Новосельцева Т.А., Корепанова В.С. Метрология

Подождите немного. Документ загружается.

Функции влияния представляют в координатах, начало которых находит-

ся в точке

(

)

ref

,0 ξ .

Пределы допускаемых изменений

(

)

представляют в виде границ зо-

ны вокруг действительного значения данной MX при нормальных условиях.

Границы зоны указывают в единицах данной MX или в процентах от ее значе-

ния, нормированного для нормальных условий.

Номинальную динамическую характеристику, пределы допускаемых от-

клонений от нее и граничные динамические характеристики представляют в

виде числа, формулы, таблицы, графика.

График динамической характеристики допускается представлять в любом

масштабе, удобном для применения. Например, для представления амплитуд-

но-частотной характеристики удобно использовать логарифмическую шкалу.

Форму представления характеристик на неинформативные параметры

выходного сигнала и на характеристики, отражающие их способность влиять на

инструментальную составляющую, устанавливают стандарты на средства изме-

рений конкретных видов или типов.

Представление

MX в виде графика допускается при одновременном пред-

ставлении данной характеристики в виде формулы или таблицы.

Формы представления MX допускается конкретизировать в НД на сред-

ства измерений конкретных видов.

Пример. Нормирование характеристик основной и дополнительной по-

грешностью штангенрейсмасов с ценой деления нониуса 0,1 мм:

Пределы измерений, мм

Пределы допускаемой абсолютной

основной погрешности, мм

До 630

10,0

От 630 до 1000

10,0

От 1000 до 1600

15,0

От 1600 до 2500

20,0

Пределы допускаемой дополнительной относительной погрешности, вы-

званной изменением температуры окружающей среды на каждые 10°С, состав-

ляют %1012

3−

⋅± .

Пример. Нормирование характеристик основной погрешности, вариации

и функций влияния температуры окружающей среды силоизмерительных тен-

Световые табло, состоящие из системы индикаторных устройств, ос-

нованных на жидких кристаллах, используются в электронных цифровых

средствах измерений, у которых измеряемые величины преобразуются в оп-

ределенную последовательность импульсных сигналов (например, табло

электронных часов, штангенциркуль с электронным цифровым отсчетным

устройством и др.).

Индикаторы с жидкими кристаллами представляют собой соединения с

углеродом и

кислородом (карбоксиды), которые ниже определенной темпе-

ратуры являются кристаллами, а выше этой температуры превращаются в

жидкость. Схема ячейки с жидким кристаллом показана на рисунке 4.5. Она

состоит из двух параллельных стеклянных пластинок 1, между которыми

располагается жидкокристаллическое вещество 3, и подводящих проводов

для приложения напряжения 4. При отсутствии напряжения на внутренней

поверхности пленок 2 из

оксида олова ячейка прозрачна. При приложении

постоянного напряжения ячейка становится непрозрачной. В итоге образу-

ются читаемые цифры.

Рисунок 4.5 — Ячейка с жидким кристаллом:

1 — стеклянные пластинки; 2 — плёнки из оксида олова;

3 — жидко-кристаллическая смесь; 4 — подводящие провода

В проекционных цифровых указателях нанесенные на диапозитив цифры от

0 до 9 проектируются с помощью лампочки и системы линз на матовое стекло.

Используются также газоразрядные указатели (газонаполненные лампы с

холодным катодом), указатели со светодиодами

. В цифровых приборах со све-

тодиодами (из арсенида галлия) цифры образуются из точечных или штрихо-

вых сегментов полупроводника, к которым подводится электрическая энергия,

и в результате полупроводникового излучения появляется свечение в видимой

области спектра. Высота цифр в этих приборах не может превышать 20 мм.

Регистрирующее устройство средства измерений — часть регистри-

рующего измерительного прибора, предназначенная для регистрации показа-

ний. В качестве регистрирующих измерительных приборов широко применя-

ются самопишущие приборы, в которых предусмотрена запись показаний в

форме диаграммы (самопишущий вольтметр, профилограф, барограф, термо-

граф и др.), и печатающие, в которых предусмотрено печатание показаний в

цифровой форме.

Печатающие устройства можно разделить на два класса: ударного и без-

ударного действия.

В печатающих

устройствах ударного действия процесс печатания проис-

ходит в результате удара рычага с литером или символом (ручные и электриче-

ские печатающие машинки) или игл (в матричных печатающих устройствах) на

красящую ленту. Имеются различные типы печатающих устройств: с цилинд-

рической головкой, со сферической головкой, с колесом в виде маргаритки

(daisy-wheel), матричное, барабанное, цепное

и ленточное. Скорость печатания

таких устройств от 10 знаков в секунду до 20 000 строк в минуту.

В безударных печатающих устройствах процесс печатания заключается в

физическом или химическом воздействии на специально подготовленную бу-

магу. Имеются следующие печатающие устройства: тепловые матричные, элек-

трочувствительные, электростатические, ксерографические, лазерные с непре-

рывной подачей краски или с подачей

краски по требованию. Скорость печата-

ния от 300 до 45 000 строк в минуту.

