Метрологические свойства и метрологические характеристики средств измерений

Метрологические свойства СИ — это свойства, влияющие на результат измерений и его погреш­ность. Показатели метрологических свойств являют­ся их количественной характеристикой и называются метрологическими характеристиками. Метрологические характеристики, устанавливае­мые НД, называют нормируемыми метрологически­ми характеристиками.

Все метрологические свойства СИ можно разде­лить на две группы:

1) свойства, определяющие область применения СИ;

2) свойства, определяющие качество измерения.

К основным метрологическим характеристикам, определяющим свойства первой группы, относятся диапазон измерений и порог чувствительности.

Диапазон измерений — область значений величи­ны, в пределах которых нормированы допускаемые пределы погрешности. Значения величины, ограни­чивающие диапазон измерений снизу или сверху (слева и справа), называют соответственно нижним или верхним пределом измерений.

Порог чувствительности — наименьшее измене­ние измеряемой величины, которое вызывает замет­ное изменение выходного сигнала. Например, если порог чувствительности весов равен 10 мг, то это озна­чает, что заметное перемещение стрелки весов дости­гается при таком малом изменении массы, как 10 мг.

К метрологическим свойствам второй группы от­носятся три главных свойства, определяющих качест­во измерений: точность, сходимость и воспроизводи­мость измерений.

Наиболее широко в метрологической практике используется первое свойство — точность измере­ний. Рассмотрим его наиболее подробно. Точность измерений СИ определяется их погрешностью.

Погрешность — это разность между показания­ми СИ и истинным (действительным) значением из­меряемой физической величины. Поскольку истин­ное значение физической величины неизвестно, то на практике пользуются ее действительным значени­ем. Для рабочего СИ за действительное значение принимают показания рабочего эталона низшего раз­ряда (допустим, 4-го), для эталона 4-го разряда, в свою очередь, — значение физической величины, полученное с помощью рабочего эталона 3-го разря­да. Таким образом, за базу для сравнения принима­ют значение СИ, которое является в поверочной схе­ме вышестоящим по отношению к подчиненному СИ, подлежащему поверке.

Следует делать различие между понятиями «погрешность» и «ошибка». Первая возникает по объективным обстоятельствам, ус­транить ее невозможно, можно уменьшить с помощью определен­ных методов. Термин «ошибка» связан с субъективными обстоя­тельствами. После проверки результатов ее устраняют.

А Х_П = Х_П - Х₀

где А Х_П — погрешность поверяемого СИ; Х_П - значение той же самой величины, найденное с помощью поверяемого СИ; Х₀ — значение СИ, принятое за базу для сравнения — действительное значение.

Например, при измерении барометром атмосферного давления получено значение Х_П - 1017 гПа. За действительное значение принято показание рабочего эталона, которое равнялось Х₀ = 1020 гПа. Следовательно, погрешность измерения барометром составила:

А Х_П = 1017 - 1020 = -3 гПа.

Погрешности СИ могут быть классифицированы по ряду признаков, в частности:

- по способу выражения — абсолютные, относительные;

- по характеру проявления — систематические случайные;

- по отношению к условиям применения — основные, дополнительные.

Наибольшее распространение получили метрологические свойства, связанные с первой группировкой — с абсолютными и относительными погрешностями.

Точность измерений СИ — качество измерений отражающее близость их результатов к действительному (истинному) значению измеряемой величины Точность определяется показателями абсолютной иотносительной погрешности.

Определяемая по формуле А Х_П является абсо­лютной погрешностью. Однако в большей степени точность СИ характеризует относительная погреш­ность (d), т.е. выраженное в процентах отношение абсолютной погрешности к действительному значе­нию величины, измеряемой или воспроизводимой данным СИ:

d = 100 * А Х_П / Х₀

Точность может быть выражена обратной величи­ной относительной погрешности — 1/d. Если погреш­ность d = 0,1% или 0,001, то точность равна 10³.

В стандартах нормируют характеристики точнос­ти, связанные с другими погрешностями.

Систематическая погрешность — составляющая погрешности результата измерения, остающаяся по­стоянной (или же закономерно изменяющейся) при повторных измерениях одной и той же величины. Ее примером может быть погрешность градуировки, в частности погрешность показаний прибора с круговой шкалой и стрелкой, если ось последней смещена на некоторую величину относительно центра шкалы. Если эта погрешность известна, то ее исключают из результатов разными способами, в частности введе­нием поправок.

При нормировании систематической составляю­щей погрешности СИ устанавливают пределы допус­каемой систематической погрешности СИ кон­кретного типа. Величина систематической по­грешности определяет такое метрологическое свойство, как правильность измерений СИ.

Случайная погрешность — составляющая погреш­ности результата измерения, изменяющаяся случай­ным образом (по знаку и значению) в серии повтор­ных измерений одного и того же размера величины с одинаковой тщательностью. В появлении этого вида погрешности не наблюдается какой-либо закономер­ности. Они неизбежны и неустранимы, всегда при­сутствуют в результатах измерения. При многократ­ном и достаточно точном измерении они порождают рассеяние результатов.

