точности измерений.

В этих условиях, чтобы успешно справиться с многочисленными и разнообразными проблемами измерений, необходимо освоить некоторые общие принципы их решения, нужен единый научный и законодательный фундамент. Таким фундаментом является метрология.

Метрология – наука об измерениях, методах, средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности (греческое слово «метрология» образовано от слов «метрон» – мера и «логос» – учение).

Метрология делится на три самостоятельных и взаимно дополняющих раздела.

Метрология

Теоретическая (общие вопросы теории измерений)

Прикладная (вопросы практического применения результатов теоретических исследований)

Законодательная (общие правила, требования и нормы)

Предметом метрологии является извлечение количественной информации о свойствах объектов и процессов с заданной точностью и достоверностью.

Средства метрологии – это совокупность средств измерений и метрологических стандартов, обеспечивающих их рациональное использование.

Основное понятие метрологии – измерение – это нахождение значения физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств. Диапазон измеряемых величин и их количество постоянно растут. Поэтому следует говорить об измерительных технологиях, понимаемых как последовательность действий, направленных на получение измерительной информации требуемого качества.

Без измерений не может обойтись ни одна наука, поэтому метрология как наука об измерениях находится в тесной связи со всеми другими науками.

Значимость измерений выражается в трех аспектах:

Философском (измерения являются важнейшим универсаль-ным методом познания физических явлений и процессов)

Научном (с помощью измерений в науке осуществляется связь теории и практики, проверка научных гипотез и следовательно развитие науки)

Техническом (измерения обеспечивают получение количественной информации об объекте управления или контроля)

1.1. Краткая историческая справка о развитии метрологии

В древнейшие времена люди обходились только счетом однородных объектов – голов скота, числа воинов и т.п. По мере развития общества появилась необходимость в количественной оценке различных величин – расстояний, веса, размеров, объемов и т.д. В процессе развития промышленности были созданы специальные устройства – средства измерений, предназначенные для количественной оценки различных величин (часы, весы, меры длины и другие измерительные устройства).

На определенном этапе своего развития измерения стали причиной возникновения метрологии. Развитие науки и техники привело к использованию множества мер одних и тех же величин, применяемых в различных странах. Так, расстояние в России измерялось верстами, а в Англии – милями. Все это существенно затрудняло сотрудничество между государствами в торговле, науке.

С целью унифицировать единицы физических величин, сделать их независимыми от времени и разного рода случайностей во Франции была разработана и утверждена в 1791 г. метрическая система мер. Эта система строилась на основе естественной единицы – метра, равного одной сорокамиллионной части меридиана, проходящего через Париж. За единицу массы принимался килограмм – масса кубического дециметра чистой воды при температуре +4°С.

В 1842 г. на территории Петропавловской крепости в Санкт-Петербурге в специально построенном здании открылось первое метрологическое учреждение России – Депо образцовых мер и весов. В нем хранились эталоны и их копии, изготавливались образцовые меры для передачи в другие города, проводились сличения российских мер с иностранными.

Очень много для развития отечественной метрологии сделал Д.И.Менделеев. В 1893 г. на базе Депо образцовых мер и весов была утверждена Главная палата мер и весов, управляющим которой до последних дней жизни был Д.И. Менделеев. В настоящее время на ее базе существует высшее научное учреждение страны – Всероссийский научно-исследовательский институт метрологии им. Д.И. Менделеева (ВНИИМ).

В 1960 г. ХI Международная конференция по мерам и весам приняла Международную систему единиц физических величин – систему СИ («система интернациональная»). Сегодня метрическая система узаконена более чем в 124 странах мира.

СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ

Измерение – сложный процесс, включающий в себя взаимодействие целого ряда его структурных элементов. К ним относятся: измерительная задача, объект измерения, принцип, метод и средство измерения и его модель, условия измерения, субъект измерения, результат и погрешность измерения.

Основные этапы измерений:

· постановка измерительной задачи (накопление информации об объекте измерения, формирование модели объекта и т.д.);

· планирование измерения (выбор методов, средств измерений, оценка погрешности измерения и т.д.);

· измерительный эксперимент;

· обработка экспериментальных данных.

Задача (цель) любого измерения заключается в определении значения выбранной (измеряемой) ФВ с требуемой точностью в заданных условиях. Постановку задачи измерения осуществляет субъект измерения – человек.

Объект измерения – это реальный физический объект, свойства которого характеризуются одной или несколькими измеряемыми ФВ.

Субъект измерения – человек принципиально не в состоянии представить себе объект целиком, во всем многообразии его свойств и связей. Вследствие этого взаимодействие субъекта с объектом возможно только на основе математической модели объекта. Математическая модель объекта измерения – это совокупность математических символов (образов) и отношений между ними, которая адекватно описывает интересующие субъекта свойства объекта измерения.

Основной проблемой моделирования объектов измерений является выбор таких моделей, которые можно считать адекватно описывающими измеряемые величины (свойства) данного объекта. При этом зачастую приходится решать две взаимоисключающие задачи: модель должна адекватно отражать все свойства объекта, необходимые для решения измерительной задачи, и в то же время быть по возможности простой и содержать минимум параметров.

По способу нахождения искомого значения измеряемой величины различают прямые (непосредственно по показаниям СИ), косвенные (рассчитывают по формуле, а значения величин, входящих в формулу, получают измерениями), совместные (одновременные измерения двух или нескольких разнородных величин для установления зависимости между ними) и совокупные (производимые одновременно измерения нескольких одноименных величин, при которых искомые значения величин находят решением системы уравнений, получаемых при прямых измерениях различных сочетаний этих величин) измерения.

Измерительная информация, т.е. информация о значениях измеряемой ФВ, содержится в измерительном сигнале. Измерительный сигнал – это сигнал, содержащий количественную информацию об измеряемой ФВ. Он поступает на вход СИ, при помощи которого преобразуется в выходной сигнал, имеющий форму, удобную либо для непосредственного восприятия человеком (субъектом измерения), либо для последующей обработки и передачи. Субъект измерения осуществляет выбор принципа, метода и средства измерений.

Принцип измерений – совокупность физических принципов, на которых основаны измерения.

Метод измерения – это прием или совокупность приемов сравнения измеряемой ФВ с ее единицей в соответствии с реализованным принципом измерения. Метод измерения должен по возможности иметь минимальную погрешность и способствовать исключению систематических погрешностей или переводу их в разряд случайных (см. п. 3.1, 3.2).

Методы измерения можно классифицировать по различным признакам, среди которых:

- физический принцип, положенный в основу измерения. По нему все методы измерений делятся на электрические, магнитные, акустические, оптические, механические и т.д.;

- режим взаимодействия средства и объекта измерений. В этом случае все методы измерений подразделяются на статические и динамические;

- вид измерительных сигналов, применяемый в средстве измерения. В соответствии с ним методы делятся на аналоговые и цифровые.

