3.2 Метрологические характеристики средств измерений

Все средства измерений, независимо от их конкретного исполнения, обладают рядом общих свойств и характеризуются некоторым числом технических характеристик, описывающие эти свойства: метрологических, эксплуатационных, конструктивных и др., необходимых для выполнения ими их функционального назначения.

Технические характеристики, оказывающие влияние на результаты и на погрешности измерений, называются метрологическими характеристиками. Перечень важнейших из них регламентируется ГОСТ 8.009 – 84 “Нормируемые метрологические характеристики средств измерений”. Комплекс нормируемых метрологических характеристик устанавливается таким образом, чтобы с их помощью можно было оценить погрешность измерений, осуществляемых в известных рабочих условиях эксплуатации посредством отдельных средств измерений или совокупности средств измерений, например автоматических измерительных систем.

Одной из основных метрологических характеристик измерительных преобразователей является статическая характеристика преобразования (иначе называемая функцией преобразования или градуировочной характеристикой). Она устанавливает зависимость информативного параметра Q_вых выходного сигнала измерительного преобразователя от информативного параметра Q_вх входного сигнала.

Важнейшей метрологической характеристикой средств измерений является основная погрешность, под которой понимают погрешность, обусловленную неидеальностью собственных свойств средств измерений в нормальных условиях их применения.

Нормальными считаются такие условия применения средств измерений, при которых влияющие на процесс измерения величины (температура, влажность, частота, напряжение питания, внешние магнитные поля и т.д.) имеют такие значения, при которых их влиянием на метрологические характеристики можно пренебречь. Нормальные области значений влияющих величин указываются в стандартах или технических условиях на средства измерений данного вида в форме номиналов с нормированными отклонениями. Например, наиболее типичными нормальными условиями являются:

− температура (20  5) С;

− относительная влажность (65±15) %;

− атмосферное давление (100±4) кПа или (750±30) мм рт. ст.;

− напряжение питания электрической сети 220 В ± 2 % с частотой (50 ± 0.5) Гц.

Рабочая область значений влияющих величин шире нормальной области значений. В ее пределах метрологические характеристики существенно зависят от влияющих величин, однако их изменения нормируются стандартами на средства измерений. За пределами рабочей области метрологические характеристики принимают неопределенные значения, поэтому вне рабочих условий средства измерений применять нельзя.

Основная погрешность средства измерений может быть выражена в трех разных формах: в форме абсолютной погрешности Δ, в форме относительной погрешности δ и в форме приведенной погрешности γ.

Под абсолютной погрешностью меры понимается алгебраическая разность между ее номинальным Q_нст и действительным Q_д значениями:

Δ = Q_нст − Q_д,

а под абсолютной погрешностью измерительного прибора – разность между его показанием Q_оу и действительным значением Q_д измеряемой величины, поданной на вход:

Δ = Qоу − Qд.

(3.1)

Однако в большей степени точность средства измерений характеризует относительная погрешность средства измерений, т.е. выраженное в процентах отношение абсолютной погрешности к действительному значению измеряемой или воспроизводимой данным средством измерений величины:

δQ = .

(3.2)

Обычно δQ « 1, поэтому в выражение для относительной погрешности вместо действительного значения Q_д часто может быть подставлено номинальное значение меры или показание измерительного прибора.

Если диапазон измерения прибора охватывает и нулевое значение измеряемой величины, то относительная погрешность обращается в бесконечность в соответствующей ему точке шкалы. В этом случае пользуются понятием приведенной погрешности средства измерений, равной отношению абсолютной погрешности измерительного прибора к некоторому нормирующему значению Q_N:

γ = .

(3.3)

В качестве нормирующего значения принимается значение, характерное для данного вида измерительного прибора. Это может быть, например, диапазон измерений Q_min − Q_max, конечное значение Q_кон поддиапазона (предела) измерений, длина шкалы и т.д.

В нормативной документации на средство измерений основная погрешность в форме абсолютной погрешности приводится в виде пределов допускаемых значений либо в виде одночленной формулы

Δ ≤ ± а [ ед ],

либо в виде двухчленной формулы

Δ ≤ ± (а + bQ)[ ед ].

Пределы допускаемой приведенной основной погрешности СИ нормируются в виде одночленной формулы

γ ≤ ± p % = .

