Классификация и виды средств измерений

Средства измерений (СИ) – это технические средства, предназначенные для измерений различных параметров объектов. Они имеют нормированные метрологические характеристики, воспроизводящее и/или хранящие единицу физической величины, размер которой принимают неизменным в течение известного интервала времени.

СИ – неотъемлемая часть современной науки, техники и промышленности, так как они позволяют получить точные данные о физических величинах. Применение СИ охватывает широкий спектр отраслей. Существуют разные виды СИ. Подробная классификация приведена в данной статье.

Системы измерений по метрологическому назначению

По метрологическому назначению СИ делят на два вида:

• рабочие СИ;
• эталоны.

Рабочие СИ предназначены для технических измерений. По условиям применения они могут быть:

• Лабораторными. Используются в научных исследованиях, при проектировании технических устройств, и в медицинских измерениях.
• Производственными. Применяются в промышленности, инженерных системах, торговле и в других отраслях.

Эталоны – это высокоточные СИ, которые используют для проведения метрологических измерений в качестве средств передачи информации о размере единицы.

Для работы с метрологическими СИ необходима соответствующая квалификация, например, «специалист по метрологии» или «поверитель средств измерений».

Согласно приказу Минтруда РФ от 21.04.2022 №229н, для должности «специалист по метрологии» требуется среднее профессиональное образование по программам подготовки специалистов среднего звена и дополнительное профессиональное образование по программам профессиональной переподготовки в сфере метрологии.

Для должности «поверитель средств измерений» необходимы среднее или высшее профессиональное образование, а также аттестационный лист, подтверждающий компетентность в области метрологии. 

В АНО «СНТА» разработаны программы для повышения квалификации в области метрологии. Обучение дистанционное. По завершении выдается удостоверение установленного образца.

По стандартизации

По уровню стандартизации СИ бывают двух видов:

• стандартизованные;
• нестандартизованные (уникальные).

Стандартизованные СИ изготавливают и применяют в соответствии с требованиями государственного или отраслевого стандарта. Обычно их выпускают серийно и подвергают государственным испытаниям.

Нестандартизованные (уникальные) СИ разрабатывают научно-исследовательские организации. Их выпускают единичными экземплярами. Особенности нестандартизованных СИ:

• не проходят государственных испытаний;
• их характеристики определяют при метрологической аттестации;
• применяются для решения специфических задач в специальных направлениях науки и техники.

Таким образом, стандартизованные СИ – это типичные измерительные приборы. Они соответствуют стандартам и выпускаются массово. Нестандартизованные СИ – это уникальные устройства. Они предназначены для конкретных задач и выпускаются в единственном экземпляре.

По методу измерений

Классификация по этому признаку включает два вида устройств:

• СИ прямого действия;
• СИ сравнительного действия.

СИ прямого действия предназначены для непосредственной оценки контролируемого параметра без сравнения с аналогичной величиной, значение которой известно. Примеры: манометры, приборы для измерения силы тока или напряжения в сети.

СИ сравнительного действия определяют значение величины путем сравнения с заранее известным значением. Примеры: двухчашечные весы, мосты сопротивления.

По точности изменений

По этому признаку СИ классифицируют в зависимости от предельных значений допускаемых погрешностей и других параметров. По точности изменений СИ делят на два вида:

• Нормируемые – средства измерений с заданной погрешностью (классом точности);
• Ненормируемые – сигнализаторы и индикаторы, которые не имеют установленной погрешности.

Обобщенной характеристикой СИ является класс точности. Он определяется предельными значениями допускаемых основной и дополнительной погрешностей, а также другими параметрами, влияющими на точность. Значение параметров установлено в стандартах на отдельные виды СИ.

Классификация и точность СИ регламентируются различными НПА. Например:

• ГОСТ 8.401-80 – устанавливает общие требования к классам точности СИ;
• ГОСТ Р 8.674-2009 – устанавливает общие требования к СИ, техническим системам и устройствам с измерительными функциями, включая классы точности. 

