Метрологические характеристики средств измерений

 

Повышение требований к качеству продукции и эффективности ее производства привели к радикальному изменению требований к измерениям. Как указывается в Международном стандарте ИСО 9001: 2000 организация (компания, фирма, предприятие или учреждение, которые выполняют самостоятельные функции и имеют администрацию) должна, в том числе, планировать и применять процессы измерения для того, чтобы:

. демонстрировать соответствие продукции;

.обеспечивать соответствие системы менеджмента качества;

.постоянно повышать результативность системы менеджмента качества.

Для организаций, разрабатывающих, производящих или применяющих СИ, одним из аспектов обеспечения качества их продукции является наличие данных о метрологических характеристик СИ, установленных с необходимой для потребителей точностью.

MX СИ необходимы для оценки пригодности СИ к измерениям в известном диапазоне с известной точностью, а также для обеспечения:

.возможности установления точности измерений;

.достижения взаимозаменяемости СИ, сравнения СИ между собой и выбора нужных СИ по точности и другим характеристикам;

.определения погрешностей измерительных систем и установок на основе MX входящих в них СИ.

Все метрологические характеристики (МХ) средства измерений можно разделить на следующие группы:

1. Характеристики, предназначенные для нахождения результатов измерений;

2. Характеристики погрешностей;

.   Характеристики чувствительности СИ к влияющим факторам;

.   Динамические характеристики;

.   Характеристики свойств СИ, влияющих на погрешность вследствие взаимодействия средства измерений с другими объектами, включая объект, свойством которого является измеряемая физическая величина.

К первой из упомянутых групп относят градуировочные характеристики.

Градуировочная характеристика - это зависимость между значением  сигнала средства измерений и истинным значением  его информативного параметра. Она может быть выражена формулой, графиком, таблицей или словесно. Градуировочная характеристика может быть простой (например, показанием измерительного прибора считать отсчет по его шкале), или сложной (переходной характеристикой, выраженной дифференциальным уравнением). Иногда градуировочную характеристику выражают с помощью поправок. Поправкой называют величину, которую следует добавить к полученному по упрощенной зависимости  числу, чтобы найти значение сигнала СИ.

Прежде, чем рассмотреть вторую группу метрологических характеристик, вспомним определение погрешности. Погрешностью измерений называется разность показания СИ и истинного значения измеряемой физической величины.

По способу числового выражения различают абсолютные погрешности измерений, выражаемые в единицах измеряемой физической величины, и относительные, выражаемые отношением абсолютной погрешности к истинному значению измеряемой величины.

Погрешности бывают систематическими и случайными. Совокупность систематических и случайных погрешностей СИ в нормальных условиях называется основной погрешностью.

Ко второй группе метрологических характеристик относят следующие характеристики погрешности: математическое ожидание погрешности, среднее квадратическое ожидание и вариацию. Остановимся более подробно на последней из упомянутых характеристик.

Вариация (гистерезис) - разность между показаниями СИ в данной точке диапазона измерения при возрастании и убывании измерений величины и неизменных внешних условиях:

 

, (9)

 

где X _в и X _у - значения измерений образцовыми СИ при возрастании и убывании величины Х.

Следует иметь в виду, что, хотя вариация показаний СИ вызывается случайными факторами, сама она - не случайная величина. Зависимость между выходным и входным сигналом СИ, полученную экспериментально, называют градуировочной характеристикой, которая может быть представлена аналитически, графически или в виде таблицы.

Гистерезис выходного сигнала средства измерений заключается в том, что выходной сигнал СИ зависит не только от размера измеряемой физической величины, но и от направления и скорости изменения физической величины непосредственно перед ее измерением. Вариация равна модулю разности математических ожиданий погрешности СИ при использовании его для измерения физической величины, которая непосредственно перед измерением медленно и плавно уменьшалась и медленно и плавно увеличивалась.

К характеристикам чувствительности СИ к влияющим факторам относят функции влияния. Функция влияния - это зависимость изменения метрологических характеристик СИ от изменения влияющего фактора или совокупности влияющих факторов. Наиболее существенно от влияющих факторов (внешних воздействий) зависят систематические погрешности средства измерений. Изменения систематической погрешности, вызванные наличием влияющих факторов, называют дополнительными погрешностями. Дополнительную погрешность выражают в единицах измеряемой физической величины, в долях основной или систематической погрешности.

Динамические характеристики СвИ - это характеристики динамических свойств СвИ, отражающих зависимость выходного сигнала от изменяющегося во времени входного сигнала. К ним относят: переходную, импульсную, амплитудно- фазовую, совокупность амплитудно-частотной и фазо- частотной характеристики.

Переходная функция показывает, как изменяется выходной сигнал при изменении скачком входного.

