Метрологические показатели и характеристики средств измерений

Метрологический показатель средств измерения характеризует одно из его свойств, влияющее на результат измерения.

К метрологическим показателям относятся:

1. длина деления шкалы - расстояние между соседними штрихами

2. цена деления шкалы - изменение физической величины, соответствующее самому маленькому делению шкалы

3. диапазон показаний шкалы - разница между конечным и начальным делением шкалы

4. диапазон измерений- диапазон изменения физической величины, которая может измеряться данным прибором

5. чувствительность СИ и порог чувствительности

6. вариация показаний измерительного прибора

Один и тот же прибор измеряя одну физическую величину в одинаковых физических условиях будет давать, тем не менее различные результаты, что связано с наличием случайных погрешностей, т.е. неучтенных нами причин, которые вызывают изменение показаний прибора. Кроме того у нас в любом приборе существует гистерезис, т.е. показания прибора, когда он подходит к измеряемой величине снизу, с меньших величин, отличается от показаний прибора, если к той же измеряемой величине он подходит сверху, т.е. от больших величин. И все вот эти причины накладывают на показания прибора некую такую область и контрастность полученной характеристики уменьшается, поэтому возникает диапазон при измерении одной и той же величины, который называется вариацией.

7. стабильность СИ - поддержание метрологических параметров в течение определенного заданного промежутка времени, потому что они естественно меняются. Меняет и мера, заложенная в приборе, меняются и свойства прибора.

8. измерительное усилие прибора - усилие действующее на измерительный элемент со стороны объекта и в обратную сторону

9. предел допустимой погрешности СИ.

Связан с систематической погрешностью, регламентируется у рабочих приборов.

10. класс точности СИ.

Существует в первую очередь для рабочих приборов, характеризует систематическую погрешность прибора во всем диапазоне измерения. Он есть у тех приборов, у которых в паспорте не указана градуировочная характеристика.

Метрологические характеристики СИ.

Важнейшей характеристикой является статическая характеристика прибора. Различают линейную и лиониризованную характеристики. Необходимо стремится к линейной характеристике, т. к. будет проще обработка и погрешность измерения будет постоянна (рис. 85).

В случае линейной шкалы чувствительно прибора , что обеспечивает постоянство абсолютных погрешностей измерения во всем диапазоне измерений.

Лиониризованные характеристики бывают двух видов. Представим, что Y по Х имеет некий нелинейный вид. Если известна теория взаимодействия измеряемой величины с соответствующей системой измерительных преобразователе, то тогда мы имеем возможность непосредственно изменить образом величину Y, чтобы лиониризовать эту характеристику. Если теория не известна, то в применяют метод проб и ошибок. Если удается простым образом ввести функцию от измеряемой величины, то в этом случае вводят соответствующий измерительный преобразователь, который осуществит лиониризацию. Такой прибор называется функциональным измерителем-преобразователем, т.е. дополняется система ИП функциональным ИП, который служит для лиониризации. Другой тип прибора выполняет какую-либо операцию над сигналом Y, в результате у нас характеристики так же лиониризуются, и называется операционным ИП.

Чувствительность - пороговое значение физической величины, которое приводит к изменению показаний.

Метрологические показатели устанавливаются в результате метрологических процессов: поверка, аттестация, градуировка, юстировка, ревизия.

Аттестация (проводится обязательно государственной службой), когда все метрологические показатели прибора проверяются и принимается решение об эксплуатации этого прибора. Градурировка - определение статической характеристики прибора. Делается до и после пусковая градуировка прибора. Например, в ракетном двигателе важнейшая характеристика - давление в камере сгорания. Производится квантование некоторых измерительных сигналов, т.е. для давления - определенные пороговые величины давления, которые более точным измерительным прибором фиксируются. В систему подаются соответствующие сигналы и получается отклик в виде Y. Строится допусковая градуировочная характеристика, как вверх так и вниз, чтобы исключить гистерезис, и послепусковая, когда выполнено испытание, потому что воздействие продуктов сгорания на измерительную систему иногда бывает катастрофическим. Как правило, если допусковая градуировка совпадает с послепусковой, не более 1% рассогласование, то в этом случае испытание обрабатывается, участвует в дальнейшем анализе. Если нет, то результаты испытаний аннулируются.

Важнейшими показателями средств измерений являются такие показатели, от которых зависит качество получаемой с помощью этих средств измерительной информации.

Метрологический показатель средства измерений - показатель одного из свойств средства измерений, влияющий на результат измерения и его погрешность.

ГОСТ 8.009-84 устанавливает комплекс нормируемых метрологических показателей средств измерений.

Рассмотрим наиболее часто встречающиеся метрологические показатели средств измерений, которые обеспечиваются определенными конструктивными решениями средств измерений и их отдельных узлов.

1. Длина деления шкалы - расстояние между осями (центрами) двух соседних отметок шкалы, измеренное вдоль воображаемой линии проходящей через середины самых коротких отметок шкалы.

