Метрологические характеристики средств измерений

Метрологическая характеристика средства измерений (МХ) - характеристика одного или нескольких свойств СИ, влияющая на результат измерений или его характеристики. Метрологические характеристики средств измерений, которые установлены в нормативным документе, называются н ормированными, а определенные экспериментально называются - действительными.

К основным метрологическим характеристикам СИ относятся:

- деление шкалы – промежуток между двумя соседними отметками шкалы СИ.

- цена деления шкалы – разность значения величины, соответствующих двум соседним отметкам шкалы СИ. Цена деления шкалы связана с числом делений и погрешностью ИП;

- начальное и конечное значение шкалы - наименьшее и наибольшее значение измеряемой величины, которое может быть отсчитано по шкале СИ;

- диапазон показание СИ – область значения шкалы прибора, ограниченная начальным и конечным значениями шкалы;

-диапазон измерений СИ - область значений ФВ, в пределах которой нормированы допустимые погрешности средств измерений. Значение величины, ограничивающие диапазон измерений снизу и сверху (слева и справа), называют соответственно нижним и верхним пределом измерений. Например, у шкалы на рис. 5.2 начальный участок (~20%) сжат, потому производить отсчеты на нем неудобно. Тогда предел изме­рения по шкале составляет 50 ед., а диапазон — 10...50 ед.

·

Рис.5.2. Неравномерная шкала СИ

- номинальное значение меры – значение величины, приписанное мере при ее изготовлении, часто оно указано на мере;

- действительное значение меры - значение величины, приписанное мере при ее калибровке и поверке. Государственный эталон единицы массы имеет действительное значение 1,00000087 кг;

- показание СИ – значение величины на показывающем устройстве СИ;

- чувствительность СИ (S)– свойство СИ, определяемое отношением изменений входного сигнала этого средства к вызывающему его изменению измеряемой величины. Различают абсолютную S и относительную S_oчувствительность, которые определяются по формулам

, (5.1)

где - изменение величины на выходе средства измерения; -изменение измеряемой величины; - измеряемая величина;

- порог чувствительности СИ – характеристика СИ в виде наименьшего значения изменения ФВ, начиная с которого может осуществляться ее измерение данным СИ;

- смещение нуля – показание СИ, отличное от нуля, при входном сигнале, равном нулю;

- дрейф показаний СИ – изменение показаний СИ во времени, обусловленное изменением влияющих величин или других факторов;

- погрешность СИ – разность между показанием СИ и истинным (действительным) значением измеряемой ФВ. Классификация погрешностей СИ приведена на рис.5.3.

Рис 5.3. Классификация погрешностей СИ

Все погрешности СИ в зависимости от внешних условий делятся на основные и дополнительные.

Основная погрешность СИ - погрешность СИ применяемого в нормальных условиях. Как правило, нормальными условиями эксплуатации являются температура (20 ± 5) ^оС, относительная влажность воздуха (65±15)%, атмосферное давление от 97 до 104 кПа.

Дополнительная погрешность СИ – составляющая погрешность СИ, возникающая дополнительно к основной погрешность СИ вследствие отклонений какой-либо из влияющих величин от нормального ее значения или вследствие ее выхода за пределы нормальной области значений.

Систематическая погрешность СИ – составляющая общей погрешности, которая остается постоянной или закономерно изменяется при многократных измерениях одной и той же величины.

Случайной погрешностью СИ называют составляющую общей погрешности, изменяющуюся при повторных изменениях одной и той же величины случайным образом.

Статические погрешности возникают при измерении постоянных величин после завершения переходных процессов в элементах СИ. Погрешность СИ, возникающая при измерении изменяющейся ФВ называется динамической. Абсолютная погрешность СИ - погрешность СИ, выраженная в единицах измеряемой ФВ и определяется по уравнению

Δ = Хп – Х д, (5.2)

где Хп – показание прибора; Хд - действительное значение ФВ.

