10 - Средства измерений. Метрологические характеристики средств измерений (Лекции), страница 4

Для приборов с дискретным (цифровым, числовым) устройством отображения измерительной информации диапазон показаний определяется видом выходного кода и числом разрядов кода. Код может быть десятиричный (десятичный), двенадцатиричный, шестидесятиричный и другой, например, семиричный код дней недели. Важно также предельное число знаков на табло, в том числе цифр (число разрядов выходного кода) и других (не цифровых), существенными признаками являются виды знаков и их содержание, например, наличие фиксированной или плавающей разделительной десятичной запятой (точки), минуса, знака переполнения или неправильного подключения прибора и др.

Одной из наиболее важных характеристик для приборов с устройством отображения информации типа шкала-указатель является цена деления шкалы (цена деления) – разность значений величин, соответствующих двум соседним отметкам шкалы средства измерений.

Для приборов с дискретным (цифровым) устройством отображения измерительной информации – цена единицы наименьшего разряда кода либо номинальная ступень квантования, если она больше цены единицы наименьшего разряда кода. Номинальная ступень квантования (см. рис. 3 и 4) – наименьшее изменение измеряемой величины, на которое прибор реагирует сменой показаний на цифровом табло. Наименьшее значение номинальной ступени квантования совпадает с ценой единицы наименьшего разряда, а любое иное должно быть кратно этому значению. В случае десятиричного кода как правило применяют множители кратности 2 или 5 (номинальная ступень квантования равна двукратному либо пятикратному значению цены единицы наименьшего разряда кода).

В РМГ 29 – 99 приведены такие характеристики погрешностей средств измерений, как погрешность, систематическая погрешность и случайная погрешность средства измерений.

Погрешность средства измерений – разность между показанием средства измерений и истинным (действительным) значением измеряемой физической величины.

В примечании сказано, что хотя приведенное определение понятия «погрешность средства измерений» соответствует определению, данному VIM—93 и не противоречит формулировкам, принятым в отечественной метрологической литературе, признать его удовлетворительным нельзя, так как по сути оно не отличается от определения понятия «погрешность измерений», поэтому необходима дальнейшая работа по усовершенствованию определения.

Если говорить о погрешности прибора или измерительного преобразователя, следует отметить что она должна отличаться от погрешности измерения практическим отсутствием в результатах измерений методической и субъективной составляющих, а также погрешностей из-за отличия условий измерений от нормальных. Иначе говоря, эти составляющие погрешности измерения должны быть пренебрежимо малы по сравнению с искомой инструментальной составляющей погрешности измерения, при том, что последняя есть погрешность прибора или измерительного преобразователя. Практически так организована поверка средств измерений: разрабатывается методика поверки свободная от методических составляющих, поверку в нормальных условиях проводят квалифицированные операторы, в результате чего единственной значимой погрешностью является погрешность поверяемого средства измерений.

Для меры, которая должна воспроизводить величину заданного размера, за погрешность принимают разность между ее истинным и номинальным значениями.

Систематическая погрешность средства измерений (систематическая погрешность) – составляющая погрешности средства измерений, принимаемая за постоянную или закономерно изменяющуюся.

Поскольку систематическая погрешность конкретного средства измерений индивидуальна и может отличаться от систематической погрешности другого экземпляра средства измерений этого же типа, систематические погрешности группы однотипных средств измерений можно рассматривать как ансамбль случайно распределенных величин.

Случайная погрешность средства измерений (случайная погрешность) – составляющая погрешности средства измерений, изменяющаяся случайным образом.

По формам представления различают абсолютную и относительную погрешности средств измерений. Относительную погрешность обычно выражают в процентах. Разновидностью относительной является приведенная погрешность средства измерений – относительная погрешность, выраженная отношением абсолютной погрешности средства измерений к условно принятому значению величины, постоянному во всем диапазоне измерений или в части диапазона. Условно принятое значение величины называют нормирующим значением. Часто за нормирующее значение принимают верхний предел измерений.

В зависимости от условий использования средств измерений и режима измерений принято различать основную и дополнительную, статическую и динамическую погрешности.

Основная погрешность средства измерений – погрешность средства измерений, применяемого в нормальных условиях.

Дополнительная погрешность средства измерений – составляющая погрешности средства измерений, возникающая дополнительно к основной погрешности вследствие отклонения какой-либо из влияющих величин от нормального ее значения или вследствие ее выхода за пределы нормальной области значений.

Поскольку эти погрешности фактически не являются инструментальными, отнесение их к погрешностям средств измерений не вполне корректно. Однако наличие стандартных терминов может быть использовано при оценке погрешности измерений по составляющим.

Погрешности являются характеристикой точности средства измерений. Точность средства измерений – характеристика качества средства измерений, отражающая близость его погрешности к нулю.

Класс точности средства измерений – обобщенная характеристика данного типа средств измерений, как правило, отражающая уровень их точности, выражаемая пределами допускаемых основной и дополнительных погрешностей, а также другими характеристиками, влияющими на точность.

Класс точности средств измерений конкретного типа указывают в нормативных документах, используя шкалу порядка, либо шкалу отношений. В последнем случае число, обозначающее класс точности, отражает относительную погрешность средства измерений. Класс точности, оцениваемый по ранговой шкале, не является непосредственным показателем точности конкретного средства измерений.

