Метрология и стандартизация / Rossiyskaya metrologicheskaya entsiklopediya. Tom 1 (Okrepilov) 2015

ни. По соответствию этой температуры номинальной температуре формирования «плато» можно проверить метрологическую исправность датчика температуры, а, принеобходимости, иоткалиброватьеговданнойточке.

Еслитехнологическийпроцесспредусматриваетрезкиеизменениятемпературыспереходомчерезреперную точку, а точность измерения должна обеспечиваться в широком диапазоне, то погрешность датчика может возрасти в интервале между этими изменениями, но это останется незамеченным.

Более того, положительный результат МС в одной точке не доказывает метрологической исправности датчика во всем диапазоне измерений.

Использование набора капсул и встраивание нагревателя не нашло широкого применения.

Иногда встраивают в один корпус термопару и термопреобразователь сопротивления платиновый (ТСП). Такой датчик позволяет измерять температуру в стационарных режимах по изменению сопротивления, а в динамике – по термоэлектрическому эффекту, причем в стационарном режиме можно контролировать метрологическуюисправностьтермопары, апринеобходимости

иосуществлять самокоррекцию. Однако длительность МКИ при этом не превысит МКИ ТСП.

Встраиваниемерыповышеннойточностиприменяетсятакжевдатчикахмалыхдлин(зазоровмеждудатчиком

и«мишенью»). Такой датчик, помимо обычных – возбуждающей иизмерительнойкатушек, снабжен третьей катушкой, размещенной на известном (с требуемой точностью) расстоянии от измерительной катушки между ней и «мишенью». Для реализации тестового режима третья катушка замыкается. При этом она выполняет функцию экрана, имитируя «мишень». Отклонение значениясигналаизмерительнойкатушкиотноминального

вэтомрежимесвидетельствуетопогрешности, которую можно скорректировать.

Возможности метода метрологического прямого самоконтроля применительно к измерению неэлектрических величин невелики. Но они существенны для контроля метрологической исправности промежуточных и вторичных преобразователей, а также первичных преобразователей электрических величин. В качестве мер, воспроизводящих опорные значения, могут быть использованы встроенные источники электрического напряжения или тока, точность которых выше точности соответствующих измерительных преобразователей.

Метрологический диагностический самоконтроль

Понятие «метрологический диагностический самоконтроль» (МДС) опирается на представление о критическихсоставляющихпогрешности, т. е. доминирующих или склонных к быстрому росту. По этой причине организация МДС должна опираться на результаты анализа процессоввозникновенияиростасоставляющихпогрешности, предусматривающего изучение:

а) влияющих факторов в ожидаемых условиях эксплуатации(впереходныхивустановившихсярежимах);

б) погрешностей аналогов;

в) данных о метрологических отказах в процессе эксплуатации аналогов;

г) предполагаемой конструкции и технологии изготовления разрабатываемых СИ/ИС, включая выявление элементов и узлов, изменение характеристик которых может со временем привести к существенному росту погрешности.

ДляСИ/ИСответственногоназначениядолжнабыть разработана и реализована программа испытаний макетовустройств, включаяфорсированныесциклическими воздействиями. В ней следует предусмотреть воздействие величин, которые ускоряют наиболее «опасные» деградационные процессы. При этом значения измеряемойивлияющихвеличин, атакжескоростиихизменения должны быть такими, чтобы механизм деградационных процессовприиспытанияхсохранялсятемже, чтоипри эксплуатации [7].

Порезультатаманализасоставляющиепогрешности должны быть ранжированы по степени вероятности превышения ими допустимого предела при длительной эксплуатации СИ/ИС, а из них выделена критическая составляющая или их группа.

Эффективность МДС разрабатываемого СИ/ИС зависит от того, насколько обоснованно выделены критические составляющие погрешности.

Для организации МДС в разрабатываемом СИ/ИС формируют т. н. диагностический параметр, характеризующий критическую составляющую погрешности. В процессе эксплуатации СИ/ИС МДС осуществляет автоматическую оценку отклонения этого параметра от его опорного значения, принятого на этапе калибровки, а в ряде случаев – сводит к минимуму это отклонение, выполняя самокоррекцию критической составляющей погрешности.

Для формирования диагностического параметра необходимо использовать градуировочную зависимость, определяющуюсвязьизмеряемойвеличинысосновным выходным сигналом, и дополнительную зависимость, связывающую измеряемую величину с неким дополнительным параметром, которую следует построить (на основе избыточности) или выявить.

Таким дополнительным параметром может быть, например, перемещение трубки Бурдона в точке, смещенной относительно ее свободного конца, производная градуировочной характеристики по измеряемой величине и т. д.

Приэтомдополнительная зависимость должна быть такой, чтобыросткритическойсоставляющейпогрешности сказывался на этой зависимости существенно иным образом, чем на градуировочной зависимости.

Диагностическая зависимость, определяющая связь диагностического параметра с критической составляющейпогрешности, формируетсяаналитическиизградуировочной и дополнительной зависимостей.

Влияние на диагностическую зависимость других факторов, включая изменение значения измеряемой величины, желательно минимизировать.

Порогчувствительностидиагностическогопараметра к изменению критической составляющей во всем диапазоне измерений должен быть не менее чем в 3 раза меньше его допустимого изменения.

Прикалибровкеопределяютизаписываютназванные зависимостивзапоминающееустройствоинтеллектуального СИ в качестве опорных зависимостей.

В процессе эксплуатации периодически определяют значениедиагностическогопараметраβ, сравниваютего с опорным β0, а по результату судят о метрологической исправности. Так, если принять, что β не зависит от из-

меряемой величины, то при β − β0 < ∆β1 per , где ∆β1 per – допустимое значение, СИ исправен, а при β − β0 ≥ ∆β1 per фиксируется неприемлемая погрешность.