В качестве Хд выступает либо номинальное значение (значение меры), либо значение величины, измеренной более точным СИ. Абсолютная погрешность выражается в единицах измеренной ФВ и может быть задана:

- либо одним числом: Δ= ±а (линия 1 на рис. 5.4.);

- либо в виде линейной зависимости: Δ=± bх Δ= ±(а + bх) (линия 2 и 3);

- в виде функции Δ= f(x);

Рис. 5.4. Формирование аддитивной и мультипликативной составляющих погрешности

Если значение погрешности не изменяется во всем диапазоне измерений (линия 1), то такая погрешность называется аддитивной (или погрешностью нуля). Если погрешность изменяется пропорционально измеряемой величине, то ее называют мультипликативной (линия 2). В большинстве случаев аддитивная и мультипликативная составляющие присутствуют одновременно (линия 3).

Абсолютная погрешность не всегда позволяет сравнить по точности СИ. Для этой цели используют о тносительную погрешность СИ δ, как отношением абсолютной погрешности СИ к результату измерений или действительному значению измеренной ФВ

(5.3)

Из формулы (5.3) следует, что для одного и того же СИ δ уменьшается с ростом Х_п. То есть, при измерении на начальном участке шкалы с начальной нулевой отметкой погрешность измерения может быть сколь угодно велика, чем объясняется запрет измерений на таких участках шкалы СИ.

Выбор вида нормирования погрешности зависит от характера ее изменения по диапазону измерения. Если СИ имеет только аддитивную составляющую (или мультипликативной можно пренебречь), то предел допускаемой абсолютной погрешности Δ = const., a δ будет изменяться по гиперболе. В этом случае удобнее нормировать абсолютную погрешность Δ= ±а. В СИ с преобладающей мультипликативной погрешностью удоб­нее нормировать предел допустимой относительной погрешности

δ = ±с = const.

Указание только абсолютной погрешности не позволяет сравни­вать между собой по точности СИ с разным пределом измерений, а указание относительной погрешности также ограничено из-за непо­стоянства величины δ. Поэтому получи­ло большое распространение нормирование приведенной погреш­ности СИ -– относительной погрешности, выраженной отношением абсолютной погрешности СИ к условно принятому значению величины, постоянному во всем диапазоне измерений или в части диапазона. Приведенную погрешность выражают в процентах и определяется по формуле

, (5.4)

где Х_N – нормирующее значение, которое выбирают в зависимости от вида и характера шкалы прибора. Если нулевое значение входного сигнала находится на краю или вне диапазона измерений, то нормирующее значение х_N для СИ с равномерной или степенной шкалой определяется по большему из пределов измерений; если нулевое значение находится внутри диапазона измерений, то X_N принимается равным большему из модулей в пределе измерений. Для средств измерений физической величины, для которой принята шкала с условным нулем, нормирующее значение принимают равным модулю разности пределов измерений. Например, для милливольтметра термоэлектрического термометра с пределами измерений 200…600 ^о С нормирующее значение Х_N = 400 ^о C. Для средств измерений с установленным номинальным значением нормирующее значение принимают равным этому номинальному значению.

Точность СИ – характеристика качества СИ, отражающая близость его погрешности к нулю. К точностным характеристики СИ относят погрешность СИ, нестабильность, порог чувствительность, дрейф нуля. Обобщенной характеристикой точности для данного типа СИ является класс точности, который может выражаться допустимой основной и дополнительной погрешностями, а также другими характеристиками, влияющими на точность. Класс точности дает возможность судить о том, в каких пределах находится погрешность СИ одного типа, но не является непосредственно показателем точности измерений, выполняемых этими средствами, что является важным при выборе СИ.

