Поверка электрических и магнитных средств измерения. Учебное пособие

Погрешность СИ может быть выражена в единицах выходного носителя информации – приведена к выходу:

где Y(X) – значение выходного носителя информации при значении измеряемой (входной) величины, равном X.

Реальная прямая функция преобразования:

Реальная обратная функция преобразования: X Fb _ nom Y out .

Здесь: in – абсолютная погрешность СИ, приведенная ко входу (выраженная в единицах измеряемой величины);

out – абсолютная погрешность СИ, приведенная к выходу (выраженная единицах выходного носителя информации).

Нормирование погрешности и других метрологических характеристик СИ выполняется при их разработке, в соответствии

стребованиями нормативных документов [24].

Вобщем случае нормируются:

•Основная погрешность, обусловлена не идеальностью СИ, т.е. отличием действительной функции преобразования от номинальной в некоторых специально оговоренных нормальных условиях. Обычно ее выражают в единицах измеряемой величины (входного носителя информации о значении измеряемой величины).

•Изменения показаний (выходного носителя информации), обусловленные реакцией СИ на изменения внешних влияющих величин и неинформативных параметров входного сигнала относительно их нормальных значений.

41

• Погрешности, обусловленные взаимодействием СИ и объекта измерения.

• Динамические погрешности, обусловленные реакцией СИ на скорость (частоту) изменения входного сигнала.

• В соответствии с [24, 25] модель погрешности СИ в произвольных условиях применения может быть представлена выражением:

i 1

где – символ объединения [25] составляющих погрешности;ос – систематическая составляющая основной погрешности;

о

– случайная составляющая основной погрешности;

о

ов – составляющая основной погрешности от вариации;дин динамическая составляющая основной погрешности;отс погрешность отсчета;

где i i-я влияющая величина.

Нормируемые метрологические характеристики средств измерений представляют собой совокупность метрологических характеристик данного типа СИ, устанавливаемую нормативным документом [5].

Метрологические характеристики используются для решения обширного круга метрологических задач, основными из которых являются:

42

1.Считывание показания СИ в единицах измеряемой величины.

2.Оценка инструментальной составляющей неопределенности измерения.

3.Выбор СИ для производственных измерений в зависимости от известного допуска на измеряемый параметр. Эта задача является обратной задачей оценки инструментальной составляющей неопределенности измерения.

4.Выбор эталонных СИ для поверки, обеспечивающий требуемую достоверность решения о пригодности эталонных средств измерений к применению.

5.Расчет метрологических характеристик измерительных систем, состоящих из СИ с нормированными метрологическими характеристиками.

Для средств измерений электрических величин основная погрешность как правило нормируется без разделения на составляющие.

Дополнительные погрешности (изменения показаний) нормируются в виде предела допускаемого значения дополнительной погрешности, т.е. наибольшего допускаемого изменения погрешности СИ при отклонении влияющих величин от нормальных значений на некоторое установленное в документации значение для каждой влияющей величины в отдельности.

Встречается нормирование дополнительных погрешностей указанием функции влияния. Эта функция устанавливает функциональную зависимость изменений погрешности и вызывающими их изменениями влияющих величин, что позволяет более достоверно оценивать погрешности СИ в рабочих условиях

43

применения. Такой способ нормирования встречается в наиболее точных измерительных устройствах, например нормальные элементы, потенциометрические установки и т.п.

В зависимости от необходимой полноты описания динамических свойств СИ различают полные и частные динамические характеристики.

Полная динамическая характеристика полностью описывает принятую математическую модель динамических свойств СИ. К полным динамическим характеристикам относят переходную, импульсную переходную, амплитудно-фазовую характеристики, совокупность амплитудно-частотной и фазово-частотной характеристик, передаточную функцию. Эти характеристики наиболее полно отражают реальные динамические свойства СИ.

