Нормируемые метрологические характеристики средств измерений

Эксплуатация средств измерений часто происходит за пре­делами нормальных условий, но при сохранении их работоспо­собности.

♦ Составляющая погрешности, возникающая дополнительно к ос­новной вследствие отклонения какой-либо из влияющих величин от установленного для нее диапазона нормальных условий, называется дополнительной погрешностью средства измерений. ♦;

Дополнительные погрешности нормируются, как правило, в удельной форме. Например, в процентах с соответствующим знаком на каждые 10°С изменения температуры от номинально­го значения и т.п.

Одни и те же средства измерений могут применяться для измерений неизменных по величине физических величин и ве­личин, изменяющихся по величине за время измерения. Если это различие приводит к изменению погрешности средства из­мерений, то говорят о наличии статической и динамической по­грешностей средства измерений.

Погрешность средства измерений — его основная метрологи­ческая характеристика. Все характеристики средства измерений как технического устройства классифицируются в качестве мет­рологических в зависимости от их влияния на величину погреш­ности: если какая-либо характеристика оказывает влияние, то она считается метрологической. В общем случае к метрологическим характеристикам средств измерений относят назначение, диапа­зон измерений, погрешность, влияющие величины [3].

Назначение указывает на то, какая физическая величина (или величины), в каких единицах (или шкалах) и в каком диапазоне (или диапазонах) измеряется данным средством измерений.

Влияющими являются величины, которые не указаны в на­значении средства измерений, но оказывают влияние на его по­казания. Влияющие величины по отношению к объекту измере­ния подразделяются на внутренние и внешние.

Внешние влияющие величины характеризуют условия проведения измерений: температуру окружающего воздуха; его влажность; ат­мосферное давление; вибрацию основания, на котором размещает­ся средство измерений; горизонтальность основания и т.п.

Внутренние влияющие величины характеризуют объект изме­рений, но не измеряются данным средством измерений. Их иногда называют неинформативными параметрами измерительно­го сигнала. Например, на показания напряжения переменного тока влияет его частота, и наоборот; на показания расходомера влияет вязкость измеряемой жидкости и т.п. Разработаны пра­вила, в соответствии с которыми для каждого средства измерений должны приводиться все его метрологические характери­стики. В противном случае, естественно, нарушаются требова­ния единства измерений, так как результаты измерений воспро­извести невозможно. Эти правила сформулированы в ГОСТ 8.009—84 «ГСИ. Нормируемые метрологические характеристики средств измерений». Характеристики делятся на группы:

• характеристики, предназначенные для определения резуль­татов измерений (без введения поправки):

— функция преобразования измерительного преобразова­теля (прибора с неименованной шкалой или со шкалой, градуированной в единицах, отличных от единиц вход­ной величины);

— значение однозначной или значения многозначной меры;

— цена деления шкалы измерительного прибора или мно­гозначной меры;

— вид выходного кода, число разрядов кода, цена единицы наименьшего разряда кода средств измерений, предна­значенных для выдачи результатов в цифровом коде;

• характеристики, систематической погрешности средства измерений:

— значение систематической составляющей А_с;

— значения систематической составляющей А_с, математи­ческого ожидания М[А_С] и среднего квадратического от­клонения S[ A_c ] систематической составляющей.

Задание математического ожидания и среднего квадратиче­ского отклонения для систематической погрешности практику­ется в связи с тем, что для множества экземпляров средств из­мерений одного типа она рассматривается в качестве случайной величины. Если значения математического ожидания и среднего квадратического отклонения систематической погрешности из­меняются по времени, то необходимо их нормировать в функ­циональной зависимости от времени. Методика оценки характе­ристик систематической погрешности средств измерений регла­ментирована руководящим документом РД 50-453—84 «ГСИ. Характеристики погрешности средств измерений в реальных ус­ловиях эксплуатации. Методы расчета».

Для определения значения А_с выполняют два ряда наблюде­ний (операций, проводимых при измерении и имеющих целью своевременный и правильный отсчет показаний средства изме­рений) известной с достаточной точностью величины Лд, пода­ваемой на вход. При выполнении наблюдений первого ряда зна­чение входной величины X медленно и плавно подводим к тре­буемому значению Xд со стороны меньших значений. Получаем ряд значений, который обозначим X_Mi = Х_M, Х_М2, Х_M3, …, Хмп- При выполнении наблюдений второго ряда величину X подво­дим к значению Хд со стороны больших значений и получаем ряд значений, который обозначим Х_Бi = Х_Б1, Х_Б2, Х_Б3, …, Х_Бn. Для каждого ряда наблюдений находим среднее арифметическое значение систематической погрешности:

Для совокупности средств измерений данного типа характе­ристики систематической составляющей погрешности опреде­ляются путем проведения многократных наблюдений известной величины X_Д сравнительно большим числом (т) экземпляров средств измерений. По результатам наблюдений определяем средние арифметические значения для каждого испытываемого экземпляра. Обозначим ряд этих значений X_i = X_i, X₂, X₃,..., Х_т. Затем определим среднее арифметическое значение (X_CD) резуль­татов этого ряда:

Среднее арифметическое значение X_CD представляет собой оценку математического ожидания результата измерения величины X_Д всеми т экземплярами исследуемых средств измере­ний. Теперь можем получить оценку математического ожидания систематической составляющей погрешности средств измерений данного типа:

1. Характеристиками случайной составляющей погрешности средств измерений являются или среднее квадратическое откло­нение S[∆], или среднее квадратическое отклонение S[∆] и нор­мализованная автокорреляционная функция г_д[т], или функция спектральной плотности S_∆[ω].