Как известно, искомое значение ФВ находится посредством сопоставления ее с мерой, материализующей единицу этой величины. В зависимости от способа применения меры различают метод непосредственной оценки и методы сравнения (рис. 2) [2].

Рис. 2. Классификация методов измерения

При измерении методом непосредственной оценки искомое значение величины определяют непосредственно по отсчетному устройству средства измерения, которое проградуировано в соответствующих единицах (например, измерение напряжения электромеханическим вольтметром магнито-электрической системы).

В методах сравнения измеряемая величина сравнивается с величиной, воспроизводимой мерой (например, сравнение массы на рычажных весах). Отличительной чертой методов сравнения является непосредственное участие меры в процедуре измерения, в то время как в методе непосредственной оценки мера в явном виде при измерении не присутствует, а ее размеры перенесены на отсчетное устройство (шкалу) средства измерения заранее, при его градуировке. Обязательным в методе сравнения является наличие сравнивающего устройства. Сравнение можно проводить различными способами, поэтому метод сравнения распадается на ряд разновидностей.

0 m_x m₀ Рис. 3. Измерение массы нулевым методом

Рис. 4. Измерение сопротивления нулевым методом

Нулевой метод (или метод полного уравновешивания) – метод сравнения с мерой, в котором результирующий эффект воздействия измеряемой величины и встречного воздействия меры на сравнивающее устройство сводят к нулю. Это контролируется специальным измерительным прибором высокой точности – нуль-индикатором. В данном случае значение измеряемой величины равно значению, которое воспроизводит мера. Примеры нулевого метода: 1) измерение массы на равноплечих весах, когда воздействие на весы массы m_x полностью уравновешивается массой гирь m₀ (рис. 3); 2) измерение активного сопротивления мостом постоянного тока с полным его уравновешиванием (рис. 4). Измерение при помощи моста можно рассматривать как сравнение неизвестного сопротивления R_x с образцовым сопротивлением R₁ при сохранении неизменным отношения R₂/R₃ (из условия равновесия моста R₁R₂=R_xR₃ (см. п. 4.5) следует, что R_x=R₁× R₂/R₃).

При дифференциальном методе о значении величины Х судят по измеряемой прибором разности DХ=Х – Х_м и по известной величине Х_м, воспроизводимой мерой. Следовательно, Х=Х_м+DХ. При дифференциальном методе полное уравновешивание не производят. Примером дифференциального метода может служить измерение вольтметром разности двух напряжений, из которых одно известно с большой точностью, а другое представляет собой искомую величину.

Метод замещения заключается в поочередном измерении прибором искомой величины и выходного сигнала меры, однородного с измеряемой величиной. Так как погрешность прибора неодинакова в различных точках шкалы, наибольшая точность измерения получается при одинаковых показаниях прибора. Пример метода замещения – измерение большого электрического активного сопротивления путем поочередного измерения силы тока, протекающего через контролируемый и образцовый резисторы. Другой пример – взвешивание с поочередным помещением измеряемой массы и гирь на одну и ту же чашку весов.

При методе совпадений разность между измеряемой величиной и величиной, воспроизводимой мерой, определяют, используя совпадение отметок шкал или периодических сигналов (широко используется в практике неэлектрических измерений). Примером использования данного метода в электрических измерениях является измерение частоты вращения тела посредством стробоскопа. Метод совпадений, использующий совпадения основной и нониусной отметок шкал, реализуется в штангенприборах, применяемых для измерения линейных размеров.

Метод измерений реализуется в средстве измерений – техническом средстве, используемом при измерениях и имеющем нормированные метрологические характеристики, т.е. характеристики, влияющие на результаты и на точность измерений.

Средство измерения обладает одним из двух признаков:

- вырабатывает сигнал (показание), несущий информацию о размере (значении) измеряемой величины;

- воспроизводит величину заданного (известного) размера (например, гиря – заданную массу, магазин сопротивлений – ряд дискретных значений сопротивления).

Средства измерений (СИ) могут быть элементарными (меры, устройства сравнения и измерительные преобразователи) и комплексными (регистрирующие и показывающие измерительные приборы, измерительные системы, измерительно-вычислительные комплексы). Классификация средств измерений по их роли в процессе измерения и выполняемым функциям является основной и представлена на рис. 5 [3].

Мера – это средство измерений, предназначенное для воспроизведения одного или нескольких фиксированных значений физической величины (например, мера массы – гиря, мера индуктивности – образцовая катушка индуктивности и т.д.).

Измерительный преобразователь – это средство измерений, предназначенное для преобразования сигналов измерительной информации в форму, целесообразную для передачи, обработки или хранения. Измерительная информация на выходе измерительного преобразователя, как правило, недоступна для непосредственного восприятия наблюдателем. К измерительным преобразователям относятся термопары, измерительные трансформаторы тока и напряжения, измерительные усилители, преобразователи давления и т.д.

Измерительные преобразователи (ИП) классифицируются по ряду признаков.

По местоположению в измерительной цепи преобразователи делятся на первичные и промежуточные. Первичный преобразователь – это такой ИП, на который непосредственно воздействует измеряемая ФВ, т.е. он является первым в измерительной цепи средством измерений. Промежуточные преобразователи располагаются в измерительной цепи после первичного [5].

Кроме термина «первичный измерительный преобразователь» используется близкий к нему термин – «датчик». Электрический датчик – это один или несколько измерительных преобразователей, служащих для преобразования измеряемой неэлектрической величины в электрическую и объединенных в единую конструкцию.

Рис. 5. Классификация средств измерений по их роли

в процессе измерения и выполняемым функциям

По характеру преобразования входной величины ИП делятся на линейные (имеющие линейную связь между входной и выходной величинами) и нелинейные (имеющие нелинейную связь).

По виду входных и выходных величин различают следующие ИП:

· аналоговые, преобразующие одну аналоговую величину в другую аналоговую величину;

· аналого-цифровые (АЦП), предназначенные для преобразования аналогового измерительного сигнала в цифровой код;

· цифро-аналоговые (ЦАП), предназначенные для преобразования цифрового кода в аналоговую величину.

Устройство сравнения (компаратор) – это средство измерений, дающее возможность выполнять сравнение мер однородных величин или же показаний измерительных приборов. Примером могут служить рычажные весы, на одну чашку которых устанавливается образцовая гиря, а на другую – проверяемая. Во многих относительно простых СИ роль компаратора выполняют органы чувств человека, главным образом зрение, например при сравнении отклонения указателя прибора и числа делений, нанесенных на его шкале. Особенно широкое распространение компараторы получили в современной электронной технике, где они используются для сравнения напряжений и токов.

Измерительный прибор – средство измерений, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем. В зависимости от формы представления информации различают аналоговые и цифровые приборы. Аналоговым называют измерительный прибор, показания которого являются непрерывной функцией измеряемой величины. Например, ртутно-стеклянный термометр, стрелочный вольтметр (в аналоговых вольтметрах измеряемое напряжение преобразуется в угол поворота стрелки с помощью первичного электромеханического ИП). В цифровом приборе осуществляется преобразование аналогового сигнала измерительной информации в цифровой код, и результат измерения отражается на цифровом табло.

