I. Общие положения 1 страница

А

Способы нормирования и формы выражения метрологических характеристик

Пределы допускаемых основной и дополнительных погрешностей следует выражать в форме приведенных, относительных или абсолютных погрешностей в зависимости от характера изменения погрешностей в пределах диапазона измерений, а также от условий применения и назначения средств измерений конкретного вида. Пределы допускаемой дополнительной погрешности допускается выражать в форме, отличной от формы выражения пределов допускаемой основной погрешности.

Пределы допускаемой основной погрешности устанавливают в последовательности, приведенной ниже:

• Устанавливаются пределы допускаемой абсолютной погрешности по формуле:

или

Δ = ± (а + b·x)

где Δ - пределы допускаемой абсолютной основной погрешности (в единицах измеряемой величины или условно в делениях шкалы)
х - значение измеряемой величины,
а, b - положительные числа, не зависящие от х.

• Устанавливаются пределы допускаемой приведенной основной погрешности по формуле:

γ = Δ / Хn = ± p

где γ - пределы допускаемой приведенной основной погрешности в %,
Δ - пределы допускаемой абсолютной погрешности,
p - положительное число, выбираемое из ряда 1·10ⁿ, 1,5·10ⁿ, (1,6·10ⁿ)*, 2·10ⁿ, 2,5·10ⁿ, (3·10ⁿ)*, 4·10ⁿ, 5·10ⁿ, 6·10ⁿ (n = 1, 0, -1, -2 и т.д.)
* не устанавливается для вновь разрабатываемых средств измерений,
для средств измерений конкретного типа допускается устанавливать не более пяти различных пределов допускаемой основной погрешности при одном и том же значении степени n.

• Устанавливается нормируещее занчение Хn

• Для средств измерений с равномерной, практически равномерной или степенной шкалой, а также для измерительных преобразователей, если нулевое значение измеряемого параметра находся на краю или вне диапазона измерений нормирующее значение устанавливается равным большему из пределов измерений. Для средств измерений, нулевое значение измеряемого параметра которых находится внутри диапазона измерений, нормирующее значение устанавливается раным большему из модулей пределов измерений.
• Для электроизмерительных приборов с равномерной, практически равномерной или степенной шкалой и нулевой отметкой внутри диапазона измерений нормирующее значение допускается устанавливать равным сумме модулей пределов измерений.
• Для средств измерений физической величины, для которых принята шкала с условным нулем, нормирующее значение устанавливают равным модулю разности пределов измереинй.
• Для средств измерений с установленным номинальным значением нормирующее значение устанавливают равным этому номинальному значению.
• Для измерительных приборов с существенно неравномерной шкалой нормирующее значение устанавливают равным всей длине шкалы или её части, соответствующей диапазону измерений. В этом случае пределы абсолюной погрешности выражают, как и длину шкалы, в единицах длины.
• Устанавливаются пределы допускаемой относительной основной погрешности по формуле:

δ = Δ / х = ± [c + d·(|х_к / х| - 1)] =< ± q

где с = b + d; d = a / |х_к|
δ - пределы допускаемой относительной основной погрешности в %,
Δ - пределы допускаемой абсолютной основной погрешности (в единицах измеряемой величины или условно в делениях шкалы)
х - значение измеряемой величины,
х_к - наибольший (по модулю) из пределов измерений,
а, b - положительные числа, не зависящие от х.
q, c, d - положительное число, выбираемое из ряда 1·10ⁿ, 1,5·10ⁿ, (1,6·10ⁿ)*, 2·10ⁿ, 2,5·10ⁿ, (3·10ⁿ)*, 4·10ⁿ, 5·10ⁿ, 6·10ⁿ (n = 1, 0, -1, -2 и т.д.)
* не устанавливается для вновь разрабатываемых средств измерений,
для средств измерений конкретного типа допускается устанавливать не более пяти различных пределов допускаемой основной погрешности при одном и том же значении степени n.
В обоснованных случаях пределы допускаемой относительной оснвоной погрешности устанавливают по более сложной формуле или в виде графика либо таблицы.
В стандартах или технических условиях на средтсва измерений должно быть установлено минимальное значение х, начиная от которого применим принятый способ выражения пределов допускаемой относительной погрешности.
Соотношение между числами с и d устанавливаются в стандартах на средства измерений конкретного вида.