Различное сочетание средств измерений, их элементов и вспомогатель-

ных устройств позволяет получить широкую гамму измерительных автомати-

зированных систем управления различными процессами производства.

В такие системы могут входить преобразователи одних величин в другие,

схемы автоматического регулирования, меры, измерительные приборы. Если

элементы

системы разнесены на значительные расстояния друг от друга, то

может применяться как проводная, так и беспроводная связь.

Одним из важных элементов измерительной системы является

средство

сравнения

— средство измерений, техническое средство или специально созда-

ваемая среда, позволяющая сличать друг с другом меры однородных величин

или показания измерительных приборов.

Широко распространенное средство сравнения — компаратор (потенцио-

метр или рычажные весы), который не является хранителем единицы. Эту

функцию выполняют меры (нормальный элемент при электрических измерени-

ях, гиря — при механических). К

средствам сравнения относятся различные

среды (например, градуировочная жидкость; температурное поле, создаваемое

термостатом).

ятностью

1P =

. Эта вероятность является справочной характеристикой, кото-

рую при испытаниях и поверке средств измерений можно отдельно не контро-

лировать.

MX допускается нормировать для рабочих и для нормальных условий

применения средств измерений. Нормальные условия и рабочие условия при-

менения средств измерений указывают в НД на средства измерений конкрет-

ных видов или типов.

4.7 Формы представления нормированных метрологических характеристик

Формы представления нормированных метрологических характеристик

Номинальную функцию f

(x) преобразования измерительного преобразователя

представляют в виде формулы, таблицы, графика.

Номинальные значения однозначной или многозначной меры Y

пред-

ставляют именованными числами.

Линейную функцию преобразования, проходящую через начало коорди-

нат, допускается представлять коэффициентом преобразования в виде числа.

Нормированные характеристики погрешности средств измерений пред-

ставляют числом или функцией в виде (формулы, таблицы, графика) информа-

тивного параметра входного или выходного сигнала для абсолютных (имено-

ванное число), относительных или приведенных погрешностей.

Нормированный предел H

допускаемой вариации средств измерений

представляют числом в единицах измеряемой величины или в процентах.

Номинальную нормализованную автокорреляционную функцию

(

)

r и

номинальную функцию спектральной плотности

(

)

r представляют в виде

формул, таблиц, графиков.

Функции или плотности распределения систематической и случайной со-

ставляющих погрешности средств измерений представляют в виде формулы,

таблицы, графика.

Формулы, таблицы и графики допускается применять и для приближен-

ного представления функций и плотностей распределения.

Номинальную функцию влияния

(

)

, пределы допускаем ы х откло-

нений от нее и граничные функции влияния представляют в виде числа, форму-

лы, таблицы, графика.

Линейную функцию влияния, проходящую через начало координат, до-

пускается представлять коэффициентом влияния в виде числа.

Частные динамические характеристики аналоговых средств измерений,

которые можно рассматривать как линейные, нормируют путем установления

номинальных частных динамических характеристик и пределов (положитель-

ного и отрицательного) допускаемых отклонений от них.

Допускается нормировать только частную динамическую характеристику

в тех случаях, когда эта характеристика достаточна для учета динамических

свойств, средства измерений при его применении. Предпочтительной является

такая частная динамическая характеристика,

экспериментальное определение и

(или) контроль которой могут быть осуществлены с необходимой точностью и

наиболее простым методом.

Частные динамические характеристики АЦП и ЦИП, время реакции ко-

торых не превышает интервала времени между двумя измерениями, соответст-

вующего максимальной частоте (скорости) измерений, а также характеристики

АЦП нормируют путем установления номинальных частных динамических ха-

рактеристик и пределов (положительного и отрицательного) допускаемых от-

клонений от них.

Погрешность датирования отсчета нормируют путем установления

предела допускаемого математического ожидания погрешности датирования и

предела допускаемого среднеквадратичного отклонения или предела допускае-

мого размаха случайной составляющей погрешности датирования.

Для средств измерений, у которых велик разброс динамических характе-

ристик (полных и частных) по множеству экземпляров и в силу этого для кото-

рых в НД установлена необходимость

определения и дальнейшего использова-

ния индивидуальных динамических характеристик каждого экземпляра средств

измерений, нормируют граничные динамические характеристики.

Характеристики средств измерений, отражающие их способность влиять

на инструментальную составляющую погрешности измерений вследствие

взаимодействия средств измерений с любым из подключенных к их входу или

выходу компонентов, нормируют путем установления номинальных характери-

стик и пределов допускаемых

отклонений от них или граничных характеристик.

Неинформативные параметры выходного сигнала средства измерений

нормируют путем установления номинальных параметров и пределов допус-

каемых отклонений от них наибольших или наименьших допускаемых значе-

ний параметров.