2. Цена деления шкалы - разность значений измеряемой величины,
соответствующих двум соседним отметкам шкалы.

3. Диапазон показаний шкалы - область значений шкалы, ограниченная
конечным и начальным значениями шкалы, т.е. наибольшим и наименьшим
значениями измеряемой величины.

4. Диапазон измерений - область значений измеряемой величины,
которые могут быть получены данным измерительным средством с
нормированной для него погрешностью.

5. Порог чувствительности средства измерений - показатель
средства измерений, выражаемый наименьшим значением изменения
физической величины, начиная с которой может осуществляться ее измерение
данным средством.

6. 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.

7. Чувствительность - отношение изменения показаний прибора к вызвавшему его изменению измеряемой величины.

8. Стабильность средства измерения - качество средства измерения, отражающее неизменность во времени его метрологических свойств.

9. Измерительное усилие прибора - сила, создаваемая прибором при контакте с изделием и действующая по линии измерения.

10. Предел допустимой погрешности средства измерений -наибольшее значение погрешности средства измерений, устанавливаемое нормативным документом для средств измерений данного типа, при котором оно признается годным к применению.

Погрешности средств измерений возникают в результате воздействия большого числа факторов, обусловленных их изготовлением, хранением, эксплуатацией и условиями проведения измерений.

На погрешность средств измерений большое влияние оказывают условия его применения. Величина, которую не измеряют данным средством измерения, но которая оказывает влияние на результаты измерений этим средством, называется влияющей физической величиной. Этой величиной может быть температура, давление, влажность, запыленность окружающей среды, механические и акустические вибрации и т.п.

Нормальными условиями для проведения линейных и угловых измерений считаются: температура - 20 °С, атмосферное давление - 760 мм рт. ст., относительная влажность - 58 % и др.

Погрешность средства измерения, возникающая при использовании его в нормальных условиях, когда влияющие величины находятся в пределах нормальной области значений, называют основной. Если значение влияющей физической величины выходит за пределы нормальной области значений, появляется дополнительная погрешность.

11. Класс точности средства измерений (ГОСТ 8401-80) -обобщенная характеристика средства измерений, определяемая пределами
основных и дополнительных погрешностей, а также другими свойствами
средств измерений.

§ 27.5. Погрешность и точность средств измерений. Класс точности средств измерений. Общие принципы выбора средств измерений.

Погрешность средств измерения определяется систематической и случайной составляющей. Она может быть определена в результате градуировки прибора.

Внутри диапазона измерений назначается некий квантованный или пороговый сигналы х₁, х₂, х₃,..., х_n. Проводится измерение х₁, при подходе к величине снизу и сверху возникает некое отличие. Такое измерение при метрологической аттестации прибора выполняется достаточно большое количество раз, не менее 30.

В результате в этой точке у нас будет разброс, и аналогично в других точках. Таким образом, обрабатывая соответствующие поля и предполагая, что известен закон распределения можно в каждой точке получить соответствующее распределение. Строим соответствующую кривую математического ожидания для заданной величины и составляем границу предельных погрешностей. Причем, систематическую составляющую мы можем исключить из общей погрешности прибора, введением поправки. Мы знаем показания прибора, введем поправку и придем к статической характеристике прибора. Так работают образцовые приборы, которые используются в метрологической практике.

Класс точности средств измерения.

Характеризуется приведенной (относительной) погрешностью средств измерения.

Пусть х - измеряемая величина, а - абсолютная погрешность измеряемой величины. В результате градуировки в пределах измерения от х_min до x_max получим допустим какие-то показатели. Соединим полученные точки в пределах измерения. Выделим из них погрешность максимальную по модулю .

Класс точности численно равен этой относительной приведенной погрешности, которая трактуется следующим образом:

. (27.4)

Важнейшей характеристикой рабочих приборов (т.е. не служащих для передачи точности) является класс точности, т.к. в их паспорте не приводится статическая характеристика. Поэтому о величине погрешности измерений во всем диапазоне измерений приходится судить по величине |Δ_xmax|, этой характеристики в паспорте нет, следовательно, мы можем говорить, что погрешность измерения рабочим прибором не может превышать, т.е. выходить за это поле, которое определяется Δ_xmax. Отсюда качественное измерение рабочим прибором можно выполнять только в последних двух третях шкалы. При стремлении измеряемой величины к x_min относительная погрешность недопустимо возрастает и первая треть шкалы является нерабочей.

Выбор средств измерений.

Выбор средства измерения определяется измеряемой величиной, приня­тым методом измерения и требуемой точностью результата измерения.