• Пределы допускаемых дополнительных погрешностей устанавливают одним из следующих способов:
• в виде постоянного значения для всей рабочей области влияю-щей величины или в виде постоянных значений по интервалам рабочей области влияющей величины;
• путем указания отношения предела допускаемой дополнительной погрешности, соответствующего регламентированному интервалу влияющей величины, к этому интервалу;
• путем указания зависимости предела допускаемой дополнительной погрешности от влияющей величины (предельной функции влияния);
• путем указания функциональной зависимости пределов допускаемых отклонений от номинальной функции влияния.
• Для различных условий эксплуатации средств измерений в рамках одного и того же класса точности допускается устанавливать различные рабочие области влияющих величин.
  Предел допускаемой вариации выходного сигнала следует устанавливать в виде дольного (кратного) значения предела допускаемой основной погрешности или в делениях шкалы. Пределы допускаемой нестабильности, как правило, устанавливают в виде доли предела допускаемой основной погрешности.
  Пределы допускаемых погрешностей должны быть выражены не более чем двумя значащими цифрами, причем погрешность округления при вычислении пределов должна быть не более 5%.

Обозначение классов точности средств измерений в документации

• Для средств измерений пределы допускаемой основной погрешности которых принято выражать в форме абсолютных погрешностей или относительных погрешностей, причем последние установлены в виде графика, таблицы или формулы, классы точности в документации обозначаются прописными буквами латинского алфавита или римскими цифрами.
• В необходимых случаях к обозначению класса точности буквами латинского алфавита добавляют индексы в виде арабской цифры. Классам точности, которым соответствуют меньшие пределы допускаемых погрешностей, соответствуют буквы, находящиеся ближе к началу алфавита, или цифры, означающие меньшие числа.
• Для средств измерений, пределы допускаемой основной погрешности которых принято выражать в форме приведенной погрешности или относительной погрешности в соответствии с формулой δ = Δ / х = ± q, классы точности в документации следует обозначаются числами, которые равны этим пределам погрешности, выраженными в процентах. Обозначение класса точности таким образом, дает непосредственное указание на предел допускаемой основной погрешности.
• Для средств измерений, пределы допускаемой основной погрешности которых принято выражать в форме относительных погрешностей в соответствии с формулой δ = ± [c + d·(|х_к / х| - 1)], классы точности в документации обозначаются числами с и d, разделенных косой чертой.

В документации на средства измерений допускается обозначать классы точности так же, как на средтсвах измерений.
В эксплуатационной документации на средство измерений конкретного вида, содержащей обозначение класса точности, содержится ссылка на стандарт или технические условия, в которых установлен класс точности этого средства измерений.

5. Погрешности средств измерений.

Погрешность средства измерений (англ. error (of indication) of a measuring instrument) – разность между показанием средства измерений и истинным (действительным) значением измеряемой физической величины.

Систематическая погрешность средства измерений (англ. bias error of a measuring instrument) – составляющая погрешности средства измерений, принимаемая за постоянную или закономерную изменяющуюся.
Примечание. Систематическая погрешность данного средства измерений, как правило, будет отличаться от систематической погрешности другого экземпляра средства измерений этого же типа, вследствие чего для группы однотипных средств измерений систематическая погрешность может иногда рассматриваться как случайная погрешность.

Случайная погрешность средства измерений (англ. repeatability error of a measuring instrument) – составляющая погрешности средства измерений, изменяющаяся случайным образом.

Абсолютная погрешность средства измерений – погрешность средства измерений, выраженная в единицах измеряемой физической величины.

Относительная погрешность средства измерений – погрешность средства измерений, выраженная отношением абсолютной погрешности средства измерений к результату измерений или к действительному значению измеренной физической величины.

Приведенная погрешность средства измерений (англ. reducial error of a measuring instrument) – относительная погрешность, выраженная отношением абсолютной погрешности средства измерений к условно принятому значению величины, постоянному во всем диапазоне измерений или в части диапазона.
Примечания:

• Условно принятое значение величины называют нормирующим значением. Часто за нормирующее значение принимают верхний предел измерений.
• Приведенную погрешность обычно выражают в процентах.

