Lct_mes2 (Теоретическая механика лекции из МАИ (ворд))

3.5. Метрологические характеристики средств измерений,

подлежащие нормированию

3.5.1. Общие положения

Анализ метрологических структурных схем, выполненный выше в п.п. 3.1 - 3.3, свидетельствует о том, что инструментальная погрешность результатов измерений целиком определяется свойствами средств измерений. Характеристики этих свойств называются метрологическими характеристиками средств измерений.

В стандарте ГОСТ 8.009-84 “Государственная система обеспечения единства измерений. Нормирование и использование метрологических характеристик средств измерений” приводится определение метрологических характеристик и их перечень, общий подход к выбору номенклатуры метрологических характеристик, а также способы установления норм на них и примеры применения.

В технической документации на средства измерений следует приводить перечень метрологических характеристик и нормы на них, исходя из того, что метрологические характеристики должны позволять

- прогнозировать характеристики погрешности результатов измерений - при приобретении средства измерений или при планировании измерений,

- оценивать характеристики погрешности результатов измерений - при выполнении измерений в реальных условиях эксплуатации,

- контролировать сохранность метрологических характеристик средств измерений при их испытаниях с приемлемыми затратами без потери достоверности контроля.

Нормы на метрологические характеристики средств измерений устанавливаются с целью обеспечения гарантий их соблюдения и сохранности на момент приобретения средства измерений, в период их эксплуатации и хранения. В соответствии со стандартом ГОСТ 8.009-84 эти нормы сообщаются пользователю в нормативных документах вида технических условий (ТУ) или технических описаний (ТО), а также в рекламной документации (выборочно) в виде пределов допускаемых значений метрологических характеристик. Гарантии сохранности метрологических характеристик обеспечиваются производителем и контролирующими государственными и ведомственными метрологическими органами путем метрологических испытаний средств измерений.

Метрологические характеристики делятся на следующие группы:

- характеристики погрешности средств измерений,

- характеристики преобразования сигналов измеряемых величин и сигналов измерительной информации,

- характеристики взаимодействия с объектом и внешними средствами измерений,

- прочие метрологические характеристики, то есть метрологические характеристики, которые в соответствии с ГОСТ 8.009-84 при технической необходимости могут устанавливаться дополнительно сверх указанных в этом стандарте.

3.5.2. Характеристики погрешности средств измерений

Понятия, термины и определения, приведенные в этом и следующих пунктах, соответствуют ГОСТ 8.009-84 и МИ 2247-93 “Государственная система обеспечения единства измерений. Метрология. Основные термины и определения”.

Для средств измерений нормируются характеристики основной и дополнительной погрешностей. Напомним, что основная погрешность - это погреш­ность средства измерений в нормальных условиях эксплуатации.

При отсутствии или пренебрежимой малости случайной составляющей погрешности устанавливается предел допускаемой основной погрешности, которая может быть представлена в виде абсолютной, либо относительной погрешности, либо как приведенная к некоторому нормирующему значению (fiducial value) измеряемой величины.

При наличии существенной случайной составляющей погрешности нормы на характеристики систематической и случайной составляющих устанавливаются раздельно:

- предел допускаемой систематической составляющей погрешности,

- предел допускаемого среднеквадратического значения случайной составляющей погрешности.

Допускается устанавливать характеристику погрешности, которая включает в себя обе составляющие: систематическую и случайную. Такой характеристикой является интервал, заданный нижней и верхней границами, между которыми содержатся значения основной погрешности с вероятностью, не меньшей заданной вероятности , равной обычно 0,8 ¸ 0,95, то есть

P( £ e £ ) ³ .

Как правило, эти границы симметричны относительно нуля, то есть = - = .

При зависимости погрешности средства измерений от измеряемой величины нормы на характеристики погрешности могут быть выражены в виде функции или графика.

Нормы на характеристики дополнительной погрешности устанавливаются в виде пределов допускаемых изменений характеристик основной погрешности, вызванных отклонением влияющих величин от нормальных значений. Эти пределы указываются в долях от норм на соответствующие характеристики основной погрешности по каждой из влияющих величин раздельно.

