Нормирование метрологических характеристик

Нормирование метрологических характеристик. Качество измерений зависит от влияющих факторов и от свойств, применяемых средств измерений (СИ). Свойства СИ определяются их метрологическими характеристиками (МХ).

Метрологическими характеристиками называются свойства СИ, оказывающие влияние на результаты измерений и их точность.

Все МХ СИ обязательно нормируются. Под нормированием понимается законодательный акт по установлению норм. Установление норм основано на научных и технических достижениях метрологии и измерительной техники, а также на требованиях предъявляемых практикой их эксплуатации. Поэтому способы выражения МХ СИ и способы их нормирования постоянно совершенствуются.

Таким образом нормирование – это установление границ для отклонений реальных метрологических свойств средств измерений от их номинальных значений. Эти границы указываются в эксплуатационной документации (ЭД) на каждое средство измерений или на самом СИ.

Нормирование МХ предопределяет качество СИ. Поэтому при изготовлении СИ, а затем и в процессе их эксплуатации периодически (через поверку) проверяют, не выходят ли за установленные нормы реальные свойства СИ. Если какое-то из реальных свойств отклонилось от своего номинального значения больше, чем предусмотрено нормами, то средство измерения регулируют, ремонтируют или списывают.

Таким образом нормирование МХ СИ имеет целью решение следующих задач:

- придание однотипным СИ требуемых свойств по точности;

- обеспечение возможности оценивания приборных погрешностей по установленным нормам;

- обеспечение возможности сравнения между собой СИ по точности;

- обеспечение возможности по погрешностям отдельных СИ рассчитывать погрешности измерительных установок и измерительных каналов ИИС и ИВК.

 

МЕТРОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ РАБОЧИХ

СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ

Рассмотрим наиболее важные метрологические характеристики рабочих средств измерений, определяющие их эксплуатационные возможности.

1. Пределы допускаемых погрешностей - важнейшая метрологическая характеристика любого средства измерения, включающая в себя систематические и случайные составляющие. На пределы допускаемых погрешностей устанавливаются нормы. Причем нормируются пределы как основных, так и дополнительных погрешностей.

Основная погрешность – это погрешность СИ, используемого в нормальных условиях эксплуатации. Нормальными считаются условия, при которых зависимостью метрологических характеристик от изменения значений влияющих факторов можно пренебречь. Нормальные условия обычно указываются в ЭД на средство измерения.

Однако рабочие (реальные) условия эксплуатации средств измерений могут отличаться от нормальных более широкими пределами изменения значений влияющих величин. При этом важно отметить, что даже незначительное отклонение влияющих величин от допускаемых нормальными условиями пределов, как правило, вызывают появление значительных дополнительных погрешностей.

Дополнительная погрешность – приращение погрешности средства измерения, вызванное отклонением хотя бы одной из влияющих величин от ее нормального значения.

В связи с этим нормируются по отдельности все свойства средств измерений, влияющие на их точность, то есть отдельно нормируют основную погрешность и по отдельности – все дополнительные, по каждой влияющей величине. Например, дополнительная температурная погрешность, частотная и т. д.

Следует заметить, что если условия эксплуатации СИ отличаются от нормальных и в ЭД не оговорены дополнительные условия, разрешающие эксплуатацию СИ в условиях отличных от нормальных, то приращение дополнительной погрешности может оказаться весьма значительным, если хотя бы одна из влияющих величин вышла за допускаемые пределы отклонения.

2. Чувствительность – вторая важная качественная характеристика СИ. Понятие чувствительности вытекает из обобщенного понятия проходной характеристики СИ, как четырехполюсника, и определяется как приращение выходной величины Y (реакции прибора) от изменения входной X, то есть измеряемой величины.

Если функция преобразования линейна, то чувствительность постоянна, то есть прибор имеет линейную (равномерную) шкалу.

При этом чувствительность не зависит от значения измеряемой величины, и может быть определена как отношение приращений:

= S.

Чувствительность измерительного прибора имеет размерность. Чувствительность масштабного преобразователя безразмерна, например, коэффициент усиления измерительного усилителя по напряжению есть, по сути, его чувствительность по напряжению. Для аналоговых измерительных приборов с линейными шкалами (S = const), удобно пользоваться величиной обратной чувствительности С = 1/S, называемой постоянной прибора или ценой одного деления.

Полная чувствительность (S_п) схем с последовательной цепью преобразования, например, измерительного прибора или аналогового измерительного канала информационно–измерительной системы равна произведению чувствительностей всех звеньев

S_п = .

Полная чувствительность измерительных приборов и аналоговых каналов с обратными связями определяется по формуле

S_п = .

где S₁ – чувствительность прямого канала; S₂ – чувствительность цепи обратной связи.

