1.4. Классификация средств измерений по роли,

выполняемой в системе обеспечения единства измере­ний

Средства измерений разделяются на эталоны, образцовые и рабочие средства измерений. Чтобы обеспечить единство из­мерений, необходима тождественность единиц, в которых проградуированы все средства измерений одной и той же физической величины. Для этого применяют эталоны единиц - это сред­ства измерений (или комплекс средств измерений), обеспечи­вающие воспроизведение и (или) хранение единицы с целью передачи ее размера нижестоящим по поверочной схеме средст­вами измерений, выполненные по особой спецификации и офици­ально утвержденные в установленном порядке в качестве этало­на. Эталоны разделяются на первичные, вторичные, рабочие, специальные.

Первичные эталоны предназначены для воспроизведения еди­ницы с наивысшей в стране точностью. Первичный эталон основ­ной единицы должен воспроизводить единицу в соответствии с ее определением.

Вторичные эталоны - это эталоны, значение которых уста­навливают по первичному эталону. Рабочие эталоны используют для передачи размера единицы образцовым средствам измерений высшей точности и в отдельных случаях - наиболее точным ра­бочим средствам измерений. Специальные эталоны обеспечивают воспроизведение единицы в особых условиях и заменяют для этих условий первичный эталон.

Образцовые средства измерений (меры, измерительные при­боры, измерительные преобразователи) предназначены для про­верки и градуировки по ним других средств измерений. Их под­разделяют на разряды: по образцовому средству измерений пер­вого разряда проверяют средства измерений второго разряда и т.д.

Рабочими называют такие средства измерений, которые применяются для измерений, не связанных с передачей размера единиц. Рабочие средства измерений подразделяются по клас­сам точности.

Все образцовые средства измерений, которые применяются органами государственной и ведомственной метрологической службами РФ, подлежат периодической поверке органами Гос­стандарта РФ. Все рабочие средства измерений также прохо­дят обязательную периодическую поверку в органах метрологи­ческого надзора предприятия или учреждения, в котором они используются.

1.5. Метрологические характеристики средств измерении и их нормирование. Классы точности

Для каждого вида средств измерений (СИ), исходя из их специфики и назначения, нормируется определенный комплекс метрологических характеристик, указываемый в нормативно-тех­нической документации на СИ. В этот комплекс должны вклю­чаться такие характеристики, которые позволяют определить погрешность данного СИ в известных рабочих условиях его при­менения. Общий перечень основных метрологических нормируемых характеристик СИ, формы их представления и способы нормиро­вания установлены в ГОСТ 8.009-84. В него входят: пределы измерений, пределы шкалы; цена деления равномерной шкалы прибора или многозначной меры; при неравномерной шкале - минимальная цена деления; номинальное значение однозначной меры; погрешность СИ; полное входное сопротивление измерительного устройства; полное выходное сопротивление измерительного преобразова­теля или меры; динамические характеристики СИ (характеристики инерцион­ных свойств); функции влияния; наибольшие допустимые измерения метрологических характе­ристик СИ в рабочих условиях применения и другие.

Класс точности — это обобщенная характеристика точнос­ти средств измерений. В соответствии с ГОСТ 8.401-80 "Клас­сы точности средств измерений" классы точности устанавли­ваются для СИ, у которых суммарная погрешность (содержащая систематическую и случайную составляющие) нормируется в ви­де пределов допускаемой основной и дополнительной погреш­ностей. Эти пределы могут выражаться в форме абсолютных или относительных погрешностей в зависимости от характера их изменения в пределах диапазона измерения, а также условий применения и назначения СИ (о погрешностях - см. раздел 2.1.).

Предел допустимой абсолютной погрешности СИ может быть задан по формуле Δ = ±α, где Δ - пределы допускаемой абсолютной погрешности, выраженной в единицах измеряемой величины, α - положительное число.

Пределы допускаемой относительной основной погрешности устанавливают по формуле: δ = Δ/x = ±q, где (δ - пределы допускаемой относительной погрешности в долях единицы, Δ -предел допускаемой абсолютной погрешности, x - номинальное значение меры или показание прибора, q - отвлеченное поло­жительное число); или в процентах: δ=(Δ/x)•100%.