в зависимости от характера измерения, границ абсолютных погрешностей СИ конкретного вида, а также их свойств и назначения пределы допускаемых погрешностей выражаются:

- в форме приведенных погрешностей, если указанные границы можно полагать практически неизменными;

- в форме относительных погрешностей, если указанные границы нельзя полагать постоянными;

- в форме абсолютных погрешностей, если погрешности результатов измерений в данной области измерений принято выражать в единицах измеряемой величины или делениях шкалы.

Предел допускаемой абсолютной погрешности D устанавливают по формуле

D = ±а = р (5.5)

или

D = ± (а + вх), (5.6)

где х – значение измеряемой величины на входе средств измерений; а и в – положительные числа, независящие от х.

Пределы допускаемой приведенной основной погрешности g определяются по формуле

g = 100 = ± р, (5.7)

где D – пределы допускаемой абсолютной погрешности, устанавливаемые по формуле (5.6); Х_N – нормирующее значение, выраженное в единицах измеряемой величины; р – отвлеченное положительное число, выбираемое из ряда: 1×10 ⁿ; 1,5×10 ⁿ; 1,6×10 ⁿ; 2×10 ⁿ; 2,5×10 ⁿ; 3×10 ⁿ; 4×10 ⁿ; 5×10 ⁿ; 6×10 ⁿ (где n = 1; 0; -1; -2 и т. д.).

Пределы допускаемой относительной погрешности d определяют по формуле

d = .100 = ± g (5.8)

если D принята по формуле (5.5) или по формуле (5.6), то

d = = [c + d (- 1), (5.9)

где g – отвлеченное положительное число, выбираемое из ряда, аналогичного ряду для р; Х _к – больший (по модулю) из пределов измерений; с и d – положительные числа, выбираемые из ряда предпочтительных чисел.

c = b + d; d = . (5.10)

Обозначения классов точности наносятся на циферблаты, корпуса средств измерений, приводятся в НД. Для обозначений могут быть использованы заглавные буквы латинского алфавита (М, С и т. д.) или римские цифры. В этих случаях предел допускаемой основной погрешности обычно выражают в форме абсолютной погрешности.

Для средств измерений с равномерной шкалой, нулевое значение входного (выходного) сигнала у которых находится на краю или вне диапазона измерений, обозначение класса точности арабскими цифрами означает, что значение измеряемой величины не отличается от того, что показывает указатель отсчетного устройства, более чем на соответствующее число процентов от верхнего предела измерений.

Приме1. Указатель отсчетного устройства вольтметра с равномерной шкалой класса точности 0,5, показывает 124 В. Чему равно измеряемое напряжение, если верхний предел измерений 200 В?

Решение. 0,5 – предел допускаемой приведенной погрешности. По формуле (5.7) находим

U = (124 ±1) В.

Для оценки качества и эффективности СИ применяют и ряд других характеристик: стабильность характеристик, потребление электроэнергии, защищенность в внешних влияний, габариты, масса, стоимость и др.

5.3 Выбор методов и средств измерений

Выбор метода выполнения и средств измерений – сложная задача, которая зависит от многих факторов:

· назначения и области применения;

· диапазона применения;

· пределов допускаемых погрешностей (точности измерений);

· быстродействия;

· необходимого вида информации (местные или дистанционные показания, автоматическая регистрация, сигнализация и т. д.);

· необходимости и возможности использования информации в системах автоматического управления;

· требований к помещению для проведения анализов и измерений;

· стоимости и экономической эффективности от использования;

· требований к обслуживающему персоналу, массы, габаритов оборудования и т. д.

Кроме этих факторов при выборе измерительных приборов для контроля параметров технологических процессов производства пищевых продуктов следует учитывать также специальные требования к приборам контроля:

· датчики приборов контроля не должны вызывать изменения химико-технологических показателей продукции;

· датчики приборов не должны содержать вредных и запахообразующих веществ;

· конструкции приборов должны обеспечивать безопасность их эксплуатации.