ОбычноМКИустанавливаюттаким, чтобывтечение его длительности для СИ/ИС без МДС все составляющие погрешности не превосходили допуск. Для СИ/ИС с МДС в течение МКИ допуск не должна превышать лишьмалозначимаягруппасоставляющихпогрешности, отобранная по результатам предварительного анализа, поскольку уровень критических составляющих контролируется МДС. Именно поэтому для интеллектуальных СИ/ИС МКИ может быть резко увеличен.

Длительность МКИ интеллектуальных СИ/ИС может бытьещеболееувеличена, адостоверностьрезультатовизмеренийдополнительноповышена, есливпроцессеэксплуатации не ограничиваться контролем уровня критической составляющей погрешности, т. е. проверкой соответствия текущей градуировочной зависимости принятой опорной путемопределенияпараметраβ исравненияегосβ0.

В процессе эксплуатации может быть осуществлена и проверка соответствия текущей диагностической зависимости принятой опорной диагностической, т. е. выполнен контроль уровня остальных составляющих погрешности [8].

Для такой проверки целесообразно использовать следующую процедуру.

ВпроцессеэксплуатацииСИ/ИСсМДСизмеренные значения xi и соответствующие им значения диагностического параметра βi запоминают.

Далее, находятближайшеектекущему(повременипо-

лучения) запомненноеранеезначениеxk , удовлетворяющее

условию xi − xk > c∆xper , где ∆xper – допустимаяабсолютная погрешность измерения, а c – коэффициент, причем

c >>1 (значениеc определяетсянаэтаперазработки).

параметра, определяемое на этапе разработки. Если это условиевыполняется, томожноутверждать, чтотекущая диагностическаязависимостьдляизмеренныхзначений вдиапазоне min{xi , xk },max{xi , xk } соответствуетпринятой опорной диагностической зависимости с требуемой точностью. При необходимости, для значения βi можно оценить значение возникшей погрешности и внести соответствующую коррекцию.

Интеллектуальные СИ с МДС

При разработке интеллектуального СИ его экономическая эффективность достигается оптимизацией используемойизбыточностиспривлечениемразличных

еетипов. Примерыразнообразныхинженерныхрешений

вэтой области приведены ниже.

Функциональная избыточность положена в основу вихретокового интеллектуального датчика расстояния до поверхности немагнитной проводящей «мишени». Критическая составляющая погрешности связана с изменениемимпедансакатушекиндуктивности, например, вследствиевозникновениямежвитковыхзамыканийили изменения свойств сердечника. Это изменение может быть выявлено посредством измерения активной и реактивной составляющих выходного сигнала датчика и последующего сравнения отношения их значений с опорным значением. По результатам сравнения может быть оценена метрологическая исправность датчика.

Винтеллектуальном датчике расстояния до проводящей поверхности вращающегося вала критическая составляющая погрешности, как правило, обусловлена изменением крутизны функции преобразования. МДС может быть реализован путем модуляции измеряемой величины. На участке вала может быть вырезана «ступенька». При вращении вала значение сигнала датчика

взоне «ступеньки» будет периодически изменяться. По отклонениюзначенияэтогоизмененияотопорногоможет быть оценена метрологическая исправность датчика и внесена коррекция.

Временная избыточность используется в интеллектуальном шариковом расходомере. Как правило, критическаясоставляющаяпогрешностиздесьсвязана с износом подшипника. Изменение значения измеряемого расхода, по крайней мере, за несколько десятков оборотов вращающегося элемента СИ, пренебрежимо мало сравнительно с допустимой погрешностью. Поэтому в качестве диагностического параметра может бытьпринятастатистическая оценкакратковременных отклоненийпериодаилиамплитудысигналаотсреднего значения, определенного ранее в качестве опорного значения.

Структурная избыточность при организации МДС предполагает объединение основного измерительного преобразователя, атакжедополнительныхпреобразователей, близких по точности, в одной конструкции.

Вдатчике давления с трубкой Бурдона критическая составляющая погрешности, как правило, обусловлена остаточнымидеформациямитрубки. Вкачестведиагностическогопараметраможетбытьпримененоотношение значения сигнала, снимаемого со свободного конца трубки, к значению сигнала, снимаемого с участка, смещенного к точке закрепления трубки [9].

Интеллектуальный расходомер газа может быть реализован на основе объединения двух преобразователей: вихревого – с обтекаемым телом – и корреляционного, соответственно. В качестве диагностического параметра может быть использовано отношение их сигналов [10].

Дляинтеллектуальногодатчикаудельнойэлектрическойпроводимостижидкостикритическаясоставляющая погрешности обусловлена загрязнением электродов. МДС опирается на структурную избыточность: количество электродов в жидкости увеличено с двух до трех с различающимися зазорами между парами электродов. Диагностический параметр – отношение значений активной проводимости, измеренной при различных сочетаниях электродов [11].

У ТСП, выполненного в виде проволочной спирали, засыпанной изолирующим порошком, критическая составляющая погрешности при работе в диапазоне до 450оСобусловленаростомсопротивления(деградацией) поверхностного слоя проволоки.

Если принять, что скорость этой деградации не зависит от диаметра проволоки, и скомпоновать в одной конструкции две спирали из проволоки различающихся диаметров (соответственно, с номинальными сопротивлениями R1 и R2), тов качестве диагностического параметра может быть принято отношение сопротивлений. При полутора – двукратном отношении диаметров проволоки чувствительность диагностического параметра обычно достаточна для МДС [12].

