Метрологические характеристики средств измерений

Размещено на http://www.allbest.ru/

СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ

метеостанция прибор датчик измерительный погрешность

МЕТРОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ

В РМГ 29 - 99 средства измерительной техники (измерительная техника) - обобщающее понятие, охватывающее технические средства, специально предназначенные для измерений. В примечании поясняется, что к средствам измерительной техники относят средства измерений и их совокупности (измерительные системы, измерительные установки), измерительные принадлежности, измерительные устройства.

Приведенное понятие подкрепляется набором терминов с определениями, которые не всегда удачны.

Измерительные принадлежности - вспомогательные средства, служащие для обеспечения необходимых условий для выполнения измерений с требуемой точностью. Приведенные в документе примеры включают термостат, специальные противовибрационные фундаменты, треногу для установки прибора по уровню и другие устройства, предназначенные для защиты объекта измерений и средств измерений от действия влияющих величин. В перечислении отсутствуют принадлежности к концевым мерам угла или длины, оправки, установочные призмы и иные технические средства, которые по технической сути значительно ближе к «принадлежностям».

Еще менее удачно определен термин измерительное устройство - часть измерительного прибора (установки или системы), связанная с измерительным сигналом и имеющая обособленную конструкцию и назначение. Устройство, входящее в технический комплекс, может иметь в определенной мере «обособленную конструкцию и назначение», и иметь информационные связи с другими техническими устройствами, но не «с измерительным сигналом». В качестве примеров измерительных устройств приведены регистрирующее устройство измерительного прибора (включающее ленту для записи, лентопротяжный механизм и пишущий элемент) и измерительный преобразователь, что существенно запутывает картину. Наиболее универсальным измерительным устройством в рамках данной концепции может считаться компьютер с периферией.

К средствам измерительной техники, непосредственно участвующим в получении и преобразовании измерительной информации относятся средства измерений.

Средство измерений - техническое средство, предназначенное для измерений, имеющее нормированные метрологические характеристики, воспроизводящее и (или) хранящее единицу физической величины, размер которой принимают неизменным (в пределах установленной погрешности) в течение известного интервала времени. Основным признаком в данном определении являются нормированные метрологические характеристики, что подразумевает и возможность воспроизведения единицы физической величины с требуемой точностью, и ее сохранение на протяжении всего периода метрологической пригодности средства измерений.

В зависимости от функционального назначения и конструктивного исполнения различают такие виды средств измерений, как меры, измерительные преобразователи, измерительные приборы, индикаторы, измерительные установки, измерительные системы, измерительно вычислительные комплексы.

Простейшим средством измерений является мера. Главная отличительная особенность меры - отсутствие каких-либо преобразований измерительной информации самим средством измерений. Мера физической величины (мера величины; мера) - средство измерений, предназначенное для воспроизведения и (или) хранения физической величины одного или нескольких заданных размеров, значения которых выражены в установленных единицах и известны с необходимой точностью.

Меры, предназначенные для воспроизведения физической величины заданного размера, называют однозначными, а воспроизводящие физические величины ряда размеров - многозначными. В качестве примеров однозначных мер можно назвать гирю (мера массы), угольник (мера прямого угла), плоскопараллельную концевую меру длины. К многозначным мерам следует отнести измерительную линейку, транспортир, измерительный сосуд, а также ступенчатый шаблон, угловую концевую меру с несколькими рабочими углами. Меры могут комплектоваться в наборы или конструктивно объединяться в так называемые «магазины».

Набор мер - комплект мер разного размера одной и той же физической величины, предназначенных для применения на практике как в отдельности, так и в различных сочетаниях (например, наборы концевых мер длины, угловых концевых мер, наборы разновесов). Магазин мер - набор мер, конструктивно объединенных в единое устройство, в котором имеются приспособления для их соединения в различных комбинациях (например, магазин электрических сопротивлений).

При оценивании величин по условным (неметрическим) шкалам, имеющим реперные точки, в качестве «меры» нередко выступают вещества или материалы с приписанными им условными значениями величин. Так, для шкалы твердости Мооса мерами являются минералы различной твердости. Приписанные им значения твердости образуют ряд реперных точек условной шкалы.

