Метрологические характеристики средств измерений
Все средства измерений имеют общие свойства, позволяющие сопоставлять их между собой: метрологические, эксплуатацион-
ные, информационные и др. Отдельные виды и типы СИ облада- ют своими специфическими свойствами, которые отражаются в соответствующих нормативно-технических документах. Поэтому важно уметь выделять и оценивать составляющую погрешности, вносимую используемыми средствами измерений по их метроло- гическим характеристикам.
Метрологическая характеристика средства измерений – характеристика одного из свойств средства измерений, влияющая на результат и погрешность его измерений. Для каждого типа СИ устанавливают свои метрологические характеристики. Метроло- гические характеристики, устанавливаемые нормативно- техническими документами, называют нормируемыми метроло- гическими характеристиками, а определяемые экспериментально
действительными метрологическими характеристиками.
К метрологическим характеристикам относятся функция пре- образования, погрешность средства измерений, чувствитель- ность, цена деленияшкалы,порогчувствительности, диапазон измерений, вариация показаний и др. От того, насколько они точ- но будут выдержаны при изготовлении и стабильны при эксплуа- тации, зависит точность результатов, получаемая спомощью СИ.
Функция преобразования (статическая характеристика преобразования) – функциональная зависимость между инфор- мативными параметрами выходного и входного сигналов сред- ства измерений. Функцию преобразования, принимаемую для средства измерения (типа) и устанавливаемую в научно- технической документации на данное средство (тип), называют номинальной функцией преобразования средства (типа). Номи- нальная статическая характеристика преобразования позволяет рассчитать значение входной величины по значению выходной. Она может задаваться аналитически, таблично или графически.
Погрешность СИ – важнейшая метрологическая характери- стика, определяемая как разность между показанием средства измерений и истинным (действительным) значением измеряе- мой величины. Для меры показанием является ее номинальное значение.
Чувствительность СИ – свойство средства измерений, определяемое отношением изменения выходного сигналаэтого средства к вызывающему его изменению измеряемой величины. Различают абсолютную и относительную чувствительность. Аб- солютную чувствительность определяют по формуле
S
Y
,
X
(1.1)
относительную чувствительность – по формуле:
Y Х
Sотн.
,
Х
где ΔY – изменение сигнала на выходе; ΔХ – изменение измеряе- мой величины, X – измеряемая величина.
При нелинейной статической характеристике преобразования чувствительность зависит от X, при линейной характеристике она постоянна.
У измерительных приборов при постоянной чувствительности шкала равномерная, т.е. расстояние между соседними делениями шкалы одинаковое.
Цена деления шкалы (постоянная прибора) – разность значе- ния величины, соответствующая двум соседним отметкам шкалы СИ. Приборы с равномерной шкалой имеют постоянную цену деления. В приборах с неравномерной шкалой цена деления мо- жет быть разной на разных участках шкалы, и в этом случае нор- мируется минимальная цена деления. Цена деления шкалы равна числу единиц измеряемой величины, приходящихся на одно де-
ление шкалы прибора, и может быть также определена через аб- солютную чувствительность:
C 1/ S . (1.2)
Порог чувствительности – наименьшее значение изменения физической величины, начиная с которого может осуществляться ее измерение данным средством. Порог чувствительности выра- жают в единицах входнойвеличины.
Диапазон измерений – область значений величины, в преде- лах которой нормированы допускаемые пределы погрешности СИ.Значения величины, ограничивающие диапазон измерений снизу и сверху (слева и справа), называют соответственно ниж- ним и верхним пределом измерений. С целью повышения точно- сти измерений диапазон измерений СИ можно разбить на не- сколько поддиапазонов. При переходе с одного поддиапазона на другой некоторые составляющие основной погрешности умень- шаются, что приводит к повышению точности измерений. При нормировании погрешности допускают для каждого поддиапазо- на свои предельные значения погрешности. Область значений шкалы прибора, ограниченную начальными и конечными значе- ниями шкалы, называют диапазоном показаний.
Для средства измерений, выдающих результаты измерений в цифровом коде, указывают цену единицы младшего разряда (единицы младшего разряда цифрового отсчетного устройства), вид выходного кода (двоичный, двоично-десятичный) и число разрядов кода.
Для оценки влияния средства измерений на режим работы объекта исследования указывают входное полное сопротивление Zвх. Этосопротивление влияетна мощность,потребляемуюот объекта исследования средством измерения.
Допустимая нагрузка на средство измерений зависит от вы- ходного полного сопротивления Zвых. Чем меньше выходное со-
противление, тем больше допустимая нагрузка на средство изме- рений.
Вариация показаний – наибольшая вариация выходного сиг- нала прибора при неизменных внешних условиях. Она является следствием трения и люфтов в узлах приборов, механического и магнитного гистерезиса элементов и др.
Вариация выходного сигнала –это разность между значениями выходного сигнала, соответствующими одному и томуже дей- ствительному значению входной величины при медленном подхо- де слева и справа к выбранному значению входной величины.
Динамические характеристики, т. е. характеристики инер- ционных свойств (элементов) измерительного устройства, опре- деляющие зависимость выходного сигнала СИ от меняющихся во времени величин: параметров входного сигнала, внешних влия- ющих величин, нагрузки. К ним относят: дифференциальное уравнение, описывающее работу средства измерений; переход- ную и импульсную переходную функции; амплитудные и фазо- вые характеристики; передаточную функцию.
Динамические свойства средства измерений определяют ди- намическую погрешность. Динамическая погрешность средства измерений – погрешность средства измерений, возникающая при измерении изменяющейся (в процессе измерений) физической величины.
Нормируемые метрологические характеристики – совокуп- ность метрологических характеристик данного типа средств из- мерений, устанавливаемая нормативными документами на сред- ства измерений. Нормируемые метрологические характеристики, включаемые в этот комплекс, должны отражать реальные свой- ства СИ, и их номенклатура должна быть достаточной для оценки инструментальной составляющей погрешности измерений в ра- бочих условиях применения СИ с той степенью достоверности,
которая требуется для решения поставленной измерительной за- дачи. Общий перечень нормируемых метрологических характе- ристик СИ, формы их представления и способы нормирования устанавливаются ГОСТом. В него могут входить:
пределы измерений, пределы шкалы;
цена деления равномерной шкалы аналогового прибора или многозначной меры, при неравномерной шкале – минимальная цена деления;
выходной код, число разрядов кода, номинальная цена еди- ницы наименьшего разряда цифровых СИ;
номинальное значение однозначной меры, номинальная ста- тическая характеристика преобразования измерительного преоб- разователя;
погрешность СИ;
вариация показаний прибора или выходного сигнала преоб- разователя;
полное входное сопротивление измерительного устройства, полное выходное сопротивление измерительного преобразовате- ля или меры;
неинформативные параметры выходного сигнала измери- тельного преобразователяили меры;
динамические характеристики СИ;
функции влияния.
Кроме метрологических характеристик при эксплуатации средств измерений важны и неметрологические характеристики: показатели надежности, электрическая прочность, сопротивление изоляции, устойчивость к климатическим и механическим воз- действиям, время установления рабочего режима и др.
Надежность средства измерений – это способность СИ со- хранять нормированные характеристики при определенных усло- виях работы в течение заданного времени. Основными критерия-
ми надежности приборов являются вероятность и средняя про- должительность безотказной работы.
Вероятность безотказной работы определяется вероятно- стью отсутствия отказов прибора в течение определенного про- межутка времени.
Средняя продолжительность – отношение времени работы прибора к числу отказов за это время.