Метрологические характеристики си

Все СИ обладают рядом общих свойств, необходимых для выполнения ими их функционального назначения.

Характеристики, описывающие эти свойства и оказывающие влияние на результаты и погрешности измерений, называют метрологическими характеристиками (МХ).

Согласно ГОСТ 8.009-84 «Нормируемые метрологические характеристики средств измерений»: МХ СИ - характеристики свойств СИ, оказывающих влияние на результаты и погрешности измерений, предназначенные для оценки технического уровня и качества СИ, для определения результатов измерений и расчетной оценки характеристик инструментальной составляющей погрешности измерений.

Под нормированием МХ понимают количественное задание определенных номинальных значений и допустимых отклонений от этих значений.

Для каждого вида СИ в нормативно-технической документации (НТД) указывается перечень нормируемых МХ, исходя из их специфики и назначения СИ.

1. Номинальные мх, предназначенные для определения результатов измерений .

Номинальное значение - значение, задаваемое изготовителем для определенных условий работы того или иного компонента, устройства или предмета оборудования (Термин и определение по ГОСТ Р МЭК 60974-1-2012 "Оборудование для дуговой сварки. Часть 1. Источники сварочного тока")

МХ весьма разнообразны, они существенно различаются по значимости и информативности и существенно зависят от типа средств измерений.

Для СИ, осуществляющих измерительное преобразование измеряемой ФВ, широко применяют интегральную МХ, которая отражает функцию преобразования СИ и называется градуировочной характеристикой. Градуировочная характеристика – зависимость между значениями величин на входе и выходе СИ, полученная экспериментально. Градуировочная характеристика СИ может быть выражена в виде формулы, графика или таблицы (рис. 1).

Рис. 1. Градуировочная характеристика термоэлектрического преобразователя

В некоторых метрологических источниках функции преобразования СИ называют статическими характеристиками ИПр и ИП, противопоставляя их полным динамическим характеристикам.

Наряду с интегральными МЗ для СИ предусмотрены возможности назначения и контроля множества различных частных характеристик. Часть из них представляет интерес для пользователя, другие принципиально важны только для разработчиков средств измерений.

Номинальные МХ однозначной и многозначной мер включают значения мер, представляемые именованными числами (одно номинальное значение Y для однозначной меры или N значений многозначной меры Yi).

Номинальные МХ аналоговых ИП и многозначных мер (рис.1):

- Цена деления шкалы ИП или многозначной меры – разность значений величины, соответствующих двум соседним отметкам шкалы используется как МХ для аналоговых ИП.

- Диапазон показаний – область значений шкалы, ограниченная конечным (наибольшим) и начальным (наименьшим) значениями ФВ, указанными на шкале.

- Диапазон измерений – область значений измеряемой величины, для которой нормирована погрешность средства измерений.

- Предел измерений – наибольшее или наименьшее значение диапазона измерений.

Рис.1. Схема отсчетного устройства аналогового ИП

Для дискретных ИП с цифровым устройством (рис. 2) отображения измерительной информации диапазон показаний определяется видом выходного кода и числом разрядов кода.

Рис.2. Отсчетные устройства цифровых ИП.

Код может быть десятиричный (десятичный), двенадцатиричный, шестидесятиричный или семиричный код (для дней недели). Число разрядов выходного кода - предельное число цифр на табло. Существенными признаками являются виды знаков и их содержание, например, наличие фиксированной или плавающей разделительной десятичной запятой (точки) .

К номинальным МХ ИП можно отнести чувствительность (S), т.е. отношение изменения выходной величи­ны (Y) к вызывающему его изменению входной величины (X):

Чувствительность характеризует способность ИП реагировать на изменение входного сигнала. Для линейных СИ (Y=kX) чувствительность постоянна S=k. Для нелинейных СИ чувстви­тельность зависит от входного сигнала. Для показывающих приборов признаком линейности или нелинейности харак­теристики преобразования является равномерность или неравномерность шкалы.

Порог чувствительности - наименьшее значения физической величины, начиная с которого может осуществляться ее измерение данным СИ.

Разрешающая способность показывает, какое минимальное отклонение измеряемой величины может быть зарегистрировано ИП.

У цифро­вых приборов порог чувствительности и разрешающая способность, как правило, равны цене единицы младшего разряда.