Число q, выбирается из ряда чисел, определяющих преде­лы допускаемых погрешностей и применяемых для обозначения классов точности: 1; 1,5; 2; 2,5; 3; 4; 5 и 6x10ⁿ, где n- +1,0,-1,-2 и т.д. Это позволяет упорядочить требования к СИ по точности и ограничить их номенклатуру. Числа указанно­го ряда используются в условных обозначениях классов точнос­ти, применяемых в документации на СИ, а также обозначениях, наносимых на них, В частности, знак <0,5> , нанесенный на ци­ферблате, щитке, корпусе СИ означает, что предел допускае­мой относительной основной погрешности δ данного средства измерения составляет δ = 0,5%, а класс точности СИ - 0,5.

Пределы всех дополнительных погрешностей и другие свой­ства средств измерений, влияющие на точность результатов из­мерений также связаны с их классом точности. Эта связь рас­крывается в соответствующих стандартах.

Нормирование метрологических характеристик необходимо для придания всей совокупности однотипных СИ требуемых оди­наковых свойств, обеспечения возможности оценки инструментальных погрешностей и сравнения СИ по точности, обеспечения возможности оценки погрешности измерительных систем по погрешностям отдельных СИ.

Погрешности, присущие конкретным экземплярам СИ, уста­навливаются только для образцовых СИ при их аттестации. Мет­рологические характеристики конкретного экземпляра рабочего средства измерения не должны выходить за пределы установлен­ной нормы.

Рассмотрим, как нормируются погрешности средств измере­ний - одна из самых важных метрологических характеристик.

2. ОСНОВЫ ТЕОРИИ ПОГРЕШНОСТЕЙ И ОБРАБОТКИ РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ

2.1. Классификация погрешностей

Погрешности измерений классифицируют по ряду признаков: форме выражения, причинам возникновения, характеру проявле­ния и др.

1.Классификация погрешностей по форме выражения. По форме выражения погрешности разделяют на абсолютные и отно­сительные. Погрешность, выраженная в единицах измеряемой ве­личины, называется абсолютной. Например, Δl = 0,01 см. Δt = 0,2 с. Абсолютная погрешность прибора - разность меж­ду показаниями прибора и истинным (действительным) значени­ем физичесной величины. Абсолютная погрешность характеризу­ет качество измерений только однородных величин примерно одинакового размера.

Относительной погрешностью прибора называют отношение абсолютной погрешности прибора к истинному (действительному) значению измеряемой величины:δ=Δx/x_ист≈Δx/x_д в долях едини­цы или в процентах: δ≈(Δх/x_д)•100%. Относительная погрешность может характеризовать качество измерений как разнородных ве­личин, так и однородных величин разного размера.

2. Классификация погрешностей по причине возникновения. Каждый из элементов процесса измерения может быть причиной, источником погрешности. По причинам возникновения погрешнос­ти разделяют на две группы: объективные погрешности, не свя­занные с человеком-оператором, производящим измерения, и субъективные (личные), обусловленные экспериментатором, сос­тоянием его органов чувств, опытом и т.д. В свою очередь, объективные погрешности разделяются на погрешности методи­ческие, инструментальные погрешности и погрешности, обуслов­ленные внешними условиями.

Погрешности метода обусловлены несовершенством метода измерений, упрощающими предположениями, принятыми при обо­сновании метода. К этим погрешностям относятся составляющие погрешности, вызываемые влиянием средства измерения на изме­ряемую цепь. Например, погрешность, обусловленная шунтирую­щим действием сопротивления вольтметра, - при измерении па­дения напряжения на резисторе, имеющем большое сопротивление; при взвешивании - погрешность, обусловленная действием силы Архимеда и т.д.

Инструментальные погрешности - погрешности из-за несо­вершенства средств измерения, их схемы, конструкции, состо­яния в процессе эксплуатации. Каждое средство измерения ха­рактеризуется свойственной ему погрешностью, которая входит в общую погрешность измерения.

3.Классификация погрешностей измерений по закономер­ности проявления. По закономерностям проявления различают систематические, случайные, грубые погрешности измерений и промахи.

