2. Технические и метрологические характеристики, используемые при описании гидрофизических приборов

Правильный выбор необходимого средства измерения, а также методики его применения и регламентного обслуживания, невозможен без ясно представления о принципе действия соответствую­щих датчиков, их возможностях и характеристиках, влияющих на качество измерений. Перечислим основные термины, используемые для оценки характеристик датчиков и измерителей.

2.1. Понятия и терминология

Все средства измерений, независимо от их конкретного ис­полнения, обладают рядом общих свойств, необходимых для вы­полнения ими их функционального назначения. Технические ха­рактеристики, описывающие эти свойства и оказывающие влия­ние на результаты и на погрешности измерений, называются метрологическими характеристиками.

Одной из основных метрологических характеристик измери­тельных преобразователей является статическая характери­стика. Она устанавливает зависимость у=f(x) параметра у выходного сигнала измерительного преобразователя от параметра х входного сиг­нала. Первая производная от статической характеристики называется чувствительностью изме­рительного прибора, а вторая производная характеризует нелинейность.

Статические характеристики преобразования современных измерителей задаются в форме калибровочных (градуировочных) уравнений.

Пределы измерения или диапазон измерения (Range) определяют пригодность средства изме­рения для тех целей, для которых оно предназначено. А именно, в пределах указанного диапазона заданное градуировочное уравнение этого средства гарантировано обеспечивает допускаемую точность (погрешность).

Точность измерения (Accuracy). Этот термин очень распро­странен, но, строго говоря, часто его применение в сочетании с числовыми величинами неправильное. Под точностью измерения обычно понимают степень приближе­ния результатов измерений к истинному значению измеряемой величины. Когда говорят, что точность равна, например, 0,1 %, то в сущности, указывают цифру неточности измерения. Бо­лее правильным будет назвать эту цифру погрешностью резуль­тата измерения. Это уже реальная величина, представляющая собой алгебраическую разность между значением, полученным при измерении, и действительной величиной. Абсолютная погрешность ре­зультата измерения вы­ражается в единицах измеряемой величины. Погрешности, выра­женные в долях или процентах от значения измеряемой вели­чины, называют относительными. Напри­мер, для датчиков давления, относительную погрешность выра­жают в процентах от максимального предела диапазона измере­ний (полной шкалы) – %ПШ или от измеряемой величины – %ИВ.

Разрешающая способность (Resolution) представляет собой наименьшее изменение значения измеряемой величины, способ­ное вызвать малейшее изменение показаний прибора. Для цифровых приборов разрешающая способность соответствует шагу квантования по уровню, а практически – единице младшего разряда числа. Как правило, разрешающая способность на поря­док меньше точности (погрешности) измерителя и имеет туже размерность.

Динамический диапазон – определяется как отношение пре­дела измерения (или разницы пределов измерений) к разрешаю­щей способности измерителя. Для расширения динамического диапазона измерителя иногда используется прием с переключе­нием нескольких диапазонов измерений (например, так часто де­лается при измерении электропроводности в морских и солонова­тых водах).

Постоянная времени (Time Constant, Response Time) или инер­ционность (быстродействие) измерителя. Поскольку все реальные процессы изме­рения протекают во времени, эта характеристика измерителя ука­зывает интервал времени, в течение которого показания измери­теля изменятся от 0 и достигнут 0,632 (примерно 63 %) от ис­тинного значения измеряемого параметра, т.е. они приблизятся к истинному значению измеряемого параметра на величину, от­личную в 1/e раз от ее истинного значения. При выборе методики измерения и типа измерителя следует учитывать, что в ряде слу­чаев этого оказывается недостаточно, и для получения необходи­мой точности измерения требуются интервалы времени, сущест­венно больше постоянной времени измерителя.

Стабильность (Stability) или дрейф – эксплуатационное свойство изме­рительного преобразователя, отображающее неизменность во времени его метрологических характеристик. Указывает вели­чину возможного изменения погрешности за определенный отре­зок времени и выражается отношением величин погрешности и времени. Как правило, эта величина позволяет правильно вы­брать межкалибровочный интервал для конкретной модели изме­рителя. Долговременная стабильность – определяется в процен­тах от ПШ за определенный временной период: месяц, полгода, год.

Поверкой называется определение государственным метрологическим органом по­грешностей средств измерения, образцового средства измерений или рабочего эталона и установления их пригодности к примене­нию. Для обеспечения правильной передачи размеров единиц изме­рения от эталона к рабочим средствам измерения составляют по­верочные схемы.

Средство измерений, пред­назначенное для воспроизведения и хранения единицы физиче­ской величины, называется эталоном.

Образцовые средства измерений – нижестоящие по точности средства измерений (относительно эталонов), применяемые для поверок.

Сличение средств измерений (калибровка) – метод непосредственного срав­нения поверяемого (калибруемого) средства измерения с этало­ном соответствующего разряда. В основе метода лежит проведе­ние одновременных измерений одной и той же физической вели­чины поверяемым и эталонным приборами. При этом определяют погрешность как разницу показаний поверяе­мого и эталонного средств измерений, принимая показания эта­лона за действительное значение величины.

При изготовлении и последующей настройке измерительных приборов осуществляется определение нормированной гра­дуировочной характеристики. Эта процедура называется тари­ровкой.

В процессе калибровки и эксплуатации некоторых средств измерения возникает явление называемое гистерезис – появление погреш­ности обратного хода, выражающейся в несовпадении статиче­ских характеристик прибора при увеличении и уменьшении из­меряемой величины.

Большинство современных моделей гидрологических приборов изготовлены в соответствии с высокими стандартами качества. Тем не менее, их эксплуатация в сложных натурных условиях предполагает систематический контроль метрологических характеристик. Наилучшим способом такого контроля являются тестовые эксперименты на специальной лабораторной установке, когда измерения испытуемым прибором выполняются при стандартных условиях. Если эксперимент обеспечен образцовыми средствами измерения, то уточняются пределы основных погрешностей измерения и возможна тарировка гра­дуировочных характеристик прибора. При проведении экспедиционных работ состояние измерительных каналов также необходимо контролировать, например, регулярно сравнивая данные зонда с результатами лабораторных измерений соответствующих параметров в пробах морской воды, отобранных батометрами. Если наблюдения на исследуемой акватории выполняются несколькими CTD-приборами, то рекомендуется периодически выполнять их интеркалибровку. Параллельные измерения двумя и более приборами одних и тех же параметров водной среды позволит оперативно следить за их текущим техническим состоянием, а также обеспечит наилучший уровень достоверности полученной информации. Кроме того, по результатам интрекалиброки удаётся уточнить реальные пределы погрешностей измерения основных параметров водной среды (нередко заметно отличающиеся от указанных в описаниях используемых приборов).