Частная динамическая характеристика – это функционал или параметр полной динамической характеристики СИ. Примерами таких характеристик являются: время реакции; время установления показаний; коэффициент демпфирования (затухания); постоянная времени; значение амплитудно-частотной характеристики на резонансной частоте; значение резонансной собственной круговой частоты; частота собственных колебаний. Примерами частных динамических характеристик цифровых измерительных устройств являются: время реакции; погрешность датирования отсчета; максимальная частота (скорость) измерений (быстродействие) и т.п. В отличие от полных динамических характеристик, по частным динамическим характеристикам нельзя вычислить динамическую составляющую погрешности измерения, но, используя их, можно сопоставить свойства СИ с условиями измерений.

44

Поэтому достаточно часто в нормативной документации ограничиваются нормированием частных динамических характеристик.

Составляющую инструментальной погрешности, обусловленную взаимодействием СИ с объектом измерений, нормируют в НД на СИ конкретных типов, как правило, в виде параметров входных цепей: номинальных значений входного сопротивления, входной емкости, и т.п.

Кроме перечисленных, нормируются метрологические характеристики, предназначенные для определения результата измерений:

•номинальное значение меры или диапазон возможных значений многозначной меры;

•диапазон измерения измерительного прибора;

•цена деления шкалы измерительного прибора;

•прямая (обратная) номинальные функции преобразования измерительного преобразователя;

•номинальная ступень квантования и/или цена единицы младшего разряда показания, или выходного кода цифрового измерительного прибора или преобразователя.

Номенклатура метрологических характеристик различных видов СИ, включая средства электрических измерений, установлена

[21, 24].

45

2.3.Формы выражения пределов допускаемых основных

идополнительных погрешностей средств измерений

Приведем общепринятые формы записи пределов допускаемых погрешностей, применяемых в области измерений электрических величин:

•Постоянный в диапазоне измерения интервал ±Δ0P допускаемых значений абсолютной погрешности.

•Линейная зависимость интервала допускаемых значений абсолютной погрешности или от значения измеряемой величины, или от результата измерения;

п (a∙X b),

где Х показание измерительного прибора, номинальное значение меры или сигнал на входе измерительного преобразователя;

а – постоянный коэффициент, выраженный в процентах или безразмерный;

b постоянная величина, выраженная в единицах измеряемой величины, или в процентах от нормирующего значения, или числом единиц младшего разряда цифровых измерительных устройств или многозначных мер:

• Постоянный в диапазоне измерения интервал ±δ0P допускаемой относительной погрешности выраженный в процентах или в безразмерных единицах от значения измеряемой величины, показания измерительного прибора, номинального значения меры или сигнала на входе измерительного преобразователя (нормирующее значение по [5]). Применяется, как правило, для мер и некоторых видов измерительных преобразователей.

46

• Постоянный в диапазоне измерения интервал ±γ0P допускаемой относительной (приведенной) погрешности выраженном в соответствии с [26] в процентах, или в безразмерных единицах от нормирующего значения измеряемой величины. В соответствии с [26] в РФ имеет очень широкое применение безотносительно к свойствам средств измерений. Такое нормирование имеет определенный физический смысл только для измерительных приборов прямого действия с электромеханическим измерительным механизмом [26].

Примечание. Для измерительных приборов с существенно нелинейной шкалой (например, для омметров с магнитоэлектрическим измерительным механизмом) погрешность выражают в единицах длины шкалы, и принимают за нормирующее значение длину шкалы прибора.

• Линейная зависимость интервала допускаемых значений относительной погрешности (нормирующее значение – значение измеряемой величины, показание измерительного прибора, номинальное значение меры или сигнал на входе измерительного преобразователя) от значения измеряемой величины или результата измерения:

где Х значение измеряемой величины, показание измерительного прибора, номинальное значение меры или сигнал на входе измерительного преобразователя;

XK – указанное в документации значение измеряемой величины, как правило – предел измерения (преобразования);

47

c – постоянный коэффициент, выраженный в %; d постоянная величина, выраженная в %.