Обобщенная структурная схема измерительного прибора приведена на рис.6.

Устройство преобразования

Измеряемая Показания

ФВ Первичный Совокупность Отсчетное прибора

измерительный элементарных устройство

преобразователь СИ

Рис. 6. Обобщенная структурная схема измерительного прибора

Измерительная установка – совокупность функционально объединенных средств измерений и вспомогательных устройств, предназначенная для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для непосредственного восприятия наблюдателем и расположенная в одном месте.

Измерительная система – совокупность средств измерений и вспомогательных устройств, соединенных между собой каналами связи, предназначенная для выработки сигналов измерительной информации в форме, удобной для автоматической обработки, передачи и (или) использования в системах управления, контроля, диагностирования и т.п.

СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ

Для оценки пригодности СИ к измерениям в известном диапазоне с известной точностью вводят метрологические характеристики СИ с целью: обеспечения возможности установления точности измерений; достижения взаимозаменяемости СИ, сравнения СИ между собой и выбора нужных СИ по точности и другим характеристикам; определения погрешностей измерительных систем и установок на основе метрологических характеристик входящих в них СИ; оценки технического состояния СИ при поверке.

По ГОСТ 8.009-84 устанавливают перечень метрологических характеристик, способы их нормирования и формы представления. На практике наиболее распространены следующие метрологические характеристики СИ.

Диапазон измерений – область значений измеряемой величины, для которой нормированы допускаемые пределы погрешности СИ (для преобразователей – это диапазон преобразования).

Предел измерения – наибольшее или наименьшее значение диапазона измерения.

Цена деления шкалы – разность значений величин, соответствующих двум соседним отметкам шкалы. Для приборов с неравномерной шкалой нормируется минимальная цена деления.

Чувствительность – отношение изменения сигнала Dу на выходе СИ к вызвавшему это изменение изменению Dх сигнала на входе:

S=Dy/Dx.

Говоря о чувствительности, указывают чувствительность тока, напряжения и т.д.

Порог чувствительности – наименьшее значение измеряемой величины, вызывающее заметное изменение показаний прибора.

Величину, обратную чувствительности, называют постоянной прибора C=1/S.

Вариация (гистерезис) – разность между показаниями СИ в данной точке диапазона измерения при возрастании и убывании измерений величины и неизменных внешних условиях.

Зависимость между выходным и входным сигналом СИ, полученную экспериментально, называют градуировочной характеристикой, которая может быть представлена аналитически (уравнение преобразования), графически или в виде таблицы. Градуировочная характеристика может изменяться под воздействием внешних и внутренних причин. Например, при быстром изменении тока подвижная часть СИ, вследствие инерции, не успевает «следить» за изменением тока. Градуировочная характеристика в этом случае должна выражаться дифференциальным уравнением.

Основная метрологическая характеристика СИ – погрешность СИ – есть разность между показаниями СИ X и истинными (действительными) значениями ФВ Q.

Основные понятия теории погрешностей

Качество средств и результатов измерений принято характеризовать, указывая их погрешности.

Погрешность результата каждого конкретного измерения складывается из многих составляющих, обязанных своим происхождением различным факторам и источникам. Классификация погрешностей измерения приведена на рис. 7.

По характеру проявления погрешности делятся на случайные, систематические, прогрессирующие и грубые (промахи).

Случайная погрешность – составляющая погрешности измерения, изменяющаяся случайным образом (по знаку и значению) при повторных измерениях одной и той же ФВ, проведенных с одинаковой тщательностью в одних и тех же условиях. Случайная составляющая погрешности возможна из-за трения в опорах подвижной части прибора, колебаний температуры окружающего воздуха, влияния магнитных и электрических промышленных помех и т.п. В появлении таких погрешностей не наблюдается какой-либо закономерности, они обнаруживаются при повторных измерениях одной и той же величины в виде некоторого разброса получаемых результатов. Случайные погрешности неизбежны, неустранимы и всегда присутствуют в результате измерения; их можно уменьшить путем увеличения числа наблюдений и последующей математической обработкой экспериментальных данных.

Рис.7. Классификация погрешностей измерения

Систематическая погрешность – составляющая погрешности измерения, остающаяся постоянной или закономерно меняющаяся при повторных измерениях одной и той же ФВ. Источником систематической погрешности может послужить, например, неточное нанесение отметок на шкалу стрелочного прибора, деформация стрелки. Отличаются от случайных тем, что они могут быть предсказаны, обнаружены и благодаря этому почти полностью устранены введением соответствующей поправки.

Прогрессирующая погрешность – это непредсказуемая погрешность, медленно меняющаяся во времени. Их отличительные особенности:

- они могут быть скорректированы поправками только в данный момент времени, а далее вновь непредсказуемо изменяются;

- изменения прогрессирующих погрешностей во времени – нестационарный случайный процесс.

Понятие прогрессирующей погрешности широко используется при исследовании динамики погрешностей средств измерений и их метрологической надежности.

Грубая погрешность (промах) – это случайная погрешность результата отдельного наблюдения, входящего в ряд измерений, которая для данных условий резко отличается от остальных результатов этого ряда. Возникают из-за ошибок или неправильных действий оператора, а также кратковременных резких изменений условий проведения измерений. Эти результаты обычно отбрасывают.

По способу выражения различают абсолютную, относительную и приведенную погрешности.

Абсолютная погрешность описывается формулой

D = X – Q (1)

и выражается в единицах измеряемой величины. Однако она не может в полной мере служить показателем точности измерений, так как одно и то же ее значение, например, D=0,05 мм при Х=100 мм соответствует достаточно высокой точности измерений, а при Х=1 мм – низкой. Поэтому и вводится понятие относительной погрешности.

Относительная погрешность – это отношение абсолютной погрешности измерения к истинному значению измеряемой величины:

d = D/ Q = (X – Q)/Q. (2)

Относительную погрешность часто выражают в процентах истинного значения измеряемой величины, т.е. используют вместо (2) формулу

d = [ (X – Q)/Q ] ×100%.

Эта наглядная характеристика точности результата измерения не годится для нормирования погрешности средства измерения, так как при изменении значений Q d принимает различные значения вплоть до бесконечности при Q=0. В связи с этим для указания и нормирования погрешности средства измерения используется еще одна разновидность погрешности – приведенная.

Приведенная погрешность – это относительная погрешность, в которой абсолютная погрешность средства измерения отнесена к условно принятому значению Х_N, постоянному во всем диапазоне измерений или его части:

g = D/Х_N = (X – Q)/Х_N. (3)

Условно принятое значение Х_N называют нормирующим (чаще всего за него принимают верхний предел измерений данного средства измерения).

Обязательными компонентами любого измерения являются средство измерения, метод измерения и человек, проводящий измерение. Несовершенство каждого из этих компонентов приводит к появлению своей составляющей погрешности результата.

В соответствии с этим по источнику возникновения различают инструментальные, методические и субъективные погрешности.