Одну и ту же метрологическую задачу можно решить с помощью раз­личных измерительных средств, которые имеют не только разную стоимость, но и различные точность и другие метрологические показатели, а следователь­но, дают неодинаковые результаты измерения. Измерения с применением средств измерений недостаточной точности малоценны, даже вредны, так как могут быть причиной неправильных выводов. Применение излишне точных средств измерений экономически не выгодно. При выборе средств и метода из­мерений также учитывают диапазон измерений измеряемой величины, условия измерений, эксплуатационные качества средств измерений, их стоимость. Стремятся выполнить условие:

(27.5)

где

- суммарная погрешность измерения,

- предельная погрешность метода измерения,

∆_си - предельная погрешность средства измерения,

∆₀ - по­грешность оператора,

∆_усл - дополнительная погрешность условий измерения,

- допускаемая погрешность измерения.

Величина предельной погрешности средства измерения А_си будет опре­деляться выбранным средством измерения, а допускаемая погрешность измере­ний 8 зависит от допуска измеряемого параметра. Допускаемые погрешности измерения приняты следующими:

- для грубых допусков ;

- для остальных допусков ,

где Т - допуск контролируемого параметра, задаваемый конструктором.

Допускаемая погрешность измерения включает случайные и неучтенные систематические погрешности измерения.

Предельная погрешность средства измерения должна быть меньше допускаемой погрешности измерений, т.е. ∆_си< , однако экономически нецелесообразно выбирать ∆_си менее 0,1 таб­личного допуска IT. Следовательно, точность средства измерения должна быть на порядок выше точности контролируемого параметра.

Лекция №21

§ 27.6. Методы измерений. Понятия и классификация.

Метод измерений – совокупность приемов, обеспечивающих сравнение измеряемой физической величины с её единицей (мерой).

Методы измерений основаны на физических принципах взаимодействия объекта измерения и средств измерения для получения измерительной информации с допустимой погрешностью.

Методы измерений различают:

1) по физическому принципу измерения (механические, пневматические, акустические, оптические, электрические и т.п.);

2) по виду измерительных сигналов в средствах измерения (аналоговые (соответствующая функция непрерывна) и цифровые (функция квантуется));

3) по способу сопоставления измеряемой физической величины и меры, различают метод непосредственной оценки и методы сравнения.

Наиболее распространен метод непосредственной оценки, в нем о физической величине судят по показаниям одного (прямые измерения) или нескольких (косвенные измерения) приборов, которые заранее проградуированы в единицах измеряемой величины.

В методах сравнения измеряемая величина сопоставляется с мерой, которая находится вне средств измерения.

Различают дифференциальный метод, где об измеряемой величине судят по её разности с каким-либо эталоном.

Рассмотрим U-образный жидкостный манометр, измеряемой величиной является давление P_x (рис. 88).

Давление P_x находится по формуле:

P_x=P_H+ρgh. (27.6)

Если P_x>P_H, то соответствующая жидкость выдавливается в трубку, соединенную с мерой (эталоном).

В дифференциальных методах мы предполагаем, что эталон, с которым сравнивается измеряемая величина, находится более точно, чем сама величина - P_x, поэтому ошибка будет заложена в измерении ρgh, а точнее, т. к. довольно точно известны плотность и ускорение свободного падения, то вся погрешность располагается в измерении высоты - h, и чем, больше эта высота, тем меньше погрешность.

Разность между P_x и P_H должна быть как можно меньше, следовательно, высоту h нужно увеличить, например при измерении давления в камере сгорания ракетного двигателя это достигается с помощью уменьшения плотности - ρ - вместо воды используется масло, или наклона плеча пьезометр, если погрешность измерения высоты составляет примерно 1 мм при наличии трубки высотой в 1,5 м, то погрешность будет 1мм/1500. В настоящее время давление окружающей среды - P_H измеряется с высокой точностью, поэтому дифференциальный метод позволяет значительно более точно измерить давление P_x, чем прямым образом, т. е. с использованием манометра.

Разновидностью дифференциального вида является нулевой метод, когда средство измерения при нагружении его измеряемой величиной возвращается в исходное положение.

В рассматриваемом примере величина ρgh→0, т. к. h=0. Гистерезис отсутствует, левое плечо столба уходит в правое, из - за поверхностного натяжения жидкость остается на стенках и, естественно, что показания прибора искажаются, если уравновесить давление P_x, т. е. давление P_H заменить переменным давлением, которое можно достаточно точно измерить, то столбики вернутся в исходное положение, и параметры диссипации энергии будут отсутствовать.

Нулевой метод более точный, т. к. погрешность сосредоточена преимущественно в эталоне, т. е. какова погрешность эталона, такова и погрешность данного метода.

В методе замещения об измеряемой величине судят по изменению измерительного сигнала при замене объекта измерения эталоном.

Рассмотрим нагруженный динамометр, который проградуирован в единицах массы (рис. 89).

Вместо измеряемой величины нагружаем средство измерения эталоном.

Об измеряемой величине судим по соотношению:

X / X _э,

чем ближе эталон к измеряемой величине, тем точнее будет измерение.

В методе совпадений разность между измеряемой величиной и воспроизводимой мерой определяется с помощью совпадения каких – либо периодических сигналов, например отметок шкалы (штангенциркуль).

Дата добавления: 2014-01-11