Ниже представлены примеры классов точности:

• 0,05–0,2 – высокоточные приборы;
• 0,5–1,5 – приборы средней точности;
• 2,5–4,0 – приборы низкой точности.

Важно отметить, что класс точности не является непосредственным показателем точности измерений. Она зависит также от метода измерений и условий их выполнения.

По измеряемой физической величине и ее значимости

По значимости измеряемой физической величины СИ делят на два вида:

• основные СИ. Измеряют ту величину, значение которой необходимо получить в рамках поставленной задачи;
• вспомогательные СИ. Измеряют ту величину, влияние которой на основное средство или объект измерений необходимо учесть для получения результатов требуемой точности.

Например, при пикнометрическом определении плотности раствора пикнометр является основным, а термометр для измерения температуры воды в термостате – вспомогательным СИ. 

По измеряемой физической величине СИ могут быть предназначены для измерения:

• температуры (термометры, пирометры);
• давления (манометры, барометры, вакуумметры);
• расхода среды (расходомеры, счетчики, весы);
• уровня чего-либо (уровнемеры, указатели уровня);
• состава дымовых газов (газоанализаторы);
• качества воды и пара (кондуктометры, кислородомеры) и т.д.

По конструкции

По данному признаку СИ подразделяют на меры, измерительные приборы, измерительные преобразователи и измерительные системы. Эти СИ отличаются назначением и особенностями конструкции.

Меры

Это СИ, предназначенные для воспроизведения и/или хранения физической величины одного или нескольких заданных размеров, значения которых выражены в установленных единицах и известны с необходимой точностью. Существуют следующие виды мер:

• однозначные – воспроизводят физическую величину одного размера (например, гиря 1 кг);
• многозначные – воспроизводят физическую величину разных размеров (например, штриховая мера длины);
• наборы – комплекты мер разного размера одной и той же физической величины. Их можно использовать как по отдельности, так и в различных сочетаниях (например, набор концевых мер длины);
• магазины мер – наборы мер, конструктивно объединенных в единое устройство, в котором имеются приспособления для их соединения в различных комбинациях (например, магазин электрических сопротивлений).

Устройства

Измерительные приборы предназначены для получения значений измеряемой физической величины в установленном диапазоне. Данные СИ можно классифицировать на несколько групп по разным признакам.

По способу представления информации измерительные приборы делятся на три вида:

• Показывающие. Допускают только считывание показаний значений измеряемой величины;
• Компарирующие. Принцип работы заключается в сравнении измеряемой величины с мерой или эталонной величиной. В измерениях необходимо участие человека;
• Регистрирующие. В них предусмотрена регистрация показаний. Она может проходить в аналоговой или цифровой формах. Различают самопишущие и печатающие регистрирующие приборы.

По методу измерений измерительные приборы делят на:

• Приборы прямого действия. В них результат измерений снимают непосредственно с устройства индикации. Примеры: амперметр, манометр, ртутно-стеклянный термометр;
• Приборы сравнения. Предназначены для непосредственного сравнения измеряемой величины с величиной, значение которой известно. Примеры: двухчашечные весы, интерференционный компаратор мер длины, мост электрического сопротивления.

По форме представления показаний измерительные приборы могут быть аналоговыми. В них выходной сигнал или показания являются непрерывной функцией изменений измеряемой величины. Также измерительные приборы бывают цифровыми. В них показания представлены в цифровой форме.

Установки

Измерительная установка – это совокупность функционально объединенных СИ (мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей и других устройств), предназначенная для измерений одной или нескольких физических величин и расположенная в одном месте.

Измерительную установку с включенными в нее эталонами называют поверочной или эталонной установкой. Установку для испытаний какой-либо продукции именуют испытательным стендом. Измерительную установку больших размеров, предназначенную для точных измерений физических величин изделия, называют измерительной машиной.

Системы

Измерительная система (ИС) – это совокупность функционально объединенных мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей, ЭВМ и других технических средств, размещенных в разных точках контролируемого объекта. ИС предназначены для измерений одной или нескольких физических величин, свойственных этому объекту, и выработки измерительных сигналов в разных целях.

