книги / Методы электрических измерений

пускаемого значения погрешности образцовых средств измерений сопротивления.

Значительно сложнее нормирование погрешности взаимодей­ ствия СИ неэлектрических величин. В этой области явления обмена энергией СИ и объекта изучены недостаточно. Однако для многих СИ неэлектрических величин проблема может быть све­ дена к уже решенной путем использования теории электромеха­ нических аналогий и расчета эквивалентных электрических схем преобразователей неэлектрических величин [15].

10.6. ПРИМЕР УСТАНОВЛЕНИЯ НОРМИРУЕМЫХ МЕТРОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК

В качестве примера определим нормируемые метрологические характери­ стики нормализатора — линейного безынерционного измерительного преобра­ зователя (ИП), обладающего собственным шумом и дрейфом в рабочих условиях эксплуатации. На работу преобразователя оказывает влияние изменение темпера­ туры окружающей среды и изменение напряжения источников питания.

Пусть аддитивная составляющая Um и мультипликативная составляющая 6Ш шума имеют «белый спектр», стационарны, имеют нулевое математическое ожида­ ние. Их дисперсии равны соответственно D W m], D [6Ш]. Дрейф показаний ИП состоит из двух составляющих — медленного дрейфа из-за прогрева элементов схемы и дрейфа из-за старения элементов ИП. Дрейф из-за прогрева элементов схемы имеет тенденцию к экспоненциальному изменению.

Тогда в соответствии с принятой моделью погрешности ОН можно представить в виде суммы экспоненциально изменяющейся части и центрированного стацио­ нарного случайного процесса. Дрейф показаний из-за старения элементов изме­ няется обычно настолько медленно, что его математическое ожидание можно при­ нять изменяющимся по линейному закону. В этом случае математическое ожида­

где {/др. о и бдр. 0 — значения математического ожидания величины дрейфа пока­ заний С/др и бдр, вызываемого прогревом ИП в момент его включения /вкл; аи и ос$ — коэффициенты, характеризующие скорость дрейфа; Oj, оа — математиче­ ские ожидания скоростей изменения дрейфа из-за старения ИП; tQ— момент по­ следней коррекции дрейфа. Стационарные составляющие дрейфов характеризу­ ются своими автокорреляционными характеристиками: ki (т) — аддитивного дрей­ фа, k2(т) — мультипликативного. Номинальная функция преобразования ИП

С учетом изложенного основная погрешность ИП, приведенная н входу, будет А0 — Uо/^ном 4* бд//вх-

Так как погрешности ИП малы, то в данном случае можно записать

U0 — Um -\- i/др 4' {^о. о»

б* ~ 6Ш4бдр 4" б0. о»

где UQ.с, S0. с — случайные величины, обусловленные отклонениями параметров конкретного ИП от номинальных, принятых для ИП данного типа. Тогда модель основной погрешности ИП, приведенная к входу ИП, будет иметь вид

После окончания прогрева ИП (величина t — t Q значительно больше длитель­ ности прогрева) систематическая составляющая основной погрешности примет вид

Пределы, в которых находится систематическая составляющая, при условии, что коррекция дрейфа показаний ИП осуществляется каждые *кор часов, будут

Дисперсия случайной погрешности будет определяться выражением (10.17), а автокорреляционную функцию случайной составляющей можно определить из соотношения

О«ном

так как составляющие дрейфа предполагаются независимыми.

Характеристики ИП данного типа (а не конкретного экземпляра) можно найти

дисперсия случайной составляющей (предел для множества ИП данного типа)

о А ,) » = - 4 — |Ор 1" ш] + к , (0)| + и г„ |Д р [вш] + к , (0)|.

В качестве характеристик дополнительной погрешности необходимо норми­ ровать функции влияния от изменения температуры окружающей среды ф*,(|i) и изменения напряжения источников питания ф2 (Ы- Будем полагать, что они ли­ нейны и независимы. Тогда функции влияния на систематическую и случайную составляющие погрешности будут

Ьи, 8u — соответствующие коэффициенты пропорциональности в функции влия­ ния.

Если известны числовые значения характеристик ИП, то по приведенным формулам можно определить конкретные нормируемые метрологические харак­ теристики. Обычно числовые значения характеристик определяют при испытании головного образца ИП или расчетным путем, используя теорию чувствительности.

