Основы метрологии. Учебное пособие по дисциплине «Метрология. Стандартизация. Сертификация»

и использования в автоматизированных системах управления.

Многообразие средств измерений заставляет принимать соответствующие меры, чтобы не нарушить единство измерений. Под единством измерений понимают такое их состояние, при котором результаты выражены в узаконенных единицах, а точность измерений документирована. Первое требование обычно выполняется благодаря тому, что результаты измерений выражаются в единицах СИ. Для соблюдения второго требования средства измерений должны иметь определенные (нормированные) метрологические характеристики.

Метрологическими характеристиками средств измерений называются такие их технические характеристики, которые влияют на результаты и точность измерений. В полном их перечне, установленном ГОСТ 8.009-84, можно выделить следующие группы характеристик: а) градуировочные характеристики, определяющие соотношение между сигналами на входе и выходе средства измерений в статическом режиме. К ним относятся, например, номинальная статическая характеристика преобразования измерительного преобразователя, номинальное значение однозначной меры, пределы и цена деления шкалы, вид и параметры цифрового кода; б) динамические характеристики, отражающие инерционные свойства средств измерений при воздействии на них меняющихся во времени величин? параметров входного сигнала, внешних влияющих величин, нагрузки.

По степени полноты описания инерционных свойств средств измерений динамические характеристики делятся на полные и частные. К полным динамическим

41

характеристикам относятся: дифференциальное уравнение, описывающее работу средства измерений;

передаточная функция; переходная характеристика;

характеристиками могут быть отдельные параметры полных динамических характеристик или характеристики, не отражающие полностью динамических свойств средств измерений, но необходимые для выполнения измерений с требуемой точностью (например, время установления показаний) или для контроля однородности свойств средств измерений данного типа; показатели точности;

функции влияния, т. е. зависимость изменений метрологических характеристик от изменений влияющих величин или неинформативных параметров входного сигнала. На эти характеристики средств измерений устанавливаются нормы с целью: 1) оценки точности измерений; 2) сравнения средств измерений между собой и выбора из них таких, которые обеспечивают требуемую точность измерений; 3) достижения взаимозаменяемости средств измерений.

Номенклатура нормируемых метрологических характеристик и полнота, с которой они должны описывать свойства средств измерений, зависят от их назначения, условий эксплуатации, режима работы и многих других факторов. У средств измерений, используемых преимущественно для высокоточных измерений и метрологической аттестации других средств измерений, нормируются до десятка и более

42

требований и стандартах общих технических условий на средства измерений; стандартах технических требований к средствам измерений (если отсутствует стандарт общих технических требований); стандартах технических условий на средства измерений (если нет стандарта общих технических условий); в технических условиях на средства измерений (если отсутствуют стандарты общих, технических требований, технических требований, общих технических условий); в технических заданиях на разработку средств измерений (если отсутствуют все вышеперечисленные нормативно-технические документы). Нормы на отдельные метрологические характеристики приводятся в эксплуатационной документации (паспорте, техническом описании, инструкции по эксплуатации и т. п.) в виде номинальных значений, коэффициентов, функций, заданных формулами, таблицами или графиками, пределов допускаемых отклонений от номинальных значений и функций. Соответствие метрологических характеристик установленным для них нормам должно проверяться. Проверка метрологическим органом соответствия метрологических характеристик нормам и установление на этой основе пригодности средств измерений к применению называется поверкой.

Обычно метрологические характеристики нормируют раздельно для нормальных и рабочих условий применения средств измерений. Нормальными считаются такие условия, ради которых изменением метрологических характеристик под воздействием влияющих величин принято пренебрегать. Так, для многих типов средств измерений нормальными условиями применения являются: температура 293 K атмосферное давление 100 кПа; относительная влажность 65; электрическое напряжение в

43

сети питания 220 В. Рабочие условия отличаются от нормальных более широких диапазонов изменения влияющих величин. И те, и другие указываются в стандартах технических требований и другой нормативнотехнической документации на конкретные виды средств измерений.

Учет всех нормируемых метрологических характеристик средств измерений - сложная и трудоемкая процедура, оправданная только при измерениях очень высокой точности, характерных для метрологической практики. В обиходе и на производстве, как правило, такая точность не нужна. Поэтому для средств измерений, используемых в повседневной практике, принято деление по точности на классы. Классом точности называется обобщенная характеристика всех средств измерений данного типа, устанавливающая оценку снизу точности их показаний. В стандартах на средства измерений конкретного типа устанавливают требования к метрологическим характеристикам, в совокупности определяющие класс точности средств измерений этого типа. У плоскопараллельных концевых мер длины, например, такими характеристиками являются: пределы допускаемых отклонений от номинальной длины и плоскопараллельности, пределы допускаемого изменения длины в течение года. У мер электродвижущей силы (нормальных элементов) - пределы допускаемой нестабильности ЭДС в течение года.

Для мало изменяющихся метрологических характеристик допускается устанавливать требования, единые для двух и более классов точности. Независимо от классов точности нормируют метрологические характеристики, требования к которым целесообразно

44

устанавливать едиными для средств измерений всех. классов точности, например, входные или выходные сопротивления. Классы точности присваиваются типам средств измерений с учетом результатов государственных приемочных испытаний. Средствам измерений с несколькими диапазонами измерений одной и той же физической величины или предназначенным для измерений разных физических величин могут быть присвоены различные классы точности для каждого диапазона или каждой измеряемой величины.