Основной характеристикой погрешности, нормированной в РМГ 29 – 99 является предел допускаемой погрешности.

Предел допускаемой погрешности средства измерений (предел допускаемой погрешности; предел погрешности) – наибольшее значение погрешности средств измерений, устанавливаемое нормативным документом для данного типа средств измерений, при котором оно еще признается годным к применению. Обычно устанавливают два пределы допускаемой погрешности, то есть границы зоны, за которую не должна выходить погрешность средства измерений. При превышении установленного предела погрешности средство измерений признается не годным для применения в данном классе точности.

В ГОСТ 8.009-84 в характеристики погрешностей измерительного прибора или преобразователя входят:

• значение погрешности СИ (если доминирующей составляющей является случайная составляющая погрешности, а неисключенной систематической погрешностью СИ можно пренебречь, оно фактически совпадает со значением случайной составляющей погрешности);

• значение случайной составляющей погрешности СИ;

• значение среднего квадратического отклонения случайной составляющей погрешности СИ;

• значение среднего квадратического отклонения случайной составляющей погрешности СИ и нормализованная автокорреляционная функция или функция спектральной плотности случайной составляющей погрешности СИ;

• значение случайной составляющей погрешности СИ от гистерезиса (от вариации выходного сигнала);

• значение систематической составляющей погрешности СИ;

• комплекс в составе: значение систематической составляющей погрешности СИ, или значение среднего квадратического отклонения систематической составляющей погрешности СИ и математическое ожидание систематической составляющей погрешности СИ.

Условные обозначения характеристик погрешностей измерительного прибора (измерительного преобразователя) приведены в табл. 1.

При определении оценок систематической составляющей погрешности СИ необходимо учитывать, что систематические составляющие конкретного экземпляра СИ рассматриваются как случайные величины на множестве СИ данного типоразмера.

Таблица 1

Обозначения характеристик погрешностей измерительного прибора

(измерительного преобразователя)

Устанавливать значения среднего квадратического отклонения и математического ожидания систематической составляющей погрешности СИ целесообразно только в тех случаях, когда можно пренебречь их изменением во времени или когда есть возможность выявления функции изменения данных характеристик при определенных значениях аргументов (например, влияющих величин).

Характеристики чувствительности СИ к влияющим величинам:

функции влияния ФВ — зависимость изменения МХ СИ от изменения влияющей величины или от изменения совокупности влияющих величин;

изменения значений МХ СИ, вызванные изменениями влияющих величин в установленных пределах.

Характеристики средств измерений, отражающие способность влиять на инструментальную составляющую погрешности измерений вследствие взаимодействия СИ с любым подключенным к их входу или выходу компонентов (таких, как объект измерений, дополнительное средство измерений и т.п.). Примерами характеристик этой группы являются входной и выходной импедансы линейного измерительного преобразователя.

Динамические характеристики, входящие в МХ конкретного средства измерений, делятся на полную динамическую характеристику и частные динамические характеристики.

Примеры полных динамических характеристик СИ (рис. 6):

• переходная характеристика h(t) – временнАя характеристика средства измерений, полученная при ступенчатом изменении входного сигнала (рис. 6а);

• импульсная переходная характеристика g(t) – временнАя характеристика средства измерений, получаемая при в результате приложения ко входу средства измерений входного сигнала в виде дельта-функции или функции Дирака (рис. 6а);

• амплитудно-частотная характеристика A() – зависящее от круговой частоты отношение амплитуды выходного сигнала линейного СИ в установившемся режиме к амплитуде входного синусоидального сигнала.

Частные динамические характеристики аналоговых СИ, которые можно рассматривать как имеющие линейную функцию преобразования, – любые функционалы или параметры полных динамических характеристик. Примерами таких характеристик являются:

• время реакции tr (см. рис. 6а); для измерительного преобразователя – время установления выходного сигнала, для показывающего измерительного прибора – время установления показаний;

• погрешность датирования отсчета td аналого-цифрового преобразователя или цифрового измерительного прибора – случайная величина – интервал времени, начинающийся в момент начала цикла преобразования АЦП или ЦИП и заканчивающийся в момент, когда значение изменяющейся измеряемой ФВ и значение выходного цифрового сигнала в данном цикле преобразования оказались равны;

• максимальная частота (скорость) измерений fmax.

Дополнительными метрологическими характеристиками СИ могут быть неинформативные параметры выходного сигнала средства измерений. Например, для устройств с электрическим преобразованием измерительной информации в выходном каскаде принципиально важными являются сила или напряжение опорного электрического тока, который модулируется для получения соответствующего сигнала.

Использовать для измерений следует только те средства, которые признаны метрологически исправными. Нарушение хотя бы одной нормированной характеристики считается метрологическим отказом средства измерений, даже если оно сохранило техническую работоспособность. Понятие отказ взято из такой области качества, как надежность.

Метрологическая исправность средства измерений (метрологическая исправность) – состояние средства измерений, при котором все нормируемые метрологические характеристики соответствуют установленным требованиям.

Метрологический отказ средства измерений (метрологический отказ) – выход метрологической характеристики средства измерений за установленные пределы.

Метрологическая надежность средства измерений (метрологическая надежность) – надежность средства измерений в части сохранения его метрологической исправности.

Метрологическую исправность средств измерений устанавливают по результатам их поверки или калибровки.