Глава одиннадцатая

СИСТЕМА ОБЕСПЕЧЕНИЯ ЕДИНСТВА ИЗМЕРЕНИЙ

11.1. ОРГАНИЗАЦИЯ МЕТРОЛОГИЧЕСКОГО НАДЗОРА ЗА СРЕДСТВАМИ ИЗМЕРЕНИЙ

Получение достоверной измерительной информации имеет

новейших научно-технических достижений в производство. На современном этапе развития социалистической экономики

важнейшим фактором повышения эффективности общественного производства, повышения конкурентоспособности изделий яв­ ляется планомерное повышение качества продукции. Естественно, что повышение качества продукции невозможно без достижения высокого качества измерений.

В то же время для достижения высокого качества измерений не­ обходимо обеспечить их единство и достоверность.

Под единством измерений понимают такое состояние измери­ тельной техники, при котором результаты измерений выражаются в узаконенных единицах и погрешности их известны с заданной точностью. Единство измерений позволяет обеспечивать сопо­ ставимость результатов измерений, выполненных в различных ме­ стах и в различное время при помощи различных средств изме­ рений. Только такое состояние измерительной техники позволяет состоятельно сравнивать между собой объекты и процессы, свой­ ства которых определяются числовыми характеристиками. Фор­ мальное решение этой задачи позволяет сконструировать некото­ рый критерий оценки качества продукции, т. е. некоторое мате­

матическое выражение, позволяющее сопоставить множество число­ вых характеристик, описывающих некоторый объект или процесс, и число, определяющее качество этого объекта или процесса.

Обеспечение единства измерений не только в границах одной страны, но и в международном масштабе позволяет обмениваться результатами научно-технических исследований и сравнивать объективно качество продукции различных ее производителей между собой. Поэтому так важно решить проблему обеспечения единства измерений и мероприятий, направленных на ее осу­ ществление.

Единство измерений обеспечивается единообразием средств измерений, правильной методикой выполнения измерений и при­ менением средств измерений, метрологические характеристики которых соответствуют нормам, установленным в государствен­ ных стандартах.

Единство измерений и соответствие их характеристик уста­ новленным в государственных стандартах (единообразие средств измерений) не может быть обеспечено без специальных мер, обя­ зательных для выполнения в пределах всего государства или меж­ дународного сообщества. Поэтому в СССР создана Государствен­ ная метрологическая служба, т. е. сеть государственных и ведом­ ственных органов, деятельность которых направлена на обеспече­ ние единства измерений и единообразия средств измерений.

Общесоюзным органом государственного управления, осу­ ществляющим руководство стандартизацией и метрологией в стране, является Государственный комитет СССР по стандарти­ зации — Госстандарт СССР. Госстандарт СССР несет ответствен­ ность за состояние и дальнейшее развитие стандартизации и метрологии в стране. В частности, в задачи Госстандарта входят:

обеспечение единства и достоверности измерений в стране, укрепление и развитие государственной метрологической службы и эталонной базы, создание новых и совершенствование суще­ ствующих методов и средств измерений высшей точности;

стандартизация методов и средств измерений, контроля и испы­ таний, а также значений физических констант, аттестация стан­ дартных образцов веществ и материалов;

организация и проведение государственных испытаний средств измерений;

государственный надзор за соблюдением стандартов и техни­ ческих условий, а также за состоянием и применением измеритель­ ной техники в отраслях народного хозяйства.

В Единую государственную систему’ метрологического обеспе­ чения народного хозяйства входят:

система государственных эталонов единиц физических вели­ чин, обеспечивающая их воспроизводство с наивысшей точностью1, система передачи размеров единиц физических величин от эталонов ко всем средствам измерений с помощью образцовых

средств измерений;

система разработки, постановки на производство и выпуска в обращение рабочих средств измерений, обеспечивающих тре­ буемую точность характеристик продукции, технологических про­ цессов и других объектов в сфере материального производства, научных исследованиях и других видах деятельности;

система обязательных государственных испытаний средств измерений, предназначенных для серийного или массового произ­ водства и ввозимых из-за границы партиями, обеспечивающими единообразие средств измерений при разработке и выпуске в обра­ щение;

система государственной и ведомственной поверки или метро­ логической аттестации средств измерений, обеспечивающая еди­ нообразие средств измерений при их изготовлении, эксплуатации и ремонте;

система стандартных образцов состава и свойств веществ и материалов, обеспечивающая воспроизведение единиц величин, характеризующих состав и свойства веществ и материалов;

система стандартных справочных данных о физических кон­ стантах и свойствах веществ и материалов, обеспечивающая до­ стоверными данными научные исследования, разработку техноло­ гических процессов и конструкций изделий, процессов получе­ ния и использования материалов.

