Метрологические основы поверки и калибровки средств измерений

Ампитудно - фазовая характеристика – это построенная в полярной системе координат зависимость амплитуды и сдвига фаз между выходным и входным сигналом от частоты.

Амплитудно-частотная характеристика – это зависимость амплитуды от частоты входного сигнала.

Фазо - частотная характеристика – зависимость угла сдвига фаз между выходным и входным сигналами от частоты.

Обычно для каждого средства измерений динамические характеристики регламентируют заданием номинальных характеристик. Максимальное отклонение реальных динамических характеристик от номинальных рассматривают как динамическую погрешность.

Как правило, средство измерений можно считать линейным динамическим объектом, для которого справедлив принцип суперпозиции. Погрешность такого средства измерений можно представить в виде суммы статической и динамической составляющих.

Примерами метрологических характеристик, относящихся к пятой группе, являются: входной и выходной импеданс у электрических величин, коэффициент отражения от входа и выхода в высокочастотных линиях. Чем интенсивнее взаимодействие средства измерений с объектами и устройствами, соединенными с входом и выходом СИ, тем значительнее следствия такого взаимодействия.

Для метрологических характеристик устанавливаются нормы (предельно допустимые значения, при которых возможно выполнение достоверных измерений), поэтому метрологические характеристики называют нормируемыми.

Сведения о рабочих условиях содержатся в технических условиях (техническом описании на прибор) и указывают возможность отклонения условий проведения измерений от нормальных при сохранении метрологических характеристик в установленных пределах. Для унификации применяемых видов измерительной техники рабочие условия измерений (параметры внешней среды) нормируются соответствующими государственными стандартами. К таким параметрам относятся: температура, давление, влажность, механические нагрузки при транспортировании, пределы изменения напряжения и частоты источника питания, напряженность магнитного (электрического) поля, под воздействием которого находится средство измерений.

Помимо точностных характеристик, средства измерений характеризуются диапазоном измерений, допустимыми условиями применения, чувствительностью, быстродействием, стабильностью, помехозащищённостью, надёжностью и др.

Диапазон измерений – область значений измеряемой величины, для которой нормированы допускаемые пределы погрешности СИ (для преобразователей — это диапазон преобразования).

Предел измерения – наибольшее или наименьшее значение диапазона измерения. Для мер — это номинальное значение воспроизводимой величины.

Например, у шкалы на рис. 1 начальный участок сжат, потому производить отсчеты на нем неудобно. Тогда предел измерения по шкале составляет 50 ед., а диапазон — 10...50 ед.

 

Рисунок 2.1 – Неравномерная шкала СИ

 

Цена деления шкалы – разность значений величин, соответствующих двум соседним отметкам шкалы. Приборы с равномерной шкалой имеют постоянную цену деления, а с неравномерной – переменную. В этом случае нормируется минимальная цена деления.

Различают равномерные (рис. 2, а, б, в, г) и неравномерные шкалы. Последние делятся на существенно неравномерные и степенные.

 

Рисунок 2..2 – Виды шкал СИ.

 

Под существенно неравномерной шкалой понимают шкалу с сужающимися делениями, на которой отметка, соответствующая полусумме начального и конечного значения рабочей части шкалы, расположена между 65 и 100% длины этой рабочей части (рис. 2 ,д).

Под степенной шкалой понимают шкалу с расширяющимися или сужающимися делениями, но не попадающими под определение существенно неравномерных (рис. 2,е).

Чувствительность средств измерений представляет собой способность реагировать на изменения входного сигнала и оценивается отношением изменения выходного сигнала к вызвавшему его изменению входного си гнала.

 

, (10)

 

Чувствительность – величина обратная цене деления С шкалы прибора. Для аналоговых средств измерения чувствительность показывает, на сколько делений шкалы отклоняется стрелка прибора при измерении единицы физической величины.

 

, (11)

 

Порог чувствительности – минимальное изменение входного сигнала СИ, вызвавшее изменение выходного сигнала.

Быстродействие характеризуется интервалом времени, необходимым для производства единичного измерения.