Измерительный преобразователь - техническое средство с нормированными метрологическими характеристиками, служащее для преобразования измеряемой величины в другую величину или измерительный сигнал, удобный для обработки, хранения, дальнейших преобразований, индикации или передачи. Примеры измерительных преобразователей - термопара, пружина динамометра, микрометрическая пара винт-гайка.

Отличительной особенностью измерительного преобразователя является выдача им измерительной информации в форме, не поддающейся непосредственному восприятию оператором. По характеру входного и выходного сигналов различают аналоговые, цифро-аналоговые, аналого-цифровые преобразователи. По месту, занимаемому в измерительной цепи различают преобразователи первичные и промежуточные. Преобразователи с пропорциональным преобразованием сигнала измерительной информации называют масштабными.

Первичный измерительный преобразователь (первичный преобразователь) - измерительный преобразователь, на который непосредственно воздействует измеряемая физическая величина, т. е. первый преобразователь в измерительной цепи измерительного прибора (установки, системы). В одном средстве измерений может быть несколько первичных преобразователей, например, ряд термопар измерительной установки, предназначенной для контроля температуры в разных точках холодильной емкости.

Датчик - конструктивно обособленный первичный преобразователь, от которого поступают измерительные сигналы (он “дает” информацию). Датчики метеорологического зонда или стационарной метеостанции передают измерительную информацию о температуре, давлении, влажности и других параметрах атмосферы, причем они могут находиться на значительном расстоянии от принимающего его сигналы средства измерений. Термин “датчик” в ГОСТ 16263 был помечен как нерекомендуемый, поскольку он отражает только одну из функций первичного измерительного преобразователя - “выдачу информации”.

Измерительный прибор (прибор) - средство измерений, предназначенное для получения значений измеряемой физической величины в установленном диапазоне. Измерительный прибор предназначен для получения измерительной информации от измеряемой физической величины, ее преобразования и выдачи в форме, поддающейся непосредственному восприятию оператором. Прибор включает в себя один или несколько измерительных преобразователей и присоединенное к ним устройство отображения измерительной информации типа шкала-указатель, указатель диаграммная бумага, числовое табло. В зависимости от системы представления информации различают показывающие или регистрирующие приборы, причем регистрирующие могут быть записывающими либо печатающими, а в зависимости от формы выходного сигнала различают приборы е аналоговым либо с дискретным выходом (“дискретные” приборы часто называют “цифровыми”). Следует обратить внимание, что вид устройства отображения измерительной информации не определяет форму выходного сигнала: система шкала-указатель электронно-механических часов принадлежат “дискретным” приборам, а изменение выходного сигнала бытового счетчика электроэнергии на правом барабане цифрового табло имеет непрерывный характер.

Принято различать также приборы прямого действия и приборы сравнения. Под прибором сравнения, по-видимому, подразумевается компаратор. Компаратор - средство сравнения, предназначенное для сличения мер однородных величин. Примерами являются рычажные весы, компаратор для сличения нормальных элементов. Средство сравнения определено в РМГ 29 - 99 несколько неудачно.

Средство сравнения - техническое средство или специально создаваемая среда, посредством которых возможно выполнять сравнения друг с другом мер однородных величин или показания измерительных приборов.

Примечание - Иногда техническое средство снабжается средством измерений, обеспечивающим функцию сравнения.

Примеры

1 Рычажные весы, на одну чашку которых устанавливается эталонная гиря, а на другую поверяемая, -- есть средство для их сравнения.

2 Градуировочная жидкость для сравнения показаний эталонного и рабочего ареометров служит необходимой средой для градуирования рабочих ареометров.

3 Температурное поле, создаваемое термостатом для сравнения показаний термометров, является необходимой средой.

4 Давление среды, создаваемое компрессором, может быть измерено поверяемым и эталонным манометрами одновременно. На основании показаний эталонного прибора градуируется поверяемый прибор.

Если «средство сравнения» предназначено для реализации процедуры сравнения значений физических величин, то не следует путать его с такими объектами сравнения, как градуировочная жидкость, давление среды и другие.