Сочетание структурной и временной избыточности используетсявинтеллектуальномпирометрическомСИ температуры[13], реализованномнаосновеприемников излучения с различными характеристиками.

Все типы избыточности реализованы в интеллектуальном СИ положения органа регулирования реактора [14]. Связаннаясэтиморганомпустотелаяштангаперемещается шаговым приводом относительно неподвижного корпуса датчика, в котором вдоль оси закреплена группа катушек.

Катушки датчика совместно с магнитными и немагнитными кольцами наборного шунта, размещенного в штанге, приееперемещенииреализуюткомбинаторную кодовуюшкалу. Количество катушек иразличных колец выбрано так, чтобы шкала характеризовалась значительной избыточностью. МДС сопоставляет идентифицируемый код и код, предшествующий ему, с кодами номинальной шкалы, а также с положением штанги, вычисленным по числу шагов привода и направлению движения штанги. Положение органа регулирования определяется при существенных изменениях свойств колец и параметров катушек, вплоть до обрыва или замыканиявкатушках. Этаотказоустойчивостьпозволила существенноувеличитьсрокслужбыразработанногоСИ сравнительносегонеинтеллектуальныманалогом. Повышеннаяточностьидостоверностьрезультатовизмерений в интеллектуальном СИ позволяет дополнительно осуществлятьдиагностикуприводаиканаларегулирования по динамике перемещения штанги.

Интеллектуальные измерительные системы

МДС может быть организован как в каждом измерительном канале, так и в ИС в целом – «комплектно». ВпоследнемслучаеИСможетбытьпостроенанаоснове неинтеллектуальныхдатчиков, носиспользованиемдиагностическогопараметра, определяемогодлясовокупностиканаловИС, иприналичииавтономногоконтроллера со специальным программным обеспечением.

Пример – система измерений радиального перемещения вала, реализуемая с помощью групп датчиков зазора, равномерноразмещенныхпоокружностистатора в нескольких его сечениях, смещенных вдоль оси вала. Диагностические параметры – координаты центров инерции сечений.

С учетом неидеальности формы сечений вала число датчиков в каждом из них должно быть не менее 6. По найденным координатам центров инерции в различных сечениях можно найти соответствующие координаты центров вращения, а затем найти уравнение оси вращения, что может быть использовано для подтверждения результатов МДС.

Винтеллектуальнойсистемерасходомеров, установленных в ветвях трубопровода, диагностическим параметром является разность между значениями расхода, измеренными в подводящих и отводящих ветвях.

Другой пример – интеллектуальная ИС, диагностирующая состояние винтовых соединений, крепящих крышку к корпусу турбоагрегата. Она включает комплект из 8 трехканальных силоизмерительных шайб

[15].Принято, что давление под крышкой воздействует одновременно на все шайбы, а изменения сил сжатия, обусловленныенеисправностьюизмерительногоканала или ослаблением винтового соединения, в различных шайбах не происходят одновременно. МДС периодически осуществляет:

– корреляционный анализ сигналов, поступающих от шайб;

– оценку метрологической исправности каналов;

– при необходимости – коррекцию характеристик канала или оценку его как неисправного с внесением изменений в алгоритм обработки данных и выдачей соответствующей информации на пульт оператора.

Вобщем случае МДС может быть дополнен проверкойметрологическойисправностипреобразователей электрических величин, входящих в ИС, путем использования эталонных мер.

Необходимо подчеркнуть, что результат МС в ИС отягощен методической составляющей погрешности, определяемой точностью соотношений между значениями измеряемых величин.

Сниженияупомянутойметодическойсоставляющей погрешности можно добиться путем выравнивания параметров полей измеряемых и влияющих величин, но результат в этом случае не всегда экономически эффективен.

Основные требования к интеллектуальным СИ и ИС

Внедрение МС в практику метрологического обеспечения тормозилось отсутствием государственных стандартов, относящихся к этой области. Именно поэтомунарядусразработкойинтеллектуальныхСИиИС, предназначенных для измерения ряда неэлектрических величин, авторы подготовили несколько стандартов РФ [3, 6, 7] сучетомотечественныхизарубежныхнормативных документов [16–18 и др.] в этой области.

Первымбылутверждентерминологическийстандарт [3], определившийязыкобщенияразработчиков, изготовителей и потребителей СИ с МС.

В [7] стандартизованы методы ускоренных испытанийСИсМС, чтодолжноспособствоватьсопоставимостипараметровивзаимозаменяемостиинтеллектуальных СИ различных производителей.

В [6] систематизированы методы МС, что полезно дляоблегченияразработкиинтеллектуальныхСИиИС. Тамже, дляустранениянедобросовестнойконкуренции, приведены требования к таким СИ и ИС. Реализация этихтребованийдолжнабытьотраженавдокументации. В частности, в ней рекомендуется приводить сведения, касающиеся:

которые оказывается возможным при использовании интеллектуальных СИ [20].

Действующая нормативная база создает основу для широкогопримененияинтеллектуальныхСИиИС. Однако недостаточная информированность потребителей тормозит промышленный выпуск такой аппаратуры. Трудности внедрения отчасти имеют психологический

грешности;

–диагностическогопараметраидопустимыхпределов его изменения;

–интервала времени между процедурами МДС;

–наличия функции самокоррекции;

–рекомендуемого максимального МКИ (принятый МКИ или межповерочный интервал не должен превышать рекомендуемый максимальный);

–принятых значений статуса результата измерения,

атакже другихдополнительных результатов МДС, если они предусмотрены.

