Общая характеристика стандартизации

Пороговая чувствительность определяется в единицах измеряемой величины. На шкале прибора на начальном и конечном участках ставятся точки. Измерения фиксируют в интервалах между точками

На интервале от 0 до точки, показания прибора не соответствуют классу точности.

Пороговую чувствительность можно определить и в средней части шкалы за счет разности x1-x2  при единице приращения, то есть на одно деление.

Между собой эти характеристики взаимосвязаны: чувствительность зависит от точности а характеристика (постоянство),в свою очередь также связана с точностью.. 

Стандартизированные средства измерения имеют определенный набор, перечень таких характеристик,  Этот комплекс определен в ГОСТ 8.009-85. Согласно этого ГОСТа можно рассчитать параметры точности для любого средства измерения, в том числе и нестандартного .Согласно этого ГОСТа погрешность отклонения измеряемой величины от истинного значения определяется по модели

М=М1 М2

М1 - погрешность собственного средства измерения

М2 - Погрешность взаимовлияния

- объединение 

Составляющая М2 определяет ту погрешность, которая появляется в результате внесения влияния самими средствами измерения, например, при подключении вольтметра к нагрузке суммарного сопротивления

 

 

 

         RN          V              ZН

 

 

 

 

 

RН ZН Это значение М2 стремится уменьшиться

Например увеличение собственного сопротивления прибора.

Как правило, учесть влияние средства измерения на погрешность достаточно сложно. Методически разрабатывают средства измерений с тем, чтобы они как можно меньше влияли на измеряемую величину. ГОСТ 8.009-75 допускает исключение составляющей М2 из общей модели. Составляющая М1 включает 5 членов

М1= С СЛ Н ДИН СI

С - системные составляющие основной погрешности

СЛ - случайные составляющие основной погрешности

Н - гистерезисная погрешность

Учет физических процессов происходит в измерительных цепях. Учет запаздывания, отставания прим изменении характера.

ДИН - погрешность, скоростью измеряемой величины, при быстром изменении исследуемого сигнала фиксация результата происходит с запаздыванием.

       

 

        V(t) 

 

 

ДИН

 

 

 

    t       t

 

 

 

 

 

 

 

Динамическая составляющая тем больше, чем выше скорость изменения процесса, поэтому при измерении постоянных величин динамическая составляющая принимает значение равное нулю, а при высокочастотных сигналах, например, анализе переходного процесса линии после отключения обязательно следует учитывать ДИН.

- объединяют, учитывают те различные  причины, что приводят к отклонению  дополнительно измеряемой величины  от реальной.

Причем именно поэтому их пытаются объединить через сумму, назвав суммарной дополнительной случайной погрешностью измерений.

1. В этой сумме могут быть составляющие от влияния внешних

электромагнитных полей.

1. Влияние нестабильности источника питания приборов.
2. Влияние механических воздействий на работу прибора.
3. Влияние электромагнитного поля измеряемой схемы на показания

прибора.

Взяв за основу модель, на первом этапе анализируют относительные величины всех 5 - и составляющих.

Цель анализа - исключить малые значения и тем самым упростить расчет.

Величины считают малыми, если они различаются на 2 порядка, меньшую мы можем упустить. Таким образом зачастую третий и четвертый члены опускаются.

Несомненно определяющими являются основная системная и основная случайная погрешности;

Если они имеют один порядок, то обе учитываются при соотношении

1. Возможно не учитывать основную случайную составляющие.

Мы должны перед принятием решения проанализировать (просмотреть) требуемую надежность измерения, которую называют доверительной вероятностью.

Если Р 1, то отбрасывать случайную погрешность как основную нельзя. Если Р 0,67, то прав. По 1.

Доверительная вероятность учитывает возможность последствий от результатов измерений.

Пример: Для обнаружения летящего самолета вероятность 0,999, т.е. из 1000 как бы разрешается пропустить только 1 цепь, хотя и это много.

Или по превышении U в сети на коротком интервале могут быть выведены приборы защиты, поэтому при анализе вероятности превышения, следует учитывать возможные последствия и определять вероятность с учетом этих последствий.

В измерительной технике при проведении обычных измерений доверительная вероятность Р считается стандартной величиной 0,95

При Р=0,95 5 значений из 100 опытов не попадут в рассчитанный доверительный интервал, отклонение 5 опытов будет больше, чем характеристика средства измерений. Согласно ГОСТ 8.009-85 для любого средства измерения можно измерить до опыта, а при нем и при необходимости выбрать другое средство измерений более или менее точное.