Виды измерительных систем:

• Информационно-измерительные системы (ИИС). Это совокупность СИ, средств вычислительной техники и вспомогательных устройств, соединенных между собой каналами связи;
• Измерительно-вычислительные комплексы (ИВК). Это функционально объединенная совокупность СИ, компьютера и вспомогательных устройств, которая служит для выполнения конкретной измерительной задачи.

ИС не воздействует на режимы работы объекта измерений. В отличие от измерительных установок, предусматривающих изменения режима и условий функционирования объекта, ИС предназначена только для сбора и/или хранения информации.

В зависимости от назначения СИ разделяют на измерительные информационные, измерительные контролирующие, измерительные управляющие и другие. 

По степени автоматизации СИ делятся на следующие виды:

• Автоматические (компьютерные). В них в одну измерительную систему объединены компьютер, измерительные приборы и устройства отображения информации. Компьютер используется для обработки результатов измерения, управления самим процессом измерения и для управления воздействием на объект исследования (если это необходимо).
• Автоматизированные (ГИС). Это СИ, которые способны выполнять часть измерений без помощи человека. Можно перестраивать систему для измерений различных физических величин и менять режим измерений. При этом аппаратная часть остается прежней.
• Неавтоматизированные. Такие системы не имеют устройств для автоматической регистрации и математической обработки результатов.

По способу отображения информации

По данному признаку СИ делят на:

• показывающие;
• регистрирующие;
• подающие сигнал;
• компарирующие;
• комбинированные.

Показывающие СИ дают наблюдателю возможность получать значение измеряемой величины в момент измерения на отсчетном устройстве (на шкале, на цифровом индикаторе).

Регистрирующие СИ автоматически записывают результаты измерения на специальном носителе или устройстве для хранения информации. По этим записям можно провести анализ результатов измерений за определенный промежуток времени.

Сигнализирующие СИ оснащены специальными устройствами для включения звуковой или световой сигнализации. Она включается в момент, когда измеряемая величина достигает определенных значений.

Компарирующие СИ служат для сравнения измеряемой величины с соответствующими мерами.

Комбинированные СИ объединяют функции показывающих, регистрирующих и сигнализирующих СИ.

Примеры классификации СИ по отраслям

СИ используют в разных отраслях, и набор измеряемых параметров зависит от специфики технологических процессов. Ниже представлены примеры использования СИ в различных отраслях:

• Химическая промышленность. Здесь СИ применяют для контроля технологических параметров, измерения уровня жидкостей, анализа состава веществ, температуры, давления и т.д. Используют весы, титраторы, манометры, влагометры, рН-метры и другие приборы.
• Аэрокосмическая отрасль. В этой отрасли СИ применяют для контроля параметров сложных конструкций, при изготовлении изделий и обеспечении безопасности их эксплуатации. В качестве СИ используют лазерные ИС, контрольно-измерительные машины (КИМ), манометры, термометры, указатели расхода воздуха, высоты и перепада давления в гермокабинах и т.д.
• Медицина. В данной отрасли используют СИ, которые позволяют контролировать различные показатели организма: температуру тела, артериальное давление, электрическую активность сердца и т.д. Используют термометры, тонометры, электрокардиографы, аппараты УЗИ и т.д.

Также СИ применяют в сфере экологии и безопасности. Например, для контроля вредных веществ в воздухе используют газоанализаторы, а для измерения и спектрального анализа шума применяют шумомеры.

В области промышленности СИ – неотъемлемая часть технологических процессов. С их помощью получают информацию о параметрах, которые определяют ход процессов, контролируют качество продукции и сырья. СИ используют для измерениия допусков, геометрии и прочности деталей, и т.д.

Список источников

• Горбунова Т. Измерения, испытания и контроль. Методы и средства. – Litres, 2022.
• Раннев Г. Г., Тарасенко А. П. Методы и средства измерений. – 2003.
• Леонов О. А. Средства измерений. – 2018.
• Сергеев А., Терегеря В., Латышев М. Метрология, стандартизация, сертификация. – Litres, 2017.