Метрологические характеристики

 

Согласно ГОСТ 8.009-84, метрологическими характеристиками называются технические характеристики, описывающие эти свойства и оказывающие влияние на результаты и на погрешности измерений, предназначенные для оценки технического уровня и качества средства измерений, для определения результатов измерений и расчетной оценки характеристик инструментальной составляющей погрешности измерений. Комплекс нормируемых метрологических характеристик устанавливается таким образом, чтобы с их помощью можно было оценить погрешность измерений, осуществляемых в известных рабочих условиях эксплуатации.

 

1. Общие статические характеристики, предназначенные для определения результатов измерений:

1) Функция преобразования (иначе называемая градуировочной характеристикой). Она устанавливает зависимость информативного параметра у выходного сигнала измерительного преобразователя от информативного параметра х входного сигнала. Статическая характеристика нормируется путем задания в форме уравнения, графика или таблицы. Понятие статической характеристики применимо и к измерительным приборам, если под независимой переменной х понимать значение измеряемой величины или информативного параметра входного сигнала, а под зависимой величиной – показание прибора. Если статическая характеристика преобразования линейна, т.е. , то коэффициент К называется чувствительностью измерительного прибора (преобразователя). В противном случае под чувствительностью следует понимать производную от статической характеристики.

 

2) Диапазон измерений – это область значений величины, в пределах которой нормированы допускаемые пределы погрешности (задана точность измерения), на которую рассчитан прибор при его нормальном функционировании. Диапазон измерений нельзя путать с диапазоном показаний средства измерений. Значения величины, ограничивающие диапазон измерений снизу и сверху (слева и справа), называют соответственно нижним пределом измерений или верхним пределом измерений.

 

3) Чувствительность средства измерений (англ. sensitivity) – свойство средства измерений, определяемое отношением изменения выходного сигнала этого средства к вызывающему его изменению измеряемой величины. Различают абсолютную и относительную чувствительность. Абсолютную чувствительность определяют по формуле S = Dl/Dx, относительную чувствительность - по формуле S₀ = Dl/(Dx/c), где Dl - изменение сигнала на выходе, x - измеряемая величина, Dx - изменение измеряемой величины. Чувствительность связывает значение измеряемого параметра с соответствующим ему изменением показаний прибора.

 

4) Порог чувствительности –минимальное значение измеряемой величины, которое прибор может различить. Это наименьшее значение физической величины, начиная с которого может осуществляться ее измерение данным средством. На практике применяются также термины: реагирование и порог реагирования, подвижность средства измерений и порог подвижности, срабатывание и порог срабатывания. Введение этого параметра вызвано тем, что не всякое малое изменение измеряемой величины вызывает изменение результата измерения, а только лишь большее некоторой пороговой величины. Порог чувствительности равен абсолютной погрешности средства измерений, т. е. ∆ПОР = ∆X. Например, если самое незначительное изменение напряжения, которое вызывает перемещение стрелки вольтметра, составляет 10 мВ, то порог чувствительности вольтметра равен 10 мВ.

 

5) Разрешение средства измерений – характеристика средства измерений, выражаемая наименьшим интервалом времени между отдельными импульсами или наименьшим расстоянием между объектами, которые фиксируются прибором раздельно. Исходя из указанного определения, различают временное разрешение и пространственное разрешение.

 