Основными целями и результатами метрологического обеспе­ чения являются:

повышение качества продукции, эффективности управления производством и уровнем автоматизации производственных про­ цессов;

обеспечение взаимозаменяемости деталей, узлов и агрегатов, создание необходимых условий для кооперирования производства и развития специализации;

повышение эффективности научно-исследовательских и опытно­ конструкторских работ, экспериментов и испытаний;

обеспечение достоверности учета и повышение эффектив­ ности использования материальных ценностей и энергетических ре­ сурсов;

повышение эффективности мероприятий по профилактике, диагностике и лечению болезней, нормированию и контролю условий труда и быта людей, охране окружающей среды, оценке

ирациональному использованию природных ресурсов; повышение уровня автоматизации управления транспортом и

безопасности его движения; обеспечение качества и надежности связи.

Общие, единые правила и нормы метрологического обеспече­ ния устанавливаются в стандартах Государственной системы обеспечения единства измерений (ГСИ). Основными объектами стандартизации ГСИ являются:

единицы физических величин; государственные эталоны и общесоюзные поверочные схемы;

методы и устройства поверки средств измерений; номенклатура нормируемых метрологических характеристик

средств измерений; нормы точности измерений;

способы выражения и формы представления результатов измерения и показателей точности измерений;

методика выполнения измерений; методика оценки достоверности и формы представления данных

о свойствах веществ и материалов; требования к стандартным образцам состава и свойств ве-

ществ и материалов; организация и порядок проведения государственных испыта­

ний, поверки и метрологической аттестации средств измерений, метрологической экспертизы нормативно-технической, проектной, конструкторской и технологической документации, экспертизы

иаттестации данных о свойствах веществ и материалов; термины и определения в области метрологии. Государственные стандарты регламентируют конкретное со­

держание метрологического обеспечения на различных уровнях управления и производства (Госстандарт, министерство, предприя­ тие), осуществляемого как сотрудниками метрологических служб, так и производственным персоналом.

Научной основой метрологического обеспечения является метрология — наука об измерениях, методах и средствах обеспе­ чения их единства и способах достижения необходимой точности.

Главным научным центром государственной метрологической службы является Всесоюзный научно-исследовательский инсти­ тут метрологической службы (ВНИИМС). Государственной метро­ логической службе подчинены ведомственные метрологические службы, являющиеся составной частью метрологической службы страны. Они осуществляют комплекс мероприятий по метро­ логическому обеспечению работ на предприятиях и в орга­ низациях.

В состав ведомственных метрологических служб входят, метро­ логические службы предприятий и организаций. Основными за­ дачами метрологической службы промышленного предприятия или организации являются обеспечение единства измерений, необхо­ димой точности измерений, повышение уровня и совершенство­ вание техники и методики измерений и контроля на предприятии; проведение работ по подготовке и совершенствованию метрологи­ ческого обеспечения во всех областях деятельности предприятия; определение оптимальной номенклатуры и планомерное внедре­ ние средств и методов выполнения измерений, испытаний и кон­ троля, отвечающих современным требованиям науки и производ­ ства и обеспечивающих повышение эффективности научных исследований, проектных, конструкторских и эксперименталь­ ных работ; поддержание заданных характеристик технологиче­ ских процессов, контроль качества продукции и повышение про-

Рис, 11.2. Структура метрологической службы организаций

изводительности труда; контроль соблюдения безопасных усло­ вий труда; учет и рациональное использование материальных и энергетических ресурсов.

На метрологическую службу предприятия возложена также задача, контроля за состоянием средств измерительной техники» ее ремонт, испытание и поверка. Примерная структура метроло­ гической службы предприятия показана на рис. 11.1, а организа­ ции — на рис. 11.2.

Метрологическая служба предприятия проводит свою работу в тесном взаимодействии с базовой организацией метрологической службы и местным органом Госстандарта СССР. Последний осу­ ществляет государственный надзор за работой метрологической службы предприятия или организации. Для выполнения задач метрологической службе предприятия предоставляются право­ вые полномочия. Эта служба имеет право давать руководителям всех подразделений предприятия обязательные предписания об устранении нарушений метрологических правил. Метрологи­

ческая служба имеет право, при необходимости, изымать на своих предприятиях из эксплуатации средства измерений, не отвечаю­ щие требованиям стандартов.