Характеристиками рассеяния являются средняя арифметическая погрешность, средняя квадратичная погрешность, размах результатов измерений. По­скольку рассеяние носит вероятностный характер, то при указании на значения случайной погрешности задают вероятность.

Выше были подробно рассмотрены характеристи­ки точности результатов измерений. Рассмотрим два других свойства, определяющих качество измере­ний, — сходимость и воспроизводимость результатов измерений.

Сходимость результатов измерений — характерис­тика качества измерений, отражающая близость друг к другу результатов измерений одной и той же вели­чины, выполненных повторно одними и теми же средствами, одним и тем же методом, в одинаковых условиях и с одинаковой тщательностью.

Количественная оценка сходимости может быть дана с помощью разных показателей. Так, в стандар­тах на методы определения химического состава мяса сходимость указывается в различной форме: при оп­ределении нитрита за результат анализа принимают среднее арифметическое из двух параллельных опре­делений при расхождении по отношению к среднему не более 10% при Р= 0,95; при определении азота раз­ница между результатами двух определений, выпол­ненных одновременно или с небольшими промежут­ками времени одним и тем же химиком-аналитиком, не должна превышать 0,10 г азота на 10 г образца.

Воспроизводимость результатов измерений — по­вторяемость результатов измерений одной и той же величины, полученных в разных местах, разными ме­тодами, разными операторами, в разное время, но при­веденных к одним и тем оке условиям измерений (тем­пературе, давлению, влажности и др.).

Например, в стандарте на методы определения плотности молока воспроизводимость регламентиру­ется в следующей форме: допускаемое расхождение между результатами определения плотности молока одним типом ареометра в различных условиях (в раз­ное время, в разных местах и разными операторами) не должно превышать 0,8 кг/м³.

В процедурах сличения результатов анализа каче­ства однотипной продукции в разных лабораториях рекомендуется оценивать воспроизводимость по методике, изложенной в следующем примере.

Номенклатура нормируемых метрологических ха­рактеристик СИ определяется назначением, условия­ми эксплуатации и многими другими факторами. У СИ, применяемых для высокоточных измерений, нормируется до десятка и более метрологических ха­рактеристик в стандартах технических требований (технических условий) и ТУ. Нормы на основные ме­трологические характеристики приводятся в эксплуа­тационной документации на СИ. Учет всех нормиру­емых характеристик необходим при измерениях вы­сокой точности и в метрологической практике. В по­вседневной производственной практике широко пользуются обобщенной характеристикой — классом точности.

Класс точности СИ — обобщенная характеристи­ка, выражаемая пределами допускаемых (основной и дополнительной) погрешностей, а также другими ха­рактеристиками, влияющими на точность. Классы точности конкретного типа СИ устанавливают в НД. При этом для каждого класса точности устанавлива­ют конкретные требования к метрологическим ха­рактеристикам, в совокупности отражающим уровень точности СИ данного класса. Например, для вольт­метров нормируют предел допускаемой основной по­грешности и соответствующие нормальные условия; пределы допускаемых дополнительных погрешнос­тей; пределы допускаемой вариации показаний; не­возвращение указателя к нулевой отметке. У плоско-параллельных концевых мер длины такими характе­ристиками являются пределы допускаемых отклоне­ний от номинальной длины и плоскопараллельности; пределы допускаемого изменения длины в течение года. У мер электродвижущей силы (нормальных эле­ментов) нормируют пределы допускаемой нестабиль­ности ЭДС в течение года.

Обозначение классов точности осуществляется следую­щим образом. Если пределы допускаемой основной погрешности выра­жены в форме абсолютной погрешности СИ, то класс точно­сти обозначается прописными буквами римского алфавита. Классам точности, которым соответствуют меньшие пределы допускаемых погрешностей, присваиваются буквы, находя­щиеся ближе к началу алфавита. Для СИ, пределы допускаемой основной погрешности которых принято выражать в форме относительной погрешно­сти, обозначаются числами, которые, равны этим пределам, выраженным в процентах. Так, класс точности 0,001 нормаль­ных элементов свидетельствует о том, что их нестабильность за год не превышает 0,001%. Обозначения класса точности на­носят на циферблаты, щитки и корпуса СИ, приводят в НД. СИ с несколькими диапазонами измерений одной и той же физической величины или предназначенным для измерений разных физических величин могут быть присвоены различные классы точности для каждого диапазона или каждой измеряе­мой величины. Так, электроизмерительному прибору, пред­назначенному для измерений напряжения и сопротивления, могут быть присвоены два класса точности: один как вольтме­тру, другой как омметру.

Присваиваются классы точности СИ при их раз­работке (по результатам приемочных испытаний). В связи с тем, что при эксплуатации их метрологичес­кие характеристики обычно ухудшаются, допускается понижать класс точности по результатам поверки (калибровки).

Итак, класс точности позволяет судить о том, в каких пределах находится погрешность измерений этого класса. Это важно знать при выборе СИ в за­висимости от заданной точности измерений.