3. Порог чувствительности. В общем случае за порог чувствительности (D_S) удобно принять такое значение измеряемой величины, относительная погрешность которой достигает 100 %, то есть, если принять X = D_S, то оценка относительной погрешности будет d = 100 %, при этом отношение измеряемой величины (сигнала) к порогу чувствительности как помехи равно 1. При больших порогах чувствительности возникают проблемы точного измерения малых значений измеряемых величин, соизмеримых с порогом чувствительности прибора.

Эти обстоятельства затрудняют качественное измерение малой разности двух величин. Так всегда существует проблема разработки точных измерительных двухканальных приборов, то есть дифференциальных приборов. Кроме этого при больших порогах чувствительности, который определяет так называемую погрешность нуля (аддитивную погрешность) приборная относительная погрешность измерения всегда увеличивается по гиперболическому закону при уменьшении значения измеряемой величины. Это обстоятельство сужает рабочий диапазон измерения.

С точки зрения теории информации измерения при соотношении X £ D_S вообще не дают информации, так как количество измерительной информации есть разность между энтропией величиныX до измерения H(X) и энтропии измерительного прибора H(X/D_пр), то есть разность двух интегралов:

I = H(X) - H(X/D_пр),

где D_пр – полоса неопределенности измерительного прибора, равная модулю его удвоенной абсолютной погрешности D_пр = 2ê± D ê.

Общее выражение энтропии сигнала X есть интеграл Шеннона

H(X) = ,

где р(Х) – вероятностная плотность (закон) распределения величины Х в интервале -¥ до +¥.

Для аналоговых измерительных приборов со стрелочными указателями за порог чувствительности принимают наименьшее изменение входного сигнала (измеряемой величины), способное вызвать заметное для оператора приращение в показаниях прибора. На практике за порог чувствительности принимают половину первого деления шкалы.

Для цифровых измерительных приборов, в связи с дискретностью их показаний, за порог чувствительности принимают значение единицы младшего разряда цифрового отсчетного устройства, так как порог чувствительности зависит от поддиапазона измерений.

4. Диапазон измерений (рабочий диапазон) – область значений шкалы, для которой известны (заданы) пределы допускаемых погрешностей.

5. Диапазон показаний – область значения шкалы, ограниченная начальным и конечным значениями. Например, для стрелочного омметра диапазон от 0 до ¥ всегда больше диапазона измерений.

Таким образом, диапазон измерений равен или меньше диапазона показаний. Эти диапазоны равны, если нет отметок на шкале, ограничивающих диапазон измерений.

6. Постоянная времени прибора – это время, необходимое на единичное измерение, до полного установления показаний. Характеризует инерционность измерительного средства, ограничивая его динамические возможности и вызывая особый вид погрешности, называемый динамической погрешностью. Так, постоянная времени (время усреднения показаний) современных стрелочных приборов достигает 4 с, а цифровых измерительных приборов - 1´10^-6с.

7. Внутренний импеданс прибора (полное внутреннее сопротивление и его активная и реактивная составляющие) характеризует взаимовлияние прибора и объекта, а также взаимовлияние приборов друг на друга, соединенных между собой в одной установке. Например, при косвенных измерениях сопротивления с помощью вольтметра и амперметра не всегда можно пренебречь шунтирующим действием внутреннего сопротивления первого и добавочным действием внутреннего сопротивления второго. Недоучет импедансов приборов часто приводит к неправильным измерениям, то есть к измерениям с большими систематическими погрешностями, и, как следствие, к неверным выводам и действиям.

8. Метрологическая надежность прибора – свойство прибора сохранять значения метрологических характеристик в указанных пределах в течение определенного времени (межповерочного периода) при нормальных режимах и условиях эксплуатации.

В процессе эксплуатации любого средства измерения может возникнуть внезапная его неисправность, называемая отказом. По характеру своего проявления внезапные отказы обычно являются явными, так как сравнительно легко обнаруживаются. Сложнее обстоит дело с диагностикой, так называемых, постепенных (скрытых) отказов, связанным с естественным старением деталей, узлов, материалов. Постепенные отказы приводят к тому, что с течением времени метрологические характеристики перестают соответствовать установленным для них нормам, и средства измерения вследствие этого становятся непригодными для применения по назначению. Возникает ситуация так называемого метрологического отказа.

Метрологический отказ средства измерения – это вероятность возникновения скрытых отказов, то есть вероятность выхода погрешностей измерения за пределы установленных допусков, при сохранении общей работоспособности средства измерения. Такие отказы могут быть обнаружены только при очередной поверке средства измерения или при его калибровке. Поэтому межповерочные интервалы устанавливаются в зависимости от требуемой метрологической надежности средства измерения, а калибровка должна производиться непосредственно перед его эксплуатацией.