Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Основы метрологии, стандартизации и измерительной техники. Учебное пособие
.pdf
61
8. МЕТРОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ
Достоверная оценка погрешности средств измерений обеспечивается рациональным выбором и описанием метрологических характеристик средств измерений. Метрологические характеристики во многом определяют возможности использования средств измерений при
решении тех или иных измерительных задач.
Метрологические характеристики – это свойства средств измерений, оказывающие влияние на результат и погрешность измерения.
Типичные четыре составляющие погрешности измерения, обусловленные свойствами средств измерений:
1) неидеальность свойств средств измерений при нормальных
условиях, например отличие реальной функции преобразования от
номинальной;
2) дополнительные погрешности, обусловленные реакцией
средств измерений на изменение внешних условий и неинформативные параметры;
3) погрешность, обусловленная реакцией средств измерений на
скорость (частоту) изменения входного сигнала (динамическая погрешность – погрешность, отсутствующая, когда скорость изменения
измеряемой величины близка к нулю, и возрастающая – при ее увеличении), зависящая от свойств средств измерений и частотного спектра
входного сигнала;
4) погрешность, обусловленная взаимодействием средств из-
мерений и объекта измерения (из-за конечного значения входного сопротивления, входной емкости, упругости чувствительного элемента).
Указанные погрешности могут быть как случайными, так и систематическими.
Условие выбора метрологических характеристик, их номенклатуры и способов нормирования – это стремление приблизить оценку
погрешности измерения к действительному значению.
Нормирование метрологических характеристик средств измере-
ний – это выбор номенклатуры нормируемых метрологических характеристик, достаточно полно отражающих свойства средств измерений
данного типа; установление номинальных значений и назначение норм
(числовых значений) допустимых отклонений метрологических характеристик от номинальных значений.
Метрологические характеристики, установленные нормативнотехническими документами, называются нормируемыми метрологическими характеристиками.
Со временем и под действием влияющих факторов метрологи-
62
ческие характеристики средств измерений изменяются. Эти изменения
могут привести к тому, что средство измерений не будет соответствовать своим техническим требованиям. Для каждого типа средств измерений определен интервал времени – межповерочный интервал, через
который средство измерений должно проходить определенный ряд
регламентных работ, в первую очередь поверочных работ, на соответствие текущих метрологических характеристик техническим требованиям, а также отладочных и ремонтных работ.
Основные задачи, решаемые при использовании метрологических характеристик средств измерений:
1) оценка инструментальной составляющей погрешности, эту
оценку проводят до проведения эксперимента;
2) выбор средства измерения, метрологические характеристики
которого обеспечивают требуемое качество измерения при известных
условиях применения;
3) сравнение средств измерений различных типов по их метро-
логическим характеристикам с учетом условий эксплуатации. Разработка сложных средств измерений, информационно-измерительных
систем для заданных условий на базе рационального выбора отдельных компонентов средств измерений, входящих в информационноизмерительную систему;
4) оценка погрешности информационно-измерительных сис-
тем.
Основные условия выбора номенклатуры метрологических характеристик – это наличие связи между метрологическими характеристиками средств измерений и инструментальными погрешностями
измерения. Сведения о метрологических характеристиках средств измерений получают из нормативно-технической документации (паспорт, описание и т.п.). Совокупность этих характеристик должна быть
достаточной для оценки результатов и погрешностей измерений.
Разработаны правила, в соответствии с которыми для каждого
средства измерений должны приводиться все его метрологические
характеристики. В противном случае нарушаются требования единства измерений, так как результаты измерений воспроизвести невозможно. Эти правила сформулированы в ГОСТ 8.009-84 «ГСИ. Нормируемые метрологические характеристики средств измерений».
Нормированию подлежат шесть групп метрологических характеристик.
1. Характеристики, предназначенные для определения результа-
тов измерений:
63
а) функция преобразования измерительных преобразователей f(x). Она нормируется номинальным значением в виде графика,
таблицы, формулы; линейную функцию преобразования допускается
нормировать коэффициентом преобразования в виде числа;
б) для значения однозначной меры – номиналом (числом);
в) для измерительного прибора или многозначной меры нормируют цену деления;
г) для цифровых средств измерения нормируют вид выходного
кода, число разрядов и цену единицы младшего разряда (ступень квантования).
