Метрологические характеристики средств измерений

Метрологические характеристики средств измерений

Метрологическая характеристика средств измерения- это характеристика одного из свойств средства измерений, влияющая на результат измерений и его погрешность. Для каждого типа средств измерений устанавливают свои метрологические характеристики. Тип средств измерений — совокупность средств измерений, предназначенных для измерения одних и тех же величин, выраженных в одних и тех же единицах величин, основанных на одном и том же принципе действия, имеющих одинаковую конструкцию и изготовленные по одной и той же технической документации. Перечень метрологических характеристик, правила выбора комплекса нормируемых метрологических характеристик для средств измерений и способы их нормирования изложены в ГОСТ 8.009—84 «Государственная система обеспечения единства измерений. Нормируемые метрологические характеристики средств измерений».

Погрешности измерений и средств измерений

В настоящее время измерение является неотъемлемой частью практически любой деятельности человека. Фактически измерения — это процесс, завершающим этапом которого является «результат измерения». Любой результат измерения содержит погрешность, которая складывается из ряда факторов.

Погрешность результатов измерения является важной характеристикой измерения, она вычисляется или оценивается, или приписывается полученному результату.

Погрешность результата измерения — это отклонение результата измерений (Хизм) от истинного (действительного) значения (Хист(действ) измеряемой величины. Чаще всего она указывает границы неопределенности значения измеряемой величины. Погрешность средства измерения — разность между показанием средства измерения и истинным (действительным) значением измеряемой величины. Она характеризует точность результатов измерений, проводимых данным средством. Эти два понятия во многом близки друг другу и классифицируются по одинаковым признакам. По форме представления погрешности разделяются на абсолютные, относительные и приведенные.

Погрешность измерений, как правило, представляют в виде абсолютной погрешности, выраженной в единицах измеряемой величины

∆Х=Хизм- Хист(действ) ) 

или в виде относительной погрешности — отношения абсолютной погрешности к истинному (действительному) значению измеряемой величины или принятому опорному значению (ГОСТ Р ИСО 5725)

или в процентах

δ 

Для указания и нормирования погрешности средств измерений используется еще одна разновидность погрешности — приведенная. Приведенная погрешность средства измерений — это относительная погрешность, выраженная отношением абсолютной погрешности средства измерений к условно принятому значению величины, постоянному во всем диапазоне измерений или в части диапазона:

γ*100%

По закономерностям проявления погрешности измерений делятся на систематические и случайные.

Систематическая погрешность — одна из составляющих погрешности результата измерения, остающаяся постоянной или закономерно изменяющейся при повторных измерениях одной и той же измеряемой величины, Эти погрешности могут быть выявлены, изучены и результат измерения может быть уточнен путем введения поправок, если числовые значения этих погрешностей определены, или путем исключения влияния этой систематической погрешности без ее определения. Чем меньше систематическая погрешность, тем ближе результат измерения к истинному значению измеряемой величины, тем выше качество и правильность измерений. Систематическая погрешность данного средства измерений, как правило, отличается от систематической погрешности другого экземпляра средства измерений этого же типа.

В зависимости от характера изменения систематические погрешности подразделяют на постоянные и переменные.

Наиболее часто встречаются постоянные погрешности, которые сохраняют свое значение в течение всего периода выполнения измерений.

Переменные погрешности — это погрешности, изменяющие свое значение в процессе измерения. Они могут быть непрерывно возрастающими или убывающими. Эти погрешности определяются процессами износа или старения узлов и деталей средств измерения. К ним могут относиться погрешности от износа контактирующих деталей средств измерения, старения отдельных элементов (конденсаторов, резисторов и т.д.) средств измерения. В настоящее время существует много способов определения систематической погрешности средств измерений.

Один из них — это сравнение результатов измерения одной и той же величины, полученных с помощью изучаемого и эталонного средства измерения. 

Случайными называются погрешности, изменяющиеся случайным образом (по знаку и значению) при одинаковых повторных измерениях одной и той же величины. Эта погрешность возникает в результате влияния на процесс измерения многочисленных случайных факторов, учесть которые достаточно сложно. Случайные погрешности поэтому не могут быть исключены из результата измерения в отличие от систематических..

К случайным погрешностям, как правило, относится и промах (грубая погрешность измерений), характеризующийся тем, что погрешность результата отдельного измерения, входящего в ряд измерений, для данных условий резко отличается от остальных результатов этого ряда. Причинами этого вида погрешностей являются ошибки оператора, неисправность измерительных приборов резкое изменение условий наблюдения, ошибки в записях и вычислениях и др.

По условиям проведения измерений погрешности средств измерений разделяются на основные и дополнительные.

