4.7 Нормируемые метрологические характеристики средств измерений

Любое средство измерений как изделие, как техническое устройство имеет определённый набор свойств (параметров, характеристик), определяющих возможность целевого и эффективного его применения: масса, линейные размеры (габаритные, установочные, присоединительные), параметры назначения, надежности, безопасности, энергопотребления и др. Применительно к средствам измерений выделена особая и специфичная группа (комплекс) свойств – метрологические характеристики. Эти характеристики для средств измерений являются важнейшими и определяющими. От их полноты, единообразия, представительности зависит качество как самих средств измерений, так и результатов измерений. Вот поэтому в 1972 г. был впервые принят, а в 1984 г. коренным образом переработан государственный стандарт ГОСТ 8.009 – 84 «ГСИ. Нормируемые метрологические характеристики средств измерений». Этот стандарт устанавливает номенклатуру метрологических характеристик (МХ), правила выбора комплексов нормируемых МХ для конкретных видов средств измерений и способы нормирования МХ в нормативно-технических документах на средства измерений.

Номенклатура МХ представлена шестью их группами.

1 Характеристики, предназначенные для определения результатов измерений (однократных, периодических, непрерывных, без внесения поправок):

а) диапазон (диапазоны) измерения измерительного прибора, диапазон воспроизведения многозначной меры;

б) цена деления шкалы измерительного прибора или многозначной меры;

в) число разрядов и цена единицы младшего разряда цифрового табло;

г) значение однозначной меры, в том числе мер в наборе;

д) функция преобразования измерительного преобразователя;

е) вид и диапазон изменения унифицированного аналогового выходного сигнала измерительного преобразователя;

ж) вид кода, число разрядов кода, цена единицы младшего разряда кода цифрового выходного сигнала измерительного преобразователя.

2 Характеристики погрешностей средств измерений:

а) систематическая составляющая погрешности;

б) случайная составляющая погрешности, чаще всего выражаемая как среднее квадратическое отклонение случайной погрешности;

в) вариация показания или выходного сигнала;

г) полная (не разделяемая на составляющие) погрешность.

3 Характеристики чувствительности средств измерений к влияющим величинам – параметрам и характеристикам окружающей среды (температуре, влажности, давлению, вибрации, радиации и т.п.), параметрам питания (напряжению, частоте, пульсации):

а) функции влияния – зависимость МХ (чаще всего характеристик погрешностей) средств измерений от влияющей величины, например, , где Δ_с – изменение погрешности, k – коэффициент влияния, t и t_о – рабочая и нормальная температуры соответственно;

б) изменения значений МХ (погрешностей) средств измерений, вызванные изменениями влияющих величин в установленных пределах, например, Δ_ср =±а при изменении напряжения питания в пределах от U_н до U_к .

Изменения характеристик погрешности средства измерений, вызванные действиями влияющих величин, допускается называть дополнительными погрешностями.

4 Динамические характеристики средств измерений:

а) полная динамическая характеристики аналоговых средств измерений, которые можно рассматривать как линейные системы;

б) частные динамические характеристики аналоговых линейных средств измерений;

в) частные динамические характеристики цифровых средств измерений.

Полная динамическая характеристика может являться одной из следующих: переходная характеристика h(t), импульсная переходная характеристика g(t), амплитудно-фазовая характеристика G(jω), амплитудно-частотная характеристика (АЧХ) A(ω), передаточная функция G(S).

Частных динамических характеристик у конкретного вида (типа) может быть одна или несколько.

Для аналоговых средств измерений применяются такие частные характеристики как время реакции t_r (другими словами время переходного процесса), коэффициент демпфирования γ_dam (или коэффициент сглаживания), постоянная времени T (или τ), АЧХ на резонансной частоте A(ω_o), резонансная собственная круговая частота ω_o.

Для цифровых средств измерений с t_r < t_min (t_min – время изменения измеряемой величины на значение, сопоставимое с допускаемой абсолютной основной погрешностью данного средства измерений) частными характеристиками являются время реакции t_r, погрешность датирования отсчёта t_d (разность между моментом фактического измерения и моментом запуска средства измерений на измерение), максимальная частота измерения f_max (или минимальный период измерения T_min).

Для цифровых средств измерений с t_r > t_min частными характеристиками являются полная динамическая характеристика их аналоговой части, погрешность датирования t_d, максимальная частота измерения f_max.

Полные динамические характеристики дают возможность оценить (рассчитать) динамическую погрешность данного средства измерений при известных динамических характеристиках измеряемой величины, частные – обозначить такие условия применения средства измерений (частоту или скорость изменения измеряемой величины), при которых его динамическая погрешность будет заведомо и гарантированно пренебрежимо малой.

5 Характеристики, отражающие влияние на МХ (погрешность) средств измерений свойств (параметров, характеристик) объекта измерений и приёмного устройства выходного сигнала (для измерительных преобразователей). Характеристики этой группы весьма разнообразны и определяются сочетанием конкретных видов объектов измерений и средств измерений; примерами таких характеристик являются входной и выходной импедансы (сопротивления электрических средств измерений), измерительные усилия (у механических средств измерений), теплоёмкость чувствительного элемента измерителя температуры.

6 Неинформативные параметры выходного сигнала средств измерений (измерительных преобразователей или мер активных величин)

Параметры этой группы позволяют правильно выбрать приёмные устройства и характеристики их входов для данного средства измерений. Примерами таких параметров являются амплитуда и длительность импульсов цифрового кодированного выходного сигнала, амплитуда частотного выходного сигнала, пульсация силы или напряжения выходного сигнала постоянного тока.

Указанные метрологические характеристики нормируются (устанавливаются) чаще всего не для отдельных экземпляров средств измерений, а для типов в виде номинальных значений и функций или в виде пределов допускаемых изменений (отклонений).

Номинальные характеристики первой группы, установленные для типа средства измерений, являются также фактическими характеристиками отдельных экземпляров средств измерений данного типа (за редким исключением для уникальных средств измерений).

Фактические же характеристики всех остальных групп (характеристики погрешностей, функции влияния, динамические характеристики, параметры выходных сигналов и др.) конкретного экземпляра средства измерений данного типа отличаются от их номинальных значений и функций. Поэтому возникает задача контролировать как при выпуске из производства (ремонта), так и во время эксплуатации соответствие фактических характеристик номинальным. Этот контроль является важнейшей составной частью обеспечения исправности и пригодности средств измерений к применению, о чём будет сказано при изложении следующей темы.

Метрологические характеристики, главным образом характеристики погрешности, нормируют или для рабочих, или, чаще всего, для нормальных условий применения средств измерений.

Указанный стандарт даёт возможность создателям, разработчикам устанавливать, а потребителям, пользователям требовать установления наиболее полных и рациональных комплексов (наборов) номинальных метрологических характеристик средств измерений, что должно обеспечить желаемое и оптимальное качество измерений (полнота, достоверность, своевременность). К сожалению, в полной мере требования стандарта в сегодняшней практике не реализуются. Разработчики не желают увеличивать трудоёмкость разработки и ввода в эксплуатацию средств измерений, а потребители (заказчики, покупатели, пользователи) просто в этом вопросе недостаточно осведомлены, а то и вообще малограмотны. Это относится не только к средствам измерений отечественного производства, но и к импортным.

Более того, приборостроители и даже метрологи всё ещё прибегают к использованию метрологических характеристик, не предусмотренных стандартом, да ещё трактуемых неоднозначно, а то и неверно. Наиболее наглядным примером являются такие характеристики как чувствительность и порог чувствительности. Чувствительность средства измерений (приборов и преобразователей) представляет собой отношение изменения выходной величины (перемещения стрелки Δl, изменения выходного тока ΔI) к изменению входной измеряемой величины ΔХ: Порог чувствительности (реагирования, трогания, срабатывания) – минимальное значение изменения измеряемой величины ΔХ_пор, вызывающее заметное, ощутимое изменение (начало реагирования) выходной величины (показания, выходного сигнала). Если сравнить эти две характеристики с характеристиками, установленными стандартом, то окажется, что чувствительность применительно к измерительным приборам ничего не даёт дополнительно к диапазону измерения и цене деления шкалы или цене единицы наименьшего разряда цифрового табло, а применительно к измерительным преобразователям полностью совпадает с функцией преобразования (в простейшем случае с коэффициентом преобразования). Порог чувствительности в большинстве случаев можно рассматривать как вариацию показаний или выходного сигнала.

Часто на практике связывают между собой чувствительность и точность средства измерений, полагая, что чем оно чувствительнее, тем точнее. Однако, это в корне неверно. Да, высокочувствительное средство измерений позволяет измерять очень малые размеры (по сравнению с обычными) физической величины (нанометры, пикосекунды, микрограммы, микроамперы и т.п.), но это совершенно не означает, что измерение при этом выполняется с малой погрешностью; скорее всего дело обстоит наоборот.