Для определения среднего квадратического отклонения слу­чайной составляющей погрешности средства измерений также необходимо произвести два ряда наблюдений со стороны мень­ших и больших значений известной величины Х_Д. На практике, естественно, второй раз наблюдения не проводят, а используют результаты, полученные для определения систематической со­ставляющей. В этом случае на первом этапе определяют значе­ния погрешностей:

Среднее квадратическое отклонение случайной составляю­щей погрешности типа средств измерений не рассчитывается, а принимается равным предельно допустимому значению, уста­новленному для данного типа средств измерений (S_Д[∆]).

2. Характеристика случайной составляющей погрешности средств измерений от явлений гистерезиса — вариация К выходного сиг­нала (показаний) средства измерений.

Оценка вариации выходного сигнала экземпляра средств из­мерений производится по зависимости:

Вариация выходного сигнала средств измерений данного типа принимается равной установленному для типа значению (V_Д).

3. Характеристика погрешности средств измерений — значе­ние собственно погрешности.

Погрешность экземпляра средств измерений определяется по формуле:

Как следует из зависимости (3.10), погрешность средств изме­рений определенного типа рассматривается как случайная величи­на во всем интервале изменения значения влияющей величины.

4. Характеристики чувствительности средств измерений к влияющим величинам:

• функции влияния;

• величина изменения значений метрологических характе­ристик, обусловленная изменением влияющих величин в установленных пределах.

5. Динамические характеристики средств измерений подразде­ляются на характеристики, устанавливаемые для всех средств измерений, характеристики аналоговых средств измерений, ха­рактеристики цифровых измерительных приборов и аналого-цифровых преобразователей и характеристики цифроаналоговых преобразователей.

В качестве общих динамических характеристик устанавливаются:

• переходная характеристика;

• импульсная переходная характеристика;

• амплитудно-фазовая характеристика (АФХ);

• амплитудно-частотная характеристика (АЧХ), которая уста­навливается для минимально фазовых средств измерений;

• совокупность АЧХ и фазочастотной характеристик;

• передаточная функция.

К динамическим характеристикам аналоговых средств изме­рений относятся:

• время реакции;

• коэффициент демпфирования;

• постоянная времени;

• значение АЧХ на резонансной частоте;

• значение резонансной собственной круговой частоты.

Для аналого-цифровых преобразователей (АЦП) и цифровых измерительных приборов (ЦИП), время реакции которых не превышает минимально возможного интервала времени между двумя измерениями, устанавливаются:

• время реакции;

• погрешность регистрации времени отсчета;

• максимальная частота (скорость) измерения.

К динамическим характеристикам цифроаналоговых преоб­разователей относятся:

• время реакции;

• переходная характеристика.

6. Входной и выходной импедансы.

Импеданс — характеристика, отражающая изменение по­грешности средства измерений за счет подключения к его входу (входной импеданс) или выходу (выходной импеданс) других

устройств.

7. Неинформативные параметры выходного сигнала средств измерений. Под неинформативными понимают параметры вы­ходного сигнала средств измерений, которые не несут в себе информации об измеряемой величине.

Перечисленные выше группы метрологических характери­стик являются основой, перечнем, из которого следует выбирать соответствующие специфике конкретного типа (экземпляра) средства измерений. Нормирование, т.е. количественное огра­ничение метрологических характеристик средств измерений, производят двумя способами:

(1) установлением номинальных (приписанных) значений, распространяющихся на все средства измерений данного типа и служащих для подбора типа, удовлетворяющего ус­ловиям проведения измерений, в том числе и по точности;

(2) установлением предельных, граничных значений, позво­ляющих решить все задачи по обеспечению единства из­мерений: осуществить поверку средств измерений; рас­считать как составляющие, так и суммарное значение по­грешности средства измерений и т.д.

Расчет характеристик погрешности средств измерений в ре­альных условиях эксплуатации, в весьма упрощенном виде представленный выше, базируется на положениях, установлен­ных в [59]. Используются два подхода к их определению:

(1) первый подход заключается в установлении значений ха­рактеристик расчетным путем статистическими методами по результатам экспериментальных исследований. Расчет базируется на пренебрежении факторами, имеющими ма­лое влияние, при наличии трех и более факторов, оказы­вающих заметное воздействие на величину той или иной метрологической характеристики. Характерная особен­ность метода — установление ширины доверительного интервала с заданным уровнем вероятности нахождения в нем реального значения характеристики;

(2) второй подход основан на суммировании предельных (максимально установленных любым путем: расчетным или теоретическим) значений составляющих с целью по­лучить предельные значения метрологических характери­стик средства измерений. Такой подход при наличии не­скольких влияющих величин дает за счет арифметическо­го суммирования завышенные, ухудшенные значения ха­рактеристик. Но при этом повышается гарантия, что ма­лозначимые, неучтенные факторы не окажут влияния на метрологические характеристики средства измерений. Фактически речь идет об определении метрологических характеристик с доверительной вероятностью, равной единице. Этот метод предпочтителен для определения метрологических характеристик средств измерений, при­меняемых при проведении особо важных и дорогостоя­щих экспериментов.