Индикатор - техническое средство или вещество, предназначенное для установления наличия какой-либо физической величины или превышения уровня ее порогового значения. Индикатор близости к нулю сигнала называют нулевым или нуль-индикатором. При химических реакциях в качестве индикатора применяют лакмусовую бумагу и какие-либо вещества. В области измерений ионизирующих излучений индикатор часто дает световой и (или) звуковой сигнал о превышении уровнем радиации его порогового значения.

Фактически ндикаторы - это особый вид средств измерений, которые предназначены для установления наличия какой-либо физической величины или определения ее порогового значения (индикатор фазового провода электропроводки, индикатор контакта измерительного наконечника прибора линейных измерений с поверхностью детали, лакмусовая бумага, "индикатор пожара в помещении", индикаторы охранной сигнализации). В некоторых случаях в качестве индикаторов могут использоваться измерительные приборы (омметр при проверке обрыва в электрической цепи, часы-будильник, предельный электроконтактный измерительный преобразователь с визуальной или звуковой сигнализацией, называемый иногда "реле геометрических размеров").

Основные и вспомогательные средства измерений и дополнительные устройства могут быть объединены в измерительные установки или измерительные системы.

Основное средство измерений - средство измерений той физической величины, значение которой необходимо получить в соответствии с измерительной задачей.

Вспомогательное средство измерений - средство измерений той физической величины, влияние которой на основное средство измерений или объект измерений необходимо учитывать для получения результатов измерений требуемой точности. Примером вспомогательного средства измерений является термометр для измерения температуры газа в процессе измерений объемного расхода этого газа.

Измерительная установка (установка) - совокупность функционально объединенных мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей и других устройств, предназначенная для измерений одной или нескольких физических величин и расположенная в одном месте. В примечаниях сказано, что существуют эталонные и поверочные установки, а некоторые большие измерительные установки называют измерительными машинами. В качестве примеров приведены установка для измерений удельного сопротивления электротехнических материалов и установка для испытаний магнитных материалов.

Представленные в НД термин "измерительная машина" и определение к нему (измерительная машина - измерительная установка крупных размеров, предназначенная для точных измерений физических величин, характеризующих изделие) внутренне противоречивы, поскольку машины предназначены для выполнения работы, а приборы - для преобразования информации. Из приведенных там же примеров (силоизмерительная машина, машина для измерения больших длин в промышленном производстве, координатно-измерительная машина и делительная машина) только последняя действительно является машиной, поскольку является технологическим оборудованием и предназначена для нарезания штрихов на шкалах.

Измерительная система - совокупность функционально объединенных мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей, ЭВМ и других технических средств, размещенных в разных точках контролируемого объекта и т.п. с целью измерений одной или нескольких физических величин, свойственных этому объекту, и выработки измерительных сигналов в разных целях.

В примечаниях упоминаются измерительные информационные, измерительные контролирующие, измерительные управляющие системы, а также гибкие измерительные системы.

В качестве примеров приведены измерительная система теплоэлектростанции, позволяющая получать измерительную информацию о ряде физических величин в разных энергоблоках, которая может содержать сотни измерительных каналов; радионавигационная система для определения местоположения различных объектов, состоящая из ряда измерительно-вычислительных комплексов, разнесенных в пространстве на значительное расстояние друг от друга.

Измерительно-вычислительный комплекс - функционально объединенная совокупность средств измерений, ЭВМ и вспомогательных устройств, предназначенная для выполнения в составе измерительной системы конкретной измерительной задачи.

Измерительная цепь - совокупность элементов средств измерений, образующих непрерывный путь прохождения измерительного сигнала одной физической величины от входа до выхода. Измерительную цепь измерительной системы называют измерительным каналом.

Очевидно, что и простые и более сложные средства измерений могут включать типовые элементы, к которым можно отнести чувствительный элемент, измерительный механизм, показывающее устройство, регистрирующее устройство, цифровое табло измерительного прибора.

Чувствительный элемент средства измерений (чувствительный элемент) - часть измерительного преобразователя в измерительной цепи, воспринимающая входной измерительный сигнал.

Измерительный механизм средства измерений (измерительный механизм) - совокупность элементов средства измерений, которые обеспечивают необходимое перемещение указателя (стрелки, светового пятна и т. д.).

