В метрологически исправном состоянии

Поддержание технических средств

Обеспечение процессов измерений, испытаний и контроля соответствующими техническими средствами

Средство измерений – техническое средство (или их комплекс), предназначенное для измерений, имеющее нормированныеметрологические характеристики, воспроизводящее и(или) хранящее единицу физической величины, размер которой принимается неизменным в течение известного интервала времени.

По существу средство измерений в простейшем случае производит две операции:

– обнаружение физической величины;

– сравнение неизвестного размера с известным или сравнение откликов на воздействие известного и неизвестного размеров.

Средства измерений, которых на сегодня в Российской Федерации эксплуатируется более 1,5 млрд, являются основой метрологического обеспечения измерений.

Действие средств измерений основано на использовании различных физических эффектов, например, пьезо-, тензо-, термо- и фотоэлектрических эффектов и др.

Измерять с приемлемой точностью можно при условии, что средство измерений обеспечивает хранение (или воспроизведение) единицы измеряемой величины практически неизменной как во времени, так и под воздействием факторов окружающей среды. Причем эту неизменность размера единицы во времени и подверженность ее изменениям под воздействием влияющих факторов необходимо контролировать.

Средства измерений имеют некоторые общие признаки, присущие всем средствам измерений независимо от назначения и области применения.

По роли, выполняемой в системе обеспечения единства измерений, различают следующие средства измерений:

– метрологические, предназначенные для метрологических целей – воспроизведения единицы и(или) ее хранения или передачи размера единицы рабочим средствам измерений;

– рабочие, применяемые для измерений, не связанных с передачей размера единиц.

Метрологические средства измерений весьма немногочисленны. Их разрабатывают, производят и эксплуатируют в специализированных научно-исследовательских центрах. Поэтому подавляющее большинство используемых на практике средств измерений принадлежит ко второй группе.

Выбор средств измерений для конкретных измерительных целей определяется многими факторами. Задача выбора может быть как очень простой, так и достаточно сложной, когда требуется проверка соответствия свойств средства измерения предъявляемым требованиям по быстродействию, надежности, степени защищенности от определенных воздействий и т.п. Но главным требованием является, как правило, обеспечение необходимой точности измерений. Для обоснования этого требования необходимо знать цель измерения. Таких целей две. Они имеют следующие принципиальные отличия:

– определение действительного размера измеряемой величины в заданных единицах;

– определение соответствия измеряемой величины предписанному (номинальному) размеру, для которого заданы допустимые предельные отклонения.

В первом случае измеряемой величине присваивается размер, достоверность которого полностью определяется погрешностью, имевшей место в момент измерения. Допустимая погрешность назначается исходя из конкретных задач определения размера.

Во втором случае с помощью измерения проверяют, находится ли размер измеряемой величины в заданном интервале (в поле допуска). При этом изменение (исправление) размера в процессе измерения невозможно. Результат измерения используется только для определения пригодности. При этом погрешность измерения влияет на окончательные результаты приемки («годен» или «брак») только тех изделий, фактические размеры которых находятся близко к границам поля допуска. Увеличение погреш-ности измерения повышают вероятность того, что часть изделий будет не-правильно принята (ошибка 1-го рода), а часть изделий – неправильно за-бракована (ошибка 2-го рода).

Рациональный выбор средств измерений предполагает выполнение следующих требований:

1) заданы значения критериев оптимальности (качества) решения задач, для которых предназначены результаты измерений;

2) определены такие значения характеристик погрешности измерений, которые обеспечивают заданные значения критериев оптимальности решения измерительной задачи;

3) осуществлено рациональное распределение суммарной погрешности измерений по составляющим – методической и инструментальной. Причем инструментальная составляющая определяет номенклатуру и нормируемые значения погрешности правильно выбранных средств измерений.

При использовании средства измерений принципиально важно знать степень соответствия информации об измеряемой величине, содержащейся в выходном сигнале, ее истинному значению и поддерживать СИ в метрологически исправном состоянии.

С этой целью для каждого СИ вводятся и нормируются определенные метрологические характеристики (МХ).

Метрологические характеристики – это характеристики свойств средства измерений, оказывающие влияние на результат измерения и его погрешности.

Характеристики, устанавливаемые нормативно-техническими документами, называются нормируемыми, а определяемые экспериментально – действительными.

Номенклатура МХ, правила выбора комплексов нормируемых МХ для средств измерений и способы их нормирования определяются стандартом ГОСТ 8.009–84 «ГСИ. Нормируемые метрологические характеристики средств измерений».

Метрологические характеристики средств измерений позволяют:

– определять результаты измерений и рассчитывать оценки характеристик инструментальной составляющей погрешности измерения в реальных условиях применения СИ;

– рассчитывать МХ каналов измерительных систем, состоящих из ряда средств измерений с известными метрологическими характеристиками;

– производить оптимальный выбор СИ, обеспечивающих требуемое качество измерений при известных условиях их применения;

– сравнивать СИ различных типов с учетом условий применения.