Систематической составляющей погрешности измерения Δ_с называется составляющая абсолютной погрешности, остающаяся постоянной или закономерно изменяющаяся при повторных изме­рениях одной и той же физической величины. Эта составляющая погрешности обусловлена факторами, которые в процессе изме­рения остаются постоянными или изменяются по определенному закону. В зависимости от причины возникновения систематичес­кая составляющая погрешности измерения может включать;

1) погрешность метода измерения, обусловленную несовершен­ством метода измерений; к погрешностям этого вида относятся также погрешности, обусловленные влиянием измерительных при­боров на измеряемые параметры сигналов и характеристики аппа­ратуры;

2) инструментальную погрешность, которая зависит от по­грешностей применяемых СИ;

3) погрешность, обусловленную неправильной установкой и взаимным расположением СИ при их комплексном использовании, несогласованностью их характеристик, влиянием внешних элек­тромагнитных, радиационных и других полей, нестабильностью источников питания, а также неправильными манипуляциями опе­раторов;

4) личную погрешность, связанную с индивидуальными осо­бенностями наблюдателя; известно, что два наблюдателя, про­изводя одинаковые измерения, могут получить разные результа­ты.

Систематическая составляющая погрешности может быть постоянной и переменной. К постоянной систематическим по­грешностям относят погрешность градуировки шкалы, погреш­ность значения меры, неправильную установку начала отсчета. К переменным систематическим погрешностям относят погрешности, обусловленные изменением напряжения питания, погрешнос­ти, связанные с действием электромагнитных помех, влиянием отражений и т, д.

Характерной особенностью систематической погрешности является принципиальная возможность ее определения и после­дующего учета в виде поправки к результату измерения. Поправ­ка Δ_п - значение величины, одноименной с измеряемой, прибав­ляемое к полученному при измерении значения величины для исключения систематической погрешности, т. е. Δ_п = -Δ_с. Иногда вместо поправки используется поправочный множитель δ_п - чис­ло, на которое умножают полученное при измерении значение, чтобы исключить систематическую погрешность. Поправка и по­правочный множитель определяются либо путем индивидуальной градуировки СИ, либо путем учета функции влияния величин, имеющих известные или контролируемые при измерении значения.

Исключение систематических погрешностей - одна из глав­ных задач при планировании, подготовке, проведении измерений и обработке их результатов. Ее решение требует глубокого по­нимания принципа работы СИ, особенностей схемы и конструкции. Однако разработаны и общие способы учета и исключения систе­матических погрешностей, которые описаны в разделе 2.2.

Случайной составляющей погрешности измерения назы­вается составляющая абсолютной погрешности, изменяющаяся случайным образом, без видимой закономерности, при повтор­ных измерениях в одних и тех же условиях. Случайные погреш­ности являются следствием случайных процессов, протекающих в измерительных цепях. Наличие случайной погрешности СИ обусловлено, как правило, действием большого числа случай­ных причин и обнаруживается при проведении повторных изме­рений неизменной величины в виде случайных отклонений отдельных наблюдений от некоторого среднего значения. Значе­ние случайной погрешности отдельного измерения в отличие от систематической не может быть заранее определено и учтено в виде поправки к результату измерений. Единственным путем снижения влияния случайной погрешности СИ на результат из­мерения является проведение многократных наблюдений и их статистическая обработка. Для оценки погрешностей и разра­ботки способов уменьшения их влияния на результат измерения используют аппарат теории вероятностей и математической статистики (см. раздел 2. 3.).

От систематической и случайной составляющих погрешнос­ти нужно отличать так называемую грубую погрешность измере­ния, которая существенно превышает ожидаемую погрешность при данных условиях измерения, свойствах применяемых сред­ств измерения, квалификации экспериментатора. Грубые погреш­ности могут появляться вследствие резкого и кратковременного изменения, влияющей на результат измерения величины, например, сбоя аппаратуры, кратковременного изменения напряжения в сети пи­тания. Грубые погрешности обнаруживают статистическими мето­дами и исключают из рассмотрения.

Промахи - являются следствием неправильных действий экспериментатора. Это может быть описка при записи результа­тов, неправильно снятые показания прибора и т.д. Промахи об­наруживаются нестатистическими методами, их следует всегда исключать из рассмотрения.