18. Методика выполнения измерений

В соответствии с Законом «Об обеспечении единства измерений» измерения должны проводиться по методикам, аттестованным в установленном порядке.

Методика выполнения измерений — это совокупность операций и правил, выполнение которых обеспечивает получение результатов с известной погрешностью.

Поскольку погрешность определяется не только метрологическими характеристиками средств измерений, но и погрешностью отбора и приготовления проб, условиями проведения измерений, ошибкой оператора и другими причинами, это определение означает, что методики выполнения измерений могут разрабатываться и быть аттестованными только применительно к конкретным условиям проведения измерения с использованием конкретных средств.

Данное утверждение не означает, что для каждой измерительной или испытательной лаборатории должны разрабатываться собственные методики. Но если лаборатория использует тип средства измерения, приведенный в аттестованной методике, влияющие факторы (температура и влажность окружающего воздуха и измеряемой среды, напряжение и частота электрической сети, вибрация, внешнее магнитное поле и др.) находятся в определенном данной методикой диапазоне, а оператор соответствует установленной в ней квалификации,то физические величины будут измеряться в этой лаборатории с известной погрешностью.

Методики выполнения измерений содержат следующие структурные элементы и разделы:

• наименование;

• область применения;

• нормативные ссылки;

• определения;

• обозначения и сокращения;

• требования к погрешности измерений или приписанные характеристики погрешности измерений;

• средства измерения и вспомогательные устройства;

• методы измерений;

• требования безопасности, охраны окружающей среды;

• требования к квалификации операторов;

• условия измерений;

• подготовка к выполнению измерений;

• выполнение измерений;

• обработка результатов измерений;

• контроль точности результатов измерений;

• приложения.

Порядок разработки и аттестации методик выполнения измерений определяет Росстандарт. Аттестацию методик в сферах распространения государственного метрологического контроля и надзора осуществляют ГНМЦ, территориальные органы Государственной метрологической службы и другие организации, аккредитованные на право проведения аттестации. Аттестацию методик, применяемых вне сфер распространения государственного метрологического контроля и надзора, предприятия проводят в установленном ими порядке.

23. Классы точности средств измерений

Единые правила установления пределов допускаемых погрешностей показаний по классам точности средств измерений регламентирует ГОСТ 8.401-80.

Класс точности средств измерений - обобщенная характеристика средств измерений, определяемые пределами допускаемых основной и дополнительной погрешностей, а также другими свойствами средств измерений, влияющими на их точность, значения которых устанавливаются в стандартах на отдельные виды средств измерений. Классы точности присваиваются средствам измерений при их разработке с учетом результатов государственных приемочных испытаний. Класс точности хотя и характеризует совокупность метрологических свойств данного средства измерений, однако не определяет однозначно точность измерений, так как последняя зависит от метода измерений и условий их выполнения.

Средствам измерений с двумя или более диапазонами измерений одной и той же физической величены допускается присваивать два или более класса точности. Средствам измерений, предназначенным для измерений двух или более физических величин, допускается присваивать различные классы точности для каждой измеряемой величины. С целью ограничения номенклатуры средтсв измерений по точности для СИ конкретного вида устанавливают ограниченное число классов точности, определяемое технико-экономическими обоснованиями.

Классы точности цифровых измерительных приборов со встроенными вычислительными устройствами для дополнительной обработки результатов измерений устанавливают без учета режима обработки.

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: 

Δ = ± а

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%.

Расшифровка обозначений классов точности на средствах измерений

Обозначение класса точности		Форма выражения погрешности	Пределы допускаемой основной погрешности	Примечание
на средстве измерений	в документации
0,5	Класс точности 0,5	Приведенная	γ = ±0,5%	нормирующее значение выражено в единицах измеряемой величины
	Класс точности 0,5		γ = ±0,5%	нормирующее значение принято равным длине шкалы или её части
	Класс точности 0,5	Относительная	δ = ±0,5%	δ = Δ / х
0,02/0,01	Класс точности 0,02/0,01		δ = ±[0,02 + 0,01·(|хк / х| - 1)] %	δ = ±[c + d·(|хк / х| - 1)]

 

