Нормирование метрологических характеристик средств измерений

Средства измерений только тогда можно использовать по назначению, если известны их метрологические свойства.

Метрологическими характеристиками средств измерений назы­вают их характеристики, оказывающие влияние на результаты и пог­решности измерений. Они предназначены для оценки погрешностей из­мерений, производимых в известных рабочих условиях, как в статическом, так и в динамическом режимах. Метрологические характеристики, присущие конкретному средст­ву измерений, определяются только для образцовых средств измере­ний. Для рабочих средств измерений информация об их метрологичес­ких характеристиках содержится в нормах, которые устанавливаются в нормативно-технических документах для совокупности приборов данного типа. Метрологические характеристики конкретного экземп­ляра средства измерений не должны выходить за пределы установлен­ной нормы.

Нормирование метрологических характеристик средств измерений электрических величин основывается на ряде документов законодатель­ной метрологии [3, 4, 5].

К нормируемым метрологическим характеристикам средств изме­рений относят: номинальное значение однозначной меры, номинальную статическую характеристику преобразования измерительного преобра­зователя, наименьшую цену деления неравномерной шкалы измеритель­ного прибора, номинальную цену единицы младшего разряда кода циф­ровых средств измерений, характеристики систематической и случай­ной составляющих погрешности средства измерений, входное и выход­ное полные сопротивления, характеристики влияния внешних условий, характеристики инерционных свойств (динамические характеристики), неинформативные параметры входного сигнала и ряд других.

Для средств измерений устанавливаются нормальные и рабочие условия применения, которые характеризуются соответственно норма­льной или рабочей областью значений влияющих величин.

Нормальные и рабочие значения всех влияющих величин устанав­ливаются в стандартах или технических условиях на средства измере­ния конкретного вида. Номер стандарта, устанавливающего техничес­кие требования к данному виду средств измерения, обозначается не­посредственно на них.

Установление границ для отклонений реальных метрологических свойств средств измерений от их номинальных значений – нормирова­ние метрологических свойств – предопределяет качество средств измерений. Вместе с тем соответствие средств измерений определен­ного типа установленным для них нормам делает их взаимозаменяе­мыми. При изготовлении средств измерений, а затем периодически в процессе эксплуатации проверяют, не выходят ли за установленные нормы реальные свойства средств измерений. И если какое-то из них отклоняется от своего номинального значения больше, чем предусмот­рено нормами, то средство измерения либо регулируют, либо изымают из применения.

Специфической метрологической характеристикой средств изме­нений является их погрешность. Нормирование погрешностей средств измерений осуществляется на основе рекомендации № 34 Международной организации законодательной метрология (МОМЗ) и ГОСТ 8.401-80 [З]. В основе этих документов лежат следующие положения:

1. В качестве норм указывают пределы допускаемых погрешнос­тей, включающих в себя и систематические, и случайные составляющие.

2. Порознь нормируют все свойства средств измерений, влияю­щие на их точность: отдельно нормируют основную погрешность, по отдельности – все дополнительные погрешности и другие свойства, влияющие на точность измерений, выполняемых с помощью данных средств измерений.

Одновременно устанавливаются ряды пределов допускаемых пог­решностей. Это позволяет упорядочить требования к средствам изме­рений по точности и тем самым ограничить их номенклатуру. В наибо­лее развитом виде это упорядочение осуществляется путем установле­ния классов точности средств измерений.

Согласно [I] классом точности средства измерений называют обобщенную характеристику средства измерений, определяемую преде­лами допускаемых основных и дополнительных погрешностей, а также другими свойствами средств измерений, влияющими на точность, зна­чения которых устанавливаются в стандартах на отдельные виды средств измерений.

Следует отметить, что класс точности средств измерений харак­теризует их свойства в отношении точности, но не является непос­редственным показателем точности измерений, выполняемых с помощью этих средств.

Предел допускаемой основной погрешности – это наибольшая (без учёта знака) основная погрешность средств измерений, при которой оно может быть признано годным и допущено к применению.

Предел допускаемой абсолютной основной погрешности [3] мо­жет быть выражен:

одним значением

D=± a, (1.7)

где D – предел допускаемой абсолютной основной погрешности, выраженной в единицах измеряемой величины или условно в делениях шкалы; a – постоянная величина; (это относится к приборам, у которых преобладает аддитивная составляющая погрешности);

в виде линейной зависимости

D=± (a+bx), (1.8)

где a, b - положительные числа, не зависящие от x (такая формула применяется для приборов, у которых аддитивная и мульти­пликативная составляющие погрешности соизмеримы), или иным урав­нением D =f(x); при сложной зависимости последняя представляет­ся таблицей или графиком.

Предел допускаемой приведенной основной погрешности следует устанавливать по формуле

(1.9)

где g - предел допускаемой приведенной основной погрешности, % Х_N - нормирующее значение, выраженное в тех же единицах, что и А;

р - отвлеченное положительное, число, выбираемое из ряда 1×10ⁿ, 1,5×10ⁿ, 2×10ⁿ, 2,5×10ⁿ, 4×10ⁿ, 5×10ⁿ, 6×10ⁿ (n=1,0,-1,-2 и т.д.).