Определение не вполне соответствует термину, а приведенный далее пример «измерительный механизм милливольтметра состоит из постоянного магнита и подвижной рамки» скорее относится к промежуточному измерительному преобразователю прибора.

Показывающее устройство средства измерений (показывающее устройство) - совокупность элементов средства измерений, которые обеспечивают визуальное восприятие значений измеряемой величины или связанных с ней величин. Очевидно, показывающие устройства приборов чаще всего выполнены в виде системы шкала-указатель или числового табло.

Шкала средства измерений (шкала) - часть показывающего устройства средства измерений, представляющая собой упорядоченный ряд отметок вместе со связанной с ними нумерацией. Отметки на шкалах могут быть нанесены равномерно (равномерная шкала) или неравномерно (неравномерная шкала).

Отметка шкалы (отметка) - знак на шкале средства измерений (черточка, зубец, точка и др.), соответствующий некоторому значению физической величины. Отметку шкалы средства измерений, у которой проставлено число, называют числовая отметка шкалы, а промежуток между двумя соседними отметками шкалы средства измерений называется делением шкалы.

Различают начальное значение шкалы (наименьшее значение измеряемой величины, которое может быть отсчитано по шкале средства измерений) и конечное значение шкалы (наибольшее значение измеряемой величины, которое может быть отсчитано по шкале средства измерений). Так для медицинского термометра начальным значением шкалы является 34,3 °С, а конечным значением шкалы является 42 °С.

Указатель средства измерений (указатель) - часть показывающего устройства, положение которой относительно отметок шкалы определяет показания средства измерений. Указателем может быть стрелка, штрих, кромка детали, перемещающейся относительно шкалы, световое пятно с маркой, край столбика жидкости и т.д. Изменение показаний в системе шкала-указатель, может осуществляться за счет перемещения любого из элементов относительно другого.

Показывающее устройство «цифрового» измерительного прибора называется табло цифрового измерительного прибора (табло прибора; табло).

Кроме демонстрирующих в метрологии используют также и регистрирующие приборы. Регистрирующее устройство средства измерений (регистрирующее устройство) - совокупность элементов средства измерений, которые регистрируют значение измеряемой или связанной с ней величины. В качестве регистрирующего устройства могут использоваться самописцы, печатающие устройства (символьные, в частности цифропечатающие; матричные, формирующие изображение из точек), устройства с фоторегистрацией или магнитной регистрацией данных и другие.

Сложное средство измерений можно представить в виде схемы, взяв за основу его измерительную цепь, которая включает первичный и промежуточные измерительные преобразователи и устройство отображения измерительной информации.

В состав первичного измерительного преобразователя обязательно включается чувствительный элемент. Любое средство измерений обязательно имеет устройство выдачи (отображения) измерительной информации. У приборов с визуальными выходом это чаще всего отсчетные устройства типа шкала-указатель или цифровое табло. Прибор может быть снабжен несколькими шкалами (индикатор часового типа, измерительные головки ИГМ) или одной шкалой с несколькими указателями (часы с циферблатом и центральными стрелками). В приборах и индикаторах применяют и другие устройства визуальной индикации (нуль-указатели, табло светофорного типа), а также акустические устройства (звонок, зуммер таймера) и тактильные устройства (вибратор наручного будильника для слабо слышащих).

В качестве устройств выдачи информации могут использоваться также любые регистрирующие самопишущие или печатающие устройства. Структурную схему измерительного прибора строят, как правило, на базе кинематической, электрической, оптической или иной схемы.

Выделение измерительных преобразователей по кинематической схеме осуществляют на основе логического анализа выполняемых ими функций и конструктивной завершенности (автономности). Возможно укрупненное и более мелкое дробление элементов функциональной кинематической схемы на измерительные преобразователи, например: чашка с собственным шарнирным подвесом - шарнирная тяга - равноплечий рычаг. Или обратное: равноплечий рычаг с чашками и шарнирами (первичный измерительный преобразователь) - устройство отображения измерительной информации (стрелка на рычаге - указатель и шкала с единственным делением). Шкала устройства отображения измерительной информации может иметь множество делений или только одно нулевое деление - вырожденная шкала, характерная для приборов типа нуль-компаратора, которые предназначены для измерения нулевым методом.

