Лекции МЭиНК / 11 Экспертиза СИ и МВИ

11. Метрологическая и стандартизационная экспертиза средств измерений и методик выполнения измерений

Особенности экспертизы средств измерений и метрологических процедур, в которых они применяются, заключаются в проверке соблюдения требований стандартов ГСИ и анализе погрешностей.

Для средств измерений максимальное внимание следует уделять экспертизе их метрологических характеристик (МХ). При представлении метрологических характеристик встречаются следующие типовые ошибки:

• отсутствие необходимых характеристик;

• неправильные наименования характеристик, включая приписывание несуществующих характеристик.

Метрологические характеристики определены РМГ 29-99, а назначаемые для средств измерений разных видов комплексы метрологических характеристик определены в ГОСТ 8.009. При использовании интегральных метрологических характеристик следует помнить, что градуировочная характеристика средства измерения (зависимость между значениями величин на входе и выходе средства измерений, полученная экспериментально) отличается от номинальной статической характеристики наличием погрешностей. Каждая из этих характеристик может быть выражена в виде формулы, графика или таблицы.

Частные метрологические характеристики весьма разнообразны и часть из них представляет интерес для пользователя, другие принципиально важны только для разработчиков средств измерений. К последним можно отнести такие как:

• длина деления шкалы – расстояние между осями (или центрами) двух соседних отметок шкалы, измеренное вдоль воображаемой линии, проходящей через середины самых коротких отметок шкалы;

• длина шкалы – длина линии, проходящей через центры всех самых коротких отметок шкалы средства измерений и ограниченной начальной и конечной отметками;

• чувствительность средства измерений – свойство средства измерений, определяемое отношением изменения выходного сигнала этого средства к вызывающему его изменению измеряемой величины.

К характеристикам, важным и для пользователя, и для разработчиков можно отнести следующие:

• диапазон измерений средства измерений;

• диапазон показаний средства измерений;

• вариация показаний измерительного прибора;

• порог чувствительности средства измерений (кроме этого термина на практике применяются также термины порог реагирования, порог подвижности, срабатывание, порог срабатывания и пороговая чувствительность, которые следует рассматривать как синонимы, не подлежащие применению);

• зона нечувствительности средства измерений; (иногда эту зону называют мертвой).

Для выбора номенклатуры и назначения метрологических характеристик следует четко определить вид конкретного средства измерений, поскольку для разных СИ используют различные МХ и комплексы МХ. Средства измерений делят на осуществляющие измерительное преобразование (измерительные преобразователи, измерительные приборы и др.) и не осуществляющие измерительное преобразование (меры). В свою очередь меры могут быть однозначными или многозначными, а многозначные могут представлять собой механическое объединение однозначных мер (угловая мера с тремя или более рабочими углами) или штриховой (линейка, транспортир, измерительный сосуд).

Для однозначной меры набор метрологических характеристик включает значение меры Y и характеристики погрешностей меры, а для многозначной штриховой меры, измерительного преобразователя или прибора состав комплекса МХ значительно расширен, а сами комплексы могут существенно различаться между собой.

Метрологические характеристики средств измерений по ГОСТ 8.009-84 делят на следующие группы:

• характеристики, предназначенные для определения результатов измерений (без введения поправки);

• характеристики погрешностей СИ;

• характеристики чувствительности СИ к влияющим величинам;

• динамические характеристики СИ;

• неинформативные параметры выходного сигнала СИ.

При необходимости также могут нормироваться и «характеристики СИ, отражающие их способность влиять на инструментальную составляющую погрешности измерений вследствие взаимодействия СИ с любым из подключенных к их входу или выходу компонентов (таких как объект измерений, средство измерений и т.п.)».

Две первые группы МХ должны входить в состав комплекса характеристик любого СИ, остальные – по необходимости. Необходимость включения тех или иных МХ в состав представляемого комплекса характеристик оценивают экспертным методом.