Отклик средства измерений на единичный импульс называется импульсной характеристикой.

Ампитудно - фазовая характеристика - это построенная в полярной системе координат зависимость амплитуды и сдвига фаз между выходным и входным сигналом от частоты.

Амплитудно-частотная характеристика - это зависимость амплитуды от частоты входного сигнала.

Фазо - частотная характеристика - зависимость угла сдвига фаз между выходным и входным сигналами от частоты.

Обычно для каждого средства измерений динамические характеристики регламентируют заданием номинальных характеристик. Максимальное отклонение реальных динамических характеристик от номинальных рассматривают как динамическую погрешность.

Как правило, средство измерений можно считать линейным динамическим объектом, для которого справедлив принцип суперпозиции. Погрешность такого средства измерений можно представить в виде суммы статической и динамической составляющих.

Примерами метрологических характеристик, относящихся к пятой группе, являются: входной и выходной импеданс у электрических величин, коэффициент отражения от входа и выхода в высокочастотных линиях. Чем интенсивнее взаимодействие средства измерений с объектами и устройствами, соединенными с входом и выходом СИ, тем значительнее следствия такого взаимодействия.

Для метрологических характеристик устанавливаются нормы (предельно допустимые значения, при которых возможно выполнение достоверных измерений), поэтому метрологические характеристики называют нормируемыми.

Сведения о рабочих условиях содержатся в технических условиях (техническом описании на прибор) и указывают возможность отклонения условий проведения измерений от нормальных при сохранении метрологических характеристик в установленных пределах. Для унификации применяемых видов измерительной техники рабочие условия измерений (параметры внешней среды) нормируются соответствующими государственными стандартами. К таким параметрам относятся: температура, давление, влажность, механические нагрузки при транспортировании, пределы изменения напряжения и частоты источника питания, напряженность магнитного (электрического) поля, под воздействием которого находится средство измерений.

Помимо точностных характеристик, средства измерений характеризуются диапазоном измерений, допустимыми условиями применения, чувствительностью, быстродействием, стабильностью, помехозащищённостью, надёжностью и др.

Диапазон измерений - область значений измеряемой величины, для которой нормированы допускаемые пределы погрешности СИ (для преобразователей - это диапазон преобразования).

Предел измерения - наибольшее или наименьшее значение диапазона измерения. Для мер - это номинальное значение воспроизводимой величины.

Например, у шкалы на рис. 1 начальный участок сжат, потому производить отсчеты на нем неудобно. Тогда предел измерения по шкале составляет 50 ед., а диапазон - 10...50 ед.

 

Рисунок 2.1 - Неравномерная шкала СИ

Цена деления шкалы - разность значений величин, соответствующих двум соседним отметкам шкалы. Приборы с равномерной шкалой имеют постоянную цену деления, а с неравномерной - переменную. В этом случае нормируется минимальная цена деления.

Различают равномерные (рис. 2, а, б, в, г)и неравномерные шкалы. Последние делятся на существенно неравномерные и степенные.

 

Рисунок 2..2 - Виды шкал СИ.

Под существенно неравномерной шкалой понимают шкалу с сужающимися делениями, на которой отметка, соответствующая полусумме начального и конечного значения рабочей части шкалы, расположена между 65 и 100% длины этой рабочей части (рис. 2, д).

Под степенной шкалой понимают шкалу с расширяющимися или сужающимися делениями, но не попадающими под определение существенно неравномерных (рис. 2, е).

Чувствительность средств измерений представляет собой способность реагировать на изменения входного сигнала и оценивается отношением изменения выходного сигнала к вызвавшему его изменению входного си гнала.

 

, (10)

Чувствительность - величина обратная цене деления С шкалы прибора. Для аналоговых средств измерения чувствительность показывает, на сколько делений шкалы отклоняется стрелка прибора при измерении единицы физической величины.

 

, (11)

Порог чувствительности - минимальное изменение входного сигнала СИ, вызвавшее изменение выходного сигнала.

Быстродействие характеризуется интервалом времени, необходимым для производства единичного измерения.

Стабильность отражает постоянство во времени метрологических характеристик. Часто эта характеристика представляется обратной величиной - нестабильностью показателей во времени.

Помехозащищенностью называется способность прибора сохранять в процессе измерений свои характеристики при наличии внешних помех.

Надежность представляет свойство средства измерений функционировать при сохранении метрологических и других характеристик в заданных пределах и режимах работы.

За показатели безотказности принимают среднюю наработку на отказ (среднее значение наработки средства измерений между отказами) и вероятность безотказной работы за заданный промежуток времени.

⇐ Предыдущая123456Следующая ⇒

Поделиться: