4.5 Влияние условий применения средств измерений на их работу и результаты измерений

Всякое средство измерений (как и любое другое техническое средство) изготовляется, отлаживается, контролируется и эксплуатируется в каких-то конкретных условиях окружающей среды. Эти условия могут быть не только разнообразны (отапливаемые и не отапливаемые помещения, вне помещения, подземные помещения, воздушная или водная среда, транспортные средства, морская акватория, космическое пространство и т.п.), но и изменчивы. Поскольку средства измерений или совсем не ограждены от влияния окружающей среды, или ограждены частично, то окружающая среда в большей или меньшей мере сказывается на его состоянии, на стабильности его параметров и характеристик, особенно метрологических. Погрешность средства измерений, определённая или установленная в одних условиях, будет отличаться от погрешности этого же экземпляра в других условиях. Реальные условия применения представляются в виде некоторого набора свойств окружающей среды, физических величин, среди которых есть величины, влияющие на средства измерений данного вида или типа, и величины, слабо влияющие или совсем не влияющие. Это влияние зависит как от наличия или отсутствия этих величин в окружающей среде (вибрация, радиация), так и от восприимчивости средств измерений к их влиянию, зависящей от используемых для изготовления материалов и комплектующих, от принципа действия, от конструктивных особенностей и наличия специальных защитных средств и мер (корпус, экраны, амортизаторы, термостатирование, стабилизация). Наиболее распространёнными и универсальными влияющими величинами являются: температура и влажность воздуха, атмосферное давление, вибрация (амплитуда, частота, направленность), транспортные тряска и удары (частота, скорость, ускорение), электрические и магнитные поля, электромагнитное излучение и радиация, запылённость, нестабильность параметров энергопитания.

Влияющие величины для средств измерений устанавливают (нормируют) в виде комплексов, состав и значения которых зависит от вида, назначения и области применения отдельных групп средств измерений. Особенностью нормирования комплексов влияющих величин для средств измерений является разделение условий эксплуатации (применения) на нормальные и рабочие.

Нормальные условия – условия, при которых влияющие величины имеют нормальные значения или находятся в пределах нормальной области значений. Размер этой области таков, что изменение влияющих величин в ней не вызывает существенного изменения характеристик погрешности, принятого равным 35 % полной погрешности. Другими словами, нормальные условия – это наиболее мягкие, щадящие условия, при которых, как правило, средства измерений проходят финишные операции изготовления и контроль.

Рабочие условия – условия, при которых значения влияющих величин находятся в пределах рабочих областей. Рабочая область шире нормальной, и изменение влияющей величины в её пределах уже приводит к существенному изменению характеристик погрешности, т.е. к появлению дополнительных погрешностей.

Параметры как рабочих, так и нормальных условий устанавливаются в стандартах или других нормативно-технических документах на вид или тип средств измерений, а также в эксплуатационной документации. Рабочие условия устанавливаются на основе требований ГОСТ 15150 – 69 «Машины, приборы и другие технические изделия. Исполнения для различных климатических районов. Категории, условия эксплуатации, хранения и транспортирования в части воздействия климатических факторов внешней среды». Нормальные условия устанавливаются на основе положений ГОСТ 8.395 – 80 «ГСИ. Нормальные условия измерений при поверке. Общие требования». Согласно этому стандарту нормальные области некоторых влияющих величин следующие:

- температура воздуха: плюс 20 ^оС с допускаемыми отклонениями от ±0,01 до ±15 ^оС , для средств измерений средней и низкой точности обычно (20±5) ^оС;

- атмосферное давление: 101,3 (100) кПа с допускаемыми отклонениями ±3; 4; 6; 8; 10 кПа, для средств измерений средней и низкой точности обычно устанавливается интервал 84 – 106 кПа;

- относительная влажность воздуха: 30 – 60; 30 – 80 % или не более 60 (70) %;

- вибрация: частота 0,01 – 30 Гц, амплитуда 0,075 – 3,5 мм.

Наличие влияния условий применения на погрешность средств измерений требует учёта этих влияний, что обеспечивается нормированием соответствующих метрологических характеристик, о которых подробнее сказано ниже. Этот учёт осуществляется расчётом погрешности конкретного средства измерений в реальных, фактических условиях его применения, в конкретном месте и в конкретное время. Методы этого расчёта установлены в руководящем документе РД 50 – 453 – 84 «Методические указания. Характеристики погрешности средств измерений в реальных условиях эксплуатации». Эти указания включают методы расчёта не только дополнительных погрешностей, но и динамических. Данные расчёты должны выполняться самими пользователями средств измерений. Для этого необходимо: наличие в эксплуатационной документации (техническом описании, паспорте) на конкретный тип средств измерений соответствующих метрологических характеристик и методики расчёта, адаптированной именно к данному типу средства измерений; данные о характеристиках влияющих величин в данное время и в данном месте, получаемые уже самими пользователями средств измерений.

В настоящее время (начало 21 в.) для подавляющего числа типов как отечественных, так и зарубежных средств измерений подобные расчёты не делаются. Причины этого: неполнота и отрывочность метрологических характеристик в документации на средства измерений, отсутствие в эксплуатационной документации соответствующих методик расчёта, неосведомлённость, а порой, и недостаточная метрологическая грамотность пользователей средств измерений. Отсюда – низкая, а то и неопределённая достоверность проводимых измерений. При оценке достоверности измерений довольствуются, в лучшем случае, учётом предела допускаемой основной погрешности или даже класса точности. В реальности же полная погрешность измерения может быть значительно, даже в разы, больше. Так, в упомянутых методических указаниях приведён пример расчета характеристик погрешности аналогового электронного вольтметра мгновенных значений напряжения. При пределе допускаемой основной погрешности 20 мВ погрешность в реальных условиях (температура 35 ^оС при нормальной 20 ^оС; напряжение питания 230 В при нормальном 220 В; частота измеряемого напряжения 10 Гц при нормальной 0 Гц) составляет (37,5 + 0,05 U_Х) мВ, а при измеренном значении U_Х = 0,6 В – 68 мВ. Таким образом, погрешность в реальных условиях в 3,4 раза больше погрешности основной, и игнорирование такой разности в погрешностях чревато неприемлемыми последствиями.