6) Потребляемая мощность – мощность, которая потребляется от объекта измерения. Для приведения в действие первичного измерительного преобразователя необходима энергия, которая потребляется от объекта измерения. Естественно, эта энергия должна быть небольшой, чтобы измерительный прибор не вносил заметного искажения в измеряемый процесс. Поскольку мощность, потребляемая входной цепью прибора, конечна, ее значение является важным показателем средства измерения. У средств измерений электрических величин потребляемая мощность определяется входным сопротивлением прибора. Для приборов, реагирующих на напряжение (включаемых параллельно участку цепи), входное сопротивление должно быть большим, тогда входная мощность Р = U2/R будет невелика. У приборов, чувствительных к току (включаемых последовательно в электрическую цепь), входное сопротивление, наоборот, должно быть минимальным (по крайней мере, намного меньшим, чем сопротивление участка цепи). Понятие входного сопротивления применяется не только к измерению электрических величин, но и к измерению механических, тепловых и другого рода величин. В связи с этим нашло применение более общее понятие: обобщенное входное сопротивление, определяемое как отношение обобщенной силы к обобщенной скорости. Например, под механическим сопротивлением понимают отношение силы к вызванной ею скорости равномерного движения. Выходное сопротивление измерительного преобразователя характеризует реакцию его выходного сигнала на подключение к его выходу фиксированной нагрузки. Чем меньше выходное сопротивление предшествующего преобразователя по отношению к входному сопротивлению следующего преобразователя, тем меньше потребляемая последующим преобразователем мощность и тем меньше взаимная зависимость характеристик преобразователей.

 

7) Зона нечувствительности средства измерений (англ. dead band) – диапазон значений измеряемой величины, в пределах которого ее изменения не вызывают выходного сигнала средства измерений. Она наблюдается вблизи некоторых радионавигационных систем или измерительных установок. Например, зона нечувствительности у судовой радиолокационной установки, зависящая от размеров судна и высоты антенны радиолокационной установки над судовыми надстройками.

 

 

2. Характеристики погрешностей средств измерений:

Класс точности — основная метрологическая характеристика прибора, определяющая допустимые значения основных и дополнительных погрешностей, влияющих на точность измерения.

Впервые "класс точности" был введен в тридцатые годы применительно к стрелочным приборам и определял основную погрешность средств измерений (погрешность средств измерений в нормальных условиях). Эта характеристика была удобной и для приборостроителей, т.к. позволила четко стандартизировать измерительные приборы в виде регламентированных рядов классов точности.

Погрешность может нормироваться, в частности, по отношению к:

· результату измерения (по относительной погрешности). В этом случае, по ГОСТ 8.401-80, цифровое обозначение класса точности (в процентах) заключается в кружок.

· длине (верхнему пределу) шкалы прибора (по приведенной погрешности)

Для стрелочных приборов принято указывать класс точности, записываемый в виде числа, например, 0,05 или 1,0. Это число дает максимально возможную погрешность прибора, выраженную в процентах от наибольшего значения величины, измеряемой в данном диапазоне работы прибора.

Так, для вольтметра, работающего в диапазоне измерений 0 — 30 В, класс точности 1,0 определяет, что указанная погрешность при положении стрелки в любом месте шкалы не превышает 0,3 В. Относительная погрешность результата, полученного с помощью указанного вольтметра, зависит от значения измеряемого напряжения, становясь недопустимо высокой для малых напряжений. При измерении напряжения 0,5 В погрешность составит 60 %. Как следствие, такой прибор не годится для исследования процессов, в которых напряжение меняется на 0,1 — 0,5 В.

Обычно цена наименьшего деления шкалы стрелочного прибора согласована с погрешностью самого прибора. Если класс точности используемого прибора неизвестен, за погрешность s прибора всегда принимают половину цены его наименьшего деления.

 

Обозначения класса точности могут иметь разный вид:

- заглавные буквы латинского алфавита, класс точности определяется пределами абсолютной погрешности.

- римские цифры, класс точности определяется пределами относительной погрешности.

- арабские цифры без условных знаков, класс точности определяется пределами приведённой погрешности и в качестве нормирующего значения используется наибольший по модулю из пределов измерений

- арабские цифры с добавлением условных знаков. Если класс точности обозначается арабскими цифрами с галочкой, то класс точности определяется пределами приведённой погрешности, но в качестве нормирующего значения используется длина шкалы.

 

Аппараты с классом точности 0,5 (0,2) начинают работать в классе от 5 % загрузки. а 0,5s (0,2s) с 1 % загрузки

 

2) Характеристики чувствительности средств измерений к влияющим величинам. В частности, изменения внешних условий (температура окружающей среды, механические нагрузки на средства измерений и т.д.), а также характер изменения измеряемых величин во времени.

 

3) Динамические погрешности средств измерений (переходная характеристика, АЧХ, АФХ и т.д.)

