Лабораторная работа № 7 ОСНОВНЫЕ МЕТРОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ
Общие положения
Термины и определения, заимствованные из РМГ 29 – 99 и ГОСТ 8.009-84 выделены курсивом.
Метрологические характеристики (МХ) средств измерений по ГОСТ 8.009-84 делят на следующие группы:
- характеристики, предназначенные для определения результатов измерений (без введения поправки). Такие МХ можно назвать номинальными;
- характеристики погрешностей СИ;
- характеристики чувствительности СИ к влияющим величинам, которые тоже можно отнести к характеристикам погрешностей;
- динамические характеристики СИ;
- неинформативные параметры выходного сигнала СИ (предпочтительно рассматривать неинформативные параметры сигнала измерительной информации).
В стандарте упоминается также группа, названная «характеристики СИ, отражающие их способность влиять на инструментальную составляющую погрешности измерений вследствие взаимодействия СИ с любым из подключенных к их входу или выходу компонентов (таких как объект измерений, средство измерений и т.п.)».
В настоящей лабораторной работе исследуют только характеристики первых двух групп. Характеристики чувствительности СИ к влияющим величинам, динамические характеристики СИ, неинформативные параметры выходного сигнала СИ не рассматриваются как не определяемые в лабораторной работе. По той же причине не описаны характеристики СИ, «отражающие их способность влиять на инструментальную составляющую погрешности измерений вследствие взаимодействия СИ с любым из подключенных к их входу или выходу компонентов».
Простейшим средством измерений, которое не осуществляет преобразования физической величины, является мера.
Мера физической величины (мера) – средство измерений, предназначенное для воспроизведения и (или) хранения физической величины одного или нескольких заданных размеров, значения которых выражены в установленных единицах и известны с необходимой точностью.
Примечания
1 Различают следующие разновидности мер:
однозначная мера – мера, воспроизводящая физическую величину одного размера (например, гиря 1 кг);
многозначная мера — мера, воспроизводящая физическую величину разных размеров (например, штриховая мера длины);
набор мер — комплект мер разного размера одной и той же физической величины, предназначенных для применения на практике как в отдельности, так и в различных сочетаниях (например, набор концевых мер длины);
магазин мер — набор мер, конструктивно объединенных в единое устройство, в котором имеются приспособления для их соединения в различных комбинациях (например, магазин электрических сопротивлений).
2 При оценивании величин по условным (неметрическим) шкалам, имеющим реперные точки, в качестве «меры» нередко выступают вещества или материалы с приписанными им условными значениями величин. Так, для шкалы Мооса мерами твердости являются минералы различной твердости. Приписанные им значения твердости образуют ряд реперных точек условной шкалы.
Номинальной метрологической характеристикой меры является номинальное значение меры – значение величины, приписанное мере или партии мер при изготовлении.
Для однозначной меры и многозначных мер номинальные значения представляют именованными числами (одно значение для однозначной меры Y, или множество значений Yi для многозначной меры).
У многозначных штриховых мер есть также характеристики, связанные со шкалой. Это цена деления шкалы – разность значения величины, соответствующих двум соседним отметкам шкалы средства измерений; длина деления шкалы – расстояние между осями (или центрами) двух соседних отметок шкалы, измеренное вдоль воображаемой линии, проходящей через середины самых коротких отметок шкалы; начальное значение шкалы – наименьшее значение измеряемой величины, которое может быть отсчитано по шкале средства измерений; конечное значение шкалы – наибольшее значение измеряемой величины, которое может быть отсчитано по шкале средства измерений.
Для определения длины деления шкалы, необходимо такое понятие, как длина шкалы – длина линии, проходящей через центры всех самых коротких отметок шкалы средства измерений и ограниченной начальной и конечной отметками.
Примечания
1 Линия может быть реальной или воображаемой, кривой или прямой.
2 Длина шкалы выражается в единицах длины независимо от единиц, указанных на шкале.
Для многозначных штриховых мер иногда используют такие МХ, как диапазон шкалы, который определяется ее нижним и верхним пределами. Диапазон измерений для многозначных штриховых мер не нормируется, поскольку верхний предел измерений практически не ограничен.
Кроме номинальных обязательно нормируются характеристики погрешностей любой меры, а остальные характеристики нормируются только по необходимости.
Измерительный преобразователь – техническое средство с нормированными метрологическими характеристиками, служащее для преобразования измеряемой величины в другую величину или измерительный сигнал, удобный для обработки, хранения, дальнейших преобразований, индикации или передачи. Примеры измерительных преобразователей – термопара, пружина динамометра, микрометрическая пара винт-гайка.