Понятиео«статусерезультатаизмерений» (СР) обосновано в [19] для качественной оценки достоверности измерительной информации. СР может автоматически формироваться интеллектуальными СИ и ИС, дает основание для перехода к их обслуживанию по техническомусостояниюспривязкойктехнологическомуциклу оборудования. Число значений СР определяется числом возможных реакций потребителя на эту информацию. Обычно их менее 6 [3]:

–СР «подтвержденный» – основание для наиболее ответственных решений;

–СР «нормальный» позволяет принять решение в обычных ситуациях;

–СР «ориентирующий» достаточен для принятия решения в случае, когда параметры технологического процесса далеки от их границ;

–СР «недостоверный» указывает, что есть основания для срочного метрологического обслуживания или решения об остановке оборудования.

Заключение

Процесс перехода управления техническими комплексами от человека к АСУ получил резкое ускорение вконцепрошлоговекавсвязисуспехамимикроэлектроникиикомпьютерныхтехнологий. Этоускорениесопровождалось ужесточением требований к достоверности измерительной информации.

Метрологический самоконтроль, реализуемый в интеллектуальных СИ и ИС, многократно повышает достоверность результатов измерений.

Анализ различных типов интеллектуальных СИ и ИС показал, что их применение экономически эффективно: себестоимость таких СИ при серийном выпуске обычнопревышаетсебестоимостьаналоговбезфункции метрологического самоконтроля не более чем на 30–40 процентов, азатратынаметрологическоеобслуживание сокращаютсявнесколькораз. Срококупаемостидополнительно уменьшается за счет исключения затрат, связанных с последствиями брака и аварий, предотвратить

этого изменения. Однако количество публикаций и разработок по этой проблеме в мире быстро нарастает. Например, в России разработкой различных типов интеллектуальных СИ занимаются в Челябинске, Уфе, Омске, Санкт-Петербурге и других городах [13, 21–23 и др.].

Характерно, чтоопросспециалистов, проведенный в 2009 г., показал, что подавляющее большинство из них связывают интеллект СИ с наличием функций самоконтроля и производных от нее (самовалидации, самоаттестации и т. д.) [4]. По мере совершенствования и снижения стоимости интеллектуальные СИ (в т. ч. датчики) и интеллектуальные ИС будут завоевывать все более широкий сектор рынка, в первую очередь, связанный с оборудованием ответственного назначения.

Литература

1.РекомендацияРМГ29-2013. Государственнаясистема обеспечения единства измерений. Метрология. Основные термины и определения.

2.Taymanov R., Sapozhnikova K. Metrological Self-Check and Evolution of Metrology // Measurement. – 2010. – V. 43. –

№7.

3.ГОСТР8.673-2009. ГСИ. Датчикиинтеллектуальные

исистемы измерительные интеллектуальные. Основные термины и определения. – М.: Стандартинформ, 2010.

4.Taymanov R., Sapozhnikova K. What Makes Sensor Devices and Microsystems ‘Intelligent’ or ‘Smart’? // Smart Sensors and MEMS for Industrial Applications. – Edited by: S. Nihtianov and A.L. Estepa. – Woodhead Publishing Limited. 2013. – Chapter 1.

5.Пронин А.Н., Сапожникова К.В., Тайманов Р.Е. До-

стоверность результатов измерений и ее обеспечение //

Приборы. – 2014. – № 4.

6.ГОСТР8.734-2011. ГСИ. Датчикиинтеллектуальные

исистемы измерительные интеллектуальные. Методы метрологическогосамоконтроля. – М.: Стандартинформ, 2012.

7.ГОСТР8.825-2013. ГСИ. Датчикиинтеллектуальные

исистемыизмерительныеинтеллектуальные. Методыускоренных испытаний. – М.: Стандартинформ, 2014.

8.Baksheeva Y., Sapozhnikova K., Taymanov R. Improvement of the Reliability of Information Received from Sensor Devices with Metrological Self-check // Key Engineering Materials. – V. 613. – 2014.

9.Baksheeva Y., Sapozhnikova K., Taymanov R. Metrological Self-Сheck of Pressure Sensors // Proceedings of the Seventh International Conference on Condition Monitoring and Machinery Failure Prevention Technologies. – Stratford-upon- Avon, England, 2010.

10.Hans V., Ricken O. Self-monitoring and Self-calibrating Gas Flow Meter // Proceedings of the 8th International Symposium on Measurement Technology and Intelligent Instruments. – Sendai, Japan, 2007.

11.Дружинин И.И. Метрологический самоконтроль в контактныхкондуктометрах// Датчикиисистемы. – 2011. –

№9.

12.Бакшеева Ю.В., Сапожникова К.В., Тайманов Р.Е.

Резистивныедатчикитемпературысметрологическимсамоконтролем // Датчики и системы. – 2011. – № 4.

13.Ионов А.Б., Чернышева Н.С., Ионов Б.П., Плот-

кин Е.В. Интеллектуализация прибора как способ минимизации человеческого фактора при бесконтактных температурных измерениях // Приборы. – 2014. – № 6 (168).

14.Taymanov R., Sapozhnikova K., Druzhinin I. Measuring Control Rod Position // Nuclear Plant Journal. – 2007. – V. 25. – № 2.

15.Intelligent Force Measurement System // Proceedings of the 11th ISMTII «Metrology – Master Global Challenges», Aachen & Braunschweig, Germany, 2013.

16.МИ 2021-89. ГСИ. Метрологическое обеспечение гибких производственных систем. Основные положения. –

М., 1991.

17.BS7986:2005. Specification for Data Quality Metrics of Industrial Measurement and Control Systems. London. – British Standards Institute. – 2005.

18.VDI/VDE Guideline 2650. Requirements for Selfmonitoring and Diagnostics in Field Instrumentation. – 2005.