В зависимости от степени участия оператора в процессе, различают автоматические автоматизированные и неавтоматизированные средства измерений.

Автоматическое средство измерений - средство измерений, производящее без непосредственного участия человека измерения и все операции, связанные с обработкой результатов измерений, их регистрацией, передачей данных или выработкой управляющего сигнала. Автоматическое средство измерений, встроенное в технологическую линию, нередко называют "измерительный автомат" или "контрольный автомат". Применяют также понятие "измерительные роботы".

Автоматизированное средство измерений - средство измерений, производящее в автоматическом режиме одну или часть измерительных операций. Например, барограф осуществляет автоматическое измерение и регистрацию давления, а счетчик электроэнергии измеряет и регистрирует данные о потреблении энергии с автоматическим накоплением результатов).

Средства измерений подразделяются на виды и типы, причем вид средств измерений может включать несколько их типов. Амперметры являются видами средств измерений силы электрического тока, а вольтметры напряжения электрического тока.

Вид средства измерений - совокупность средств измерений, предназначенных для измерений данной физической величины.

Тип средства измерений - совокупность средств измерений одного и того же назначения, основанных на одном и том же принципе действия, имеющих одинаковую конструкцию и изготовленных по одной и той же технической документации. Средства измерений одного типа могут иметь различные модификации (например, индикаторы часового типа ИЧ отличаются по диапазонам показаний).

Кроме того, средства измерений принято различать по принципам действия, то есть по физическим принципам, используемым для преобразования измеряемой величины или сигнала измерительной информации. Например, измерительный микроскоп относится к оптико-механическим приборам, индуктивный или резистивный преобразователь - к электрическим средствам измерений и т.д. Сложные приборы с длинной измерительной цепью обычно характеризуют одним (или двумя) наиболее важными принципами преобразования (лазерный интерферометр, фотоэлектрический угломер).

Средства измерений узаконивают уполномоченные органы, например, путем утверждения типа средства измерений. Узаконенное средство измерений - средство измерений, признанное годным и допущенное для применения уполномоченным на то органом. Одним из методов официального утверждения является стандартизация средств измерений. Средства измерений подвергают испытаниям и в случае положительных результатов стандартизуют и вносят в Госреестр. Стандартизованное средство измерений - средство измерений, изготовленное и применяемое в соответствии с требованиями государственного или отраслевого стандарта. Одним из видов стандартизованных средств измерений является стандартный образец (СО) - образец вещества (материала) с установленными в результате метрологической аттестации значениями одной или более величин, характеризующими свойство или состав этого вещества (материала). Различают стандартные образцы свойств и стандартные образцы состава. Стандартные образцы свойств веществ и материалов являются однозначными мерами и могут применяться в качестве рабочих эталонов, с присвоением разряда в соответствии с местом в государственной поверочной схеме. Примеры стандартных образцов свойства: СО относительной диэлектрической проницаемости, СО высокочистой бензойной кислоты. Стандартные образцы состава могут иметь аттестованные значения одной или более величин, характеризующими свойство или состав этого вещества, например СО состава углеродистой стали.

Не все средства измерений стандартизуют. Разработанные для единичного производства средства измерений могут быть узаконены без их стандартизации. Нестандартизованное средство измерений (НСИ) - средство измерений, стандартизация требований к которому признана нецелесообразной.

По метрологическому назначению различают эталонные и рабочие средства измерений. Рабочее средство измерений - средство измерений, предназначенное для измерений, не связанных с передачей размера единицы другим средствам измерений. Эталонные средства измерений называют также средствами поверки. Средства поверки - эталоны, поверочные установки и другие средства измерений, применяемые при поверке в соответствии с установленными правилами.

Возможности использования средств измерений, а также их точностные свойства определяются их метрологическими характеристиками

Метрологическая характеристика средства измерений (метрологическая характеристика; MX) - характеристика одного из свойств средства измерений, влияющая на результат измерений и на его погрешность. Различают нормируемыме метрологические характеристики, устанавливаемые нормативными документами на средства измерений, и действительные характеристики, определяемые экспериментально. Метрологические характеристики весьма разнообразны, они существенно различаются по значимости и информативности и существенно зависят от типа средств измерений.

