11 Нормирование метрологических характеристик
Мы с Вами рассмотрели множество характеристик измерительных устройств, которые принято называть метрологическими, так как они влияют на точность осуществляемых с помощью этих устройств измерений. СИ и измерительного устройства допускаются к применению только в том случае, если установлены нормы - нормированы их метрологические характеристики. Сведения о них приводятся в технической документации на средства измерений, государственном стандарте на технические условия СИ, прошедших испытания типа и попавших в регистрацию государственного реестра по Российской Федерации, также стран независимых государств, а также стран государств, имеющих разрешение на импорт в Российскую Федерацию. Для удобства использования, анализа и нормирования метрологических характеристик СИ, их удобно классифицировать на группы, приведенные в следующую таблицу 11.1.
Таблица 11.1 - Метрологические характеристики измерительных устройств
Группа метрологических характеристик |
Метрологические характеристики |
Характеристики, предназначенные для определения результата измерений |
Функция преобразования, коэффициент преоб- разования, цена деления, чувствительность, диапазон измерения, верхний и нижний пределы измерений, диапазон показаний, конечное и начальное значение шкалы прибора |
Характеристики погрешности |
Систематическая погрешность, случайная пог-решность, основная погрешность, динамическая погрешность, порог чувствительности, мульти-пликативная погрешность, аддитивная пог-решность, погрешность линейности, вариация, абсолютная, относительная и приведенная пог-решности |
Характеристики чувст-вительности к влияю-щим величинам |
Функции влияния, дополнительная погрешность, изменение показаний, изменение коэффициента преобразований, значения неинформативного параметра выходного сигнала |
Динамические характеристики |
Дифференциальное уравнение, передаточная функция, комплексная частотная функция, переходная характеристика, импульсная переходная характеристика, амплитудно-фазовая характеристика, постоянная времени, время реакции, амплитудно-частотная характеристика, фазово-частотная характеристика, полоса пропускания и так далее, и др. |
Характеристики взаимо-действия с подключае-мыми средствами изме-рений |
Входное общее сопротивление (импеданс), выходное общее сопротивление (импеданс) |
Посредством нормирования метрологических характеристик обеспечивается взаимозаменяемость СИ и единство измерений в государственном масштабе. Реальные значения метрологических характеристик СИ определяются при их изготовлении, а затем периодически поверяются (калибруются) в процессе эксплуатации. При наличии отклонений хотя бы одной нормируемой метрологической характеристики от нормы СИ регулируется, подвергается аресту из сферы эксплуатации и ремонтируется, затем калибруется или поверяется. Если восстановить метрологические характеристики у СИ путем указанных мероприятий не удается, то СИ бракуется, изымается из обращения эксплуатации и уничтожается.
Выбор нормируемых метрологических характеристик из числа приведенных в таблице зависит от вида СИ и осуществляется в процессе разработки, освоения производства и аттестации СИ данного типоразмера по ГСИ.
Общий подход при нормировании метрологических характеристик состоит в том, что для всех нормируемых функций и значений устанавливаются номинальные функции и номинальные значения, и пределы допустимых отклонений (например, номинальная функция преобразования, номинальная функция влияния, номинальное значение информативного параметра на выходе, номинальное значение постоянной времени и т. д.). Для остальных характеристик устанавливаются пределы допустимых значений (например, пределы допускаемой основной погрешности, пределы допускаемой вариации и т.п.). Определенную специфику имеет нормирование характеристик, определяющих точность измерений, выполняемых с помощью данного средства измерений (основная и дополнительная погрешности, размах, вариация).
Основная погрешность устройства для технологических измерений нормируется путем установления предела допускаемой абсолютной, относительной или приведенной погрешности, которые вычисляются по формулам (11.1), (11.2), (11.3) соответственно /8/
,
(11.1)
,
(11.2)
,
(11.3)
где Х - входной сигнал измерительного устройства.
Нормирующее значение ХН в выражении (11.3) принимают равным диапазону измерений (для многих измерительных устройств, в том числе для большинства устройств, используемых для технологических измерений), конечному значению шкалы, длине шкалы, если последняя имеет резко изменяющееся деление.