2. Характеристики чувствительности средств измерений к влияющим величинам

Метрологические характеристики СИ зависят от внешних физических воздействий (влияющих величин) таких как температура и влажность воздуха, атмосферное давление, частота и напряжение питания, внешние электрические и магнитные поля и т. д.

В стандартах или технических условиях (ТУ) на СИ обычно указывают области значений влияющих величин. Например, температура воздуха в пределах от 15 до 25 °С, относительная влажность воздуха от 45 до 75 %, атмосферное давление от 740 до 760 мм рт. ст.

3. Динамические характеристики СИ

Динамические МХ СИ возникают при динамическом режиме его работы. При динамическом режиме работы СИ воспринимает изменение входной величины и размеры измеряемой величины изменяются во времени.

Динамические характеристики СИ описывают инерционные свойства СИ и определяют время установления показаний прибора от момента скачкообразного изменения измеряемой величины до момента установления показания, соответствующего новому значению измеряемой величины.

4. Характеристики погрешностей СИ.

Одной из основных МХ СИ является погрешность.

Погрешность СИ есть отклонение результатов изме­рения, получаемых с помощью данного СИ, от истинного значения измеряемой величины.

Виды погрешностей в зависимости от причины возникновения

1. Инструментальные (аппаратурные) погрешности измерений обусловлены погрешностями применяемого СИ.

2. Погрешности метода измерений (теоретические) обусловле­ны несовершен­ством принятого метода измерений. Они яв­ляются следствием упрощенных представлений о явлениях и эффектах, лежащих в основе измерений.

3. Субъективные погрешности измерений (личные, личная разность) вызваны индивидуальными особенностями опера­тора.

4. Погрешности измерений из-за изменения условий измерений возникают вследствие неучтенного или недостаточно учтен­ного воздействия той или иной влияющей величины (темпе­ратура, давление, влажность воздуха, напряженность магнит­ного поля, вибрации и др.), неправильной установки средств измерений и других факторов, связанных с условиями изме­рений.

ИНСТРУМЕНТАЛЬНЫЕ ПОГРЕШНОСТИ

Инструментальная погрешность имеет определяющее значение для наиболее распространенных СИ и может классифицироваться по ряду признаков.

1. По форме представления

По форме представления различают абсолютную, относительную и приведенную погрешности.

Абсолютной погрешностью (Δ) называют разность между измеренным Х_П и истинным Х_Д значениями измеряемой величины:

∆= Х_П – Х_Д,

где Х_П = Х₁ , Х₂ , … Х_m … Х_К – измеренное значение измеряемой величины.

^{Действительное значение Х}_Д ^{определяется с помощью рабочих} эталонов или по номинальным статическим характеристикам ИУ.

Абсолютная погрешность средств измерения выражается как

где ∆ - предел допустимой абсолютной погрешности, выраженной в единицах измеряемой величины; а - именованное положительное число, выраженное в тех же единицах.

Относительная погрешность измерительного прибора (δ) – это отношение абсолютной погрешности прибора к истинному значению измеряемой величины. Относительная погрешность СИ может быть выражена как (в %):

Чтобы уменьшить относительную погрешность, нужно выбрать верхний предел шкалы измерительного прибора таким, чтобы ожидаемое значение измеряемой величины (показания) находилось в последней трети или половине ее.

Приведенная погрешность γ измерительного прибора – это отношение абсолютной погрешности измерительного прибора к нормирующему значению. Нормирующее значение Х_Н – это условно принятое значение, равное конечному значению шкалы прибора, если нулевая отметка находится на краю или вне шкалы; сумме конечных значений шкалы прибора (без учета знаков), если нулевая отметка находится внутри шкалы.

Приведенную погрешность обычно выражают как:

где γ – предел допустимой приведенной погрешности, %; Х_Н- нормирующее значение,

Пример: Определить абсолютную, относительную и приведенную погрешность потенциометра с верхним пределом измерений 150 °С при показании его Х = 120 °С и истинное значением измеряемой температуры Х_Д = 120,6° С. За нормирующее значение принят верхний предел измерения Х_Н= 150° С.

Решение

Абсолютная погрешность ∆ = 120 - 120,6 = ‒ 0,6 °С.

Относительная погрешность δ = 0,6·100/120,6 = ±0,5 %.

Приведенная погрешность γ = 0,6·100/150 = ± 0,4 %.