Форма представления функции преобразования может быть
различной: в виде аналитической зависимости, в виде таблиц и в виде
графиков. Примерами аналитической формы представления функции
преобразования могут служить зависимости угла отклонения подвижной части электромеханических приборов от измеряемой величины.
Когда аналитические зависимости сложные или зависимости были
установлены экспериментально, применяют табличную форму представления функции преобразования. Так, для платинового термометра
сопротивления типа Pt-100 функцию преобразования представляют в
виде таблицы, в которой для некоторых дискретных точек представлена зависимость сопротивления термометра от температуры.
Различают номинальную y=f
преобразования. Номинальную функцию преобразования записывают
в нормативно-техническую документацию данного типа средств измерений. Реальная функция преобразования соответствует конкретному
экземпляру данного типа средств измерений. Отличие реальной функции преобразования от номинальной определяется допустимым разбросом характеристик и обусловлено, в частности, технологией изготовления этих средств. Реальная функция преобразования конкретного
средства может быть определена только экспериментальным путем.
Вид функции преобразования может быть различным в зависимости от принципа действия и способов реализации средств измерений. Важно, чтобы функция была линейной. Кроме очевидного удобства в использовании, линейная функция позволяет существенно
уменьшить инструментальную составляющую погрешности измерений. В этой связи при конструировании средств измерений часто применяют различные способы линеаризации функции преобразования.
В некоторых случаях для определения результатов измерений
пользуются относительно простыми характеристиками, которые являются численными параметрами функции преобразования.
(x) и реальную y=fр(x) функции
ном
64
S уx
1СS
1/S C k
Коэффициент преобразования k=y/x, где х – обобщенное обозначение входного воздействия, у – выходной сигнал. Различают номинальный k
линейной (без аддитивного смещения) функции преобразования
k
=const, для нелинейной зависит от входного сигнала – k(x).
ном
Чувствительность измерительного прибора – отношение изменения сигнала на выходе измерительного прибора к вызывающему
его изменению измеряемой величины
приборов используют понятие «постоянная прибора»
линейной функции преобразования
чувствительность S(x) зависит от входного сигнала.
Порог чувствительности x
мерения, определяющая наименьшее значение изменения физической
величины, начиная с которого может осуществляться ее измерение
данным средством.
Диапазон измерений – область значений измеряемой величины,
в пределах которой нормированы допускаемые пределы погрешности
средства измерений.
Диапазон показаний – область значений шкалы прибора, ограниченная начальным и конечным значениями шкалы. Если прибор в
начальной части шкалы не обеспечивает погрешность измерений, то
диапазон измерений исключает эту часть шкалы, а диапазон показаний
включает весь диапазон шкалы.
Пределы измерений – наибольшее и наименьшее значения диа-
пазона измерений. Применяют понятия нижний предел измерений и
верхний предел измерений.
Вариация показаний измерительного прибора – разность показаний прибора в одной и той же точке диапазона измерений при плавном подходе «справа» и подходе «слева» к этой точке.
Неизменность во времени метрологических характеристик
средств измерений определяет их стабильность.
Стабильность средства измерений определяется как наиболь-
шая разность между повторными показаниями измерительного прибора (наибольший разброс показаний) при многократном измерении одной и той же величины при неизменных внешних условиях. Этот показатель является конструктивной характеристикой и отражает качество
изготовления прибора.
2. Характеристики основной погрешности средства измерений:
а) характеристики систематической составляющей по-
грешности нормируются путем установления пределов допускаемой
и реальный kp коэффициенты преобразования. Для
ном
. Для измерительных
, а для нелинейной –
– характеристика средства из-
порог
. Для
65
0
1
( , ,..., ,..., )
iN
y F x
H
ma x
mi n
систематической составляющей погрешности Δсд или в более развернутом виде: Δсд, М[Δc], σΔc (СКО).