Нормирующее значение X_N принимается равным конечному зна­чению шкалы прибора, если нулевая отметка находится на краю или вне шкалы; сумме модулей пределов измерения, если нулевая отметка находится внутри шкалы; номинальному значению измеряемой величины, если таковое установлено; длине шкалы или её части, соответствую­щей диапазону измерений, если шкала существенно неравномерна. В этом случае пределы абсолютной погрешности, как и длину шкалы, вы­ражают в единицах длины; в иных случаях указания по выбору норми­рующего значения должны быть приведены в стандартах на средства измерений конкретного вида.

Предел допускаемой относительной основной погрешности d (в процентах) устанавливают по одной из следующих формул:

(1.10), (1.11)

где q – отвлеченное положительное число, выбираемое из того же ряда, что и р ; Х_К – больший (по модулю) из пределов изме­рений; c, d – положительные числа, выбираемые из рада, что и q

формула (1-11) получена из (1-10) следующим преобразова­нием:

В обоснованных случаях пределы допускаемой относительной основной погрешности устанавливают по более сложной формуле или в виде графика либо таблицы.

В стандартах или технических условиях на средства измерений должно быть установлено минимальное значение х, равное х₀ , на­чиная от которого применим принятый способ выражения пределов допускаемой относительной погрешности, иначе при хà0, dà¥.

С использованием чисел указанного выше для p, q, c, d ряда разработаны условные обозначения классов точности, применяе­мые в документации на средства измерений, а также обозначения, на­носимые на них. Примеры принятых обозначений классов точности этих средств измерений приведены в табл.1.1.

Пределы всех дополнительных погрешностей и другие свойства средств измерений, влияющие на точность результатов измерений, также связаны с их классом точности. Эта связь раскрывается в частных стандартах. Пределы допускаемых дополнительных погрешнос­тей выражают в той же форме, что и основной. Например, изменение показаний электроизмерительного прибора класса точности 1.0, выз­ванное изменением температуры, не должно выходить за пределы 1,0 % на каждые 10 К изменения температуры в пределах рабочего интервала.

Нормирование динамических характеристик средств измерений ин­тересует нас в тех случаях, когда их нужно считать метрологически­ми. Задачи нормирования и общие принципы их решения остаются теми же, что и при нормировании погрешностей средств измерений.

Динамические характеристики средств измерений делят на пол­ные и частные.

Полная динамическая характеристика средства измерений – это характеристика, полностью определяющая изменение во времени сигнала на выходе при известном изменении во времени сигнала на входе средства измерений.

Частная динамическая характеристика – это параметр полной динамической характеристики или её функционал.

Полная динамическая характеристика, согласно [5], опреде­ляется дифференциальным уравнением, передаточной функцией, амп­литудно-фазовой частотной характеристикой, импульсной характеристикой, переходной характеристикой.

Таблица 1.1 Обозначения классов точности.

Форма выражения погрешности	Пределы допускаемой основной погрешности.	Пределы допускаемой основной погрешности %	Обозначение класса точности
В докумен-тации	На средстве измерения
Приведенная	По формуле 1.9 если нормирующее значение выражено в единицах величины на входе или выходе средств измерений, если в нормирующее значение принято равным длине шкалы или ее части.	g=±1.5   g=±0.5	Класс точности 1.5   Класс точности 0.5	1.5   0.5
Относительная	По формуле 1.10   По формуле 1.11	d=±0.5   d=±[0.02+0.01(|Xk/x|‑1)]	Класс точности 0.5   Класс точности 0.02/0.01	0.5   0.02/0.01
Относительная			Класс точности С.	С
Абсолютная	По формулам 1.7 и 1.8		Класс точности М.	М

Примерами частных динамических характеристик являются наи­большая динамическая погрешность при заданной форме входного сигнала, полоса пропускания частот при заданной неравномерности амплитудно-частотной и нелинейности фазочастотной характеристики.

При нормировании динамических свойств средств измерений выбирают подходящую для конкретного типа средств измерений динами­ческую характеристику, устанавливают, какой она должна быть, т.е. устанавливают номинальную динамическую характеристику и допустимые отклонения от неё. Назначение средств измерений, а также их свойства определяют, какую характеристику – полную или частную – следует выбрать в качестве нормируемой. Эти же мотивы определяют и выбор вида характеристики.

Очевидно, было бы удобнее нормировать динамические характеристики по заданным пределам допускаемых динамических погрешностей. Но такой способ оправдан лишь тогда, когда известно, что входной сигнал по форме мало изменяется. Поэтому для средств измерений, входные сигналы которых могут по форме существенно изменяться, что имеет место у большинства авиационных приборов, динамические свойства предпочтительнее нормировать одной из полных динамических характеристик.

Подавляющее большинство средств измерений описывается линейными дифференциальными уравнениями первого или второго порядка, реже более высоких порядков. В этом случае нормируют коэффициенты при всех членах уравнений. Например, для дифференциальных уравнений первого порядка нормируется постоянная времени, для дифференциальных уравнений второго и более высокого порядков указывают вид выбранной полной динамической характеристики, номинальные значения всех коэффициентов её и пределы допускаемых отклонений от нее.

Если динамическая характеристика выбрана в виде передаточ­ной функции, то указывают номинальные значения всех её коэффициентов и пределы их допустимых отклонений.

Если динамическая характеристика средства измерения выбрана в виде импульсной или переходной функции, то нормируются частота собственных колебаний, степень успокоения, время установления показаний и пределы их допустимых отклонений от номинальных значений.

При выборе динамической характеристики средства измерений в виде амплитудно- и фазочастотных характеристик нормируются их номинальные зависимости и пределы допустимых отклонений от них, например, в виде графиков, таблиц или формул.