Для средств измерений, осуществляющих измерительное преобразование измеряемой физической величины, широко применяют интегральную метрологическую характеристику, которая отражает действительную функцию преобразования (так называемая градуировочная характеристика). Градуировочная характеристика средства измерения (градуировочная характеристика) - зависимость между значениями величин на входе и выходе средства измерений, полученная экспериментально. Градуировочная характеристика может быть выражена в виде формулы, графика или таблицы. Выраженную в виде формулы или графика, номинальную характеристику называют функцией преобразования средства измерений. В некоторых метрологических источниках номинальную и экспериментальную функции преобразования называют статическими характеристиками измерительных преобразователей и приборов, противопоставляя их полным динамическим характеристикам.

Функции преобразования Zо измерительных преобразователей с аналоговым и с дискретным выходными сигналами графически представлены на рисунке 3. Их можно записать в виде

Zо = f(Y)

где Y - сигнал на входе преобразователя;

Z - сигнал на выходе преобразователя,

Для измерительных приборов в качестве интегральных метрологических характеристик можно рассматривать номинальные (рисунок 4) и реальные функции преобразования (реальная функция есть градуировочная характеристика прибора).

Реальные функции преобразования измерительных преобразователей и приборов могут значимо отличаться от номинальных. Кроме случайных отклонений возможно также наличие систематических тенденций, которые проявляются с увеличением измеряемых величин в пределах диапазона измерительного преобразования. Если прибор неправильно настроен на нулевое показание (смещение нуля - показание средства измерений, отличное от нуля, при входном сигнале, равном нулю), в любом результате измерений будет присутствовать постоянная систематическая погрешность. Значит, реальная линейная функция преобразования отличается от номинальной плоскопараллельным сдвигом вверх или вниз, что вызывает алгебраическое (с учетом знака) добавление к любой измеряемой величине одной и той же постоянной систематической погрешности. Такую погрешность прибора называют "аддитивной", хотя более корректно в этом случае говорить о статической характеристике с аддитивной погрешностью. Для исключения такой погрешности из результата измерения к нему следует алгебраически добавить необходимую поправку, равную систематической погрешности по модулю и противоположную по знаку. Для аппаратурного устранения таких инструментальных составляющих в приборах обычно предусматривают специальное регулировочное устройство для поднастройки, например, корректор нуля в электроизмерительных приборах.

Если реальная функция преобразования отличается от номинальной углом наклона, то к измеряемой величине добавляется систематическая погрешность, значение которой тем больше, чем больше использованный при измерении диапазон преобразования. Такую погрешность прибора называют мультипликативной, но как и в предыдущем случае более корректно говорить о статической характеристике с мультипликативной погрешностью. Для исключения такой погрешности из результата измерения его следует умножить на поправочный коэффициент. Аппаратурное устранение такой составляющей, которая вызвана несоответствием реального коэффициента преобразования номинальному значению, как правило, требует частичной разборки прибора для обеспечения доступа к специальным регулировочным устройствам, если они предусмотрены в измерительной цепи.

Переменные систематические расхождения реальной и номинальной функций преобразования могут появиться из-за нелинейности характеристики одного или нескольких измерительных преобразователей, например, рычажной передачи.

Возможны и другие виды систематических отклонений реальной функции от номинальной, например погрешности из-за гистерезисных явлений в измерительной цепи.

Градуировочные характеристики можно рассматривать как экспериментальные модели функции преобразования измерительного прибора.

Наряду с интегральными метрологическими характеристиками для средств измерений предусмотрены возможности назначения и контроля множества различных частных характеристик. Часть из них представляет интерес для пользователя, другие принципиально важны только для разработчиков средств измерений. К последним можно отнести такие как:

длина деления шкалы - расстояние между осями (или центрами) двух соседних отметок шкалы, измеренное вдоль воображаемой линии, проходящей через середины самых коротких отметок шкалы;

длина шкалы - длина линии, проходящей через центры всех самых коротких отметок шкалы средства измерений и ограниченной начальной и конечной отметками. Линия может быть прямой или кривой, реально выполненной на приборе или воображаемой, и длина шкалы есть расстояние вдоль этой линии между нижним и верхним пределами шкалы.