19.Сапожникова К.В., Генри М., Тайманов Р.E.

Потребность в стандартах по самодиагностируемой и самоаттестуемой аппаратуре // Датчики и системы. – 2006. – № 6.

20.Бакшеева Ю.В., Дружинин И.И., Сапожнико-

ва К.В., Тайманов Р.Е. Экономическая эффективность интеллектуальныхдатчиковиизмерительных систем// ТрудыОдиннадцатойсессиимеждународнойнаучнойшколы «Фундаментальные и прикладные проблемы надежности

идиагностики машин и механизмов» (ВПБ-13). – СПб., 2013.

21.БелевцевА.В., КаржавинА.В., КаржавинВ.А., Шев-

ченко А.И. Бездемонтажный способ оценки достоверности показаний термоэлектрического преобразователя // Мир измерений. – 2005. – № 3.

22.Мельничук О.В., Фетисов В.С. Турбидиметры с переменной измерительной базой // Приборы и системы. Управление. Контроль. Диагностика. – 2010. – № 9.

23.СеменовА.С., ШестаковА.Л. Методсамодиагности-

ки первичных преобразователей, использующий нелинейныесвойствафункциипреобразования// Сборникдоклади XXIII Национален Научен Симпозиум с международно участие «Метрология и метрологично осигуряване». – Созопол, Болгария, 2013.

К.В. Сапожникова, Р.Е. Тайманов

Погрешность (математическое определение), раз- ностьx–a, гдеx – данноечисло, котороерассматривается какприближенноезначениенекоторойвеличины, точное значение которой равно a. Для характеристики средств и результатов измерений используется около 30 разновидностей погрешностей (далее – П.), за каждой из которых закрепленоопределенноенаименование. (см. П. абсолют-

ная, относительная, приведенная, статическая, динамическая, случайная, систематическая, прогрессирующая, квантования, аддитивная, прибора, меры, поверкиит. д.).

Исторически наибольшая часть наименований разновидностей погрешностей разрабатывалась применительно к средствам измерений, другая – меньшая часть – применительно к процессам и результатам измерений, а некоторые из них целесообразно применять и к тем, и к другим.

Погрешность абсолютная, оценка отклонения ре-

зультатаизмеренийотдействительногозначенияизмеряемойвеличины, выраженнаявединицахэтойвеличины.

Областьнеопределенностирезультатаединичного измерения. ЕстьотрезокнаосиХсграницамиx±∆x, где x – результат измерения, ∆x – абсолютная погрешность измерения, 2∆x – протяженностьинтерваланеопределенности результата измерения.

Область неопределенности определения однофакторной функциональной зависимости Y=F(x)

(например, вольтамперной характеристики диода, градуировочной характеристики измерительного прибора или любой другой однофакторной функциональной зависимости) представляет собой не отрезок на оси Х или Y, а полосу неопределенности в двухмерном пространстве (на плоскости Х, Y) по обе стороны найденной зависимости.

Ширина этой полосы (2∆x по оси Х или 2∆y по оси Y) может быть как постоянной, так и изменяться с изменением значений x и y как ∆x=f(x) и ∆y=f(y).

В этом случае для описания характера изменения прямолинейных границ полосы неопределенности ис-

пользуютсяпонятияаддитивнойимультипликативной

составляющихпогрешности. (см. погрешностьаддитив-

ная, погрешность мультипликативная).

Область неопределенности определения многофакторной функциональной зависимости Y=F(x1, x2,...,xk), которая описывает некоторую поверхность в пространствесразмерностью(k+1), представляетсобой неотрезокнакакой-тоосиинеполосунеопределенности вдвумерномпространстве, а (k+1) – мерныйслойпообе сторонынайденнойповерхностиспеременнойтолщиной

2∆, где ∆=f(x1, x2,...,xk).

Погрешность аддитивная (более строго – адди-

тивная составляющая погрешности) соответствует такой форме полосы погрешностей, когда абсолютная погрешность СИ во всем диапазоне измерений ограничена постоянным (не зависящим от текущего значения измеряемой величины x) пределом ±∆0. Это понятие одинаково применимо как для случайных, так и для систематических погрешностей. Примерами систематических аддитивных погрешностей являются погрешности от постоянного груза на чашке весов, от неточнойустановкиприборананульпередизмерением, от термо – ЭДС в цепях постоянного тока и т.п. Для коррекции таких систематических погрешностей в СИ предусматривают механическое или электрическое устройствоустановкинуля(корректорнуля). Примерамислучайныхаддитивныхпогрешностейявляютсяпогрешности от наводки переменных ЭДС, погрешности оттепловыхшумов, оттрениявопорахизмерительного механизма, от ненадежного контакта при измерении сопротивлений и т.п.

Погрешность мультипликативная (более стро-

го – мультипликативная составляющая погрешности) соответствуеттакойформеполосыпогрешностей, когда ширина полосы погрешности СИ во всем диапазоне измерений ограничена пределом, изменяющимся пропорционально текущему значению самой измеряемой величины, и, следовательно, равна нулю при x=0. СИ с такой погрешностью обладало бы одинаковой относительнойпогрешностьюкакдлябольших, такидлясколь угодно малых измеряемых величин, т. е. имело бы бесконечно большой диапазон измерений. Однако реально СИ только с чисто мультипликативной погрешностью не существует, так как у всех СИ всегда присутствует какая-тоаддитивнаяпогрешность, котораяограничивает их рабочий диапазон в области малых значений измеряемой величины.

Мультипликативные погрешности могут быть как случайными, так и систематическими. Причинами возникновения мультипликативных погрешностей, например, могут быть: изменение коэффициента усиления усилителей, изменениежесткостимембраныдатчикаили пружинки измерительного механизма прибора, изменение опорного напряжения цифрового вольтметра и т.п.

