Метрологические характеристики средств измерений

В соответствии с ГОСТ Р 8.000—2000 метрология — это наука об измерениях, методах, средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности. Различают теоретическую, законодательную и практическую (прикладную) метрологию.

Одним из основных условий для реализации единства измерений является необходимость обеспечения единообразия СИ, т. е. когда они проградуированы в узаконенных единицах и их метрологические характеристики соответствуют установленным нормам.

Метрологическая характеристика — характеристика одного из свойств СИ, влияющая на результат измерений и на его погрешность. Для каждого типа СИ устанавливают свои метрологические характеристики. Метрологические характеристики, устанавливаемые НТД, называют нормируемыми, а определяемые экспериментально — действительными метрологическими характеристиками.

ГОСТ 22 729–84 устанавливает следующие метрологические характеристики анализаторов:

• • диапазон измерений;
• • основная погрешность или систематическая и случайная составляющие погрешности, изменение выходных сигналов (показаний), вызванные изменением влияющей величины в пределах рабочих условий применения (дополнительная погрешность);
• • стабильность;
• • динамические характеристики.

ГОСТ 8.009—84 регламентирует номенклатуру метрологических характеристик.

Функция преобразования (статическая характеристика) — функциональная зависимость между информативными параметрами выходного и входного сигналов СИ. Она может задаваться аналитически, таблично или графически (рис. 3.2).

Рис. 3.2. Статическая характеристика СИ.

Градуировочная характеристика — зависимость между значениями величин на входе и выходе СИ, полученная экспериментально.

Диапазон измерений — область значений величины, в пределах которой нормированы допускаемые значения погрешности СИ. Значения величины, ограничивающие диапазон измерений снизу и сверху (слева и справа), называют соответственно нижним и верхним пределами измерений.

Диапазон показаний — область значений шкалы прибора, ограниченная начальным и конечным значениями шкалы.

Чувствительность S — свойство СИ, определяемое отношением изменения выходного сигнала Д Y этого средства к вызывающей его изменение измеряемой величине АХ, т. е.

Метрологический отказ — это выход метрологических характеристик СИ за установленные пределы. Если погрешность СИ класса точности 0,01 стала превышать 0,01%, то это значит, что произошел метрологический отказ и СИ уже не соответствует указанному ранее классу точности и пользоваться им нельзя.

Точностные характеристики — совокупность метрологических характеристик СИ, влияющих на погрешность измерения. К точностным характеристикам относят погрешность СИ, нестабильность, порог чувствительности, дрейф нуля и т. п.

Основные методы повышения точности можно разделить на конструкторско-технологические, структурные, алгоритмические и комплексные.

Точность — характеристика качества СИ, отражающая близость его погрешности к нулю. Считается, что чем меньше погрешность, тем точнее СИ.

Порог чувствительности — характеристика СИ в виде наименьшего значения изменения физической величины, начиная с которого может осуществляться ее измерение данным средством. Если самое незначительное изменение массы, которое вызывает перемещение стрелки весов, составляет 10 мг, то порог чувствительности весов равен 10 мг.

Предел допускаемой погрешности — наибольшее значение погрешности СИ, устанавливаемое НД для данного типа СИ, при котором оно еще признается годным к применению.

Класс точности — обобщенная характеристика данного типа СИ, отражающая уровень их точности, выражаемая пределами допускаемых основной и дополнительных погрешностей, а также другими характеристиками, влияющими на точность. Класс точности СИ характеризует их свойства в отношении точности, но не является непосредственным показателем точности измерений, выполненных с помощью этих средств. Это связано с тем, что погрешность зависит еще от ряда факторов: метода измерений, условий измерений и т. д.

Класс точности присваивают СИ при их разработке на основании исследований и испытаний представительной партии устройств данного типа. Обычно его устанавливают в НТД.

Если основная абсолютная погрешность имеет аддитивную и мультипликативную составляющие, то класс точности представляют пределами допускаемой относительной погрешности 5 в виде.

где Д = ±(а + ЬХ); a, b, end — положительные коэффициенты; X_N — нормирующее значение, выраженное в единицах абсолютной погрешности.

Если прибор имеет равномерную шкалу и нулевая отметка находится на левом краю шкалы или вне ее, то за нормирующее значение X_N принимают конечное (правое) значение шкалы. Если же нулевая отметка находится внутри шкалы, то нормирующее значение X_N принимают равным сумме конечных значений шкалы, без учета знаков.

Класс точности СИ, выраженный формулой (3.3), принято изображать числами с и d, разделяя их косой чертой, т. е. c/d, например 0,5/0,02. Класс точности выбирают путем округления с и d до ближайшего большего числа из установленного нормального ряда: (1,0, 1,5, 2,0, 2,5, 4,0, 5,0, 6,0)10″, где п = … -3, -2,-1,0, 1,2…).

Поверка — установление органом государственной метрологической службы (или другим официально уполномоченным органом, организацией) пригодности СИ к применению на основании экспериментально определяемых метрологических характеристик и подтверждения их соответствия установленным обязательным требованиям. Различают первичную, периодическую, внеочередную и инспекционную поверку СИ.

По условиям проведения измерений, погрешности СИ разделяют на основные и дополнительные.

Основной называют погрешность СИ, применяемого в нормальных условиях. Эти условия устанавливают НТД на виды СИ или их типы.

В большинстве НТД на СИ к нормальным относят следующие внешние условия:

• • температура ОС 20 ± 5 °C;
• • относительная влажность воздуха 65 ± 15%;
• • атмосферное давление 100 ± 4 кПа (750 ± 30 мм рт. ст.);
• • напряжение питающей электрической сети 220 ± 4,4 В с частотой 50 Гц.

Кроме нормальных условий, в НТД на тип СИ указывают также условия, в пределах ко торых допускается эксплуатировать СИ с гарантированными метрологическими характеристиками. При этом диапазон рабочих условий существенно шире, чем нормальных. Например, рабочие температуры многих типов СИ имеют пределы от -10 до +40°С.

Дополнительная погрешность — составляющая погрешности СИ, возникающая дополнительно к основной погрешности вследствие отклонения какой-либо из влияющих величин от нормального ее значения или ее выхода за пределы нормальной области значений. Дополнительная погрешность учитывается с помощью функции влияния.

Функция влияния представляет собой зависимость числовых значений (обычно в процентах), на которые необходимо увеличить значение основной погрешности, от значения отклонения влияющей величины от нормальных условий. Например, функцию влияния температуры часто указывают в виде|/ = п%! 10 °C, по питающему напряжению — U_num = m%/S%, где числа пит означают, на сколько процентов следует увеличить значение основной погрешности измерений при указанном отклонении от нормальных значений температуры ОС и напряжения питания соответственно.

В технике измерений часто применяют измерительные цепи или каналы, состоящие из нескольких СИ. Такая измерительная цепь может быть представлена в виде последовательной цепи, состоящей из ПИП, линии связи, ИП, вторичного прибора или АЦП для ввода сигнала в микропроцессор и т. д.

Измерительный канал ИС — последовательное соединение каналов компонентов, выполняющее законченную функцию от восприятия измеряемой величины до получения результата ее измерения, выражаемого числом или соответствующим ему кодом. Каналы могут быть простыми и сложными. В простом осуществляется прямое измерение величины; сложный канал является совокупностью простых измерительных каналов, реализующих косвенные, совокупные или совместные измерения.

В случае если погрешности отдельных СИ Д, независимы одна от другой, погрешность измерительного канала Д определяется выражением.