Допускаемые пределы любой из рассмотренных выше характеристик

представляют собой границы интервала, в котором значение характеристики

любого экземпляра средств измерений данного типа должно находиться с веро-

Вспомогательные элементы (измерительные принадлежности) обеспечи-

вают необходимые внешние условия при измерениях. К ним относятся: баро-

камеры, термостаты, устройства, экранирующие магнитные поля, измеритель-

ные усилители, специальные противовибрационные фундаменты. Они повы-

шают чувствительность измерительных устройств или предохраняют измеряе-

мую величину от искажающего воздействия.

Более сложную структурную схему имеют информационно-

измерительные системы (ИИС), в состав

которых дополнительно входят такие

устройства как: преобразователи аналогового, аналого-цифрового, цифрового

типа, цифровые устройства вывода информации, стандартизованные интерфей-

сы (шины и узлы), устройство управления и исполнительные устройства и др.

4.4 Требования, предъявляемые к средствам измерений

Требования, предъявляемые к средствам измерений, должны соответст-

вовать общепринятым показателям качества продукции: назначению, надежно-

сти, экономичности, технологичности, показателям стандартизации и унифика-

ции, патентно-правовым показателям, экологичности, безопасности и др.

Показатели назначения характеризуют свойства продукции, определяю-

щие основные ее функции, для выполнения которых она предназначена. Эти

показатели делят на три подгруппы: показатели функциональные и техниче-

ской эффективности, конструктивные показатели, показатели состава и струк-

туры.

К показателям функциональным и технической эффективности средств

измерений относятся метрологические характеристики. Их перечень определя-

ется применительно к каждой группе средств измерений и различается весьма

существенно.

К функциональным показателям и технической эффективности средств

измерений относятся показатели: быстродействия, производительности, уровня

автоматизации процесса измерений, максимальная продолжительность времени

непрерывной работы, сервисные возможности и др.

Конструктивные показатели средств измерений — границы нормальных

и рабочих областей изменения значений влияющих величин (температуры ок-

ружающей среды, относительной влажности, атмосферного давления и т. д.),

требования к электропитанию (напряжение, частота питающей сети и т. д.), ха-

рактеристики прочности, весовые, габаритные и др.

Показатели состава и структуры применяют для оценки качества стан-

дартных образцов состава и свойств веществ и материалов (процентное содер-

жание различных примесей), а также при применении газоаналитических при-

боров и устройств.

К показателям надежности можно отнести показатели безотказности,

долговечности, ремонтопригодности и сохраняемости средств измерений.

По-

казатели безотказности

оценивают время непрерывной работы средств до на-

ступления отказа. К ним относят: интенсивность отказов, среднюю наработку

до отказа, вероятность безотказной работы за заданное время и др. Особое зна-

чение для средств измерений имеют показатели метрологической надежности.

Показатели долговечности характеризуют свойство средств измерений сохра-

нять работоспособность до наступления предельного состояния (когда ремонт

становится невозможным или нецелесообразным). К ним относят различные

оценки срока службы или ресурса (например, средний срок службы, ресурс

средства и др.).

Показатели ремонтопригодности характеризуют приспособ-

ленность средств измерений к предупреждению и обнаружению причин повре-

ждения и проведения ремонтов.

Показатели сохраняемости характеризуют

свойство средств измерений сохранять исправное состояние во время их хране-

ния и транспортировки.

Выбор показателей надежности зависит от вида средств измерений.

Показатели экономного использования сырья, материалов, топлива,

энергии и трудовых ресурсов

характеризуют техническое состояние средства

измерений по уровню потребления при эксплуатации топлива, энергии, трудо-

вых ресурсов и т. п.

Следует иметь в виду, что по этим показателям можно сравнивать только

взаимозаменяемые средства измерений, имеющие одинаковое назначение.

Эргономические показатели учитывают комплекс гигиенических, физио-

логических, антропометрических и психологических свойств человека. К этим

показателям относятся: уровень шума, освещенность, температура, соответст-

вие конструкции средства измерений или контроля физическим возможностям

человека и др.

К эстетическим показателям относятся: дизайн, цвет, отделка, упа-

ковка и др.

Технологичность определяет приспособленность устройства к достиже-

нию минимальных затрат при их производстве, эксплуатации и ремонте (трудо-

емкость изготовления, энергоемкость и т. п.).

Функции влияния нормируют путем установления:

— номинальной функции влияния

(

)

ξ и пределов допускаемых от-

клонений от нее;

— граничных функций влияния — верхней

(

)

ξ и нижней

(

)

ψξ.

Граничные функции влияния нормируют для таких средств измерений,

у которых велик разброс функций влияния по множеству экземпляров. В си-

лу этого номинальную функцию влияния не нормируют. При применении та-

ких средств измерений в случае необходимости определяют функции влия-

ния, индивидуальные для каждого экземпляра средства измерений. Нормиро-

ванные граничные функции влияния

используют для контроля качества

средств измерений.

Изменения значений MX, вызванные изменениями влияющих величин,

нормируют путем установления пределов (положительного и отрицательного)

допускаемых изменений характерных при изменении влияющей величины в за-

данных пределах.