Метрологические характеристики средств измерений должны соответствовать установленным для них нормам как при выпуске готовой продукции, так и в процессе эксплуатации.

Обозначения классов точности наносятся на циферблаты, щитки и корпуса средств измерений, приводятся в нормативно-технических документах. При этом в эксплуатационной документации. на средство измерений, содержащей обозначение класса точности, должна быть ссылка на стандарт или технические условия,

вкоторых установлен класс точности для этого типа средств измерений. Обозначения могут иметь форму заглавных букв латинского алфавита (например, М, С и т. д.) или римских цифр (I, II, III, IV и т. д.) с добавлением условных знаков. Смысл таких обозначений раскрывается

внормативно-технической документации.

45

ОДНОКРАТНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ

Подавляющее большинство измерений являются однократными. Можно сказать, что в обиходе, в торговле, во многих областях производственной деятельности выполняются только однократные измерения. В обычных условиях их точность вполне приемлема, а простота, высокая производительность (количество измерений в единицу времени) и низкая стоимость (по оценке трудозатрат) ставят их вне конкуренции. Многие люди до конца своей жизни остаются знакомыми только с однократными измерениями.

Метрологический анализ однократного измерения выявляет в нем две главные особенности.

1.Из множества возможных значений отсчета получается и используется только одно.

2.Представление о законе распределения вероятности отсчета и его среднем квадратическом отклонении формируется исключительно на основе априорной информации.

Порядок действий при однократном измерении показан на рис. 2.

46

Предварительно проводится тщательный анализ априорной информации. В ходе этого анализа уясняется физическая сущность изучаемого явления, уточняется его модель, определяется влияющие факторы и меры, натравленные на уменьшение их влияния (термостатирование, экранирование, компенсация электрических и магнитных полей и др.), значения поправок, принимается решение в пользу той или иной методики измерения, выбирается средство измерений, изучаются его метрологические характеристики и опыт выполнения подобных измерений в прошлом. Важным итогом этой предварительной работы должна стать твердая уверенность в том, что точности однократного измерения достаточно для решения поставленной задачи. Если это условие выполняется, то после необходимых приготовлений, включающих установку и подготовку к работе средства измерений, исключение или компенсацию влияющих факторов, выполняется основная измерительная процедура - получение одного значения отсчета.

Отсчет, согласно основному постулату метрологии, является случайным числом. Ни одно из отдельных его значений не дает полного представления о таком числе. Поэтому уже на этапе получения отсчета возникает дефицит измерительной информации, который позже в какой-то степени может быть восполнен только за счет априорных сведений.

Единственное значение отсчета х1 используется для получения одного единственного значения показания Х1 средства измерений, имеющего ту же размерность, что и измеряемая величина. Дальнейшее зависит от того, какая в данном случае используется априорная информация.

48

Если используется информация о классе точности средства измерений, то тем самым учитывается рассеяние отсчета и поправка, обусловленные свойствами этого средства измерений. Пределы Q1 и Q2, в которых находится значение физической величины, поданной на вход средства измерений, устанавливаются через единственное значение показания X1 . Далее учитываются особенности метода измерений, условий, в которых оно выполнялось, и других влияющих факторов. Внесение суммарной поправки, смещающей Q1 и Q2 вправо или влево в зависимости от знака поправки, позволяет установить пределы, в которых находится значение измеренной величины.

В качестве априорной информации может использоваться также опыт подобных измерений в прошлом, на основании которого известен закон распределения вероятности отсчета, а, следовательно, и показания средства измерений. Он может быть, например, равномерным в пределах люфта подвижной части измерительного механизма, и неизвестным до измерения остается лишь его положение на шкале отношений. Часто можно заранее сказать, что отсчет и показание подчиняются нормальному закону распределения вероятности с известным средним квадратическим отклонением. Во всех этих случаях значение измеряемой величины без учета поправки не может отличаться от случайного значения показания средства измерений X1 больше чем на полуразмах при равномерном законе распределения вероятности или больше чем на половину доверительного интервала, если показание средства измерений подчиняется нормальному закону распределения вероятности. Поправка, как всегда при

49

однократном измерении, вносится на последнем этапе и в данном случае учитывает все без исключения влияющие факторы, включая свойства средства измерений.

Внесение поправки, точное значение которой неизвестно, целесообразно не всегда.

С одной стороны, она смещает интервал, в пределах которого находится значение измеряемой величины, с другой - из-за неопределенности своего значения расширяет его.

Рис. 3. Интервал, в пределах которого находится значение измеряемой величины до и после внесения

неточно известной поправки

Из рис. 3 следует, что внесение известной неточно

поправки целесообразно только в случае, если Второе важное замечание связано с правилами

округления. В метрологии принято среднее квадратическое отклонение или его аналог выражать одной значащей цифрой, например, 8; 0,5; 0,007. Две значащие цифры, например, 27; 0,016 удерживаются при особо точных измерениях и в тех случаях, когда значащая цифра старшего разряда меньше 4 (в промежуточных вычислениях сохраняется на одну значащую цифру больше). Вследствие этого при квадратичном

50