Основной называется погрешность средства измерений, применяемого в установленных условиях, которые называются нормальными. Эти условия устанавливаются в нормативно-технических документах на данный вид или тип средств измерений (температура окружающей среды, влажность, давление, напряжение питающей электрической сети и др.) и при них нормируется его погрешность. Значения погрешностей средств измерений, эксплуатируемых в условиях, отличающихся от нормальных, будут различными и плохо контролируемыми. Составляющая погрешности средства измерений, возникающая дополнительно к основной погрешности вследствие отклонения какой-либо из влияющих величин от нормального его значения или вследствие ее выхода за пределы нормальной области значений, называется дополнительной погрешностью.

Инструментальная погрешность обусловлена несовершенством средств измерений и его конструктивными особенностями. Иногда эту погрешность называют приборной или аппаратурной.

Методическая погрешность обусловлена несовершенством и недостатками применяемого в средстве измерений метода измерений и упрощений при разработке конструкции средства измерений, а также возможными недостатками методик измерений.

Субъективная (личная) погрешность измерения обусловлена погрешностью отсчета оператором показаний по шкале средства измерений вследствие индивидуальных особенностей оператора (внимание, зрение, подготовка и др.). Эти погрешности практически отсутствуют при использовании автоматических или автоматизированных средств измерений.

По характеру измерения величины погрешности средства измерений разделяются на статические и динамические.

Обработка результатов прямых многократных измерений

Прямые многократные измерения делятся на равно- и неравноточные. Равноточные измерения — это ряд измерений какой-либо величины, выполненных одинаковыми по точности средствами измерений в одних и тех же условиях с одинаковой тщательностью. Перед проведением обработки результатов измерений необходимо убедиться в том, что все измерения этого ряда являются равноточными. В большинстве случаев при обработке прямых равноточных измерений исходят из предположения закона нормального распределения результатов и погрешностей измерений.

Неравноточные измерения - это измерения какой-либо величины, выполненные различающимися по точности средствами измерений и (или) в разных условиях. Обработку таких измерений проводят с учетом оценки доверия к тому или иному отдельному результату измерения, входящему в ряд неравноточных измерений.

Классы точности средств измерений

В повседневной практике при эксплуатации средств измерений принято нормирование метрологических характеристик на основе классов точности средств измерений. Под классом точности понимается обобщенная характеристика данного типа средств измерений, определяемая пределами допускаемых значений основной и дополнительной погрешностей, а также другими характеристиками, влияющими на точность выполненных с их использованием измерений.

Класс точности характеризует, в каких пределах находится погрешность данного типа средств измерений, включая систематическую и случайную погрешности, но не является непосредственным показателем точности измерений, выполненных с помощью этих средств, поскольку точность измерения может зависеть и от других факторов, например, метода измерения, условий измерения и т.д. Классы точности устанавливаются стандартами, содержащими технические требования к средствам измерений, подразделяемым по точности. Общие положения по определению классов точности средств измерений изложены в ГОСТ 8.401-80 «Государственная система обеспечения единства измерений. Классы точности средств измерений. Общие требования». 

Пределы допускаемой основной абсолютной погрешности устанавливают по формулам:

если границы абсолютной погрешности средств измерений практически неизменны в пределах диапазона измерений:

А = ± а; 

если границы абсолютной погрешности изменяются практически линейно:

А = ±(а + b х), 

где A — пределы допускаемой основной абсолютной погрешности, выраженной в единицах измеряемой величины или в делениях шкалы; х — значение измеряемой величины на входе (выходе) средств измерений или число делений, отсчитанных по шкале прибора;

a, b — положительные числа, не зависящие от x. В обоснованных случаях пределы допускаемой абсолютной погрешности устанавливают по более сложным формулам.

Пределы всех основных и дополнительных допускаемых погрешностей выражаются не более чем двумя значащими цифрами, при этом погрешность округления при вычислении пределов не должна превышать 5%.

Утверждение типа средств измерений

Утверждение типа средств измерений является формой государственного регулирования и проводится в целях обеспечения единства измерений, постановки на производство и выпуска в обращение средств измерений, соответствующих требованиям, установленным в нормативных документах. Тип средств измерений, применяемых в сфере государственного обеспечения единства измерений, подлежит обязательному утверждению. 

Утверждения типа средств измерений включают:

испытания средств измерений для целей утверждения типа;

принятие решения об утверждении типа, его государственную регистрацию и выдачу свидетельства об утверждении типа;

нанесение знака утверждения типа средств измерения

регистрацию в Федеральном информационном фонде по обеспечению единства измерений. 

На испытание средств измерений для целей утверждения типа заявитель представляет:

образец средств измерения;

программу испытаний типа, утвержденную государственным центром испытаний средств измерений;

технические условия;

эксплуатационные документы;

нормативный документ по поверке;

описание типа с фотографиями общего вида;

— документ организации-разработчика о допустимости опубликования описания типа в открытой печати.

Документы ПР 50.2.009-94 «Государственная система обеспечения единства измерений. Порядок проведения испытаний и утверждение типа средств измерений», ПР 50.2.010-94 «Государственная система обеспечения единства измерений. Требования к государственным центрам испытаний средств измерений и порядок их аккредитации» и ПР 50.2.011-94 «Государственная система обеспечения единства измерений. Порядок ведения Государственного реестра средств измерений» составляют нормативную базу системы испытаний и утверждения типа средств измерений, которая гармонизирована с международными документами. 