26 Причины возникновения погрешностей. Методическая погрешность. Процедура измерения (И) состоит из основных этапов: 1) принятие модели объектоизмерения; 2) выбор метода И.; 3) выбор средств измерения (СИ); 4) проведение эксперимента с целью получения численного значения измеряемой величины (ИВ). Различные недостатки на этих этапах приводят к неизбежному отличи. результата И. от истинного значения ИВ, эти отличия — погрешности. Причины возникновения П. различны: измерительные преобразования осущ. с применением различных физических явлений на основании которых можно установить соответствие между ИВ объекта исследования и выходного сигнала СИ, по которому оценивается рез-т измерения. Точно установить это соответствие не удается из-за недостаточной изученности объекта исследования, невозможности точного учета влияния внешних факторов, использование простых, но приближенных аналитических зависимостей вместо более точных и сложных и т.д. В результате принимается зависимость между ИВ и выходным сигналом СИ, которая всегда отличается от реальной, что приводит к погрешности, которую называют методической погрешностью измерения. Пример: необходимо определить амплитудное значение синусоидального напряжения, вольтметром измерить действительное значение, затем через коэффициент амплитуды = √2, рассчитывают амплитуду. В действительности коэффициент амплитуды = √2 только для идеального синусоидального сигнала. Так несовершенство принятого объекта исследования приводит к методической погрешности.

26. Причины возникновения погрешностей (П). Инструментальная (ИП), энергетическая (ЭП), субъективная (СП) погрешности. Процедура измерения (И) состоит из основных этапов: 1) принятие модели объектоизмерения; 2) выбор метода И.; 3) выбор средств измерения (СИ); 4) проведение эксперимента с целью получения численного значения измеряемой величины (ИВ).

Различные недостатки на этих этапах приводят к неизбежному отличи. результата И. от истинного значения ИВ, эти отличия — погрешности. Причины возникновения П. различны: измерительные преобразования осущ. с применением различных физических явлений на основании которых можно установить соответствие между ИВ объекта исследования и выходного сигнала СИ, по которому оценивается результат измерения. Точно установить это соответствие никогда не удается из-за недостаточной изученности объекта исследования, невозможности точного учета влияния внешних факторов, использование простых, но приближенных аналитических зависимостей вместо более точных и сложных и т.д. В П. измерений входит погрешность СИ, используемых в эксперименте. Составляющая П., обусловленная погрешностями применяемых СИ называют инструментальной погрешностью. Если включение СИ в цепь, где производится измерение, может изменить режим цепи за счет взаимодействия средств измерения с цепью, то составляющую возникающей при этом П. называют энергетической, как правило, её относят к ИП, т.к. она тоже обуславливается несовершенством СИ. В процессе измерения часто принимают участие экспериментаторы, они могут внести т.н. субъективную погрешность, которая является следствием индивидуальных свойств человека, например, если несколько экспериментаторов померяют ток в цепи одним и тем же аналоговым амперметром, то результат измерений всегда будет разный.

29. Случайные погрешности

Случайная погрешность - это погрешность, изменяющаяся случайным образом при повторном определении одной и той же физической величины с помощью одной и той же измерительной аппаратуры при неизменных внешних условиях. Случайные погрешности вызываются большим количеством факторов, воздействия которых столь незначительны, что их нельзя выделить и учесть в отдельности. Случайную погрешность можно рассматривать как суммарный эффект действия таких независимых факторов. Случайные погрешности могут возникнуть из-за погрешности округления при отсчете показаний, нестабильности переходного сопротивления в контактах коммутирующих устройств, нестабильности напряжения источника питания, влияния электромагнитных полей и других влияющих величин. Основная их особенность - непредсказуемость. Но можно утверждать с определенной долей уверенности, что истинное значение измеряемой величины заключено в интервале от минимального до максимального результатов измерения. Можно допустить, что и систематические, и случайные погрешности вызываются сигналами помехи, накладывающимися на тот сигнал, который должен быть измерен. Но если для систематической погрешности этот сигнал детерминированный, то для случайной погрешности он флуктуирует. Случайную погрешность нельзя исключить в каждом из результатов измерений. Но с помощью многократных наблюдений, а также используя методы теории вероятности и математической статистики, можно учесть их влияние на оценку истинного значения измеряемой величины. Это позволяет определить значение измеряемой величины со значительно меньшей погрешностью, чем погрешности отдельных измерений (наблюдений). На первый взгляд, случайные погрешности не подчиняются никакой закономерности. Но при анализе результатов измерений выясняется, что за кажущимся отсутствием какой-либо закономерности в чередовании погрешностей по знаку и по величине скрываются закономерности статистического характера, которые выявляются при массовых проявлениях погрешности. А именно: как бы ни был велик ряд погрешностей измерений, эти погрешности колеблются в определенных, достаточно узких, пределах; случайные погрешности встречаются и со знаком "плюс" и со знаком "минус" примерно одинаково часто; среднее арифметическое случайных погрешностей измерений одной и той же величины, произведенных в одинаковых условиях, стремится к нулю при неограниченном увеличении числа измерений; чем больше абсолютное значение погрешности, тем реже она встречается.