Основная погрешность средства измерений (англ. intrinsic error of a measuring instrument) – погрешность средства измерений, применяемого в нормальных условиях.

Дополнительная погрешность средства измерений (англ. complementary error of a measuring instrument) – составляющая погрешности средства измерений, возникающая дополнительно к основной погрешности вследствие отклонения какой-либо из влияющих величин от нормального ее значения или вследствие ее выхода за пределы нормальной области значений.

Статическая погрешность средства измерений – погрешность средства измерений, применяемого при измерении физической величины, принимаемой за неизменную.

Динамическая погрешность средства измерений – погрешность средства измерений, возникающая при измерении изменяющейся (в процессе измерений) физической величины.

Погрешность меры – разность между номинальным значением меры и действительным значением воспроизводимой ею величины.

Стабильность средства измерений (англ. stability) – качественная характеристика средства измерений, отражающая неизменность во времени его метрологических характеристик.
Примечание. В качестве количественной оценки стабильности служит нестабильность средства измерений.

Нестабильность средства измерений – изменение метрологических характеристик средства измерений за установленный интервал времени.
Примечания:

• Для ряда средств измерений, особенно некоторых мер, нестабильность является одной из важнейших точностных характеристик. Для нормальных элементов обычно нестабильность устанавливается за год.
• Нестабильность определяют на основании длительных исследований средства измерений, при этом полезны периодические сличения с более стабильными средствами измерений.

Точность средства измерений (англ. accuracy of a measuring instrument) – характеристика качества средства измерений, отражающая близость его погрешности к нулю.
Примечание. Считается, что чем меньше погрешность, тем точнее средство измерений.

Класс точности средств измерений (англ. accuracy class) – обобщенная характеристика данного типа средств измерений, как правило, отражающая уровень их точности, выражаемая пределами допускаемых основной и дополнительных погрешностей, а также другими характеристиками, влияющими на точность.
Примечания:

• Класс точности дает возможность судить о том, в каких пределах находится погрешность средства измерений одного типа, но не является непосредственным показателем точности измерений, выполняемых с помощью каждого из этих средств. Это важно при выборе средств измерений в зависимости от заданной точности измерений.
• Класс точности средств измерений конкретного типа устанавливают в стандартах технических требований (условий) или в других нормативных документах.

Предел допускаемой погрешности средства измерений – наибольшее значение погрешности средств измерений, устанавливаемое нормативным документом для данного типа средств измерений, при котором оно еще признается годным к применению.
Примечания:

• При превышении установленного предела погрешности средство измерений признается негодным для применения (в данном классе точности).
• Обычно устанавливают пределы допускаемой погрешности, то есть границы зоны, за которую не должна выходить погрешность.

Пример. Для 100-миллиметровой концевой меры длины 1-го класса точности пределы допускаемой погрешности +/- 50 мкм.

Нормируемые метрологические характеристики типа средства измерений – совокупность метрологических характеристик данного типа средств измерений, устанавливаемая нормативными документами на средства измерений.

Точностные характеристики средства измерений – совокупность метрологических характеристик средства измерений, влияющих на погрешность измерения.
Примечание. К точностным характеристикам относят погрешность средства измерений, нестабильность, порог чувствительности, дрейф нуля и др.

6. Измерения. Виды измерений.

Измерения как экспериментальные процессы весьма разнообразны. Это объясняется множеством экспериментальных величин, различным характером измерения величин, различными требованиями точности измерения и другие.

Наиболее распространена классификация видов измерений в зависимости от способа обработки экспериментальных данных. В соответствии с этой классификацией измерения делятся на прямые, косвенные, совместные и совокупные.

Содержание [убрать] · 1 Косвенное измерение o 1.1 Замечания (касается РФ) · 2 Совместное измерение · 3 Совокупное измерение o 3.1 Замечания (касается РФ)

[править]Косвенное измерение

Косвенное измерение — измерение, при котором искомое значение величины находится на основании известной зависимости между этой величиной и величинами, подвергаемыми прямым измерениям.