Задание математического ожидания и среднего квадратического
отклонения для систематической погрешности практикуется в связи с
тем, что для множества экземпляров средств измерений одного типа
она рассматривается в качестве случайной величины. Если значения
математического ожидания и среднего квадратического отклонения
систематической погрешности изменяются во времени, то необходимо
их нормировать в функциональной зависимости от времени. Методика
оценки характеристик систематической погрешности средств измерений регламентирована руководящим документом РД 50-453-84 «ГСИ.
Характеристики погрешности средств измерений в реальных условиях
эксплуатации. Методы расчета»;
б) характеристики случайной составляющей погрешности
нормируют путем установления пределов допускаемого СКО случай-
ной погрешности
ной корреляционной функции К(), или спектральной плотности
G() в виде формулы, графика, таблицы, а также характеристики
случайной составляющей погрешности вариации нормируют путем
установления предела вариации Н0 в виде числа.
3. Характеристики чувствительности средства измерений к
влияющим величинам.
На средство измерения, кроме входного воздействия, может
оказывать влияние множество других факторов: температура, влажность, магнитные поля и т.д. Выходной сигнал в этом случае является
сложной функцией от совокупности этих факторов
Функции влияния нормируют номинальной функцией влияния
и пределами допускаемых отклонений от нее. Нормируют
, или пределов допускаемого СКО нормирован-
.
функцию влияния по верхней и нижней границам
разделяются на внешние и внутренние.
ния измерений: температуру окружающего воздуха, его влажность,
атмосферное давление, вибрацию основания, на котором размещается
средство измерений, горизонтальность основания и т.п.
рений, но не измеряются данным средством измерений.
и
.
Влияющие величины по отношению к объекту измерения под-
Внешние влияющие величины характеризуют условия проведе-
Внутренние влияющие величины характеризуют объект изме-
4. Динамические характеристики.
66
Средства измерений для работы с переменными сигналами
нормируются одной из полных динамических характеристик:
а) переходная характеристика h(t),
б) импульсная характеристика g(t),
в) амплитудно-фазовая характеристика G(j), или совокупность
АЧХ К() и ФЧХ φ(ω),
г) амплитудно-частотная характеристика К(ω),
д) дифференциальное уравнение Dy=x,
е) передаточная функция G (p).
Динамические характеристики нормируют путем установления
вида функции с указанием номинальных значений коэффициентов и
пределов допускаемых отклонений от номинальных значений.
Для отдельных средств измерений, специально оговоренных
ГОСТом, допустимо нормирование частных динамических характеристик. Для аналоговых средств измерений это: время установления показаний (время реакции) tp, коэффициент затухания β, постоянная времени цепи Т, резонансная частота ω0 и т.д.
Для цифровых средств измерений: время реакции tp, время кодирования tк, время задержки запуска tз, погрешность датирования
отсчетов д, максимальная частота преобразования fm. Их нормируют,
указывая номинальные значения и пределы допустимых отклонений.
5. Характеристики, отражающие взаимодействие средств изме-
рений с объектом измерения (входной и выходной импедансы).
Импеданс – характеристика, отражающая изменение погрешности средства измерений за счет подключения к его входу (входной
импеданс) или выходу (выходной импеданс) других устройств.
6. Неинформативные параметры выходного сигнала.
Под неинформативными понимают параметры выходного сигнала средств измерений, которые не несут в себе информации об измеряемой величине. Неинформативными параметрами измерительного
сигнала иногда называют внутренние влияющие величины. Например,
на показания вольтметра переменного напряжения влияет частота, на
показания расходомера влияет вязкость измеряемой жидкости.
Часть наиболее важных характеристик указана на передней панели измерительного прибора, например пределы измерений, погрешности в виде классов точности, входные сопротивления и т.д.
Комплекс нормируемых метрологических характеристик – это
перечень метрологических характеристик, подлежащих нормированию
для конкретных типов средств измерений. Комплекс нормируемых
метрологических характеристик на данный тип средств измерений и
способы нормирования устанавливаются стандартами.