Инструментальная погрешность обусловлена погрешностью применяемого средства измерения. Иногда ее еще называют аппаратурной. Причинами инструментальных погрешностей являются: неточность градуировки, конструктивные несовершенства, изменения характеристик прибора в процессе эксплуатации и т.д.

Методическая погрешность измерения происходит от несовершенства метода измерения, использования упрощающих предположений и допущений при выводе применяемых формул, влияния измерительного прибора на объект измерения. Например, измерение температуры с помощью термопары может содержать методическую погрешность, вызванную нарушением температурного режима исследуемого объекта (вследствие внесения термопары).

I_R

U_R

I_V

I_A

Рис.8. Измерение сопротивления

ПРИМЕР. На рис. 8 приведен вариант измерения сопротивления резистора методом вольтметра-амперметра. Для нахождения сопротивления R резистора необходимо измерить ток I_R, протекающий через резистор и падение напряжения U_R на резисторе. В приведенном варианте схемы, реализующей принятый метод, падение напряжения измеряется вольтметром действительно на резисторе, тогда как амперметр измеряет суммарный ток, протекающий через резистор и через вольтметр. В результате измеренное значение сопротивления будет не

а и методическая погрешность DR=R ¢ - R. Методическая погрешность стремится к нулю при I_V ® 0, т.е. при сопротивлении вольтметра R_V ® ¥.

Субъективная (личная) погрешность измерения обусловлена погрешностью отсчета оператором показаний по шкалам средства измерения, диаграммам регистрирующих приборов. Использование цифровых приборов и автоматических методов измерения позволяет исключить такого рода погрешности.

Таким образом, каждому из приборов, использованных при измерении, присущи определенные погрешности, причем в общей погрешности прибора может присутствовать и систематическая, и случайная составляющие. Очевидно, что эти составляющие окажут свое влияние на результат измерения, и их следует классифицировать как инструментальные. И, наконец, из-за отсутствия правильных навыков работы с приборами экспериментатор может внести в результат измерения личную составляющую погрешности из-за неточности отсчета доли деления по шкале, невнимательности и др.

По зависимости абсолютной погрешности от значений измеряемой величины различают погрешности (рис. 9):

- аддитивные D_а, не зависящие от измеряемой величины;

- мультипликативные D_м, которые прямо пропорциональны измеряемой величине;

- нелинейные D_н, имеющие нелинейную зависимость от измеряемой величины.

Рис. 9. Аддитивная (а), мультипликативная (б) и нелинейная (в) погрешности

Аддитивной, например, является систематическая погрешность, вызванная неточной установкой нуля у стрелочного прибора с равномерной шкалой; мультипликативной – погрешность измерения отрезков времени отстающими или спешащими часами. Такая погрешность будет возрастать по абсолютной величине до тех пор, пока владелец часов не выставит их правильно по сигналам точного времени.

Эти погрешности применяют в основном для описания метрологических характеристик СИ.

По влиянию внешних условий различают основную и дополнительную погрешности СИ. Основной называется погрешность СИ, определяемая в нормальных условиях его применения. Для каждого СИ в нормативно-технических документах оговариваются условия эксплуатации – совокупность влияющих величин (температура окружающей среды, влажность, давление, напряжение и частота питающей сети и др.), при которых нормируется его погрешность. Дополнительной называется погрешность СИ, возникающая вследствие отклонения какой-либо из влияющих величин.

ПРИМЕР. Амперметр предназначен для измерения переменного тока с номинальной частотой (50±5) Гц. Отклонение частоты за эти пределы приведет к дополнительной погрешности измерения.

Для оценивания дополнительных погрешностей в документации на СИ обычно указывают нормы изменения показаний при выходе условий измерения за пределы нормальных.

В зависимости от влияния характера изменения измеряемых величин погрешности СИ делят на статические и динамические. Статическая погрешность – это погрешность СИ применяемого для измерения ФВ, принимаемой за неизменную. Динамической называется погрешность СИ, возникающая дополнительно при измерении переменной ФВ и обусловленная несоответствием его реакции на скорость (частоту) изменения измеряемого сигнала (например, из-за инерционности применяемых технических средств при достаточно быстрых изменениях измеряемой величины).

При измерениях детерминированных сигналов динамические погрешности обычно рассматриваются как систематические. При случайном характере измеряемой величины динамические погрешности приходится рассматривать как случайные.

Принципы описания и оценивания погрешностей. Оценивание погрешностей производится с целью получения объективных данных о точности результата измерения. Точность результата измерения характеризуется погрешностью. При оценке погрешности надо помнить, что излишняя точность ведет к неоправданному расходу средств и времени, а недостаточная точность в зависимости от цели измерения может привести к признанию годным в действительности негодного изделия, к принятию ошибочного решения и т.п.

В основе современных подходов к оцениванию погрешностей лежат принципы, обеспечивающие выполнение требований единства измерений.

Систематическая погрешность по определению может быть представлена постоянной величиной либо известной зависимостью (линейная, периодическая и другие функции от времени или номера наблюдения). Общей моделью случайной погрешности служит случайная величина, обладающая функцией распределения вероятностей.

Характеристики случайной погрешности делятся на точечные и интервальные. К точечным относятся средние квадратические отклонения случайной погрешности, дисперсия; к интервальным – границы неопределенности результата измерения (это означает, что границы, в которых может находиться погрешность, находят как отвечающие некоторой вероятности). Если эти границы определяются как отвечающие некоторой доверительной вероятности, то они называются доверительными интервалами. Если же минимально возможные в конкретном случае границы погрешности оценивают так, что погрешность, выходящую за них, встретить нельзя, то они называются предельными (безусловными) интервалами.

В целях единообразия представления результатов и погрешностей измерений показатели точности и формы представления результатов измерений стандартизованы.

Электромеханические приборы

Общим термином электромеханические приборы обозначают СИ, структурная схема которых представлена на рис. 11 [2]. Эта схема включает в себя измерительную схему ИС, измерительный механизм ИМ и отсчетное устройство ОУ. К электромеханической группе принадлежат измерительные приборы магнитоэлектрической, электромагнитной, электродинамической, электростатической и индукционной систем. По физическому принципу, положенному в основу построения, и конструктивному исполнению, эти приборы относятся к группе аналоговых СИ, т.е. СИ, показания которых являются непрерывной функцией измеряемой величины.

Рис. 11. Структура электромеханических приборов

Измерительная схема представляет собой совокупность сопротивлений, индуктивностей, емкостей и иных элементов электрической цепи прибора и предназначена для преобразования измеряемой физической величины Х в некоторую новую величину Y, под воздействием которой происходит перемещение a подвижной части измерительного механизма, отсчитываемое с помощью отсчетного устройства. Таким образом, если выполняется зависимость a= f(x), то прибор может быть проградуирован в единицах измеряемой величины. Важно, чтобы параметры схемы и измерительного механизма не изменялись при изменении внешних условий, например, температуры окружающей среды, частоты питающего схему тока и других факторов.