· сопротивление резистора находим на основании закона Ома подстановкой значений силы тока и напряжения, получаемых в результате прямых измерений. (Проводим прямое измерение напряжения, проводим прямое измерение тока, потом на основании полученных ДВУХ чисел получаем косвенное «измерение» сопротивления)

[править] Замечания (касается РФ)

Проблема данного определения в том, что под такую трактовку понятия «Косвенного измерения» попадают любые программные расчёты на ЭВМ. Это не гипотетическая ситуация — ВНИИМС выпустил соответствующие МИ 2955—2010, МИ 3290-2010, МИ 3286, МИ 2955—2010 это «Типовая методика аттестации программного обеспечения средств измерений». Теперь, все программное обеспечение АИИС (автоматизированные информационно-измерительные системы), обрабатывающее результаты измерений считается выполняющим «косвенные (или совокупные) измерения» и требует фиксации, аттестации, проверки. Под «фиксацией» в данных методиках испытаний (МИ) понимают расчёт контрольных сумм файлов, и при любых изменениях контрольных сумм необходимо переповерять и переаттестовывать систему. Под подобную трактовку попадают любые программы, связанные с расчётами за электроэнергию, газ, воду, тепло и т. д. Естественно, поверку и аттестацию предполагается выполнять не бесплатно.

[править]Совместное измерение

Совместное измерение — одновременное измерение нескольких неодноименных величин для нахождения зависимости между ними. При этом решается система уравнений.

· определение зависимости сопротивления от температуры. При этом измеряются неодноименные величины, по результатам измерений определяется зависимость.

· определение зависимости тока от напряжения: меняем напряжение, и смотрим, как при этом меняется ток, проводим соответствующие измерения меняющихся напряжения и тока, получаем зависимость тока от напряжения, а потом определяем, что это за зависимость, и все её параметры.

[править]Совокупное измерение

Совокупное измерение — это проведение ряда измерений (чаще всего прямых, но, вообще-то, измерения из ряда могут быть любыми — вспомните, как получаются сложные функции в математике) нескольких величин одинаковой размерности в различных сочетаниях, после чего искомые значения величин находятся решением системы уравнений. Число уравнений при этом должно быть равно числу измерений.

· измерение сопротивления резисторов, соединённых треугольником. При этом измеряется значение сопротивления между вершинами. По результатам определяются сопротивления резисторов.

· определение масс гирь набора гирь (1, 2, 2, 5) кг с использованием одной эталонной гири 1 кг и компаратора масс («весов», предназначенных для определения разности масс двух грузов). Компарируют, например:

— эталон с гирей 1 кг из набора; — эталон + гирю 1 кг из набора с гирей 2 кг из набора; — эталон + гирю 1 кг из набора с другой гирей 2 кг из набора; — гири 1 + 2 + 2 кг из набора с оставшейся гирей 5 кг из набора. править Замечания (касается РФ)

Проблема данного определения в том, что под такую трактовку понятия «Совокупного измерения» попадают любые программные расчёты на ЭВМ. Это не гипотетическая ситуация — ВНИИМС выпустил соответствующие МИ 2955—2010, МИ 3290-2010, МИ 3286, МИ 2955—2010 это «Типовая методика аттестации программного обеспечения средств измерений». Теперь, все программное обеспечение АИИС (автоматизированные информационно-измерительные системы), обрабатывающее результаты измерений считается выполняющим «косвенные (или совокупные) измерения» и требует фиксации, аттестации, поверки. Под «фиксацией» в данных методиках испытаний (МИ) понимают расчет контрольных сумм файлов, и при любых изменениях контрольных сумм необходимо переповерять и переаттестовывать систему. Под подобную трактовку попадают любые программы, связанные с расчетами за электроэнергию, газ, воду, тепло и т. д. Естественно, поверку и аттестацию предполагается выполнять не бесплатно.

7. Методы измерений.

Методы измерений можно классифицировать по различным признакам. Для общеметрологического анализа важными являются традиционные классификации, основанные на следующих признаках:

· физический принцип, положенный в основу измерения;

· режим взаимодействия средства измерений с объектом;

· вид применяемых средств измерений;

· вид хранителя единицы физической величины и характер измерительных операций.