чувствительность средства измерений (чувствительность) - свойство средства измерений, определяемое отношением изменения выходного сигнала этого средства к вызывающему его изменению измеряемой величины.

Примеры характеристик, важных и для пользователя, и для разработчиков:

диапазон показаний средства измерений (диапазон показаний) - область значений шкалы прибора, ограниченная начальным и конечным значениями шкалы

диапазон измерений средства измерений (диапазон измерений) - область значений величины, в пределах которой нормированы допускаемые пределы погрешности средства измерений.

Примечание -- Значения величины, ограничивающие диапазон измерений снизу и сверху (слева и справа), называют соответственно нижним пределом измерений или верхними пределом измерений;

вариация показаний измерительного прибора (вариация показаний) - разность показаний прибора в одной и той же точке диапазона измерений при плавном подходе к этой точке со стороны меньших и больших значений измеряемой величины.

Примечание -- В высокочувствительных (особенно в электронных) измерительных приборах вариация приобретает иной смысл и может быть раскрыта как колебание его показаний около среднего значения (показание дышит);

порог чувствительности средства измерений (порог чувствительности) характеристика средства измерений в виде наименьшего значения изменения физической величины, начиная с которого может осуществляться ее измерение данным средством. Кроме этого термина на практике применяются также термины: порог реагирования, порог подвижности, срабатывание, порог срабатывания и пороговая чувствительность, которые следует рассматривать как синонимы, не подлежащие применению;

зона нечувствительности средства измерений (зона нечувствительности) - диапазон значений измеряемой величины, в пределах которого ее изменения не вызывают выходного сигнала средства измерений. Иногда эту зону называют мертвой;

дрейф показаний средства измерений (дрейф показаний) - изменение показаний средства измерений во времени, обусловленное изменением влияющих величин или других факторов.

Для выбора номенклатуры и назначения метрологических характеристик (МХ) важно определить вид конкретного средства измерений, поскольку для разных СИ используют различные МХ и комплексы МХ. Метрологические характеристики средств измерений (МХ СИ) различных видов существенно отличаются по номенклатуре. Так для однозначной меры набор метрологических характеристик включает значение меры Y и характеристики ее погрешностей, а для многозначной штриховой меры, измерительного преобразователя или прибора состав комплекса МХ значительно расширен, а сами комплексы могут существенно различаться между собой.

Метрологические характеристики (МХ) средств измерений по ГОСТ 8.009-84 делят на следующие группы:

характеристики, предназначенные для определения результатов измерений (без введения поправки). Такие МХ можно назвать номинальными;

характеристики погрешностей СИ;

характеристики чувствительности СИ к влияющим величинам, которые тоже можно отнести к характеристикам погрешностей;

динамические характеристики СИ;

неинформативные параметры выходного сигнала СИ (предпочтительно рассматривать неинформативные параметры сигнала измерительной информации).

Названы также и "характеристики СИ, отражающие их способность влиять на инструментальную составляющую погрешности измерений вследствие взаимодействия СИ с любым из подключенных к их входу или выходу компонентов (таких как объект измерений, средство измерений и т.п.)".

Номинальные метрологические характеристики мер однозначной и многозначной включают значения мер, представляемые именованными числами. Для однозначной меры это одно номинальное значение Y, а для многозначной меры - множество значений Yi. Для штриховых многозначных мер обязательны также характеристики, связанные со шкалой (рассматриваются ниже вместе с другими МХ аналоговых СИ). Для любых мер кроме номинальных значений обязательно нормируются характеристики погрешностей.

В качестве интегральной метрологической характеристики как измерительного преобразователя, так и измерительного прибора может использоваться функция преобразования, представленная в табличной или графической форме. Такая функция может быть номинальной характеристикой группы однородных СИ, либо реальной градуировочной характеристикой конкретного СИ. Градуировочная характеристика конкретного экземпляра преобразующего СИ может быть получена в виде единичной реализации, пучка реализаций или оценки, полученной в результате комплексирования пучка единичных реализаций.