При разработке принципов выбора и нормирования средств измерений необходимо придерживаться ряда положений, а именно:

1) основным условием возможности решения всех перечисленных задач является наличие однозначной связи между нормированными МХ и инструментальными погрешностями. Эта связь устанавливается посредством математической модели инструментальной составляющей погрешности, в которой нормируемые МХ должны быть аргументами. При этом важно, чтобы номенклатура МХ и способы их выражения были оптимальны. Опыт эксплуатации различных средств измерений показывает, что целесообразно нормировать комплекс МХ, который, с одной стороны, не должен быть очень большим, а с другой – каждая нормируемая МХ не должна отражать конкретные свойства СИ и при необходимости может быть проконтролирована;

2) нормирование МХ средств измерений должно производиться, исходя из единых теоретических предпосылок. Это связано с тем, что в измерительных процессах могут участвовать СИ, построенные на различных принципах;

3) нормируемые МХ должны быть выражены в такой форме, чтобы с их помощью можно было обоснованно решать практически любые измерительные задачи и одновременно достаточно просто проводить контроль СИ на соответствие этим характеристикам;

4) нормируемые МХ должны обеспечивать возможность статистического объединения, суммирования составляющих инструментальной погрешности измерений. В общем случае она может быть определена как сумма (объединение) следующих составляющих погрешности:

– Δ _о(t), обусловленной отличием действительной функции преобразования в нормальных условиях от номинальной, приписанной соответствующими документами данному типу СИ. Эта погрешность называется основной;

– Δ _{cj ,}, обусловленной реакцией СИ на изменение внешних влияющих величин и неинформативных параметров входного сигнала относительно их номинальных значений. Эта погрешность называется дополнительной;

– Δ _dyn, обусловленной реакцией СИ на скорость (частоту) измерения входного сигнала. Эта составляющая, называемая динамической погрешностью, зависит и от динамических свойств средств измерений, и от частотного спектра входного сигнала;

– Δ _int, обусловленной взаимодействием СИ с объектом измерений или с другими СИ, включенными последовательно с ним в измерительную систему. Эта погрешность зависит от характеристик и параметров входной цепи СИ и выходной цепи объекта изме-рений.

Таким образом, инструментальную составляющую погрешности СИ можно представить в виде:

Δ = Δ _о(t) • Δ _cj • Δ _dyn • Δ _int, (1.10)

где • – символ статистического объединения составляющих.

Первые две составляющие представляют собой статическую погрешность СИ, а третья – динамическую. Из них только основная погрешность определяется свойствами СИ. Дополнительная и динамическая погрешности зависят как от свойств самого СИ, так и от некоторых других причин (внешних условий, параметров измерительного сигнала и др.).

Требования к универсальности простого статистического объедине-ния составляющих инструментальной погрешности обусловливают необ-ходимость их статистической независимости – некоррелированности. Однако предположение о независимости этих составляющих не всегда верно.

Выделение динамической погрешности СИ как суммируемой со-ставляющей допустимо только в частном, но весьма распространенном случае, когда СИ можно считать линейным динамическим звеном и когда погрешность является весьма малой величиной по сравнению с выходным сигналом. Динамическое звено считается линейным, если оно описывается линейными дифференциальными уравнениями с постоянными коэффициентами. Для СИ, являющихся существенно нелинейными звеньями, выделение в отдельно суммируемые составляющие статической и динамической погрешностей недопустимо.

5) Нормируемые МХ должны быть инвариантны к условиям применения и режиму работы СИ и отражать только его свойства. Выбор МХ необходимо осуществлять так, чтобы пользователь имел возможность рассчитывать по ним характеристики СИ в реальных условиях эксплуатации.

6) Нормальные МХ, приводимые в нормативно-технической документации, отражают свойства не отдельно взятого экземпляра документации, а всей совокупности СИ данного типа, т.е. являются номинальными. Под типом понимается совокупность СИ, имеющих одинаковое значение, схему и конструкцию и удовлетворяющих одним и тем же требованиям, регламентированным в технических условиях. Метрологические характеристики отдельного СИ данного типа могут быть любыми в пределах области значений номинальных МХ. Отсюда следует, что МХ средства измерений данного типа должна описываться как нестационарный случайный процесс. Математически строгий учет данного обстоятельства требует нормирования не только пределов МХ как случайных величин, но и их временной зависимости (т.е. автокорреляционных функций). Это приведет к чрезвычайно сложной системе нормирования и практической невозможности контроля МХ, поскольку при этом он должен был бы осуществляться в строго определенные промежутки времени. Вследствие этого принята упрощенная система нормирования, предусматривающая разумный компромисс между математической строгостью и необходимой практической простотой. В принятой системе низкочастотные изменения случайных составляющих погрешности, период которых соизмерим с длительностью межповерочного интервала, при нормировании МХ не учитываются. Они определяют показатели надежности СИ, обусловливают выбор рациональных межповерочных интервалов и других аналогичных характеристик. Высокочастотные изменения случайных составляющих погрешности, интервалы корреляции которых соизмеримы с длительностью процесса измерения, необходимо учитывать путем нормирования, например, их автокорреляционных функций.

Дата добавления: 2015-07-02