Пределы допускаемых изменений погрешности средства измерений до-

пускается называть пределами допускаемой дополнительной погрешности

средства измерений.

Функции влияния

()

ξψ и наибольшие допускаемые изменения

(

)

нормируют отдельно для каждой влияющей величины. Функции влияния и

наибольшие допускаемые изменения допускается нормировать для совместных

изменений нескольких влияющих величин, как

(

)

,...,

или

()

,...,

21P

ξξε

, ес-

ли функция

()

ξψ или

()

ξε какой-либо одной влияющей величины

ξ суще-

ственно зависит от других влияющих величин

. Критерий существенности

устанавливают в НД на средства измерений конкретных типов (или видов).

Полную динамическую характеристику аналоговых средств измерений,

которые можно рассматривать как линейные, нормируют путем установления

номинальной полной динамической характеристики и пределов (положитель-

ного и отрицательного) допускаемых отклонений от нее.

Предпочтительной для нормирования является такая полная мимическая

характеристика, экспериментальное определение (или) контроль которой могут

быть осуществлены с необходимой точностью и наиболее простым методом.

Наряду с нормируемой полной динамической

характеристикой в НД при

необходимости могут быть приведены в качестве справочных данных другие

полные динамические характеристики.

— предела

⎡

⎤

σ∆

⎢

⎥

⎣

⎦

допускаемого среднеквадратичного отклонения слу-

чайной составляющей погрешности средств измерений данного типа;

— предела

⎡

⎤

σ∆

⎢

⎥

⎣

⎦

допускаемого среднеквадратичного отклонения слу-

чайной составляющей погрешности, номинальной нормализованной автокорре-

ляционной функции

()

r ∆τ или номинальной функции спектральной;

— плотности

()

S∆ω случайной составляющей погрешности и пределов

допускаемых отклонений этих функций от номинальных.

Характеристику случайной составляющей

∆

погрешности от гистере-

зиса

нормируют путем установления нормированного предела (без учета знака)

Hp допускаемой вариации выходного сигнала (показания) средства измерений

данного типа.

При нормировании характеристики погрешности средств измерений ус-

танавливают пределы (положительный и отрицательный)

∆

допускаемой по-

грешности и предел Hp допускаемой вариации выходного сигнала (показания)

средства измерений.

Характеристику погрешности средства измерений можно нормировать

для средств измерений, значения средне-квадратичного отклонения случайной

составляющей погрешности которых в каждой точке диапазона измерений не

превышают

max

q :

()

pmax

[] q /100σ∆ ≤ ∆ .

Значения

max

q устанавливаются в нормативной документации на средст-

ва измерений конкретных видов или типов.

Для средств измерений, не предназначенных для совместного примене-

ния с другими средствами измерений (в том числе в составе измерительных

систем или измерительно-вычислительных комплексов), в тех случаях, когда их

погрешность в рабочих условиях применения практически полностью может

быть

определена нормированными верхней

∆

и нижней

∆ границами ин-

тервала, в котором лежит погрешность в нормальных условиях с заданной ве-

роятностью Р, допускаются указанные границы и вероятность нормировать без

ограничения

max

q в процентах.

Характеристику погрешности средств измерений в интервале влияющей

величины

нормируют так же, как рассмотренные выше.

Стандартизация — использование в конструкции стандартных эле-

ментов.

Унификация средств измерений направлена на обеспечение информаци-

онной, метрологической, энергетической и эксплуатационной совместимости

составных частей вновь разрабатываемых измерительных систем. Предусмот-

рено, в частности, использование единых методов нормирования метрологиче-

ских характеристик

средств измерений (метрологическая совместимость), уни-

фикация параметров их энергопитания, схем, конструкций и

технических ха-

рактеристик источников энергопитания (энергетическая совместимость), уни-

фикация форм, разновидностей и типоразмеров элементов конструкций, уста-

новочных и присоединительных размеров (конструктивная совместимость),

нормирование внешних воздействующих факторов и применение единых мето-

дов их определения, унификация показателей эксплуатации средств измерений

(эксплуатационная совместимость).

Патентно-правовые показатели (патентная защита и патентная чистота)

характеризуют степень обновления технических решений, использованных в

средстве измерений, их патентную защиту.

Экологические показатели определяют уровень вредного воздействия на

окружающую среду, возникающего при эксплуатации данного средства изме-

рений (допустимое содержание вредных веществ, излучения).

Безопасность — вероятность безопасной работы, среднее время безопас-

ной работы защитных устройств, минимальная электрическая прочность изоля-

ции токоведущих частей и др. По этим показателям можно судить о возможно-

сти средства измерений обеспечивать безопасную работу обслуживающего

персонала.

Транспортабельность определяет приспособленность средства измере-

ний к транспортированию (габаритные размеры, масса, коэффициент использо-

вания объема тары, средняя продолжительность подготовки средства к транс-

портированию и др.).