67
Вопросы выбора метрологических характеристик достаточно
детально регламентированы в ГОСТ 8.009-84, где приведены характеристики, которые должны нормироваться для следующих групп
средств измерений, представленных по степени усложнения метрологических характеристик: 1) меры и цифроаналоговые преобразователи;
2) измерительные и регистрирующие приборы; 3) аналоговые и аналого-цифровые измерительные преобразователи.
Приведенный перечень корректируется для конкретного средства измерений с учетом его особенностей и условий эксплуатации. Не
следует нормировать те метрологические характеристики, которые
вносят несущественный по сравнению с другими вклад в инструментальную погрешность. Определение того, важна данная погрешность
или нет, производится на основе критериев существенности, приведенных в ГОСТ 8.009–84.
9. СТАНДАРТИЗАЦИЯ В ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКЕ
9.1. Основы стандартизации
Для государственного регулирования вопросов качества продукции, работ и услуг, для обеспечения единого механизма реализации государственной политики по вопросам стандартизации необходимо обеспечить создание правовой базы для технического законодательства.
Принятый впервые в 1993 г. закон Российской Федерации
№ 5154-1 «О стандартизации» устанавливал основные положения,
принципы, понятия, порядок организации работ в области стандартизации.
С 1 июля 2003 г. действие закона «О стандартизации» отменено,
взамен введен Федеральный закон № 184-ФЗ «О техническом регулировании» от 27 декабря 2002 г. В законе определены: цели и принципы
стандартизации; национальные органы и технические комитеты РФ по
стандартизации; система национальных стандартов, правила их разработки и применения.
Техническое регулирование – правовое регулирование отношений в области установления, применения и исполнения обязательных
требований к продукции, процессам производства, эксплуатации, хранению, перевозке, реализации и утилизации, а также в области установления и применения на добровольной основе требований к продукции, процессам производства, эксплуатации, хранению, перевозке,
реализации и утилизации, выполнению работ или оказанию услуг и
правовое регулирование отношений в области оценки соответствия.
Таким образом, работы по стандартизации в России осуществляются
68
на основе закона «О техническом регулировании», который определяет понятие стандартизации следующим образом.
Стандартизация – деятельность по установлению норм, правил
и характеристик в целях обеспечения технической и информационной
совместимости, а также взаимозаменяемости продукции, единства измерений, экономии всех видов ресурсов, обороноспособности и мобилизационной готовности страны.
Наиболее крупные международные организации по стандартизации – Международная организация по стандартизации (ИСО) (International Standard Organization) и Международная электротехническая
комиссия (МЭК).
Формирует и реализует государственную политику Российской
Федерации (РФ) в области стандартизации Государственный комитет
РФ по стандартизации и метрологии (Госстандарт России). Он осуществляет государственное управление стандартизацией, метрологией и
сертификацией в стране через находящиеся в его ведении центры
стандартизации, метрологии и сертификации и государственных инспекторов по надзору за государственными стандартами и обеспечению единства измерений. В систему Госстандарта России входят более
150 предприятий и организаций.
Правовую базу стандартизации в России, кроме Федерального
закона «О техническом регулировании» и постановлений Правительства РФ, образует действующая в стране Государственная система
стандартизации (ГСС) – комплекс взаимоувязанных нормативных документов, регламентирующих все сферы деятельности по разработке и
контролю за внедрением и соблюдением стандартов в стране.
Основными объектами стандартизации являются элементы
материального производства (средства, технология и организация
производства) и элементы нематериальной сферы (термины, символы,
величины, системы документации, нормы техники безопасности).
По форме проведения стандартизация может быть государственной, национальной и международной.
Стандартизация как деятельность общества направлена на техническую и экономическую эффективность; качество и безопасность
продукции.
К документам в области стандартизации, используемым на территории РФ, относятся:
национальные стандарты;
правила стандартизации, нормы и рекомендации в области
стандартизации;
69
применяемые в установленном порядке классификации, об-
щероссийские классификаторы технико-экономической и социальной
информации; стандарты организаций;
своды правил.