Для правильного выбора средств и метода измерений необходимо установить рациональную номенклатуру измеряемых параметров, что позволит получить достоверную и объективную информацию обо всех этапах ведения технологических процессов производства. Рациональную номенклатуру измеряемых параметров определяют в процессе проведения метрологической экспертизы нормативно-технической, конструкторской и технологической документации. При этом оценивают:

· соответствие измеряемых параметров, показателей качества и их нормативных значений требованиям нормативной документации;

· достаточность этой номенклатуры с позиций соответствия продукции или технологического процесса своему назначению, достоверности контроля, безопасности труда и защиты окружающей среды;

· обоснованность нормируемых значений и допускаемых технологических отклонений параметров и показателей качества.

При этом для каждого технологического требования проверяют возможность автоматизации контроля и регулирования измеряемых параметров; экономическую и технологическую целесообразность использования средств дистанционного централизованного контроля параметров.

Выбор метода измерений и средств измерений по назначению и области применения предполагает выбор подходящего принципа измерения и проверку по справочной литературе наличия в смежных отраслях промышленности подходящего метода измерения данной или близкой ей величины.

Диапазон измерений следует выбирать таким образом, чтобы он на 15–20 % превышал диапазон возможных изменений измеряемой величины и был ближайшим к границе измерений измеряемого параметра. Диапазон измерений вторичного прибора должен соответствовать диапазону измерений первичного преобразователя. Например, температура раствора должна находиться в пределах от 50 до 70 ^о С. Ее измеряют с помощью манометрического термометра. По каталогу термометры этого типа выпускаются промышленностью со следующими диапазонами измерения: 50…150, 0…100, 0…150 ^о С. Следует выбрать термометр с диапазоном 0…100 ^о С, так как в первом случае нет запаса по нижней границе, а в третьем – верхний диапазон имеет лишний запас.

При выборе манометров следует учитывать, что работа вблизи конечного значения шкалы сокращает срок службы пружинных манометров из-за появления остаточных деформаций пружины. Поэтому значение допустимого рабочего давления должно быть не более 75 % конечного значения шкалы измерительного прибора. В то же время при постоянной работе манометра в начале шкалы точность измерений будет заведомо заниженной, так как допускаемая основная погрешность прибора определяется его наибольшим значением диапазона измерений. Поэтому минимальное измеряемое давление не должно быть меньше 1/3 конечного значения шкалы. Исходя из надежности работы манометра рекомендуют конечное значение шкалы прибора выбирать с таким расчетом, чтобы оно превышало измеряемую величину при постоянном или плавно изменяющемся давлении в 1,5 раза, а при резко переменном характере измеряемого давления – в 2 раза.

При выборе метода и средств измерений по точности необходимо учитывать, что погрешность измерения должна быть меньше возможной технологической погрешности контролируемого параметра объекта измерений. Соотношение точностей можно записать с помощью формулы

С = D₁/D₂, (5.11)

где D₁ – предел допускаемых погрешностей метода измерений; D₂ – предел допускаемых погрешностей контролируемого параметра.

Обычно 1/10 £ С £ 1/2.

Большой запас по точности экономически невыгоден, так как с повышением точности увеличиваются экономические затраты. При малой точности возможна существенная ошибка контроля.

При измерении температуры для уменьшения вероятности допущения погрешности необходимо выбирать такое средство измерений, основная погрешность которого в точке измерения составляет:

– не более 1/3 величины заданной погрешности (допускаемого отклонения) измеряемой температуры в случае, если измерения требуется выполнить с наивысшей точностью;

– не более 2/3 величины заданной погрешности измеряемой температуры во всех остальных случаях.

Пример2. по технологическому процессу необходимо измерить температуру 120 ^o C c погрешностью ±2 ^о С и вести регистрацию результатов измерений на диаграмме.

При выборе диапазона измерений необходимо учитывать, что конечное значение шкалы выбранного прибора должно превышать измеряемую величину в 1,2 раза. По каталогу или номенклатурному справочнику находим нужный диапазон измерений выбираемого прибора – 0…150 ^о С.