В большинстве электромехани-ческих приборов выходным перемещением a является угловое перемещение стрелки. Подвижная часть ИМ с угловым перемещением изображена на рис. 12 и представляет собой ось 1 со стрелкой 2, вращающуюся в подпятниках 3. Возможный угол поворота стрелки ограничен упорами 4; шкала прибора – 5.

Рис. 12. Подвижная часть ИМ электромеханического прибора

При подаче на вход ИС прибора измеряемой величины возникает вращающий момент, описываемый выражением

. (12)

Чтобы каждому значению измеряемой величины Х соответствовало определенное отклонение стрелки a, необходимо уравновесить вращающий момент М_вр противодействующим моментом М_пр, противоположным вращающему и возрастающим по мере увеличения угла поворота подвижной части. В большинстве электроизмерительных приборов противодействующий момент создается плоской спиральной пружинкой 6, для которой справедливо соотношение

, (13)

где W – коэффициент, зависящий от свойств материала и размеров пружинки. Исключение составляют приборы – логометры, в которых противодействующий момент создается теми же электромагнитными силами, что и вращающий. При совместном воздействии вращающего и противодействующего моментов положение равновесия, т.е. установившееся отклонение стрелки определяется из условия М_вр=М_пр. Учитывая (12) и (13), получим

. (14)

Уравнение (14) называется уравнением преобразования механизма прибора и представляет собой градуировочную характеристику прибора.

Подвижная часть ИМ представляет собой колебательную систему. Для того чтобы в процессе достижения установившегося положения стрелка прибора не испытывала слишком долгих колебаний, в электромеханических приборах применяются воздушные, жидкостные и магнитоиндукционные успокоители.

Наиболее распространенными в практике технических измерений являются электромеханические приборы магнитоэлектрической и электромагнитной систем.

Приборы магнитоэлектрической системы. В приборах магнитоэлектрической системы вращающий момент создается за счет взаимодействия поля постоянного магнита с рамкой (катушкой), по которой протекает ток. Конструктивно измерительный механизм прибора может быть выполнен либо с подвижным магнитом, либо с подвижной рамкой [2, 5]. На рис. 13 показана конструкция прибора с подвижной рамкой. Постоянный магнит 1, магнитопровод с полюсными наконечниками 2 и неподвижный сердечник 3 составляют магнитную систему механизма. В зазоре между полюсными наконеч-

Рис. 13. Устройство прибора магнитоэлектрической системы

никами и сердечником создается сильное радиальное магнитное поле, в котором находится подвижная прямоугольная рамка 4, намотанная тонким медным или алюминиевым проводом на алюминиевом каркасе (или без каркаса). Рамка закреплена между полуосями 5 и 6. Спиральные пружинки 7 и 8, предназначенные для создания противо-действующего момента, одновременно используются для подачи измеряемого тока от входных зажимов в рамку. Рамка жестко соединена со стрелкой 9. Для балансировки подвижной части имеются передвижные грузики 10.

На рамку из w витков проволоки, по которой течет ток, действует вращающий момент

, (15)

где В – магнитная индукция в воздушном зазоре; S – площадь рамки.

Приравняв (15) и (13), получим

. (16)

Согласно (16) угол отклонения подвижной части пропорционален току, протекающему по рамке. Коэффициент пропорциональности

(17)

называется чувствительностью магнитоэлектрического прибора к току.

Чувствительность S_I является постоянной величиной, зависящей только от конструктивных параметров механизма, а не от значения измеряемого тока I, поэтому шкала магнитоэлектрического прибора равномерна. Изменение направления тока ведет к изменению направления угла отклонения рамки.

Из группы аналоговых приборов магнитоэлектрические приборы относятся к числу наиболее чувствительных и точных. Изменения температуры окружающей среды и внешние магнитные поля мало влияют на их работу. Равномерный характер шкалы и малое потребление энергии также являются достоинствами этих приборов. Вследствие инерционности магнито-электрические приборы реагируют только на постоянную составляющую тока. Для измерений в цепях переменного тока требуется предварительное преобразование переменного тока в постоянный.

Амперметры. Магнитоэлектрический механизм, включенный непосредственно в измерительную цепь, позволяет измерять малые постоянные токи, не превышающие 20 – 50 мА, т.е. может выступать только в роли микроамперметра или миллиамперметра. Превышение указанных значений может привести к повреждению провода рамки и спиральной пружины. Для того чтобы измерять большие токи, используют измерительные цепи, включающие в себя шунты, представляющие собой манганиновые резисторы, сопротивление которых мало зависит от температуры. Обычно оно во много раз меньше сопротивления рамки R_и магнитоэлектрического измерительного механизма. Поэтому при включении шунта параллельно прибору (рис. 14, а) основная часть измеряемого тока I проходит через шунт, а ток I_и, проходящий через рамку измерительного механизма, не превышает допустимого значения. Отношение I/I_и= n, показывающее, во сколько раз измеряемый ток превышает допустимое значение, называется коэффициентом шунтирования. Сопротивление шунта, которое необходимо выбрать для получения требуемого коэффициента шунтирования, нетрудно определить: I_шR_ш= I_иR_и , I_ш= I – I_и , откуда следует R_ш= R_и/( n – 1).

Амперметры для измерения сравнительно небольших токов (до нескольких десятков ампер) имеют внутренние шунты, вмонтированные в корпус прибора. Измерение больших токов (до нескольких тысяч ампер) осуществляют при помощи наружных шунтов, которые имеют определенные номинальные падения напряжения (45, 60, 75, 100 и 300 мВ) и классы точности (0,02; 0,05; 0,1; 0,2; 0,5).

Рис. 14. Расширение пределов измерения амперметра (а) и вольтметра (б)

Вольтметры. Для расширения пределов измерения вольтметра последовательно с рамкой измерительного механизма включается добавочное сопротивление R_д (рис. 14, б), которое ограничивает падение напряжения на рамке прибора до допустимых пределов. Если необходимо получить верхний предел измерения напряжения, в m раз превышающий значение U_и, то необходимо включить добавочный резистор, сопротивление которого равно R_д= R_и( m-1).

Добавочные резисторы изготавливают из термостабильных материалов, например, из манганиновой проволоки. Они могут быть внутренними, встроенными в корпус прибора (при напряжениях до 600 В), и наружными (при напряжениях 600 – 1500 В). Добавочные резисторы имеют определенные номинальные токи (0,5; 1; 3; 5; 7,5; 15 и 30 мА) и классы точности (0,02; 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1).

Гальванометры. Высокочувствительные магнитоэлектрические приборы для измерения очень малых токов и напряжений называются гальванометрами. Современные гальванометры позволяют измерять токи в пределах 10^-5…10^-12 А и напряжения до 10^-4 В. Гальванометры часто используют в качестве нуль-индикаторов, фиксирующих отсутствие тока в цепи. В качестве метрологических характеристик гальванометров обычно указывают их чувствительность к току или напряжению и сопротивление рамки.