При одновременном присутствии аддитивной и мультипликативной составляющих полоса погрешности СИ получает трапецеидальную форму и согласно ГОСТ 8.401-80 класс таких СИ указывается двумя числами, записанными через косую черту в виде γk/γu, где γk – приведенная погрешность в конце диапазона, равная сумме аддитивной и мультипликативной составляющих, а γu – приведенная погрешность в нуле, равная приведенному значению аддитивной составляющей погрешности.

При расчетном суммировании аддитивной и мультипликативных составляющих следует иметь в виду, что при суммировании аддитивных составляющих получается суммарная аддитивная погрешность, а при суммировании мультипликативных составляющих получается суммарная мультипликативная погрешность. Суммарнаяполосапогрешноститрапецеидальнойформы получаетсяпутемарифметическогосуммированияполученных суммарных аддитивной и мультипликативной составляющих.

Погрешность квантования (более строго – по-

грешность квантования по уровню, в отличие от П. дискретизации во времени), специфическая разновидность погрешности, возникающаявцифровыхприборахидискретныхпреобразователях. Номинальнаяхарактеристика такого преобразователя имеет вид прямой, реальная же его характеристика – ступенчатая кривая. При плавном возрастании входной величины x, например, от 0 до 4, выходнаявеличинаy можетиметьтолькодискретныезна- чения0–1–2–3–4. Поэтомупривозрастанииx от0 до0,5, выходноепоказаниеостаетсяравнымy=0. Припревышениизначениеx=0,5, выходноепоказаниестановитсяy=1

исохраняется до x=1,5. Текущая разность номинальной

иреальной характеристикисоставляетП. квантования. Таккакизмеряемаявеличинаслучайнымобразомможет приниматьлюбыепромежуточныезначения, топогрешность квантования получает то отрицательные, то положительныезначениявграницахинтервала±0,5 кванта. В итоге П. квантования есть инструментальная случайная аддитивнаястатическаяпогрешность, таккакнезависит ни от текущего значения измеряемой величины x, ни от скорости ее изменения во времени.

Полоса погрешности – номинальная и индивиду-

альнаяхарактеристикиизмерительногоприбораили преобразователя. Градуировочныехарактеристикиряда однотипных приборов или преобразователей, нанесенные на общий график, образуют полосу погрешностей приборовэтоготипа. Детерминированнаясредняялиния этой полосы принимается за номинальную характеристику приборов или преобразователей данного типа, указываетсявпаспортеииспользуетсядляопределения результатов измерений. Характеристика данного экземпляра прибора или преобразователя согласно ГОСТ

8.009 называется индивидуальной характеристикой

данного экземпляра прибора. Отсюда индивидуальная погрешностьданногоприбора, датчикаилиизмерительного канала информационно-измерительной системы есть разность между индивидуальной и номинальной характеристиками, тоестьпредставляетсобойнечисло, а функцию от текущих значений измеряемой величины, и может быть описана лишь аппроксимирующей формулой.

П.В. Новицкий

Метрологическая характеристика средств измерений– характеристикасвойствасредстваизмерений(СИ), котораяоказываетвлияниенарезультатыи, следовательно, погрешностиизмерений. Различаютхарактеристики, предназначенные для определения результатов измерений, ихарактеристикипогрешностейсредствизмерений. Метрологическиехарактеристики, регламентированныев нормативнойдокументации, называютнормированными.

Система нормированных метрологических характеристик (НМХ), сложившаяся к началу 70-х гг. ХХ века отражалаподходыкнормированиюмериизмерительных приборов, рассчитанныхнаприменениевкачествесамостоятельныхсредствизмерений, длякоторыхназначение класса точности однозначно определяло комплекс НМХ. Этонаправление научных работ возглавлялось К.П. Широковым.

Развитие измерительной техники, в частности измерительных систем, используемых в составе автоматических систем управления технологическими процессами, усложнениеизмерительныхзадачиусловийэксплуатации СИвыдвинулоновыетребованиякописаниюсвойствСИ, преждевсего, системногоприменения. В1969 г. в[1] были впервые сформулированы общие требования и общие принципы нормирования метрологических характеристик. Основоположником этого научного направления был М.А. Земельман. Эти требования и принципы были затемразвитыв[2] истандартизованывГОСТ8.009 [3].

Требования к метрологическим характеристикам, прежде всего, определяются теми задачами, которые должны решаться с их помощью. Основная задача, решаемая с помощью НМХ – расчет по ним погрешностей техническихизмеренийдопроведениясамихизмерений.

Втораязадача– выборСИпозаданнымхарактеристикам погрешности измерений или показателям качества операций (контроля, испытания и т. п.), при выполнении которых используют результаты измерений.

Третьязадача– расчетпогрешностейизмерительных каналов систем, представляющих собой некоторую совокупность соединенных между собой СИ (первичных и промежуточных измерительных преобразователей, измерительных и регистрирующих приборов и т. п.), средстввычислительнойтехникиидругихвычислительных устройств. Эти задачи приходится решать тем, кто применяет СИ.

Наряду с этим НМХ СИ выполняют также функцию, относящуюся к сфере производства и подготовки к выпуску в обращение СИ. Они являются одновременно критериями качества СИ и в соответствии с этой своей функцией подвергаются контролю как при выпуске СИ из производства, так и при их периодической поверке.

Комплекс НМХ СИ должен выбираться так, чтобы была известна связь между ним и характеристиками погрешностиизмеренийичтобыхарактеристики, входящие в комплекс, можно было сравнительно просто и эффективно оценить по экспериментальным данным.