Стабильность отражает постоянство во времени метрологических характеристик. Часто эта характеристика представляется обратной величиной – нестабильностью показателей во времени.

Помехозащищенностью называется способность прибора сохранять в процессе измерений свои характеристики при наличии внешних помех.

Надежность представляет свойство средства измерений функционировать при сохранении метрологических и других характеристик в заданных пределах и режимах работы.

За показатели безотказности принимают среднюю наработку на отказ (среднее значение наработки средства измерений между отказами) и вероятность безотказной работы за заданный промежуток времени.

 

2.2 Нормирование метрологических характеристик

 

Под нормированием понимается установление границ на допустимые отклонения реальных метрологических характеристик средств измерений от их номинальных значений. Только посредством нормирования метрологических характеристик можно добиться их взаимозаменяемости и обеспечить единство измерений в государстве. Реальные значения метрологических характеристик определяют при изготовлении средств измерений и затем проверяют периодически во время эксплуатации. Если при этом хотя бы одна из метрологических характеристик выходит за установленные границы, то такое средство измерений либо подвергают регулировке, либо изымают из обращения.

Нормы на значения метрологических характеристик устанавливаются стандартами на отдельные виды средств измерения. При этом делается различие между нормальными и рабочими условиями применения средств измерения.

Нормальными считаются такие условия применения средств измерений, при которых влияющие на процесс измерения величины (температура, влажность, частота, напряжение питания, внешние магнитные поля и т.д.), а также неинформативные параметры входных и выходных сигналов находятся в нормальной для данных средств измерений области значений, т.е. в такой области, где их влиянием на метрологические характеристики можно пренебречь. Нормальные области значений влияющих величин указываются в стандартах или технических условиях на средства измерений данного вида в форме номиналов с нормированными отклонениями, например, температура должна составлять 20±2°С, напряжение питания – 220 В±10% или в форме интервалов значений (влажность 30 – 80 %).

Рабочая область значений влияющих величин шире нормальной области значений. В ее пределах метрологические характеристики существенно зависят от влияющих величин, однако их изменения нормируются стандартами на средства измерений в форме функций влияния или наибольших допустимых изменений. За пределами рабочей области метрологические характеристики принимают неопределенные значения.

Для нормальных условий эксплуатации средств измерений должны нормироваться характеристики суммарной погрешности и ее систематической и случайной составляющих. Суммарная погрешность Δ средств измерений в нормальных условиях эксплуатации называется основной погрешностью и нормируется заданием предела допускаемого значения Δд, т.е. того наибольшего значения, при котором средство измерений еще может быть признано годным к применению.

Перечисленные выше метрологические характеристики следует нормировать не только для нормальной, но и для всей рабочей области эксплуатации средств измерений, если их колебания, вызванные изменениями внешних влияющих величин и неинформативных параметров входного сигнала в пределах рабочей области, существенно меньше номинальных значений.

В противном случае эти характеристики нормируются только для нормальной области, а в рабочей области нормируются дополнительные погрешности путем задания функций влияния ψ(ξ) или наибольших допустимых изменений Δl(ξ) раздельно для каждого влияющего фактора; в случае необходимости – и для совместного изменения нескольких факторов. Функции влияния нормируются формулой, числом, таблицей или задаются в виде номинальной функции влияния и предела допускаемых отклонений от нее.

Для используемых по отдельности средств измерений, точность которых заведомо превышает требуемую точность измерений, нормируются только пределы Δд допускаемого значения суммарной погрешности и наибольшие допустимые изменения метрологических характеристик. Если же точность средств измерений соизмерима с требуемой точностью измерений, то необходимо нормировать раздельно характеристики систематической и случайной погрешности и функции влияния. Только с их помощью можно найти суммарную погрешность в рабочих условиях применения средств измерений.

Динамические характеристики нормируются путем задания номинального дифференциального уравнения или передаточной, переходной, импульсной весовой функции. Одновременно нормируются наибольшие допустимые отклонения динамических характеристик от номинальных.