Эталоны единиц величин

Одной из основных задач метрологии является необходимость обеспечения единства измерений. Под единством измерений понимается такое состояние измерений, которое характеризуется тем, что их результаты выражаются в узаконенных единицах величин, а погрешности результатов измерений известны и с заданной вероятностью не выходят за установленные границы. Обеспечением единства измерений занимаются метрологические службы, одной из задач которых является деятельность, направленная на достижение и поддержание единства измерений в соответствии с законодательными актами, а также правилами и нормами, установленными национальными стандартами и другими нормативными документами по обеспечению единства измерений. 

Под эталоном единицы величины понимается средство измерений или комплекс средств измерений, обеспечивающий воспроизведение, хранение и передачу ее размера нижестоящим по поверочной схеме средствам измерений и утвержденный в качестве эталона в установленном порядке. Конструкция эталона, его свойства и способ воспроизведения единицы определяются природой данной величины и уровнем развития измерительной техники в данной области измерений. Эталон должен обладать, по крайней мере, тремя тесно связанными друг с другом существенными признаками — неизменностью, воспроизводимостью и сличаемостью.

Неизменность — свойство эталона удерживать неизменным размер воспроизводимой им единицы в течение длительного интервала времени. При этом все изменения, зависящие от внешних условий, должны быть строго определенными функциями величин, доступных точному измерению.

Воспроизводимость — возможность воспроизведения единицы величины с наименьшей погрешностью для достигнутого уровня развития техники измерений.

Сличаемость — возможность обеспечения сопоставления с эталоном других средств измерений, нижестоящих по поверочной схеме, с наибольшей точностью для достигнутого уровня развития техники измерений.

Дадим основные понятия, которые входят в определение эталона, — воспроизведение, хранение и передача.

Воспроизведение единицы величины — совокупность операций по материализации этой единицы величины с помощью государственного первичного эталона. Различают воспроизведение основных и производных единиц.

Передача размера единицы величины - это приведение размера единицы величины, хранимой средством измерений, к размеру единицы величины, воспроизводимой эталоном данной единицы величины или стандартным образцом. Размер единицы величины передается от более точных средств измерений к менее точным.

Хранение единицы величины — это совокупность операций, обеспечивающих неизменность во времени размера единицы, присущего данному средству измерений.

Различают следующие виды эталонов:

первичный — обеспечивает воспроизведение единицы величины с наивысшей в стране (по сравнению с другими эталонами той же единицы) точностью; первичный эталон, утвержденный в этом качестве в установленном порядке и применяемый как исходный на территории Российской Федерации, называется государственным. Примером первичного государственного эталона является комплекс средств измерений для воспроизведения килограмма с помощью плати-ноиридиевой гири и эталонных весов;

специальный — воспроизводит единицу величины в особых условиях, когда прямая передача размера единицы от существующих эталонов технически неосуществима с требуемой точностью (высокие и сверхвысокие частоты, энергии, давления и т.д.) и заменяет в этих условиях первичный эталон;

вторичный — эталон, получающий размер единицы непосредственно от первичного эталона данной единицы. Вторичные эталоны широко используются в метрологической практике, создаются и утверждаются в тех случаях, когда это необходимо для организации поверочных работ, а также для обеспечения сохранности и наименьшего износа государственных эталонов;

сравнения — эталон, применяемый для сличения эталонов, которые по тем или иным причинам не могут быть непосредственно сличены друг с другом;

рабочий — эталон, предназначенный для передачи размера единицы рабочим средствам измерений. Рабочее средство измерений — это предназначенное для измерений техническое средство, имеющее нормированные метрологические характеристики, воспроизводящие или хранящие единицу величины, размер которой принимается неизменным (в пределах установленной погрешности) в течение определенного интервала времени. При необходимости рабочие эталоны подразделяются на разряды — 1-й, 2-й.. n-й;

исходный — эталон, обладающий наивысшими метрологическими свойствами в данной лаборатории, организации, на предприятии, от которых передают размер единицы подчиненным эталонам и имеющимся средствам измерений. Исходным эталоном в стране служит первичный эталон, исходным эталоном для республики, региона, министерства или предприятия может быть вторичный или рабочий эталон.

Кроме национальных эталонов, признанных официальным решением в качестве исходных для одной страны, существуют международные эталоны, которые принимаются по международному соглашению в качестве международной основы для согласования с ними размеров единиц, воспроизводимых и хранимых национальными эталонами. В качестве примера международного эталона можно привести эталон единицы массы — 1 килограмм, воспроизведенный в виде платиноиридиевой гири, хранящейся в Международном бюро мер и весов. Государственные первичные эталоны единиц величин подлежат сличению с эталонами единиц величин Международного бюро мер и весов и национальными эталонами единиц величин иностранных государств.