11.2. ИСПЫТАНИЕ И ПОВЕРКА СРЕДСТВ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ

11.2.1. Испытание и аттестация средств измерений. Система государственных испытаний средств измерений включает в себя комплекс правил и положений, требований и норм научно-тех­ нического, экономического и правового характера, определяющих цели и задачи испытаний, организацию и методику проведения работ по испытаниям, порядок оформления, рассмотрения и утверждения их результатов, а также контроля за выпуском средств измерений. Основными задачами государственных испы­ таний средств измерений являются: обеспечение единства и досто­ верности измерений в стране; улучшение параметров и совер­ шенствование номенклатуры средств измерений.

Устанавливаются следующие виды государственных испыта­ ний: приемочные — для испытаний опытных образцов средств измерений новых типов, предназначенных для серийного произ­ водства, а также образцов импортируемых средств измерений; контрольные — для испытаний образцов из установочной серии и серийно выпускаемых средств измерений.

По результатам испытаний образцов из установочной серии Госстандарт СССР выдает разрешение на серийный выпуск средств измерений. Положительные результаты контрольных испытаний серийно выпускаемых средств измерений являются основанием

ляются: соответствие технических характеристик средств изме­ рений требованиям технического задания; возможность метро­ логического обслуживания и возможность обеспечения нормиро­ ванных метрологических характеристик средств измерений при их серийном производстве и при эксплуатации; метрологические характеристики, подлежащие контролю при выпуске средств измерений и эксплуатации, а также рекомендуемая периодич­ ность контроля; перечень изменений, которые должны быть вне­ сены разработчиком в конструкцию или схему средств измерений и техническую документацию.

Государственные приемочные испытания проводятся по про­ грамме, составленной организацией-разработчиком в соответствии

производимых испытаний; точность методов и средств испытаний; процесс и условия испытаний и правила обработки результатов испытаний; точность воспроизведения факторов, характеризую­ щих условия испытаний [МИ 1317—861.

Содержание испытаний должно предусматривать: оценку пол­ ноты, правильности и способов выражения метрологических характеристик, нормированных в документации; эксперименталь­ ное определение числовых значений всех нормируемых метроло­ гических характеристик, определение минимально допустимой номенклатуры параметров, характеризующих метрологическое состояние средств измерений при их поверках, а также значение межповерочных интервалов с учетом надежности испытуемых средств измерений; оценку полноты и правильности предложен­ ных методов и средств поверки средств измерений; сравнение метрологических характеристик испытуемых средств измерений с характеристиками лучших зарубежных и отечественных средств измерений аналогичного типа.

Процесс испытаний должен, в свою очередь, содержать: тре­ бования к числу и размерам интервалов между значениями изме­ ряемых в процессе экспериментальных исследований метрологи­ ческих параметров (например, количество точек диапазона измере­ ний, в которых определяется основная погрешность СИ, количество точек диапазона измерений, в которых определяются дополнитель­ ные погрешности, и пр.); требования к количеству измере­ ний в каждой точке; указание о временных интервалах между последовательными измерениями. Правила обработки результа­ тов экспериментальных исследований и методики аналитических расчетов указываются в программах ссылками на имеющиеся официальные нормативные документы. При их отсутствии должны быть приведены необходимые расчетные зависимости.

При установлении соотношения между погрешностями образ­ цовых средств измерений и поверяемых необходимо указывать, какая вероятность брака поверки при этом будет обеспечиваться. Обычно эти соотношения указываются в технических условиях на средства измерений конкретного типа. Перечень технической документации по результатам испытаний должен соответствовать стандартам ГОСТ 8.001—80. Требования к образцовым средст­ вам измерений, используемым при испытаниях, изложены в ГОСТ 22261—82, а к методике испытаний — в стандартах на конкретные типы средств измерений.

Кроме серийно выпускаемых средств измерений в стране используются уникальные средства измерений. Они исполь­ зуются, как правило, при научных исследованиях. Такие сред­ ства измерений подвергаются метрологической аттестации. В за­ висимости от назначения они могут подвергаться государствен­ ной или ведомственной метрологической аттестации. Средства измерений, которые используются государственной метрологи­ ческой службой, ведомственными службами и для выпуска про­ дукции на приборостроительных предприятиях в качестве образцо­ вых, подвергаются государственной метрологической аттестации.

Метрологическую аттестацию средств измерений проводят по программе, разработанной предприятиями-разработчиками или