По первому признаку все методы измерений делятся на электрические, магнитные, акустические, оптические и т.д. По режиму взаимодействия их можно разделить на статические и динамические, контактные и бесконтактные методы. По виду применяемых средств измерений - на аналоговые и цифровые.

По последнему признаку выделяют следующие основные методы измерений:

· метод отклонений:

o простой метод отклонений;

o дифференциальный метод отклонений;

· нулевой метод:

o компенсационный метод;

o метод замещения.

Конкретному методу измерений соответствуют определенные измерительные действия, структура построения измерительной системы, а также алгоритм определения результата измерения.

Рассмотрим структуры измерительных систем, реализующие перечисленные методы измерения.

Простой метод отклонений это метод измерений, в котором значение величины определяют непосредственно по отсчетному устройству измерительного прибора прямого действия, заранее градуированного в единицах измеряемой физической величины. На рис.2.1. представлена структура измерительной системы для измерения по простому методу отклонений (здесь ИП - измерительный преобразователь).

Этому методу соответствует измерительное уравнение вида:

x = y[X],

где x - измеряемая величина; y - числовое значение величины; [X] - единица физической величины.

Примерами измерительных систем, реализующих простой метод отклонений, являются измерительная линейка, пружинный динамометр, стрелочный прибор для измерения силы электрического тока или напряжения и др. В этом случае измерительный прибор выступает в качестве хранителя единицы физической величины.

Сущность дифференциального метода отклонений состоит в том, что на измерительный прибор воздействует разность между измеряемой величиной и известной величиной, воспроизводимой мерой. Под мерой в метрологии понимают средство измерения, предназначенное для воспроизведения и (или) хранения физической величины одного или нескольких заданных размеров, значения которых выражены в установленных единицах и известны с необходимой точностью. На рис.2.2. показана структура измерительной системы, в основе которой лежит дифференциальный метод отклонений.

В структурную схему измерительной системы по этому методу добавлен источник эталонной величины Xэт (ИЭВ) и средство сравнения однородных величин (компаратор). Задачей последнего является получение разности между измеряемой величиной и известной величиной эталонного источника. Измерительным уравнением в данном случае будет выражение вида:

x - xэт = y·[X].

Примером реализации данного метода измерений является измерительная система с применением дифференциальной термопары для измерения температуры объекта исследования. Один спай такой термопары устанавливается на объекте измерений, а второй в термостат с известной температурой, например, сосуд Дъюара с кубиками тающего льда. Здесь термопара играет роль и измерительного преобразователя и суммирующего элемента. Термо-э.д.с., вырабатываемая такой термопарой, будет прямо пропорциональна разности температур между объектом измерения и термостатом.

К нулевым относят методы, в которых результирующий эффект воздействия измеряемой и эталонной величин на компаратор измерительной системы доводят до нуля. При этом балансировки измерительной системы может осуществляться либо программно, либо адаптивно.

На рис.2.3 представлена структура измерительной системы, реализующей нулевой компенсационный метод.

Структурная схема измерительной системы включает компаратор, детектор балансировки (ДБ), балансировочное устройство (БУ), источник эталонной величины (ИЭВ) и выходную ступень. С помощью балансирующего устройства и детектора балансировки источник эталонной величины настраивают таким образом, чтобы разность (x - xэт) стремилась к 0. При выполнении этого условия измеряемая величина x будет равна xэт. Выходная ступень измерительной системы реализует измерительное уравнение

xэт = y·[X].

Примерами реализации компенсационного метода являются рычажные весы с гирями, мост Уитстона для измерения электрического сопротивления. Для расширения возможностей измерительной системы с использованием компенсационного метода в последнюю вводят дополнительное числовое множество К, называемое делителем или аттенюатором. При этом измерительная система приводится к нулю изменением К или ИЭВ (рис. 2.4).

В компенсационном методе сравнение x и xэт ведется непосредственно и одновременно.

На рис.2.5 представлена структура измерительной системы, реализующей нулевой метод замещения.