К характеристикам, предназначенным для определения результатов измерений, относят: функцию пре-

образования измерительного преобразователя, а также измерительного прибора с неименованной шкалой или со шкалой, отградуированной в единицах, отличных от единиц входной величины; значение однозначной или значения многозначной меры; цену деления шкалы измерительного прибора или многозначной меры; вид выходного кода, число разрядов кода, цену единицы наименьшего разряда кода средств измерений, предназначенных для выдачи результатов в цифровом коде.

При использовании СИ отличие его реальной функциипреобразованияотноминальнойопределяетсядвумя группамифакторов: внутреннимиисточникамипогрешностей и внешними возмущениями.

Типичными для общего случая являются четыре составляющие погрешности измерений, обусловленные свойствами СИ, т. е. четыре составляющие инструментальной составляющей погрешности измерений:

1)погрешность, обусловленная неидеальностью собственныхсвойствСИ, т. е. отличиемдействительной функциипреобразованияСИвнормальныхусловияхот номинальной функции преобразования; или для меры, обусловленная отличием действительного значения выходной величины меры в нормальных условиях от номинальногозначенияэтойвеличины. Этасоставляющая называется основной погрешностью СИ;

2)погрешность, обусловленная реакцией СИ на изменения внешних влияющих величин и неинформативных параметров входного сигнала относительно их нормальныхзначений. Этасоставляющаязависиткакот свойствСИ, такиотизмененийвлияющихвеличин, она называется дополнительной погрешностью СИ;

3)погрешность, обусловленная реакцией СИ на скорость (частоту) изменения входного сигнала. Эта составляющая, определяющая динамическую погрешность измерений, зависит как от динамических свойств СИ, так и от частотного спектра входного сигнала, она называетсядинамическойпогрешностьюСИ. Режимизмерений(статическийилидинамический) определяется соотношением между скоростью изменения входного сигнала и динамическими свойствами СИ;

4)погрешность, обусловленная взаимодействием СИ и объекта измерений. Подключение СИ к объекту измеренийвомногихслучаяхприводиткизменениюзначенияизмеряемойвеличиныотносительнотогозначения, котороеимелаизмеряемаявеличинадоподключенияСИ

кобъекту измерений, и определение которого является цельюизмерений. Этасоставляющаязависитотсвойств как СИ, так и объекта измерений.

Первые две составляющие представляют собой статическую погрешность СИ. Третья составляющая представляетсобойдинамическуюпогрешностьСИ. Выделениестатической идинамической погрешностейСИ как суммируемых составляющих допустимо не всегда.

Вобщем случае при измерениях изменяющейся величины погрешность СИ зависит от скорости (частоты) составляющей погрешности СИ как суммируемой составляющей; допустимо для СИ в ограниченной

части спектра частот входного сигнала и только для СИ, которые могут быть представлены как линейное динамическое звено.

Можно показать, что при данных условиях, а также учитывая, чтопогрешностиобычнодостаточномалы, погрешностьСИдопустимоприближеннопредставлятькак сумму двух независимых составляющих – статической и динамической.

При измерениях постоянной или весьма медленно меняющейся величины погрешность СИ равна только одной из составляющих – статической, динамическая погрешность при этом равна нулю.

Если погрешность СИ является суммой двух независимых составляющих, то удобнее нормировать эти составляющиераздельно. Приэтомупрощаютсяметоды контроля характеристик погрешностей на соответствие нормам.

Модель инструментальной составляющей погрешности измерений может быть представлена в виде:

∆cu = ∆0 ∑∆ci ∆dyn ∆int ,

i=1

где * – символ объединения (суммирования) составляющихпогрешностисредстваизмерений; ∆0 – основная

погрешность СИ; ∑∆ci – объединение дополнительных

i=1

погрешностей∆ci СИ, обусловленныхдействиемвлияющих величин и неинформативных параметров входного сигнала СИ (далее – влияющих величин).

Число I составляющих ∆ci должно быть равно числу всех величин, существенно влияющих на погрешность СИ в реальных условиях применения; ∆dyn – динамическаяпогрешностьСИ, обусловленнаявлияниемскорости (частоты) изменения входного сигнала СИ.

В зависимости от свойств СИ данного типа и реальных условий его применения некоторые или все составляющие ∆ci и (или) ∆dyn могут отсутствовать; ∆int – погрешность, обусловленная взаимодействием СИ с объектом измерений.

Поскольку НМХ СИ используются при оценках инструментальнойсоставляющейпогрешностиизмерений, проводимыхприразличныхусловиях, обычнохарактеристики выбирают так, чтобы каждая из них была связана только с одной из составляющих инструментальной погрешности и отражала свойства только самого СИ, т. е. чтобы она была инвариантна к условиям применения и режиму работы СИ.

ГОСТ 8.009 предусматривает возможность нормирования одного из двух комплексов НМХ. Один из них ориентирован на статистическое суммирование состав-

ляющихинструментальнойпогрешностиипредназначен для СИ системного применения либо для СИ, используемых при косвенных, совместных и т.п. измерениях, когда результаты измерений, полученные посредством различных СИ, подвергаются совместной обработке.

Этот комплекс включает в себя: характеристики систематическойислучайнойсоставляющихосновнойпогрешностиСИ, спектральнуюплотность(нормализованную автокорреляционную функцию) случайной составляющейпогрешностиихарактеристикипогрешностиот гистерезиса (допускаемой вариации выходного сигнала (показания) СИ); функциивлияниявлияющихвеличинна НМХ СИ и (в случае необходимости) функции совместного влияния нескольких влияющих величин; полные динамические характеристики СИ – вид оператора и егокоэффициенты; характеристикиСИ, отражающиеих потенциальнуюспособностьквзаимодействиюслюбым из подключенных к их входу или выходу компонентов, таких как объект измерений, СИ и т.п., когда такое взаимодействиевлияетнаинструментальнуюсоставляющую погрешностиизмерений, например, входныеивыходные импедансылинейныхизмерительныхпреобразователей.