4.5 Метрологические характеристики средств измерений

Важнейшими свойствами средств измерений являются те, от которых за-

висит качество получаемой с их помощью измерительной информации. Качест-

во измерений характеризуется точностью, достоверностью, правильностью,

сходимостью и воспроизводимостью измерений, а также размером допускае-

мых погрешностей.

Метрологические характеристики (свойства) средств измерений — ха-

рактеристики, которые предназначены для оценки технического уровня и каче-

ства средства измерений для определения результатов измерений и расчетной

оценки характеристик инструментальной составляющей погрешности измере-

ний.

РМГ 29-99 «ГСИ. Метрология. Основные термины и определения» уста-

навливает следующее определение метрологической

характеристике СИ.

Метрологическая характеристика средства измерений (MX) — характе-

ристика одного из свойств средства измерений, влияющая

на результат измере-

ний и на его погрешность.

Для каждого типа СИ устанавливается свой перечень MX по ГОСТу

8.009-84 «ГСОЕИ. Нормирование и использование метрологических характери-

стик средств измерений».

MX, устанавливаемые нормативно-техническими документами , называ-

ют нормируемыми метрологическими характеристиками, а определяемые экс-

периментально — действительными метрологическими характеристиками.

ГОСТ 8.009-84 устанавливает комплекс нормируемых метрологических

характеристик средств измерений

, который выбирается из числа приводимых

ниже.

Характеристики, предназначенные для определения результатов измере-

ний (без введения поправки):

— функция преобразования измерительного преобразователя, а также из-

мерительного прибора с неименованной шкалой или со шкалой, градуирован-

ной в единицах, отличных от единиц входной величины f(x);

— значение однозначной или значения многозначной меры — Y;

— 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 погрешностей средств измерений

Характеристики систематической составляющей погрешности

∆ средств

измерений:

— значение систематической составляющей

∆

;

— значение систематической составляющей

∆

, математическое ожида-

ние

[]

М ∆

и среднеквадратичное отклонение

[

]

∆

систематической состав-

ляющей погрешности.

средств измерений следует обеспечивать возможность оценки метрологических

свойств, как типа средств измерений, так и конкретных экземпляров данного

типа.

Комплексы MX, нормируемые в нормативных документах на средства

измерений конкретных типов, приведены в ГОСТе 8.009-84 — приложение 1.

Там же приведены критерии рациональности комплексов MX средств измере-

ний. Математические определения статистических характеристик погрешности

средств измерений даны в приложении 2 ГОСТ 8.009-84.

4.6 Способы нормирования метрологических характеристик

Типовые характеристики, предназначенные для определения результатов

измерений, нормируют как номинальные характеристики средств измерений

данного типа.

Для конкретных средств измерений, предназначенных для применения с

одной или несколькими индивидуальными характеристиками, а не с номиналь-

ными, распространяющимися на все средства измерений данного типа, соответ-

ствующие номинальные характеристики можно не нормировать. В этих случаях

нормируют пределы (граничные характеристики), в которых должна находить-

ся индивидуальная характеристика при предусмотренных условиях применения

средств измерений.

Характеристики систематической составляющей погрешности средств

измерений

нормируют путем установления:

— пределов (положительного и отрицательного)

∆

допускаемой систе-

матической составляющей погрешности средств измерений данного типа;

— пределов

∆ допускаемой систематической составляющей погрешно-

сти, математического ожидания ][M

∆

и среднеквадратичного отклонения

][

∆σ систематической составляющей погрешности средств измерений дан-

ного типа.

Если пределы допускаемой систематической составляющей погрешности

симметричны, их записывают как ±

∆

При необходимости допускается нормировать наибольшее допускаемое

изменение систематической составляющей погрешности за заданный интервал

времени.

Характеристики случайной составляющей погрешности нормируют пу-

тем установления:

Статистические методы нормирования метрологических характеристик

средств измерений устанавливает ГОСТ 8.009-84.

Исходя из того, что оценка погрешности СИ, произведенная расчетным

путем, практически сводится к суммированию ее различных составляющих

(основной и дополнительной погрешностей средства измерений; динамической

методической погрешности; составляющих, обусловленных конечными вход-

ными и выходными импедансами (от лат. impedio — препятствую) (комплекс-

ное сопротивление) — аналог

электрического сопротивления для гармониче-

ских процессов (средства измерений, ошибок оператора и т. п.), большая часть

из которых представляет собой случайные величины или случайные процессы,

стандарт устанавливает нормируемые MX такими, чтобы можно было произво-

дить статистическое суммирование составляющих погрешности измерения, в

том числе составляющих погрешности средства измерений.

В соответствии с ГОСТом 8.009-84 нормируемые MX должны

— давать исчерпывающую характеристику всем метрологическим свой-

ствам средства измерений;

— отражать определенные физические свойства средства измерений;

— служить основой для расчета некоторых производных характеристик,

соответствующих различным критериям сравнения средств измерений между

собой;

— легко контролироваться.