Национальный стандарт РФ – утвержденный национальным органом РФ по стандартизации стандарт, в котором в целях добровольного многократного использования устанавливаются характеристики
продукции, правила осуществления и характеристики процессов производства, эксплуатации, хранения, перевозки, реализации и утилизации, выполнения работ или оказания услуг. Стандарт также может
содержать требования к терминологии, символике, упаковке, маркировке или этикеткам и правилам их нанесения. Основное различие
национальных стандартов и стандартов организаций заключается в
том, что первые являются рекомендациями общероссийского масштаба, а вторые – локальными нормативными правовыми актами, обязательными для применения всеми работниками организации, их утвердившей. Из этого следует возможность установления и применения
ответственности за несоблюдение требований стандартов организации
в соответствии с трудовым законодательством РФ.
Общероссийский классификатор (технико-экономической и социальной информации) – разработанный и принятый в соответствии с
Федеральным законом «О техническом регулировании» нормативный
документ, устанавливающий систематизированный перечень наименований и кодов объектов классификации и/или классификационных
группировок и принятый на соответствующем уровне стандартизации.
Стандарт организации – стандарт, утвержденный и применяемый организацией для целей стандартизации, а также для совершенствования производства и обеспечения качества продукции, выполнения
работ, оказания услуг, а также для распространения и использования
полученных в различных областях знаний результатов исследований
(испытаний), измерений и разработок.
Национальные стандарты и общероссийские классификаторы
технико-экономической и социальной информации, в том числе правила их разработки и применения, представляют собой национальную
систему стандартизации. Национальные стандарты утверждаются национальным органом по стандартизации в соответствии с правилами
стандартизации, нормами и рекомендациями в этой области. В соответствии с Постановлением Правительства РФ от 17 июня 2004 г. №
294 «О Федеральном агентстве по техническому регулированию и
метрологии» на Агентство возложены функции национального органа
РФ по стандартизации. Национальный орган по стандартизации наде-
70
лен правом разрабатывать и утверждать программу разработки национальных стандартов, а также порядок создания и деятельности технических комитетов по стандартизации.
При подаче заявок для формирования программы разработки
национальных стандартов технические комитеты по стандартизации
руководствуются Федеральным законом «О техническом регулировании» (глава 3), Приоритетными направлениями развития науки, технологий и техники в РФ и Перечнем критических технологий РФ.
Постановление Госстандарта РФ от 30 января 2004 г. № 4 «О
национальных стандартах Российской Федерации» признало национальными действующие государственные и межгосударственные
стандарты, введенные в действие до 1 июля 2003 г., для применения в
РФ.
В соответствии с этим Постановлением до вступления в силу
вновь разработанных соответствующих правил, норм и рекомендаций
по стандартизации признано целесообразным сохранить для действующих государственных и межгосударственных стандартов и разрабатываемых национальных стандартов условные обозначения «ГОСТ»
и «ГОСТ Р».
Порядок разработки, принятия, введения в действие, ведения и
применения общероссийских классификаторов техникоэкономической и социальной информации в социально-экономической
области установлен Постановлениями Правительства Российской Федерации от 10 ноября 2003 г. № 677 «Об общероссийских классификаторах технико-экономической и социальной информации в социальноэкономической области». Принятие, введение в действие общероссийских классификаторов, а также межведомственная координация работ
по их проведению возложены на Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии. Разработка общероссийских
классификаторов обеспечивается федеральными органами исполнительной власти и осуществляется по согласованию с Минпромторгом
России, Ростехрегулированием, Росстатом и Минэкономразвития России.
Экспертиза проектов общероссийских классификаторов и вносимых в них изменений проводится ФГУП «СТАНДАРТИНФОРМ» и
Техническим комитетом по общероссийским классификаторам.
9.2. Цели и задачи стандартизации
В соответствии со статьей 11 Федерального закона «О техническом регулировании» от 15.12.2002 к целям стандартизации относятся:
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]