Приборы электромагнитной системы. Принцип действия приборов электромагнитной системы основан на взаимодействии магнитного поля, создаваемого током в неподвижной катушке, с подвижным ферромагнитным

Рис. 15. Устройство прибора электромагнитной системы

сердечником [2, 5]. Одна из конструкций электромагнитного измерительного механизма представлена на рис. 15, где 1 – катушка; 2 – сердечник, укрепленный на оси прибора; 3 – спиральная пружина, создающая противодействующий момент; 4 – воздушный успокоитель. Под действием магнитного поля сердечник втягивается внутрь катушки. Подвижная часть механизма поворачивается до тех пор, пока вращающий момент не уравновесится противодействующим моментом, создаваемым пружиной.

Вращающий момент, возникающий при прохождении тока I через катушку

, (18)

где L – индуктивность катушки, зависящая от положения сердечника, а следовательно, и от угла поворота подвижной части.

При установившемся отклонении подвижной части механизма М_вр=М_пр, т.е. уравнение преобразования прибора имеет вид

. (19)

Если по катушке протекает переменный ток i(t), то необходимо произвести усреднение по времени:

. (20)

По определению действующее значение тока

т.е.

. (21)

Из (21) следует, что угол поворота подвижной части механизма пропорционален квадрату действующего значения тока, т.е. не зависит от направления тока. Поэтому электромагнитные приборы одинаково пригодны для измерений в цепях постоянного и переменного тока. В соответствии с (21) шкала прибора квадратичная, однако на практике ее можно приблизить к линейной подбором формы сердечника.

Если учесть, что ток через катушку прибора I=U/R_и, где U – приложенное напряжение, а R_и – сопротивление катушки, то из (21) следует

. (22)

Таким образом, шкала измерительного механизма может быть проградуирована и в единицах напряжения.

К достоинствам приборов электромагнитной системы относятся: простота конструкции, надежность, способность выдерживать большие перегрузки, пригодность для измерения в цепях как постоянного, так и переменного тока.

Недостатками являются: большое собственное потребление энергии, малая точность, малая чувствительность, сильное влияние внешних магнитных полей.

Приборы электромагнитной системы применяются в основном в качестве щитовых амперметров и вольтметров переменного тока промышленной частоты. Класс точности этих приборов 1,5 и 2,5. В некоторых случаях они используются для работы на повышенных частотах: амперметры до 8000 Гц, вольтметры до 400 Гц. Выпускаются также переносные приборы электромагнитной системы классов точности 0,5 и 1,0 для измерения в лабораторных условиях.

Для расширения пределов измерения электромагнитных амперметров и вольтметров применяются измерительные трансформаторы тока.

Измерительные мосты

Важным классом устройств, предназначенных для измерения параметров электрических цепей (сопротивления, емкости, индуктивности и др.) методом сравнения, являются мосты [5]. Сравнение измеряемой величины с образцовой мерой, которое производится в процессе измерения при помощи моста, может осуществляться вручную или автоматически, на постоянном или на переменном токе. Мостовые схемы обладают большой точностью, высокой чувствительностью, широким диапазоном измеряемых значений параметров. На основе мостовых методов измерения строятся средства измерения, предназначенные как для измерения какой-либо одной величины, так и универсальные аналоговые и цифровые приборы. На основе мостовых схем выпускаются приборы и для измерения неэлектрических величин – температуры, перемещения и т.д.

Рис. 21. Схема одинарного моста постоянного тока

В простейшем случае мостовая схема содержит четыре резистора, соединенных в кольцевой замкнутый контур. Такую схему имеет одинарный мост постоянного тока (рис. 21). Резисторы R₁, R₂, R₃ и R₄ этого контура называются плечами моста, а точки соединения соседних плеч – вершинами моста. Цепи, соединяющие противоположные вершины, называются диагоналями. Одна из диагоналей (3 – 4) содержит источник питания и называется диагональю питания, а другая (1 – 2) – указатель равновесия G и называется измерительной диагональю.

В мостах постоянного тока в качестве индикатора обычно используется гальванометр, а в мостах переменного тока – электронный милливольтметр. В случае моста переменного тока его плечи могут включать в себя не только резисторы, но также конденсаторы и катушки индуктивности, т.е. сопротивления могут иметь комплексный характер.

Мост называется уравновешенным, если разность потенциалов между точками 1 и 2 равна нулю, т.е. напряжение на диагонали, содержащей индикатор нуля, отсутствует и ток через индикатор равен нулю.

Соотношение между сопротивлениями плеч, при котором мост уравновешен, называется условием равновесия моста. Это условие можно получить, используя законы Кирхгофа для расчета мостовой схемы. Например, для одинарного моста постоянного тока зависимость протекающего через гальванометр тока I_G от сопротивлений плеч, сопротивления гальванометра R_G и напряжения питания U имеет вид

. (32)

Из (32) следует, что I_G=0 при

. (33)

Это и есть условие равновесия одинарного моста постоянного тока, которое можно сформулировать следующим образом: для того чтобы мост был уравновешен, произведения сопротивлений противолежащих плеч должны быть равны. Если сопротивление одного из плеч неизвестно (например, R₁=R_x), то условие (33) будет иметь вид

Таким образом, измерение при помощи одинарного моста можно рассматривать как сравнение неизвестного сопротивления R_x с образцовым сопротивлением R₂ при сохранении неизменным отношения R₃/R₄. По этой причине плечо R₂называют плечом сравнения, плечи R₃ и R₄ – плечами отношения.

Основная погрешность уравновешенного моста определяется чувствительностью гальванометра, чувствительностью схемы, погрешностью сопротивлений плеч, а также сопротивлениями монтажных проводов и контактов. При этом ограниченная чувствительность гальванометра и мостовой схемы приводит к погрешности от неполного уравновешивания мостов.

Чувствительность гальванометра S_G представляет собой отношение приращения отклонения стрелки Da к приращению тока DI_G через гальванометр:

Чувствительность мостовой схемы к току S_сх_I определяется как отношение изменения выходного сигнала DI_G к изменению входного сигнала DR_x:

Чувствительность моста S_м=Da/DR_x можно представить в виде

. (34)

Необходимая чувствительность моста достигается рациональным выбором мостовой схемы, индикатора нуля и напряжения питания моста.

Автоматизация производственных процессов потребовала создания и широкого использования автоматических устройств для измерения температуры и других неэлектрических величин. Очень часто изменение этих величин преобразуется в изменение электрического сопротивления, которое и измеряется.