Выполнение вышеизложенных требований может быть обеспечено толь-

ко при соблюдении следующих условий:

— наличие определенной связи между

нормируемой MX и погрешностью

результата измерения, учитывающей и другие характеристики измерительного

процесса;

— возможность установления связи между нормируемыми MX средств

измерений и MX измерительной информационной системы, представляющей

собой комбинацию различных средств измерений.

При рассмотрении требований к нормируемым MX средств измерений

следует учитывать, что метрологическое свойство любого единичного экземп-

ляра средства измерений определенного типа отличается от

метрологических

свойств совокупности средств измерений того же типа. Примером этого может

служить систематическая погрешность. Для определенного экземпляра средст-

ва измерений эта погрешность — детерминированная величина, для типа

средств измерений она — случайная величина, меняющаяся от экземпляра к эк-

земпляру средств измерений данного типа. Поэтому при нормировании MX

Здесь следует иметь в виду следующее.

1. Систематическая составляющая погрешности средств измерений рассмат-

ривается как случайная величина на множестве средств измерений данного типа.

2. Устанавливать математическое ожидание и среднеквадратичное откло-

нение математической составляющей погрешности целесообразно, если можно

пренебречь их изменениями, как во времени, так и в зависимости от изменения

влияющих величин, или при возможности одновременного нормирования из-

менений данных характеристик как функции времени и условий применения.

Характеристики случайной составляющей погрешности

∆ средств изме-

рений:

— среднеквадратичное отклонение

⎡

⎤

∆

⎢

⎥

⎣

⎦

случайной составляющей по-

грешности;

— среднеквадратичное отклонение

⎡

⎤

∆

⎢

⎥

⎣

⎦

случайной составляющей по-

грешности, нормализованная автокорреляционная функция

()

∆

τ или функция

спектральной плотности

()

∆

ω случайной составляющей погрешности.

Характеристики случайной составляющей погрешности

∆ от гистерези-

са — вариация Н выходного сигнала (показания) средств измерений.

Характеристика погрешности средств измерений — значение погреш-

ности.

Погрешность средств измерений рассматривается как случайная величина

на множестве средств измерений данного типа.

В нормативных документах (НД) на средства измерений конкретных ви-

дов или типов допускается нормировать функции или плотности распределения

вероятностей систематической и случайной составляющих погрешности.

Характеристика погрешности средств измерений в интервале влияющей

величины

рассматривается так же как случайная величина на множестве изме-

рений данного типа.

Характеристика чувствительности средств измерений к влияющим ве-

личинам:

— функция влияния

()

ξψ ;

— изменение

()

значений MX средств измерений, вызванное измене-

ниями влияющих величин ξ, в установленных пределах.

Динамические характеристики средств измерений

Полные динамические характеристики:

— переходная характеристика

(

)

th;

— импульсная переходная характеристика

(

)

tg;

— амплитудно-фазовая

характеристика

(

)

jG;

—

амплитудно-частотная характеристика

(

)

A — для минимально фазо-

вых средств измерений;

— совокупность амплитудно-частотной и амплитудно-фазовой характе-

ристик;

— передаточная функция

(

)

SG .

Частотные динамические характеристики аналоговых средств измерений,

которые можно рассматривать как линейные. К частотным динамическим ха-

рактеристикам относят любые функционалы или параметры полных динамиче-

ских характеристик:

—

время реакции

— коэффициент демпфирования

dam

;

— постоянная времени Т;

— значение амплитудно-частотной характеристики на резонансной час-

тоте

()

A ω ;

— значение резонансной собственной круговой частоты

Частные динамические характеристики аналого-цифровых преобразова-

телей (АЦП) и цифровых измерительных приборов (ЦИП), время реакции ко-

торых не превышает интервала времени между двумя измерениями, соответст-

вующего максимальной частоте (скорости) измерений:

— время реакции

;

— погрешность

t датирования отсчета;

— максимальная частота (скорость) измерения

max

Частные динамические характеристики АЦП:

— время реакции преобразователя

t ;

— переходная характеристика преобразователя

(

)

th.

В НД на цифровые средства измерений конкретных видов или типов,

наряду с установлением времени реакции или погрешности датирования от-

счета, можно устанавливать их отдельные составляющие, такие как: время за-

держки пуска, время ожидания, время преобразования, время задержки выда-

чи результата и т. д.

технической документацией. Известно, что наряду с чувствительностью к из-

меряемой величине средство измерений имеет определенную чувствительность

и к другим параметрам, влияющим на измеряемую величину, например, к тем-

пературе окружающей среды, атмосферному давлению, вибрации и т. д. Поэто-

му средство измерений имеет основную погрешность, которая отражается в

технической характеристике.

В производственных условиях

при использовании средств измерений и

контроля могут возникать значительные отклонения от нормальных условий

эксплуатации, вызывающие

дополнительные погрешности, выражены в про-

центах, которые нормируются соответствующими коэффициентами,.

Для погрешности средств измерений устанавливают предел допустимой

погрешности.

