Поверка электрических и магнитных средств измерения. Учебное пособие

•документации на элементы системы обеспечения качества, которая должна быть включена в «Руководство по качеству» или другой аналогичный по содержанию документ;

•установленных правил приемки, хранения и возврата СИ, поступающих на поверку;

•системы регистрации результатов поверки (протоколов, свидетельств о поверке и извещений о непригодности СИ);

•финансовых документов, определяющих размер оплаты выполняемых работ или услуг по регулируемым ценам, установленным Правительством Российской Федерации;

•формы договоров по оплате заинтересованными лицами поверки СИ, не входящих в систему ГРОЕИ.

Только аккредитованные в национальной системе аккредитации юридические лица и индивидуальные предприниматели имеют право направлять информацию в Федеральный информационный фонд (ФИФ) [4, 48].

Юридические лица и индивидуальные предприниматели, выполняющие калибровку СИ, могут быть аккредитованы на право проведения калибровочных работ в области ОЕИ.

Аккредитация метрологической службы юридического лица или индивидуального предпринимателя на право проведения калибровочных работ – это официальное признание аккредитующим органом исполнительной власти того, что юридическое лицо или индивидуальный предприниматель полномочен проводить калибровочные работы в области аккредитации и результаты калибровки могут быть использованы при поверке СИ в порядке, установленном федеральным органом исполнительной власти, осуществляющим функции по выработке государственной

31

политики в области ОЕИ [43]. К основным функциям аккредитования в установленном порядке подразделений на право проведения калибровочных работ относятся:

•калибровка СИ в области аккредитации, в том числе для сторонних организаций;

•обеспечение надлежащего состояния эталонов, прослеживаемых к государственным первичным эталонам, и другого оборудования и помещений;

•подготовка и переподготовка персонала;

•корректировка интервалов между калибровками с учѐтом эксплуатационных свойств калибруемых СИ или условий эксплуатации;

•проведение контроля состояния СИ с целью исключения возможности эксплуатации неисправных СИ;

•получение от должностных лиц предприятия необходимой информации о наличии, состоянии и условиях эксплуатации СИ.

ГЛАВА 2. ОБЩИЕ ВОПРОСЫ ПОВЕРКИ И КАЛИБРОВКИ СРЕДСТВ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ

2.1. Измерение, погрешности измерения

Измерения выполняются с помощью разнообразных технических устройств – средств измерений. Ни одно техническое устройство не может быть идеальным. Признано, что результат измерения не может быть абсолютно точным, всегда есть отклонение от истинного размера измеряемой величины.

32

Поэтому результат измерения Y представляет собой оценку ~

X

значения X измеряемой величины, которая всегда отличается от размера измеряемой величины X. Это отличие называют погрешностью:

Результат измерения может и завышать, и занижать размер измеряемой величины, т.е. погрешность может быть как положительной, так и отрицательной. Из выражения (2.1) получается, что погрешность имеет ту же самую размерность, что и измеряемая величина. Такую погрешность называют абсолютной погрешностью, она всегда выражена в единицах измеряемой величины; ее значение определяется как разность измеряемого значения величины и ее действительного значения.

Модуль абсолютной погрешности всегда положительный. Он может быть по смыслу обозначен как неопределенность. Определяется из выражения:

где Xи – измеряемое значение величины; Xд – действительное значение величины.

Относительная погрешность: Отношение значения абсолютной погрешности к действительному значению измеряемой величины, выраженное в процентах (безразмерная величина). Определяется из выражения:

где ∆ – абсолютная погрешность из выражения (2.2); Xи – измеряемое значение величины.

33

Приведенная погрешность: не является метрологической характеристикой и не используется в качестве характеристики погрешности измерений. В данном учебном пособии не рассматривается, хотя в некоторых стандартах ещѐ встречается.

2.1.1. Неопределенность измерения

При выполнении международных работ и исследовании первичных государственных эталонов допускается использование неопределенности измерений [45]. Неопределенность измерения – это параметр, относящийся к результату измерения и характеризующий разброс значений, которые могли бы быть обоснованно приписаны измеряемой величине [44].