Под градуировкой понимают определение градуировочной характеристики средства измерений (встречается нерекомендуемый термин "тарировка СИ"). Определение градуировочной характеристики нестандартизованного СИ и оформление ее на шкале прибора соответствует понятию градуировки как метрологического мероприятия, поскольку в этом случае используют полученные в ходе исследований конкретные реализации зависимостей между величинами на входе и на выходе средства измерений.

Градуировкой в узком смысле называют также нанесение отметок на шкалу прибора, например осуществляемую типографским методом, что соответствует воспроизведению на приборе номинальной функции преобразования СИ. Такое понятие градуировки отражает технологическую сторону нанесения отметок шкалы прибора.

Набор частных МХ измерительного преобразователя может включать такие номинальные характеристики, как диапазон и пределы преобразования, чувствительность СИ, вид выходного кода и число разрядов выходного кода, цена единицы наименьшего разряда кода, номинальная ступень квантования. Остальные МХ выбирают из той же номенклатуры, что и для измерительных приборов.

Для измерительных преобразователей диапазон и пределы преобразования могут вообще не устанавливаться, если они зависят не от самого преобразователя, а от устройств, с которыми он используется. Например, для тензопреобразователей, используемых в первичных измерительных преобразователях силы и деформаций, диапазон преобразуемых величин зависит не от самого тензопреобразователя, а от свойств применяемого упругого элемента. Для предельных электроконтактных преобразователей диапазон измерений полностью зависит от конструкции стойки или скобы, в которую преобразователь установлен. Пределы преобразования (нижний и верхний) соответствуют наименьшему и наибольшему значениям диапазона преобразования.

Для некоторых первичных измерительных преобразователей диапазон преобразования может ограничиваться их физическими свойствами. Это касается термопар, фотоприемников лучистой энергии, емкостных и других преобразователей.

Для преобразователей с дискретной (цифровой, числовой) выдачей сигнала измерительной информации вместо диапазона и пределов преобразований приходится использовать такие МХ, как вид выходного кода и число разрядов выходного кода. Именно эти МХ ограничивают возможности выдачи сигнала измерительной информации сверху и снизу.

Цена единицы наименьшего разряда кода или номинальная ступень квантования, если последняя больше цены единицы наименьшего разряда кода, для устройств с дискретной выдачей измерительной информации ограничивает фиксируемый уровень изменения входного сигнала снизу. В соответствии с этим положением можно провести аналогию между номинальной ступенью квантования и порогом чувствительности СИ.

Поскольку измерительные преобразователи выдают измерительную информацию в форме, не поддающейся непосредственному восприятию оператором, реальные значения их МХ обычно определяют с подключением к этим СИ устройств отображения информации, после чего они превращаются в измерительные приборы. Поэтому далее будем рассматривать метрологические характеристики измерительных приборов.

Частные номинальные метрологические характеристики измерительного прибора включают:

диапазон измерений - область значений величины, в пределах которой нормированы допускаемые пределы погрешности средства измерений.

Примечание -- Значения величины, ограничивающие диапазон измерений снизу и сверху (слева и справа), называют соответственно нижним пределом измерений или верхними пределом измерений;

диапазон показаний - область значений шкалы прибора, ограниченная начальным и конечным значениями шкалы

Для многозначных штриховых мер используют также термины диапазон шкалы и "пределы шкалы", поскольку указатель как элемент СИ в них отсутствует. Эти термины удобны также и для характеристики приборов с несколькими парами устройств отображения информации типа шкала-указатель.

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 для дней недели. Важно также предельное число знаков на табло, в том числе цифр (число разрядов выходного кода) и других (не цифровых) знаков. 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. рисунки 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 проводят квалифицированные операторы в нормальных условиях, 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 комплексировании составляющих погрешности измерений для оценки ее интегрального значения.

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 погрешностей 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 предела 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 не исключенной 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.

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

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:

переходная характеристика h(t) - временная характеристика средства измерений, полученная при ступенчатом изменении входного сигнала (рисунок 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;

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 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 оценивания 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.

Размещено на Allbest.ru