Предел допустимой погрешности средства измерений — наи-

большая (без учета знака) погрешность средства измерений, при которой оно

может быть признано и допущено к применению. Например: пределы допусти-

мой погрешности 100-миллиметровой концевой меры длины первого класса —

±50 мкм, а для амперметра класса 1,0 — ±1 % от верхнего предела измерений.

Существуют различные числовые показатели точности средств измере-

ний, используемые:

—

при вычислении погрешности результата измерения по записанным в

паспорте средства измерений показателям точности для широкого класса сиг-

налов, действующих на его входе;

— при метрологической аттестации средств измерений и их поверке;

— при определении погрешности любого комплекса средств измерений

по показателям точности отдельных средств измерений, входящих в него;

— при использовании ЭВМ

для аттестации средств измерений и обработ-

ки результатов измерений.

Наиболее широко используют показатели точности, базирующиеся на

принципах теории вероятностей и математической статистики. Такой подход

предполагает, что погрешности средства измерений являются случайными

функциями и вызываются совместным действием детерминируемых дестабили-

зирующих факторов, и, следовательно, погрешность средства измерений при

каждой его поверке должна рассматриваться

как случайная величина. При оп-

ределенных условиях (время фиксировано, входная величина постоянна) по-

грешность в каждой точке шкалы средства измерений будет определяться

функцией распределения вероятности погрешности. Однако задавать эту функ-

цию в каждой точке шкалы невозможно, поэтому выбирают одно — два числа

и статистически описывают точность средства измерений.

ствующими одному и тому же действительному значению измеряемой им ве-

личины при неизменных внешних условиях. Как правило, вариация показаний

у средств измерений доставляет 10...50 % от цены деления и определяется пу-

тем многократного арретирования (контроль и управление доступом) наконеч-

ника средства измерений.

Особое место в метрологических характеристиках средств измерений и

контроля занимают погрешности

измерений и, в частности, погрешности

средств измерений и контроля.

Погрешность измерения — отклонение

∆

результата измерения

изм

от

действительного значения

Q измеряемой величины. Погрешность средства

измерений

— разность

∆ между показанием прибора

X и действительным

значением измеряемой величины:

дпп

−

∆

. (4.2)

Погрешность средства измерений есть составляющая общей погрешности

измерения, которая включает в себя (в общем случае) помимо

∆

погрешности

установочных мер; температурных колебаний; погрешности, вызванные нару-

шением первичной настройки СИ, упругими деформациями объекта измерения;

погрешности, обусловленные качеством измеряемой поверхности, и др.

Наряду с терминами «погрешность измерения», «погрешность средства

измерений» используется понятие «

точность измерения», отражающее бли-

зость результатов к истинному значению измеряемой величины. Высокая точ-

ность измерения соответствует малым погрешностям измерений. Погрешности

различают по причине возникновения и по их виду.

Инструментальные погрешности возникают вследствие недостаточно

высокого качества элементов средств измерений и контроля. К таким погреш-

ностям можно отнести погрешности изготовления и сборки СИ; погрешности,

возникающие из-за трения в механизме СИ; из-за недостаточной жесткости де-

талей и т. п. Инструментальная погрешность имеет индивидуальный характер

для каждого СИ.

Причиной возникновения

методических погрешностей служит несовер-

шенство метода измерений. Если, например, сознательно измеряется, преобра-

зуется или используется на выходе средства измерений не та величина, которая

необходима, а другая, которая отражает эту величину лишь приблизительно, но

гораздо проще реализуется.

За

основную погрешность принимают погрешность средства измерений,

используемого в нормальных условиях, установленных нормативно-

Для ЦИП и АЦП динамические характеристики следует указывать с учетом

времени выполнения служебных операций, предусмотренных интерфейсом, в ко-

тором выполнены устройства обмена информацией этих средств измерений.

В качестве динамических характеристик аналого-цифровых средств из-

мерений (в том числе измерительных каналов измерительных систем и измери-

тельно-вычислительных комплексов, оканчивающихся аналого-цифровыми

преобразователями

), время реакции которых больше интервала времени между

двумя измерениями, соответствующего максимально возможной для данного

типа средств измерений частоте (скорости)

max

измерений, принимают дина-

мические характеристики эквивалентных аналоговых частей аналого-цифровых

средств измерений.

Одним из процессов, влияющих на погрешность измерения, является об-

мен энергией между объектом измерения и средством измерений, а также меж-

ду последовательно соединенными средствами в измерительных системах. По-

требление энергии средствами измерений приводит к изменению измеряемой

величины и,

следовательно, к погрешности измерения. Обмен энергией может

быть двухсторонним например: при подсоединении к объекту термометра со-

противления температура объекта может как понижаться вследствие отбора

термометром энергии от объекта, так и повышаться, поскольку термометр со-

противления имеет собственную начальную температуру.

Это относится к любым средствам измерений, при работе которых проис-

ходит обмен

энергией. Поэтому для таких средств измерений необходимо нор-

мировать некоторые характеристики, отражающие такие свойства средств из-

мерений, как способность отбирать или отдавать энергию.