Поскольку измерительный преобразователь выдает измерительную информацию в форме, не поддающейся непосредственному восприятию оператором, непосредственная оценка его номинальных характеристик затруднительна и в данной работе не производится.
Измерительный прибор – средство измерений, предназначенное для получения значений измеряемой физической величины в установленном диапазоне. Измерительный прибор предназначен для получения измерительной информации от измеряемой физической величины, ее преобразования и выдачи в форме, поддающейся непосредственному восприятию оператором. В зависимости от формы выходного сигнала различают приборы с аналоговым либо с дискретным выходом («дискретные» приборы часто называют «цифровыми»). Следует обратить внимание, что вид устройства отображения измерительной информации не определяет форму выходного сигнала: система шкала-указатель электронно-механических часов принадлежат «дискретным» приборам, а изменение выходного сигнала бытового счетчика электроэнергии на правом барабане цифрового табло носит непрерывный характер.
Для измерительного преобразователя или прибора интегральной МХ является функция преобразования СИ. Функция преобразования может быть представлена математической зависимостью, графиком или таблицей. Линейная номинальная функция преобразования средства измерений с выходным сигналом измерительной информации в аналоговой форме графически представлена на рисунке 7.1 а.
Следует различать номинальную функцию преобразования (приписанная СИ идеальная функция, отражающая зависимость между величиной на входе средства измерений У и на его выходе Z) и градуировочную характеристику СИ (зависимость между величинами У и Z, реализованная в конкретном экземпляре средства измерений).
Градуировочная характеристика средства измерения – зависимость между значениями величин на входе и выходе средства измерений, полученная экспериментально. Примечание — Градуировочная характеристика может быть выражена в виде формулы, графика или таблицы.
Градуировочная характеристика отличается от идеальной (номинальной) функции преобразования (см. рисунок 7.1 а) и для одного СИ может быть представлена единичной реализацией (рисунок 7.1 б) или пучком реализаций (рисунок 7.1 в), полученными в ходе исследований.
 |
В настоящей работе определяют номинальные функции преобразования для выбранных средств измерений, которые представляют в виде графиков (можно дополнительно использовать и представление в виде формулы или таблицы). Градуировочную характеристику конкретного прибора можно найти только экспериментально (этот эксперимент может не входить в состав данной работы).
Кроме интегральных МХ измерительных приборов в работе определяют также некоторые их частные номинальные метрологические характеристики.
В набор оцениваемых характеристик могут входить:
- диапазон измерений;
- диапазон показаний;
а также другие характеристики, связанные со шкалой.
К последним можно отнести уже упоминавшиеся (цена деления шкалы; длина деления шкалы; начальное и конечное значения шкалы).
Диапазон измерений – область значений величины, в пределах которой нормированы допускаемые пределы погрешности средства измерений.
Примечание — Значения величины, ограничивающие диапазон измерений снизу и сверху (слева и справа), называют соответственно нижним пределом измерений или верхними пределом измерений.
Диапазон показаний средства измерений (диапазон показаний) – область значений шкалы прибора, ограниченная начальным и конечным значениями шкалы
Для приборов с дискретным (цифровым, числовым) устройством отображения измерительной информации диапазон показаний определяется видом выходного кода и числом разрядов выходного кода. Для этих же приборов вместо цены деления шкалы используют такие МХ, как цена единицы наименьшего разряда кода или номинальная ступень квантования, если она больше цены единицы наименьшего разряда кода.
Для оценки погрешностей измерительного прибора в нормативной документации, справочной литературе или документации на СИ находят значения одной или нескольких характеристик из следующего набора:
- погрешность средства измерений – разность между показанием средства измерений и истинным (действительным) значением измеряемой физической величины.
Примечания
1 Для меры показанием является ее номинальное значение.
2 Поскольку истинное значение физической величины неизвестно, то на практике пользуются ее действительным значением;
- систематическая погрешность средства измерений– составляющая погрешности средства измерений, принимаемая за постоянную или закономерно 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 – составляющая погрешности средства измерений, изменяющаяся случайным образом.
Нормированы могут быть основная и дополнительная погрешности СИ.
Основная погрешность средства измерений (основная погрешность) – погрешность средства измерений, применяемого в нормальных условиях.
Дополнительная погрешность средства измерений – 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.
Кроме того, для многих СИ установлены классы точности.
Класс точности средств измерений – 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.
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.
Возможно также использование других характеристик погрешностей.