 

2.3 Способы нормирования  метрологических характеристик

 

Типовые характеристики, предназначенные для определения результатов измерений (без введения поправки):

• функция преобразования измерительного преобразователя, а также измерительного прибора с неименованной шкалой или со шкалой, отградуированной в единицах, отличных от единиц входной величины— f(x),
• значение однозначной или значения многозначной меры — Y,
• цена деления шкалы измерительного прибора или многозначной меры,
• вид выходного кода, число разрядов кода, цена единицы наименьшего разряда кода средств измерений, предназначенных для выдачи результатов в цифровом коде, нормируют как номинальные характеристики средств измерений данного типа.

Для конкретных экземпляров средств измерений, предназначенных для применения с одной или несколькими индивидуальными характеристиками:

1. Функция преобразования измерительного преобразователя, а также измерительного прибора с неименованной шкалой или со шкалой, отградуированной в единицах, отличных от единиц входной величины, — f(x),

2 Значение однозначной или значения  многозначной меры — Y,

3 Цена деления шкалы измерительного  прибора или многозначной меры, а не с номинальными, распространяющимися на все экземпляры средств измерений данного типа, соответствующие номинальные характеристики можно не нормировать. В этих случаях нормируют пределы (граничные характеристики), в которых должна находиться индивидуальная характеристика при предусмотренных условиях применения средств измерений.

Характеристики систематической составляющей Dsp погрешности СИ выбирают из числа следующих:

1. Значение систематической составляющей ;

2. Значение систематической составляющей , математическое ожидание М[ ] и среднее квадратическое отклонение [ ] систематической составляющей погрешности, нормируют путем установления: пределов (положительного и отрицательного) Dsp допускаемой систематической составляющей погрешности средств измерений данного типа или пределов Dsp допускаемой систематической составляющей погрешности, математического ожидания М[ ] и среднего квадратического отклонения [ ] систематической составляющей погрешности средств измерений данного типа.

Примечания:

1. Если пределы допускаемой систематической  составляющей погрешности симметричны, их записывают в виде "± Dsp".

2. При необходимости допускается  нормировать наибольшее допускаемое изменение систематической составляющей погрешности за заданный интервал времени.

3. При необходимости допускается  нормировать изменение во времени  пределов допускаемой систематической составляющей погрешности.

Характеристики случайной составляющей погрешности Характеристики случайной составляющей погрешности средств измерений выбирают из числа следующих:

1. Среднее квадратическое отклонение [ ] случайной составляющей погрешности или

2. Среднее квадратическое отклонение случайной составляющей погрешности, нормализованная автокорреляционная функция r(t)или функция спектральной плотности S(w) случайной составляющей погрешности, нормируют путем установления: предела p[ ] допускаемого среднего квадратического отклонения случайной составляющей погрешности средств измерений данного типа или предела p[ ] допускаемого среднего квадратического отклонения случайной составляющей погрешности, номинальной нормализованной автокорреляционной функции r (t) или номинальной функции спектральной плотности S (w) случайной составляющей погрешности и пределов допускаемых отклонений этих функций от номинальных.

Характеристику случайной составляющей H погрешности от гистерезиса — вариация Н выходного сигнала (показания) средства измерений,

Нормируют путем установления предела (без учета знака) Нр допускаемой вариации выходного сигнала (показания) средства измерений данного типа.

При нормировании характеристики погрешности средств измерений устанавливают пределы (положительный и отрицательный) Dр допускаемой погрешности и предел Нр допускаемой вариации выходного сигнала (показания) средства измерений.

Характеристику по погрешности средств измерений — значение погрешности можно нормировать для средств измерений, случайная составляющая погрешности которых в каждой точке диапазона измерений пренебрежимо мала в соответствии с критериями существенности.

Для средств измерений, не предназначенных для совместного применения с другими средствами измерений (в том числе в составе измерительных систем или измерительно-вычислительных комплексов), в тех случаях, когда их погрешность в рабочих условиях применения практически полностью может быть определена нормированными верхней Dв и нижней Dн границами интервала, в котором лежит погрешность в нормальных условиях с заданной вероятностью Р, допускается указанные границы и вероятность нормировать и при существенной случайной составляющей основной погрешности средства измерений, в соответствии с критериями существенности, установленными в обязательном приложении 1.