Способ задания пределов допускаемой основной погрешности для измерительных приборов и преобразователей определяется зависимостью их погрешности от значения измеряемой величины и требованиями простоты. Если у измерительных устройств данного типоразмера после соответствующей их регулировки погрешность практически не зависит от значения измеряемой величины, т.е. является аддитивной, как бы постоянной на всем интервале шкалы, то предел допускаемой основной погрешности нормируется абсолютной погрешностью, определяемой по формуле (11.3) и называется приведенной погрешностью. Если погрешность измерительных устройств данного типоразмера является мультипликативной и пропорционально изменяется значению измеряемой величины –
,
то предел допускаемой основной погрешности удобно нормировать через относительную погрешность, определяемую по формуле (11.4), так как норма определяется одним числом /8/
(11.4)
Значение предела относительной или приведенной погрешности определяется из ряда предпочтительных чисел вычисляется по формуле (11.5) /8/
(11.5)
Числа 1,6 и 3 допускаются к применению, но не рекомендуются. Значение «n» принимается равным: +1, 0, -1, -2, и т.д. Причем при одном значении «n» допускается устанавливать не более пяти различных пределов допускаемой огрешности для измерительных устройств конкретного вида.
При нормировании основной погрешности учитывается тот факт, что положение реальной функции преобразования в пределах полосы, определяемой пределом допускаемой основной погрешности, изменяется, смотри на рисунке 11.1 а), за счет действия влияющих величин, что вызывает случайную погрешность, определяемую размахом R. Обычно допускаемое значение размаха принимается меньше половины предела допускаемой погрешности /8/
(11.6)
Для нормирования вариации измерительных устройств используют формулы (11.3), (11,4), (11,5) или (11,6), т.е. выражают ее абсолютным или приведенным значением. Значение же предела допускаемой вариации принимается в виде дольного (кратного) значения предела допускаемой основной погрешности обычно из следующих соотношений (11.7), (11.8)
,
(10.7)
,
(10.8)
Так как значение вариации всегда меньше удвоенного значения основной погрешности, то для некоторых измерительных устройств вариация не нормируется. Дополнительная погрешность нормируется в тех случаях, когда при измерении влияющих величин в рабочей области основная погрешность превышает установленный для нее предел. Дополнительная погрешность нормируется:
в виде постоянного значения Δдоп для всей рабочей области влияющей величины или по отдельным интервалам этой области;
путем указания отношения предела допускаемой дополнительной погрешности, принятой для регламентируемого интервала влияющей величины, к значению этого интервала, т.е. Δдоп ⁄ Δе (Δе - регламентируемый интервал влияющих величин «е»);
путем указания зависимости предела допускаемой погрешности от влияющей величины, т. е. Δдоп = Е(е).
Пределы допустимой дополнительной погрешности, как правило, устанавливают в виде дольного (кратного) значения предела допускаемой основной погрешности. Измерительные устройства принято разделять на классы точности. В настоящее время класс точности «Λ» трактуется как обобщенная характеристика средств измерений. Класс точности определяется пределами допускаемых основной и дополнительной погрешностями средств измерений, а также рядом других свойств СИ, влияющих на точность осуществляемых с их помощью измерений. Связь между пределами основной и дополнительной погрешностей, а также с другими свойствами средств измерений обычно регламентируются соответствующими стандартами на отдельные виды средств измерений. Классы точности не устанавливаются только для тех средств измерений, для которых отдельно нормируется систематическая и случайная составляющие погрешности, а также для средств измерений, для которых нормируется и имеет существенное значение динамическая погрешность. Обозначение классов точности «Λ» производится в зависимости от способов задания пределов допускаемой основной погрешности. Если предел допускаемой основной погрешности выражается приведенной (выражение 10.9) или относительной погрешностями (выражение 10.8), то применяются соответственно следующие обозначения: 1,5 и (обозначения приведены для класса точности 1,5). В рассмотренных (наиболее распространенных) случаях обозначение класса точности дает информацию о пределе допускаемой основной погрешности. Числовые значения для классов точности выбирают из приведенного ряда (выражение 10.5). Для измерительных приборов и преобразователей, применяемых для технологических измерений, как правило, нормальные условия эксплуатации выбирают такими, чтобы в большинстве случаев исключалась необходимость нормирования дополнительной погрешности. Поэтому класс точности однозначно определяет точность этих средств измерений.
Чтобы
отличить относительную погрешность от
приведенной, обозначение класса точности
в виде относительной погрешности обводят
кружком .
Е
сли
погрешность нормирована в процентах
от шкалы, то под обозначением класса
точности ставится знак -
.
. Если погрешность нормирована сложной
формулой (10.2), то класс точности
обозначается как c/d
(например 0,02/0,01).