В этом методе измеряемую величину замещают известной величиной, воспроизводимой мерой. Сравнение x и xэт в данном случае не осуществляется непосредственно и одновременно.

Примером данного метода может являться взвешивание с поочередным помещением измеряемой массы и гирь на одну и ту же чашку весов.

По общим приёмам получения результатов измерений можно разделить на прямые, косвенные, совместные и совокупные. При этом основным признаком является вид уравнения измерения, связывающего измеряемую и непосредственно наблюдаемые величины.

При прямом измерении измеряемая величина Y пропорциональна непосредственно наблюдаемой X:

Y = cX,

где с - заданный коэффициент.

Примерами прямых измерений могут служить измерение тока амперметром, напряжения - вольтметром, сопротивления - омметром, мощности - ваттметром и т.п.

Косвенное измерение - это измерение, при котором искомое значение величины находят на основании известной зависимости между этой величиной и величинами, подвергаемыми прямым измерениям. Например, нахождение значения электрического сопротивления по показаниям амперметра и вольтметра; удельного сопротивления проводника - по его сопротивлению, длине и площади поперечного сечения; площади - по форме и размерам геометрической фигуры и т.п.

При косвенном измерении величина Y является известной функцией от непосредственно наблюдаемых аргументов X1,..., Xm:

Y = F(Х1, Х2,... Хm).

При косвенном измерении предварительно находят значения величин Xi, а потом, подставляя их в выражение, определяют значение величины Y.

Совокупные измерения - это производимые одновременно измерения одноименных величин, при которых искомые значения величин находят решением системы уравнений, получаемых при прямых измерениях различных сочетаний этих величин.

При совокупных измерениях значения набора одноименных величин Х1, Х2,..., Хk как правило, определяют путем измерений сумм или разностей этих величин в различных сочетаниях:

где коэффициенты cij принимают значения ±1 или 0.

Совместные измерения - это проводимые одновременно измерения двух или нескольких неодноименных величин для нахождения зависимости между ними.

Примером совместных измерений является определение температурных коэффициентов и начального сопротивления для терморезисторного преобразователя. Пусть зависимость сопротивления платиновой проволоки от температуры выражается формулой

где - сопротивление терморезисторного преобразователя при повышении начальной температуры на К, Ом; - сопротивление преобразователя при начальной температуре, Ом; - превышение температуры преобразователя над начальной температурой, К; - температурный коэффициент, К-1; - температурный коэффициент, К-2.

Пусть проведено измерение сопротивления преобразователя при трех различных температурах: и . Система уравнений для неизвестных имеет вид

Переходя к переменным можно получить систему уравнений, линейную относительно переменных X1, Х2, Х2.

По точности измерений измерительные средства можно разделить на: эталоны, образцовые и рабочие средства измерений.
Эталон единицы - это средство измерений, обеспечивающее воспроизводство и (или) хранение единицы физической величины с целью передачи ее размера образцовым и рабочим средствам измерений.
Образцовое средство измерений - мера или измерительное устройство, служащие для поверки по ним других средств измерений и утвержденные в качестве образцовых.
Рабочее средство измерений - средство применяемое для измерений, не связанных с передачей размера единицы.

По способу обработки сигнала измерительной информации приборы делятся на аналоговые и цифровые. В аналоговых приборах показания являются непрерывной функцией размера измеряемой величины, т.е. могут, как и измеряемая величина, принимать бесконечное множество значений.В цифровых приборах непрерывная измеряемая величина дискретизируется по времени, квантуется по уровню, кодируется и в виде цифрового кода отображается на цифровом отсчетом устройстве. В результате показания цифрового прибора могут принимать лишь конечное число значений.Цифровые средства измерения обеспечивают, как правило, большую точность и быстродействие. Однако не всегда цифровое устройство лучше аналогового. При большом числе одновременно измеряемых величин (контроль сложного объекта) или при динамическом изменении входной величины показания аналоговых приборов воспринимаются легче, обеспечивая оперативность анализа контролируемого процесса. Поэтому для повышения информативности отсчетные устройства современных цифровых приборов могут дополняться, так называемыми, линейными шкалами - определенным образом расположенными сегментами на цифровом индикаторе.

Дата добавления: 2015-04-30