При незначительной дополнительной погрешности или по требованию пользователя вместо указания характеристик основной погрешности могут быть указаны характеристики погрешности средства измерений для расширенной области изменения влияющих величин вплоть до области, соответствующей рабочим условиям применения (в англоязычных документах для обозначения рабочих условий применения средств измерений используется термин “normal conditions”). В таких случаях указание характеристик дополнительной погрешности оказывается излишним. Но при этом следует иметь в виду, что экспериментальный контроль характеристик погрешности, установленных для рабочих условий, сильно усложняется, поскольку для этого придется искуственно создавать указанные условия путем контролируемого воспроизведения совместного действия влияющих величин в широкой области значений и в достаточном объеме, требующемся для размещения в нем средства измерений.

К характеристикам погрешности средств измерений относятся метрологические характеристики, отражающие погрешности отсчитывания результата измерения или его округления при представлении результатов измерений или значений физических величин в цифровом коде.

Такими метрологическими характеристиками являются:

- цена наименьшего деления шкалы,

- цена младшего разряда выходного кода АЦП или индикатора цифрового прибора,

- значение наименьшей ступени физической величины, которая воспроизводятся многозначными мерами, или величины, формируемой на выходе цифроаналогового преобразователя (ЦАП).

3.5.3. Характеристики преобразования измеряемой величины

и сигналов измерительной информации

В документации на измерительный преобразователь должны быть указаны:

- номинальная функция преобразования (иначе - номинальная статическая характеристика преобразования) измеряемой величины f(x),

- динамические характеристики, описывающие преобразование изменяющихся во времени сигналов измеряемой величины или сигналов измерительной информации.

Форма представления номинальных характеристик - функция, график или таблица. Если номинальная функция преобразования линейна и проходит через начало координат, указывается значение номинального коэффициента преобразования.

Пределы допускаемых отклонений реальной функции преобразования от номинальной не нормируются, поскольку нормами на эти отклонения, по сути дела, являются нормы, которые установлены на характеристики погрешности.

Динамические характеристики указываются в документации на средства измерений, предназначенные для измерений в динамическом режиме или могущие быть использованными в таком режиме. Предельно допускаемый разброс динамических характеристик на множестве экземпляров средств измерений ограничивается посредством установления граничных динамических характеристик (верхней и нижней).

Примерами динамических характеристик могут служить характеристики, которые были использованы выше при анализе метрологических структурных схем измерений в динамическом режиме в п. 3.2.2, а именно, импульсная переходная характеристика (весовая функция) k(t), использованная в выражениях (21, 22), и комплексная частотная характеристика K(jw), фигурирующая в выражении (23). Эти характеристики называются полными динамическими характеристиками. Они взаимнооднозначно связаны преобразованием Фурье:

, .

К полным динамическим характеристикам относятся также

- передаточная функция, которая получается из K(jw) простой заменой jw = p,

- амплитудно-частотная характеристика A(w) в комплекте с фазо-частотной характеристикой j(w),

- переходная характеристика H(t).

Физический смысл импульсной переходной характеристики - это выходной сигнал линейного аналогового преобразователя, возникающий, как реакция преобразователя на входной сигнал в виде  - функции, то есть очень короткого импульса, мощность которого достаточна для получения заметного сигнала на выходе.

Переходная характеристика - это выходной сигнал линейного аналогового преобразователя, возникающий, как реакция преобразователя на входной сигнал в виде единичного скачка.

, k(t) = .

Амплитудно-частотная характеристика - это зависящее от частоты отношение амплитуды синусоидального выходного сигнала к амплитуде вызвавшего его синусоидального входного сигнала (то есть коэффициент усиления амплитуды).

Фазо-частотная характеристика - это зависящий от частоты сдвиг фазы выходного синусоидального сигнала по отношению к фазе вызвавшего его синусоидального входного сигнала.

, .

Комплексная частотная характеристика реального средства измерений представляет собой отношение двух полиномов от jw, причем степень полинома числителя не превосходит степени полинома знаменателя.