 

 

3. Характеристики показаний прибора

o Цена деления шкалы прибора;

o Вид выходного кода для цифровых средств измерений;

o Показание средства измерений (англ. indication of a measuring instrument) – значение величины или число на показывающем устройстве средства измерений. Вариация показаний измерительного прибора – разность показаний прибора в одной и той же точке диапазона измерений при плавном подходе к этой точке со стороны меньших и больших значений измеряемой величины.В высокочувствительных (особенно в электронных) измерительных приборах вариация приобретает иной смысл и может быть раскрыта как колебание его показаний около среднего значения (показание «дышит»).

o Диапазон показаний средства измерений (англ. scale range) – область значений шкалы прибора, ограниченная начальным и конечным значениями шкалы.

o Смещение нуля – показание средства измерений, отличное от нуля, при входном сигнале, равном нулю. Примечание. Различают смещение механического нуля, наблюдаемое как отклонение указателя от нуля шкалы приборов с механическими указателями, и смещение электрического нуля, наблюдаемое как существование выходного сигнала при нулевом входном сигнале приборов.

 

4. Динамические характеристики прибора описывают его инерционные свойства и определяют зависимость выходного сигнала ИП от меняющихся во времени величин: входного сигнала, нагрузки, влияющих величин.

Для описания поведения большинства средств измерений в динамическом режиме работы с достаточной степенью приближения можно использовать линейное дифференциальное уравнение с постоянными коэффициентами:

где a и b – постоянные коэффициенты; Y и Х – мгновенные значения информативного параметра изменения выходной и измеряемой вели-чин.

 

Для измерительных приборов обычно указывается время установления показания: промежуток времени с момента начала измерения до момента установления показаний (т. е. когда переходный процесс закончился). Величина, обратная времени измерения, получила название быстродействия средства измерения. Быстродействие выражается числом, равным максимальному числу измерений, сделанных с помощью данного прибора, в секунду.

Высокое быстродействие дает возможность измерять мгновенные значения быстроменяющихся величин, а также дает возможность повышать точность измерений введением дополнительных вычислительных устройств для обработки большого числа единичных измерений.

Стабильность— способность прибора поддерживать заданную точность измерения в течение определенного времени после калибровки.

 

 

5. Характеристики влияния внешних величин

При использовании средств измерений в реальных условиях необходимо учитывать характеристики среды, в которой это средство измерений находится при эксплуатации. Изменение внешних условий приводит к изменению метрологических характеристик СИ, например, к увеличению погрешности измерения. Величины, которые влияют на метрологические характеристики, помимо измеряемой величины, называют влияющими величинами. Влияющими величинами могут быть:

- температура,

- влажность,

- атмосферное давление,

- напряжение источника питания,

- напряженность внешних магнитных и электрических полей,

- вибрации и ускорения,

- и т. д.

Кроме того, влияющими величинами считаются те параметры входного сигнала, изменения которых не несут информации об измеряемой величине, но влияют на результаты измерений. Например, показания электронного вольтметра зависят не только от величины переменного напряжения, но и его частоты.

Различают нормальные условия применения средств измерений и рабочие условия применения.

При работе средства измерений в нормальных условиях воздействием влияющих величин на результаты измерений можно пренебречь. Нормальные условия эксплуатации зависят от назначения СИ и его метрологических характеристик. Для основной массы приборов, используемых в промышленности, нормальными условиями эксплуатации считаются: температура окружающего воздуха (20 ± 5) С; относительная влажность 30–80 %; атмосферное давление 630–795 мм рт. ст.

Обычно средства измерений продолжают нормально выполнять функции в более широкой области значений влияющих величин. В этом случае для средств измерений указываются рабочие условия эксплуатации. Метрологические характеристики средств измерений в рабочих условиях могут существенно изменяться под воздействием влияющих величин.

Дрейф показаний средства измерений (англ. drift) – изменение показаний средства измерений во времени, обусловленное изменением влияющих величин или других факторов. Пример. Ход хронометра, определяемый как разность поправок к его показаниям, вычисленных в разное время. Обычно ход хронометра определяют за сутки (суточный ход).