На рис. 22 приведена схема автоматического моста для измерения активного сопротивления R_x. Схема по существу представляет собой обычный одинарный мост, уравновешивание которого достигается перемещением ползунка реохорда, включенного в измерительную диагональ. Перемещение осуществляется при помощи реверсивного двигателя РД, ротор которого вращается до тех пор, пока не будет достигнуто равновесие моста, т.е. пока ток в измерительной диагонали не будет равен нулю. В этом случае управляющий сигнал на выходе усилителя тока исчезнет и двигатель остановится. Одновременно с перемещением ползунка реохорда происходит движение указателя и пера регистрирующего устройства, если таковое имеется. Если сопротивление в одном из плеч изменить, то мост будет разбалансирован, в

Рис. 22. Схема автоматического моста

измерительной диагонали появится ток и процесс автоматического уравновеши-вания повторится вновь. Питание моста обычно производится переменным током, поскольку в этом случае схема оказывается проще, чем при использовании постоянного тока. Приведенная погрешность автоматических мостов равна 0,25 – 0,5%.

Конструктивно мосты обычно выполняют в металлическом корпусе, на панели которого размещаются ручки магазина образцовых сопротивлений (плечо сравнения), переключатели плеч отношения, зажимы для подключения измеряемого объекта, наружного гальванометра, источника питания. Некоторые мосты выпускаются со встроенными гальванометрами.

Схемы и конструкции автоматических мостов переменного тока для измерения емкости и индуктивности значительно сложнее и обеспечивают меньшую точность.

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ

И ИЗМЕРИТЕЛЬНО-ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ КОМПЛЕКСЫ

Усложнение современного производства, развитие научных исследований привело к необходимости измерять и контролировать одновременно сотни и тысячи различных физических величин. Естественная физиологическая ограниченность возможностей человека в восприятии и обработке больших объемов информации стала одной из причин появления таких СИ, как измерительные системы. Измерительные системы (ИС) – это совокупность функционально объединенных средств измерений, средств вычислительной техники и вспомогательных устройств, соединенных между собой каналами связи, предназначенных для выработки сигналов измерительной информации о физических величинах, свойственных данному объекту, в форме, удобной для автоматической обработки, передачи и (или) использования в автоматических системах управления [3].

В зависимости от назначения ИС разделяют на измерительные, контролирующие, управляющие.

По числу измерительных каналов системы подразделяются на одно-, двух-, трех- и многоканальные.

Важной их разновидностью являются информационно-измерительные системы (ИИС), предназначенные для представления измерительной информации в виде, необходимом потребителю. По организации алгоритма функционирования различают системы:

· с заранее заданным алгоритмом работы (для исследования объектов, работающих в постоянном режиме);

· программируемые, алгоритм работы которых меняется по заданной программе, составляемой в соответствии с условиями функционирования объекта исследования;

· адаптивные, алгоритм работы которых изменяется, приспосабливаясь к изменениям измеряемых величин и условий работы объекта.

Наиболее перспективным методом разработки и производства ИИС является метод агрегатно-модульного построения из сравнительно ограниченного набора унифицированных, конструктивно законченных узлов или блоков. При этом должны быть решены задачи совместимости и сопряжения блоков как между собой, так и с внешними устройствами. Применительно к ИИС существует пять видов совместимости:

· информационная, которая предусматривает согласованность входных и выходных сигналов по видам и номенклатуре, информативным параметрам и уровням;

· конструктивная;

· энергетическая, предполагающая согласованность напряжений и токов, питающих блоки;

· метрологическая, обеспечивающая сопоставимость результатов измерений, рациональный выбор и нормирование метрологических характеристик блоков;

· эксплуатационная, т.е. согласованность характеристик блоков по надежности и стабильности.

Связь между блоками системы и их совместимость устанавливается посредством стандартных интерфейсов.

Важной разновидностью ИИС являются измерительно-вычислительные комплексы (ИВК) – функционально объединенная совокупность средств измерений, компьютеров и вспомогательных устройств, предназначенная для выполнения конкретной измерительной задачи. Основными признаками принадлежности средства измерений к ИВК являются: наличие процессора или компьютера; программное управление средствами измерений; наличие нормированных метрологических характеристик; блочно-модульная структура, состоящая из технической (аппаратной) и программной (алгоритмической) подсистем.

ИВК предназначены для выполнения таких функций, как:

- осуществление прямых, косвенных, совместных или совокупных измерений физических величин;

- управление процессом измерений и воздействием на объект измерений;

- представление оператору результатов измерений в требуемом виде.

По назначению различают следующие ИВК:

· типовые (для решения широкого круга типовых задач автоматизации измерений независимо от области применения);

· проблемные (для решения специфичной для конкретной области применения задачи автоматизации измерений);

· специализированные (для решения уникальных задач автоматизации измерений, для которых разработка типовых и проблемных комплексов экономически нецелесообразна).

Основными составными частями комплекса являются (рис. 28):

· компьютер с периферийными устройствами, подключенными к нему, в том числе и посредством компьютерной сети;

· программное обеспечение;

· интерфейс, организующий связь технических устройств ИВК с компьютером;

· формирователь испытательных сигналов, которыми воздействуют на объект измерения с целью получения измерительных сигналов. Каждый такой сигнал (i-й сигнал) вырабатывается с помощью последовательно соединенных ЦАП_i и преобразователя «напряжение – испытательный сигнал» (ПНИС_i);

· измерительные каналы (ИК), предназначенные для преобразования в цифровой код заданного числа сигналов (К – для первого ИК и L – для N-го ИК). Структура ИК существенно зависит от решаемой задачи. Однако практически в любом случае каждый из них содержит аналоговый измерительный (АИП) и аналого-цифровой (АЦП) преобразователи. При обработке нескольких измерительных сигналов одним АЦП в состав комплекса включается коммутатор, предназначенный для поочередного подключения сигналов к входу АЦП. Коммутатор может включаться как после АИП (ИК1), так и перед ним (ИК N).

Рис. 28. Структурная схема измерительно-вычислительного комплекса

АИП предназначен для преобразования измерительного сигнала в сигнал, однородный с входным сигналом АЦП (т.е. в напряжение), и масштабирования (усиления или ослабления) его до уровня, необходимого для проведения операции аналого-цифрового преобразования с минимальной погрешностью.

АЦП преобразует сигнал в цифровой код и передает его через интерфейс в компьютер. Работой всей аппаратной части ИВК управляет компьютер. Это осуществляется посредством:

- подачи управляющих сигналов различного рода;

- считывания и передачи по требуемым адресам цифровой информации (сигналы «данные» и «адрес» на рис. 28).

По команде оператора выбирается тот или иной режим работы ИВК из числа реализованных в программном обеспечении. Компьютер рассчитывает цифровой код, описывающий заданное изменение во времени каждого из М испытательных сигналов, и в виде двоичного цифрового кода записывает в оперативные запоминающие устройства формирователя испытательных сигналов. Оттуда эти коды последовательно во времени циклически поступают на вход каждого из ЦАП. Формируемые на их выходах напряжения с помощью ПНИС преобразуются в требуемые физические величины, воздействующие на объект измерения.

Измерительные сигналы, представляющие собой отклик объекта измерения на испытательные воздействия, преобразуются в измерительных каналах в двоичный цифровой код и считываются компьютером. Полученные коды обрабатываются по заданным алгоритмам, в результате получается искомая измерительная информация.