На самом деле действительное значение измеряемой величины всегда неизвестно, в противном случае нет необходимости измерять. Строго говоря, погрешность измерения не может быть корректно рассчитана по формуле (2.1). Принято, что при проведении электрических измерений за действительное значение величины принимают соответствующий параметр математической модели объекта измерения.

В последнее время принято вместо термина «погрешность измерения» пользоваться термином «неопределенность результата измерения» как и у зарубежных коллег. Под неопределенностью результата измерения понимают [5]:

«5.34. неопределѐнность (измерений): Неотрицательный параметр, характеризующий рассеяние значений величины, приписываемых измеряемой величине на основании измерительной информации». Это перевод с английского оригинала. Если адаптировать, можно сказать, что «неопределѐнность – это интервал вокруг результата измерений, в котором находится значение

34

измеряемой величины». Справочно: и погрешность измерений можно трактовать как интервал вокруг значения измеряемой величины, в котором находится результат измерения; количественно – это тот же интервал.

Неопределѐнность измерений в общем случае включает в себя несколько составляющих. Некоторые из них могут вычисляться по типу А – вычисления неопределенности из статистического распределения величины в серии измерений, могут быть охарактеризованы стандартным отклонением. Другие составляющие могут быть вычислены по типу B – вычисления неопределенности из функции плотности вероятности, основанной на эксперименте или на другой информации, могут быть также охарактеризованы стандартным отклонением. Под стандартным отклонением понимают среднее квадратическое отклонение величины от математического ожидания (СКО).

Рассмотрение неопределенности (погрешности) измерений на современном уровне основано на математической теории вероятности [18]; (кратко бриф дан в Приложение 1). В метрологической практике в основном используют нормальный закон распределения вероятностей и следующие характеристики случайных величин: математическое ожидание (имеет смысл среднего значения); дисперсию, характеризует разброс значений случайной величины относительно ее математического ожидания; среднее квадратическое отклонение (СКО) – показатель рассеивания значений случайной величины относительно математического ожидания.

Главными признаками измерения являются: наличие реально существующего объекта измерения; необходимость проведения экспериментов и измерений; наличие средств и методов измерений.

35

Результатом измерения является значение (размер) физической величины, выраженное в установленных единицах измерения. Иными словами, результат измерения есть ЧИСЛО с указанием единицы величины.

«Бюджет неопределенности» рассматривает вклад каждой погрешности и в результат измерения, и в ее неопределенность. При однократном измерении составляющими «бюджета неопределенности» являются:

•погрешность СИ;

•погрешность метода измерения, включая программы вычислений;

•погрешности, обусловленные психофизиологическими особенностями оператора.

Разделение «бюджета» на составляющие определяется причинами возникновения составляющих погрешности (неопределѐнности) результата измерения.

Погрешности СИ, метода и оператора могут состоять из систематических и случайных погрешностей. Систематические погрешности, постоянные или изменяющиеся по определенным законам, могут быть исключены из результатов измерений экспериментальными или расчетными методами.

Методическая погрешность обусловлена различием алгоритмов измерений и математической модели измеряемой величины от объекта измерения. Считается, что ни одна расчетная модель не может быть полностью адекватна моделируемому объекту. Погрешность может быть снижена переходом на другую математическую модель, более близкую к объекту измерения, и/или на другой алгоритм измерений. Получается, что

36

методическая погрешность не зависит от качества СИ, а зависит от того, как они применяются. Методические погрешности определяются только расчетным аналитическим путем, они не могут быть указаны в нормативно-технической документации на СИ и должны определяться в каждом конкретном случае. Инструментальная составляющая погрешности результата измерения обусловлена свойствами применяемых СИ и других вспомогательных устройств, например источников питания.