Второй, упрощенный комплекс ориентирован на более грубое, арифметическое суммирование составляющих инструментальной погрешности и предназначен для СИ несистемного применения, используемых, в основном, для прямых измерений. Этот комплекс включает в себя: пределы допускаемых значений основной погрешности СИ без выделения систематической и случайной составляющих и характеристики погрешности от гистерезиса; пределы допускаемых изменений погрешности СИ, вызванных изменениями влияющих величин в установленных пределах; частные динамические характеристики (время реакции, постоянная времени, амплитудно-частотная характеристика и т.п.); характеристики, отражающие влияние действия СИ на инструментальную погрешность.

Литература

1.Земельман М.А., Кнюпфер А.П., Кузнецов В.П. //

Измерительная техника. – 1969. – №№ 1, 2, 3.

2.Земельман М.А., Кузнецов В.П., Солопченко Г.Н.

Нормирование и определение метрологических характеристик средств измерений. 2-е издание. – М.: Машиностроение, 1986.

3.ГОСТ 8.009-84 Нормируемые метрологические характеристики средств измерений.

В.П. Кузнецов

Важнейшиминструментомпостоянногопополнения знаний о научных основах измерений физических величин и развития метрологии как науки об измерениях является решение ее фундаментальных теоретических проблем. Поэтомупрограммыработкрупнейшихнациональных метрологических центров (таких как ВНИИМ им. Д.И. Менделеева, ВНИИМС и др. (Россия), РТВ

(Германия), NPL (Англия), NIST (США), ETL (Япо-

ния), Институт им. Дж. Колонетти (Италия), CSIRO (Австралия), BNM (Франция), NMI – Van Svinden Lab (Голландия) и др.) включают исследования проблем как общеметрологическогохарактера, таки(вкачествеприоритета высшего ранга) работы в области теоретической метрологии и общей теории измерений [1, 3, 16, 19, 28].

Значимость этих исследований обусловлена особой ролью метрологии в системе научного Знания и одновременно– ееширокойпрактическойнаправленностью. Как наука об измерениях, метрология разрабатывает теоретические и методологические аспекты одного из важнейших методов Познания, и в этом проявляется одноизееважнейшихсвойств, характеризующихеекак фундаментальную науку.

Понятияиметодытеоретическойметрологииимеют общенаучную значимость, исследования в этой области непосредственносвязанысестественнымиисоциальными науками – фундаментальной и прикладной физикой, математикой, философией – и, в целом, обеспечивают научную основу развития и совершенствования национальных систем измерений. Одновременно, в связи с интенсивным использованием в метрологии методов, разработанных в этих науках, происходит и широкое заимствование в нее понятий из этих дисциплин.

Свою значимость в настоящее время сохраняют все классическиеразделытеоретическойметрологии, однако они постоянно и существенно расширяются и приобретают новое, современное содержание.

Так, существенные метрологические уточненияследуетожидатьвсвязисожидаемымпрогрессомнаодном из основных направлений развития физики, определяемом тенденцией к объединению четырех известных типов взаимодействий: электромагнитного, слабого, сильного и гравитационного. Как один из результатов здесь возможно появление новых обобщенных теорий, другихфундаментальныхконстантисвязеймеждуними,

и др. [9].

Еще о важном. С учетом высокой скорости формирования VI технологического уклада по сравнению с

V укладом, метрологам и приборостроителям необходимо самым активным образом участвовать в создании интеллектуально-технологического и кадрового задела для развития экономического потенциала страны. По мнениюэкспертов, подавляющеебольшинствопотенциальных направлений возможного научно-технического прорыва сегодня непосредственно связано с приборостроением, измерениями, метрологией. Нанотехнологии, солнечная и альтернативная энергетика, информацион- но-измерительная и вычислительная техника, когнитивные технологии, роботы и др., все это – собственно приборостроение, научной основой которого являются метрология и измерения.

Ввиду указанного существенного расширения областей измерений постоянно появляются и новые важные области теоретических исследований.

Как и в любой науке, в метрологии выделяется, прежде всего, раздел Основные представления, который включаетвсебяразработкусистемыосновныхпонятийи терминов, принципы, аксиомыипостулатыметрологии, методологию метрологических исследований и учение о физических величинах. Эти вопросы для метрологии особенно важны, поскольку она объединяет различные области измерений, которые могли бы развиваться и самостоятельно, на основе своих специфических представлений.

В процессе развития метрологии как науки закономерно возникает потребность в аксиоматическом построении ее теоретических основ: необходимо выделить те аксиомы и постулаты, на основе которых чисто дедуктивными методами можно было бы построить достаточно содержательную и полную теорию измерений, а также вывести полезные практические следствия. Эта тенденциясоответствуетсовременномупостроениювсех точных наук. Разработка системы аксиом способствует укреплению связей метрологии с другими науками и выработке единой методологии.

Насовременномуровнеразвитияметрологииученые всечащеобращаютсякметодологическимисследованиям. Приэтомиспользуютсяразличныеформыметодологического анализа: общий – философский, и частный – более конкретный, естественнонаучный. Поскольку измерение – один из методов научного исследования, то и метрология в целом, как наука об измерениях, имеет методологический характер, представляет собой науку об одном из методов научных исследований. Отметим, что методология важна и для внутреннего развития