Это выражение используется только в РФ и только для нормирования погрешности цифровых измерительных приборов и преобразователей в соответствии с [26].

Линейная зависимость интервала допускаемых значений относительной погрешности (нормирующее значение – значение измеряемой величины, показание измерительного прибора, номинальное значение меры или сигнал на входе измерительного преобразователя) от значения измеряемой величины или результата измерения:

где a – постоянный коэффициент, выраженный в %; b постоянная величина, выраженная в %.

Это выражение использовалось только в СССР и только для нормирования погрешности цифровых измерительных приборов и преобразователей в соответствии с действующей в то время редакцией стандарта [26]. В настоящее время эта форма исключена из [26] и не встречается.

2.3.1 Классы точности средств измерений

Класс точности (КТ) (как это ни парадоксально) не является метрологической характеристикой. КT определяет генеральную совокупность СИ, которая удовлетворяет одинаковым метрологическим требованиям. Иногда в литературе КТ ошибочно считают «метрологической характеристикой»; встречается определение, что КТ – это обобщенная характеристика СИ, называемая также

48

классификацией по приведенной погрешности. Cчитаем такое определение некорректным и напоминаем, что приведенная погрешность, также не является метрологической характеристикой.

Значения КТ выбираются по ГОСТ 8.401-80 из стандартного ряда значений. По классу точности приборы делятся на восемь классов: 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5; 4,0. Приборы класса точности 0,05; 0,1; 0,2; 0,5 применяются для точных лабораторных измерений и называются прецизионными. В технике применяются приборы классов 1,0; 1,5: 2,5 и 4,0 – технические. КТ прибора указывается на шкале, циферблате или корпусе СИ, приводится в нормативной документации. Если обозначения класса точности нет, то данный прибор внеклассный.

КТ определяется через отношение абсолютной погрешности к верхней границе чувствительности прибора *100 %. Определив нанесенный на СИ класс точности и предельное значение, можно рассчитать его абсолютную погрешность, которую принимают одинаковой по всей шкале прибора.

2.4. Система передачи размеров единиц от эталонов к рабочим средствам измерений. Поверочные схемы и их параметры

Система передачи размеров единиц от эталонов к рабочим СИ сформирована в виде поверочных схем, структурными блоками которых являются государственные эталоны единиц физических величин, рабочие эталоны, рабочие СИ, методы передачи размеров единиц (методы поверки). Поверочная схема – это нормативный документ, устанавливающий соподчинение средств измерений, участвующих в передаче размера единицы от эталона к рабочим

49

средствам измерений. Она устанавливает точность передачи размеров единиц от эталонов к рабочим СИ.

Поверочные схемы, как правило, устанавливают передачу размера одной физической величины. Например, поверочная схема для средств измерений электрического сопротивления, ЭДС, постоянного напряжения и т.д.

В зависимости от области распространения поверочные схемы подразделяются на государственные поверочные схемы и локальные.

Государственная поверочная схема распространяется на все СИ данной физической величины, применяемые в стране.

Локальная поверочная схема распространяется на СИ,

подлежащие поверке или калибровке в данном органе метрологической службы. Локальные поверочные схемы не должны противоречить государственным поверочным схемам для средств измерений тех же физических величин. Локальные поверочные схемы должны включать не менее двух ступеней передачи размера единицы.

Государственная поверочная схема не всегда может учитывать реальную технико-экономическую обстановку, наличие необходимых эталонов, ресурс предприятий, проводящих поверку или калибровку СИ. Поэтому строгая привязка локальной поверочной схемы к государственной, во многих случаях затрудняет практику разработки методик поверки и саму поверку СИ. Локальные поверочные схемы должны отражать реальные условия метрологической деятельности отраслей и относиться к определенному типу поверочного оборудования. Фрагмент поверочной схемы любого вида всегда состоит из наименований:

50