Каждый ИВК – это сложное техническое устройство, поэтому содержит средства диагностики его состояния.

МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ

НЕЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

Среди множества физических величин большая часть относится к неэлектрическим (температура, влажность, скорость, ускорение, перемещение и т.д.). При измерениях таких величин часто возникают задачи дистанционного измерения, передачи, регистрации и обработки измерительной информации. Наилучшим образом эти задачи решаются путем преобразования измеряемой неэлектрической величины Х_нэ в электрический сигнал Х_э, связанный с измеряемой величиной однозначной функциональной зависимостью Х_э = f(Х_нэ). Полученный электрический сигнал измеряется средствами электрических измерений или может быть передан по линии связи на значительное расстояние.

Преобразование неэлектрической величины в электрическую осуществляется с помощью измерительных преобразователей ИП – датчиков. Структурная схема любого СИ неэлектрических величин электрическими методами содержит такой измерительный преобразователь (рис. 29).

Рис. 29. Структурная схема преобразования неэлектрических величин

Измерительные преобразователи классифицируют по роду измеряемой величины (температуры, давления, влажности и др.) и по выходной величине (генераторные, параметрические) [2, 5].

Выходным сигналом генераторных датчиков является ЭДС, напряжение, ток или электрический заряд, функционально связанные с измеряемой величиной. В параметрических преобразователях выходной величиной является изменение параметра электрической цепи (R, L, C).

Важнейшими метрологическими характеристиками измерительных преобразователей являются: номинальная статическая характеристика преобразования, чувствительность, основная и дополнительные погрешности, динамические характеристики и др.

Поскольку средства электрических измерений, применяемые при измерениях неэлектрических величин, имеют, как правило, несравненно лучшие метрологические характеристики по сравнению с датчиками неэлектрических величин, то основной вклад в погрешность результата измерения вносится составляющей, обусловленной погрешностью датчика. Это необходимо иметь в виду при выборе датчиков неэлектрических величин для решения конкретной измерительной задачи.

СЕРТИФИКАЦИЯ ПРОДУКЦИИ

Согласно документу ИСО 1982 г. «сертификация соответствия представляет собой действие, удостоверяющее посредством сертификата соответствия или знака соответствия, что изделие или услуга соответствуют определенным стандартам или другому нормативному документу». Данное определение положено в основу понятия сертификации соответствия в системе сертификации ГОСТ Р. В настоящее время под сертификацией соответствия понимается «действие третьей стороны, доказывающее, что обеспечивается необходимая уверенность в том, что должным образом идентифицированная продукция, процесс или услуга соответствует конкретному стандарту или другому нормативному документу» [1, 6].

Критериями обеспечения качества сертификации являются ее достоверность и беспристрастность. Механизм достижения соответствия этим критериям заложен в так называемой «петле качества» (рис. 38).

Рис.38. «Петля качества» процесса сертификации

Ведущие экономические державы начали развивать процессы сертификации в 20 – 30-е годы XX в. В 1920 г. Немецкий институт стандартов (DIN) учредил в Германии знак соответствия стандартам DIN, который распространялся на все виды продукции, за некоторым исключением.

Примером сертификации конкретного вида продукции служит система сертификации электротехнического и электронного оборудования, действующая под эгидой Немецкой электротехнической ассоциации (VDE). По соглашению с DIN она организует разработку национальных стандартов в области электротехники, электроники и связи и осуществляет руководство системой сертификации этого оборудования.

В Великобритании сертификация, как и в Германии, охватывает многие отрасли промышленности и виды товаров. В этой стране действует несколько национальных систем сертификации, наиболее известная – Британского института стандартов (BSI).

В США, в отличие от стран Западной Европы отсутствуют единые правила сертификации или единый национальный орган по сертификации. Действуют сотни систем, созданных при различных ассоциациях-изготовителей, частных компаниях.

Сертификация продукции в СССР начала развиваться в 1979 г. Госстандарту совместно с министерствами и ведомствами было поручено утвердить головные организации по государственным испытаниям важнейших видов продукции производственно-бытового назначения. В начале 90-х годов в России сформировалась нормативная и техническая база для создания национальной системы сертификации. Законодательно сертификация как обязательная процедура защиты прав потребителя была введена в действие Законом «О защите прав потребителей». Данным Законом с 1 мая 1992 г. в России введена в действие система обязательной сертификации ГОСТ Р.

Основополагающим документом Российской Федерации в области сертификации является Закон «О сертификации продукции и услуг». Этот Закон устанавливает правовые основы обязательной и добровольной сертификации продукции, услуг и иных объектов в Российской Федерации, а также права, обязанности и ответственность участников сертификации.

Сертификат соответствия – название документа, которым завершается процесс сертификации. Порядок и условия оформления, выдачи и регистрации сертификатов устанавливается в каждой системе сертификации. Знак соответствия – зарегистрированный в установленном порядке знак, который по правилам, установленным в данной системе сертификации, подтверждает соответствие требованиям маркированной им продукции.

Другими основополагающими законами, регулирующими деятельность по сертификации в РФ, являются Закон «О стандартизации» и Закон «Об обеспечении единства измерений».

Сертификация соответствия проводится в обязательной и добровольной областях.

Обязательная сертификация распространяется на продукцию и услуги, связанные с обеспечением безопасности окружающей среды, жизни, здоровья и имущества. Законодательно закрепленные требования к этим товарам должны выполняться всеми производителями на внутреннем рынке и импортерами при ввозе на территорию России. Область распространения обязательной сертификации в Российской Федерации приведена на рис. 39.

Добровольная сертификация проводится в тех случаях, когда строгое соблюдение требований существующих стандартов или другой нормативной документации на продукцию, услуги или процессы государством не предусмотрено.

Рис.39. Область распространения обязательной сертификации

Список литературы

1. Сергеев А.Г. Метрология, стандартизация, сертификация: Учеб. пособие/ А.Г. Сергеев, М.В. Латышев, В.В. Терегеря. – М.: Логос, 2001. – 536 с.

2. Тартаковский Д.Ф. Метрология, стандартизация и технические средства измерений: Учеб. для вузов/ Д.Ф. Тартаковский, А.С. Ястребов – М.: Высш. шк., 2001. – 205 с.

3. Сергеев А.Г. Метрология: Учеб. пособие для вузов/ А.Г. Сергеев, В.В.Крохин. – М.: Логос, 2000. – 408 с.

4. Матушкин Н.Н. Метрология, стандартизация и сертификация. Методы и средства измерения физических величин: Учеб. пособие/ Н.Н.Матушкин, Е.Е. Суханов; Перм. гос. техн. ун-т. – Пермь, 2001. – 125 с.

5. Евтихиев Н.Н. Измерение электрических и неэлектрических величин/ Н.Н. Евтихиев, Я.А. Купершмидт и др. – М.: Энергоатомиздат, 1990. – 352 с.

6. Сергеев А.Г. Сертификация: Учеб. пособие/ А.Г. Сергеев, М.В. Латышев. – М.:Логос, 2001. – 216 с.