Так как основная погрешность средств измерений должна составлять 2/3 величины заданной погрешности измеряемой температуры, определяем допускаемую основную погрешность показаний выбираемого прибора

Δ= ±(2 × 2/3) = ±1,3 ^о С,

Допускаемую приведенную погрешность показаний прибора определяют по формуле 5.7

.

По допускаемой приведенной погрешности определяют класс точности прибора. Так как стандартизированные средства измерения температуры не выпускают с классом точности 0,87, проводим округление в меньшую сторону и устанавливаем класс точности 0,5. Затем по номенклатурному справочнику или каталогу на средства измерения температуры подбираем средство измерения температуры с диапазоном измерений 0…150 ^о С и классом точности 0,5. Данным параметрам отвечают приборы: электронный самопишущий мост типа КСМ4 и электронный самопишущий потенциометр типа КСП4. Автоматический мост типа КСМ 4 работает в комплекте с термометрами сопротивления типов ТСП и ТСМ, а автоматический потенциометр типа КСП4 – в комплекте с термоэлектрическими термометрами. Основная погрешность термометра сопротивления меньше основной погрешности показаний термоэлектрических термометров, поэтому выбирают электронный автоматический самопишущий мост типа КСМ4 с диапазоном измерений 0…150 ^о С и классом точности 0,5. В качестве первичного преобразователя к прибору КСМ4 с диапазоном измерений 0…150 ^о С выбирают термометр сопротивления с диапазоном измерений 0…150 ^о С и основной погрешностью показаний прибора ±0,25 %. Допускаемая основная погрешность показаний прибора КСМ4 составляет ±0,5 % от верхнего предела измерений, т. е. ±0,75 ^о С, а допускаемая основная погрешность термометра сопротивления ±0,25 %, что состав­ляет ±0,38 ^о С. Таким образом, допускаемая основная погрешность показаний всего измерительного комплекта будет равна ±1,13 ^о С. Выбранный измерительный комплект обеспечит измерение контролируемого параметра с заданной погрешностью ±2 ^о С.

Пример 3. Необходимо измерить избыточное давление газа 2,6 МПа с погрешностью ±0,21 МПа. Определяем конечное значение шкалы прибора: 2,6 × 1,5 = 3,9 МПа.

Поскольку у приборов измерения давления шкалы с таким конечным значением нет, ближайшее значение в сторону увеличения - 4,0 МПа.

Допускаемая абсолютная основная погрешность прибора составляет

D= ±(0,21 × 1/3) = ± 0,07 МПа,

тогда допускаемая приведенная погрешность равна

Поскольку стандартизированные приборы измерения давления не выпускаются с классом точности 1,75, для получения более точного результата измерений производим округление в меньшую сторону и выбираем класс точности 1,5.

Таким образом, для измерения давления 2,6 МПа с погрешностью ±2,1 МПа следует выбрать манометр с конечным значением шкалы 4 МПа и классом точности 1,5.

Контроль за правильностью выбора средств измерений, применяемых для метрологического обеспечения технологического процесса, осуществляется при проведении метрологической экспертизы нормативно-технической документации (технологических инструкций, технических условий и др.) и при государственном метрологическом надзоре.

На основании анализа метрологического обеспечения технологических процессов отрасли и метрологической экспертизы проектов составляют "Карту метрологического обеспечения технологических процессов и контроля качества и количества сырья, материалов, готовой продукции", которую включают в проекты технологических инструкций. Метрологическая карта, с одной стороны, позволяет правильно и быстро выбрать методы и средства измерений, с другой стороны, позволяет оперативно осуществлять ведомственный контроль за состоянием метрологического обеспечения технологических процессов и качеством и количеством сырья, материалов и готовой продукции.

Дата добавления: 2014-01-20