Характеристики средств измерений, отражающие их влияние на инстру-

ментальную составляющую погрешности, обусловленное взаимодействием

средств измерений с элементами, подключенными к их входу или выходу, на-

зывают импедансами (входными

или выходными).

неинформативным параметрам выходного сигнала средств измерений

относятся параметры выходного сигнала, не используемые для передачи или

индикации значения информативного параметра входного сигнала измеритель-

ного преобразователя и не являющиеся выходной величиной меры.

Рассмотрим более подробно наиболее часто встречающиеся метрологиче-

ские показатели средств измерений, которые обусловлены определенными кон-

структивными решениями средств измерений и их отдельных узлов.

Цена деления шкалы — разность значений величин, соответствующих

двум соседним отметкам шкалы. Например, если перемещение указателя шка-

лы из положения I в положение II (рис. 4.6, а) соответствует изменению вели-

чины в 0,001 мм, то цена деления этой шкалы равна 0,001 мм. Значения цены

делений выбирают из ряда 1, 2, 5, 10, 20, 50, 100, 200, 500 мкм. Но чаще всего

используют кратные и дольные значения от 1 до 2, а именно: 0,01; 0,02; 0,1; 0,2;

1; 2; 10 мкм и т. д. В угломерных средствах измерений применяют круговые

шкалы с ценой деления 1°, а дополнительное отсчетное устройство

позволяет

определять минуты и секунды. Цена деления шкалы всегда указывается на

шкале средства измерений.

Интервал деления шкалы — это расстояние между серединами двух со-

седних штрихов шкалы (рис. 4.6, б )

Рисунок 4.6 — Метрологические характеристики средств измерений:

а – цена и интервал деления; б – схема интервала деления шкалы;

в – диапазон показаний, длина деления шкалы

Учитывая особенности зрения оператора, минимальный интервал деления шка-

лы делают 1 мм, а максимальный — 2,5 мм.

У пневматических приборов с водяным манометром интервал деления

шкалы 5 мм.

Начальное и конечное значения шкалы

— соответственно наименьшее и

наибольшее значения измеряемой величины определившие диапазон показаний.

Диапазон показаний — область значений шкалы, ограниченная началь-

ным и конечным значениями шкалы (рис. 4.6, в). Так, для индикаторов часово-

го типа диапазон может составлять 2,5 или 10 мм, для гладких микрометров —

25 мм, для оптиметра — ±0,1 мм.

Диапазон измерений — диапазон значений измеряемой величины, кото-

рый может быть измерен данным средством измерений и для которого норми-

руется допускаемая погрешность средства измерений. Например: для гладких

микрометров этот параметр составляет 0...25 мм; 25...50 мм; 50...75 мм и т. д.,

для большого микроскопа инструментального (тип БМИ

) — по оси X —

0...150 мм, по оси

Y — 0...75 мм.

Одной из основных характеристик средств измерений при контактном

методе измерения является измерительное усилие, имеющее место в зоне кон-

такта измерительного элемента с измеряемой поверхностью в направлении ли-

нии измерения, которое необходимо для того, чтобы обеспечить устойчивое

замыкание измерительной цепи. Величина усилия зависит от допуска контро-

лируемого параметра: при 2... 10 мкм рекомендуется измерительное

усилие от

2,5 до 3,9 Н; свыше 10 мкм — 9,8 Н. Производным показателем измерительного

усилия является перепад измерительного усилия — разность двух измеритель-

ных усилий при разных положениях указателя в пределах диапазона показаний.

Величина перепада зависит от типа средства измерений. Например: для микро-

метра с ценой деления 0,01 мм колебание значения измерительного усилия до-

пускается в

пределах 2 Н; для индикаторов часового типа с той же ценой деле-

ния — 0,8 Н; для измерительных пружинных головок — от 0,2 до 2 Н.

Способность средства измерений реагировать на изменение измеряемой

величины называется чувствительностью. Она оценивается отношением изме-

нения положения указателя относительно шкалы к соответствующему измене-

нию измеряемой величины.

Если измеряемой величиной является длина

или угол и значение чувстви-

тельности выражается безразмерным числом, то последнее является

переда-

точным отношением

, (4.1)

где а

— интервал деления шкалы;

с — цена деления.

При цене деления индикатора, равной 0,01 мм, и интервале прения шкалы

1,5 мм передаточное отношение равно 150.

Порог чувствительности средства измерений — изменение измеряемой

величины, вызывающее наименьшее изменение его показаний, обнаруживаемое

при нормальном для данного средства способе отсчета. Эта характеристика

важна при оценке малых перемещений.

На практике используют еще такие показатели как:

стабильность меры —

свойство сохранять неизменным во времени свое значение;

стабильность измери-

тельного прибора

— свойство сохранять неизменными во времени поправки к

его показаниям; вариация показаний — наибольшая экспериментально опреде-

ляемая разность между повторными показаниями средства измерений, соответ-