 

        МЕТОДЫ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ПОГРЕШНОСТЕЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ

 

   Для оценки величины погрешности  выходного сигнала измерительных  систем используют аналитические, экспериментальные методы иимитационное  моделирование. Каждый из этих  подходов оптимален вконкретных  условиях, выбор метода зависит от возможностей и опы-

та исследователей.   Задача аналитических методов определения инструментальной погрешности измерительных систем состоит в определении основныхсоставляющих общей погрешности : основной, дополнительной , динамической и погрешности взаимодействия. Расчетные методы опре-деления инструментальных составляющих погрешности основаны напостулатах теории измерения, использующих эталонную модель из-мерительной системы, не имеющую погрешностей.

   Основная погрешность измерения измерительной системы появля-ется вследствие отличия ее реальной статической характеристики преобразования от идеальной при нормальных условиях эксплуатации. Для линейной системы с аддитивной и мультипликативной со-

ставляющими погрешностей реальное преобразование измерительно-го сигнала можно представить как                    y= kx + d,

   где: k - коэффициент преобразования  системы,

        d - аддитивная  погрешность.

   Выходной сигнал идеальной  системы представим в виде                     yи = kи x,

тогда погрешность измерительной системы                     D = ( k - kи)x + d.

    Систематическая составляющая  погрешности и дисперсия случайной  составляющей вычисляются  как  среднее значение разности коэффициентов  преобразования с учетом смещения на величинуаддитивной погрешности. Для вычисления погрешности, таким обра-зом, необходимо знание либо статистических характеристик коэф-фициентов преобразования, либо предельных отклонений их от но-минальных значений.

   Дополнительные погрешности  вычисляются исходя из нормируемых

метрологических характеристик измерительной системы или ее от-дельных составляющих:

   - номинальной функции влияния  на систематическую погрешность  влияющего фактора;

   - номинальной функции влияния  на среднее квадратическое отклонение случайной составляющей погрешности j - того влияющегофактора;

   - номинальной функции влияния  на вариацию показаний системы

j - того влияющего фактора.

   Эти характеристики могут  быть заданы как параметры  конкретного блока системы или  как  параметры типовой системы.

   Необходимы также сведения  о влияющем факторе в виде  закона его распределения или  непосредственного значения.  На  практике часто используют его  математическое ожидание и среднеквадратическое  отклонение. Метод расчета погрешности  также зависит от

принятой модели погрешности системы.  

   Исходными сведениями, необходимыми  для расчета динамической погрешности, являются нормируемые динамические  характеристики системы. На практике  для нормирования динамических  характеристик расчитывают передаточную функцию. Расчет динамической погрешности по передаточной функции позволяет использовать для упрощения решения задачи таблицы прямого и обратного преобразования Лапласа.

   Погрешность взаимодействия  появляется вследствие обмена энергией между измерительной системой и об`ектом измерения или между соединенными между собой измерительными системами. Как правило, исходными данными для расчета погрешности служат нормируемые входное и выходное полные сопротивления.

   Экспериментальные методы  определения инструментальных составляющих погрешности необходимы при контроле и аттестации средств измерений.  При определении инструментальной погрешности измерений предполагается, что оценена методическая сос-

тавляющая общей погрешности измерений, или эксперимент по определению инструментальной погрешности планируется так, что методическая погрешность мала и ею можно пренебречь. При контроле метрологических характеристик погрешность образцового средства измерения должна выбираться такой, чтобы обеспечить вероятность необнаруженного брака не выше заданного при заданном

значении относительной погрешности. Величина вероятности выбирается из ряда 0,005; 0,025; 0,050. Погрешность образцового средства измерения при этом расчитывают в соответствии с рекомендациями ГОСТ 8.508 - 84. Там же имеются указания по выбору

методики оценки ориентировочной и точной метрологических характеристик. Последовательность и состав необходимых операций для определения характеристик определены ГОСТ 22261-82. В этом же документе приводится и методика определения дополнительных погрешностей.

   Аналитическая оценка характеристик  погрешностей при применении  сложных алгоритмов измерений  оказывается невозможной. Не всегда при этом можно обратиться и к метрологическому эксперименту, например, на этапе проектирования. В таких случаях поль-

зуются имитационным моделированием. Основы использования имитационного моделирования для установления значений характеристик погрешностей вытекают из структуры измерительной процедуры и способов определения погрешностей и их характеристик. 