Погрешность оператора обусловлена субъективными особенностями человека, принимающего участие в измерении, его квалификацией: уровнем знаний, умений и навыков. Ошибки оператора могут возникать не только при снятии показаний СИ, но и при обработке результатов – при использовании правил округления в расчетах, документировании полученной информации. Применение цифровых СИ, автоматизация измерений и программные средства обработки результатов позволяют минимизировать и даже исключить погрешность оператора из рассмотрения.

Как правило, случайные погрешности результата измерения обусловлены случайными погрешностями поверяемых СИ и/или случайными изменениями влияющих факторов. Случайные погрешности всегда присутствуют в результатах. Они случайны по своей природе, т.е. непрогнозируемы, неустранимы, и неизбежны. Их нельзя исключить из результатов измерений, однако можно существенно уменьшить.

37

2.2. Погрешности средств измерений. Нормируемые метрологические характеристики средств электрических

измерений

Средства измерений – это технические устройства, используемые при выполнении измерений. Они имеют нормированные метрологические характеристики, воспроизводящие и/или хранящие единицу физической величины, размер которой принимается неизменным (в пределах установленной погрешности) в течение известного интервала времени. По своей природе СИ не могут быть идеально точными, поэтому к ним применимо понятие о погрешности. Важно понимать, что погрешности средств измерений отличны от погрешности результатов измерений, описанной в п. 2.1.

Погрешности СИ – это отклонения метрологических свойств от номинальных, влияющие на погрешности результатов измерений, и создающие инструментальные составляющие погрешности измерений. Инструментальная погрешность обусловлена несовершенством СИ. Причины ее возникновения – неточности при изготовлении и регулировке СИ, изменение параметров элементов конструкции и схемы вследствие старения.

С целью исключения понятия об «истинном значении» из определения понятия о погрешности СИ можно представить любое СИ (меру, измерительный прибор или измерительный преобразователь) в виде четырехполюсника, на входе которого имеется измеряемая величина X или носитель информации о значении измеряемой величины, а на выходе – носитель информации Y о значении измеряемой величины.

38

Понятие о носителе информации о значении измеряемой величины пришло в метрологию из неудачной попытки создания «информационной теории измерений» [20]. Оно оказалось очень плодотворным в метрологии, особенно с внедрением понятий об информационно-измерительных системах и измерительно – вычислительных комплексах [21], широким распространением преобразователей величин в унифицированный сигнал [22] и современных «микропроцессорных» цифровых измерительных устройств [23].

Носитель информации о значении измеряемой величины –

физический феномен, уровень и/или изменения которого служат сигналом о значении (размере) измеряемой величины, выраженном в оговоренных единицах измерения.

Например, отклонение указателя показывающего измерительного прибора, отсчет (цифра – код) по цифровому табло цифрового измерительного прибора, и т.п.

Использование этого понятия позволяет принять за математическую модель любого СИ (в том числе меру) четырехполюсник

(преобразователь), имеющий номинальную прямую функцию преобразования [20, 24], иначе – номинальную зависимость носителя информации на выходе СИ от значения измеряемой величины или носителя информации на его входе.

где Y – значение выходного носителя информации о значении измеряемой величины при значении измеряемой величины (носителя информации на входе) равном X; Fs_nom – номинальная прямая функция преобразования, нормируемая в документации на преобразователь [24].

39

Под номинальной обратной функцией преобразования

Fb_nom(Y) понимают функцию, для которой справедливо равенство:

для этой функции выполняется условие (2.4).

С помощью обратной функции преобразования рассчитывают значение X входной (преобразуемой, измеряемой или воспроизводимой) величины, соответствующее известному значению Y выходного носителя информации.

Мера однозначная или многозначная также может быть представлена в виде четырехполюсника, на входе которого действует информация (код, число) о значении величины X, которое должно быть воспроизведено мерой, а на выходе будет воспроизводимая величина Y номинально-заданного размера X.

По определению в [20, 25] за абсолютную погрешность СИ принимают разность номинальной и фактической функций преобразования (прямых или обратных).

Погрешность СИ может быть выражена в единицах измеряемой (преобразуемой) величины – приведена ко входу:

где Fb_nom(Y) — номинальная обратная функция преобразования.

40