(3.4)

где числа р, q, с, d выбираются из ряда (1;1,5;2;2,5;3;4;5 и 6) 10ⁿ , где n = + 1; 0; −1; −2; −3 и т.д.

Пределы допускаемой относительной основной погрешности средства измерений могут нормироваться либо одночленной формулой

δ ≤ ± q % = .

(3.5)

либо двухчленной формулой

,

(3.6)

где Q_кон – конечное значение поддиапазона измерений прибора или диапазона воспроизводимых значений многозначной мерой, Q_ОУ – показание средства измерений.

Все средства измерений подвержены влиянию внешних воздействий и неинформативных параметров объекта измерений (влияющих величин). Это влияние описывается с помощью метрологических характеристик, называемых функциями влияния.

Функция влияния – это зависимость метрологической характеристики от влияющей величины (температуры внешней среды, напряженности внешнего электромагнитного поля, параметров внешних вибраций и т.д.). Если функция влияния близка к линейной зависимости, то вместо функции влияния в нормативной документации на средство измерений приводят коэффициент влияния.

При выполнении измерений в рабочих условиях, отличающихся от нормальных, возникают дополнительные погрешности.

Пример 1. В документации читаем: «Дополнительная температурная погрешность не более половины основной на каждые 10 ⁰С в рабочем диапазоне». Расшифруем эту фразу. Пусть известно, что для данного прибора:

– рабочий диапазон температур 10 ⁰С ≤ θ ≤ 40 ⁰С;

– предельные значения основной приведённой погрешности γ_осн = ± 4 %.

Это значит, что при 10 и при 30 ⁰С к основной погрешности γ_осн добавляется ещё ± 2 %. Есть основания считать, что зависимость дополнительной температурной погрешности от температуры близка к линейной. Поэтому, если, например, θ = 35 ⁰С, то предельные значения дополнительной температурной приведённой погрешности будут

.

Здесь – коэффициент влияния температуры на погрешность прибора.

Если бы вместо «…не более половины основной…» было «…не более основной…», то коэффициент влияния температуры был бы 0,1γ_осн.

Пример 2. В документации читаем: «Дополнительная частотная погрешность не более основной». Пусть это относится к аналоговому вольтметру переменного напряжения, у которого нормальная область значений частоты 45 Гц ≤ f_норм ≤ 1 МГц, а рабочая область 20 Гц ≤ f_раб ≤ 5 МГц. На отсчетном устройстве вольтметра это обозначается так:

20 Гц.…45 Гц…..1 МГц..…5 МГц

Пусть для этого вольтметра γ_осн = ± 4 %. Это значит, что в диапазонах от 20 Гц до 45 Гц и от 1МГц до 5 МГц к основной приведенной погрешности γ_осн добавляется дополнительная частотная погрешность с предельными значениями γ_доп = ± 4 %. В случае частотной погрешности нет оснований считать, что она линейно зависит от частоты. Поэтому, если, например, f = 2 МГц всё равно приходится считать, что при этом γ_доп = ± 4 %.

Многие средства измерений характеризуются инерционными свойствами, которые проявляются при измерении переменных во времени величин и обуславливают так называемые динамические погрешности.

Инерционные свойства средств измерений характеризуют такими метрологическими характеристиками, как переходная и импульсная весовая функции, амплитудно−частотная характеристика. Однако, в силу трудоемкости их экспериментального определения, полные динамические характеристики обычно не нормируют, а приводят нормы на отдельные параметры этих характеристик, такие, как время установления показаний t_уст, время нарастания переходной характеристики t_нпх, верхняя граница полосы пропускания f_в и т.п..

При подсоединении средства измерений к объекту измерений средство измерений оказывает некоторое воздействие на объект измерения. Результатом этого воздействия может быть изменение измеряемой величины относительно того значения, которое имело место при отсутствии средства измерений. Для оценки возникающей при этом погрешности результата измерений необходимо знать параметры входа средства измерений. Для средств измерений электрических величин такими параметрами чаще всего являются сопротивление входа и/или выхода средства измерений.

Гистерезисные свойства средств измерений заключаются в том, что сигнал измерительной информации на выходе СИ (например, показание отсчетного устройства) зависит не только от значения измеряемой ФВ, но и от направления и скорости изменения ФВ непосредственно перед ее измерением.

Количественно гистерезисные свойства средств измерений отображают такой метрологической характеристикой, как вариация показаний. В НТД на СИ вариацию нормируют пределом допускаемых значений.