   Под имитационным моделированием понимают "метод математического моделирования, при котором используют прямую подстановку чисел, имитирующих внешние воздействия, параметры и переменные  процессов, в математические модели процессов и аппаратуры". Ме-     тод предусматривает воспроизведение измерительной процедуры в      числовой форме с помощью ЭВМ. В состав программного обеспечения     процедуры имитационного моделирования входят процедуры воспро-     изведения входных воздействий, управляющих и аналоговых измери-     тельных преобразований, процессорных измерительных преобразова-     ний и обработки результатов моделирования. Воспроизведя некото-     рую измерительную процедуру, можно получить с помощью одного      имитационного эксперимента соответствующий результат измерения.     В детерминированной модели измерительной процедуры, когда все     входящие в нее преобразования не меняются и входное воздействие     постоянно, результаты последовательности имитационных экспери-     ментов будут одинаковы. В общем случае для последовательности     имитационных экспериментов варьируются как характеристики из-     мерительных преобразований, так и значения входных воздействий.     При этом можно учесть весь об`ем априорной информации о свойст-     вах об`екта измерения, условиях измерения, возможных изменениях     управляющих воздействий и характеристик аппаратуры.        Однократное воспроизведение измерительной процедуры позволя-     ет установить одно возможное значение погрешности для каждой из     определяемых компонент. Для оценки значений характеристик по-     грешностей результатов измерений необходимо сформировать выбор-     ку возможных значений погрешностей, т.е. осуществить многократ-     ное воспроизведение машинного эксперимента. Наличие массива     значений погрешностей позволяет провести оценку математическо-     го ожидания и среднего квадратического отклонения погрешности,      определить доверительный интервал для фиксированной доверитель-     ной вероятности.        Возможен также комбинированный метод, когда используется      часть реальной измерительной цепи, а функционирование других      блоков воспроизводится с помощью имитационного моделирования.     Обычно для этого берутся реальные измерительные блоки и имити-     руется работа процессорной части. Этим обеспечивается высокая     достоверность получаемых результатов в сочетании с возможностью     исследования принятого программного обеспечения.         В целом имитационное моделирование открывает широкие воз-     можности по определению характеристик погрешностей результатов     измерения, получаемых с помощью сложных измерительных процедур,     когда неприменимы методы расчетов на аналитической основе. Ме-     тоды имитационного моделирования непрерывно совершенствуются,      что находит отражение в создании специализированных систем ими-     тационного моделирования.

 

                    НОРМИРУЕМЫЕ МЕТРОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ

            Установление границ для отклонений реальных метрологических      свойств средств измерений от их номинальных значений - нормиро-     вание метрологических свойств - предопределяет качество средств      измерений. Отсутствие сведений о метрологических характеристиках     или недостаточно достоверные их оценки полностью или частично      обесценивают получаемую в результате измерений информацию о      свойствах об`ектов или процессов. Некорректная оценка погрешнос-     тей измерений может привести к большим экономическим потерям или     сложным технологическим последствиям. Заниженная оценка погреш-     ностей измерения ведет к увеличению брака продукции, неправиль-     ному расходованию материальных ресурсов, увеличивает вероят-     ность аварии. Завышение оценки погрешности измерения всегда со-     пряжено с дополнительными экономическими затратами. Поэтому в      основу методологии выбора системы нормирования метрологических     характеристик заложено стремление максимально приблизить оценку     погрешности измерения к ее действительному значению, но так,     чтобы она оставалась "оценкой сверху". На практике выяснено,     что ущерб от применения средств с заниженными метрологическими     характеристиками значительно превышает обратный подход. На се-     годня нормирование в своей основе является волевым актом, т.е.     регламентируется нормативными документами.        В соответствии с существующими методами описания метрологи-     ческих характеристик средств измерений используют одну их двух     моделей погрешностей средств измерения:        модель 1

,  Dм1 = Dос * Dо * Dон * Dдоп * Dдин ;   

модель 2,

Dм2 = D`о  * D доп * Dдин .      

 В формулы входят  пять составляющих:   

    - Dос - систематическая  составляющая основной погрешности;      

- Dо - случайная составляющая  основной погрешности;   

     - Dон - случайная  погрешность, обусловленная гистерезисом;   

    - Dдоп - сумма  всех дополнительных погрешностей  от влияния     различных внешних случайных факторов (электромагнитные поля,     вибрация, нестабильность питающих напряжений и т.д.);       

- Dдин - динамическая погрешность средства измерения.   

    Во второй  модели основная погрешность  средства измерения не     делится на составляющие, поэтому она применима, когда случай-     ная составляющая погрешности может считаться несущественной.     Основная погрешность для модели 2 определяется из соотношения:   

    D`о = Dос + Dон.     

  Если Dдоп и Dдин малы, то модель 2 может применяться  и при      наличии существенной случайной составляющей основной погрешнос-     ти. При выборе типа модели погрешности средства измерения сле-     дует учитывать полную совокупность факторов, определяющих тя-     жесть последствий в случае, если действительная погрешность     будет превышать значение, расчитанное по нормируемым метрологи-     ческим характеристикам при использовании выбранной модели.     Для применения при наиболее ответственных решениях, когда с ве-     роятностью единица нельзя допустить, чтобы хотя бы иногда по-     грешность измерения превышала рассчитанное значение, случайная     составляющая основной погрешности должна быть пренебрежимо ма-     ла. Для аналоговых средств измерения она считается малой, если     одновременно не выполняются неравенства