Значительное число ошибок, связанных с неправильными наименованиями характеристик или с использованием нестандартных терминов встречается при описании средств измерений с дискретным выходом («цифровых СИ»).

Так для приборов с дискретным устройством отображения измерительной информации диапазон показаний определяется видом выходного кода и числом разрядов кода. Код может быть десятиричный (десятичный), двенадцатиричный, шестидесятиричный и другой, например, семиричный код для дней недели. Важно также предельное число знаков на табло, в том числе цифр (число разрядов выходного кода) и других (не цифровых) знаков. Существенными признаками являются виды знаков и их содержание, например, наличие фиксированной или плавающей разделительной десятичной запятой (точки), минуса, знака переполнения или неправильного подключения прибора и др.

У приборов с дискретным устройством отображения измерительной информации отсутствует цена деления шкалы, ее место занимает цена единицы наименьшего разряда кода либо номинальная ступень квантования, если она больше цены единицы наименьшего разряда кода. Номинальная ступень квантования – наименьшее изменение измеряемой величины, на которое прибор реагирует сменой показаний на цифровом табло. Наименьшее значение номинальной ступени квантования совпадает с ценой единицы наименьшего разряда, а любое иное должно быть кратно этому значению. В случае десятиричного выходного кода, как правило, применяют множители кратности 2 или 5 (номинальная ступень квантования равна двукратному либо пятикратному значению цены единицы наименьшего разряда кода).

Бывает, что диапазон измерений путают с диапазоном показаний, что особенно характерно для измерительных головок, предназначенных для линейных измерений. Диапазон показаний в этом случае определяется вспомогательными устройствами (стойки, штативы, скобы), в которые устанавливают эти головки. В некоторых приборах, используемых для измерений методом непосредственной оценки, диапазон измерений меньше диапазона показаний (не на всем диапазоне показаний гарантирована паспортная погрешность прибора, что приводит к его применению, ограниченному определенной частью диапазона показаний).

Для измерительных преобразователей диапазон и пределы преобразования могут вообще не устанавливаться, если они зависят не от самого преобразователя, а от устройств, с которыми он используется. Например, для тензопреобразователей, используемых в первичных измерительных преобразователях силы и деформаций, диапазон преобразуемых величин зависит не от самого тензопреобразователя, а от свойств применяемого упругого элемента.

Для некоторых первичных измерительных преобразователей диапазон преобразования может ограничиваться их физическими свойствами. Это касается термопар, фотоприемников лучистой энергии, емкостных и других преобразователей.

Для преобразователей с дискретной (цифровой, числовой) выдачей сигнала измерительной информации вместо диапазона и пределов преобразований приходится использовать такие МХ, как вид выходного кода и число разрядов выходного кода. Именно эти МХ ограничивают возможности выдачи сигнала измерительной информации сверху и снизу.

Приписывание средствам измерений несуществующих метрологических характеристик, как правило, связано с невнимательностью разработчика. Кроме ситуаций, которые были рассмотрены выше, встречаются и другие ошибки. Так штриховым мерам приписывают диапазон измерений, и диапазон показаний (область значений шкалы прибора, ограниченная начальным и конечным значениями шкалы). Диапазон измерений многозначной штриховой меры сверху не ограничен (равен бесконечности). Вместо термина диапазон показаний для многозначных штриховых мер более корректно использование терминов «диапазон шкалы» и «пределы шкалы», поскольку указатель как элемент СИ в них отсутствует. Эти термины удобны также и для характеристики приборов с несколькими парами устройств отображения информации типа шкала-указатель.

В описаниях средств измерений довольно часто представляют диапазон измерений одним (верхним) пределом, порог чувствительности называют «разрешающей способностью», силу действия измерительного наконечника на объект называют «измерительным усилием». Особенно часто встречаются ошибки в описаниях метрологических характеристик средств измерений с дискретным выходом: номинальную ступень квантования называют «разрешающей способностью», «дискретностью» или «величиной дискреты», а также другими терминами. В ряде паспортов и описаний СИ не различают понятия погрешность и точность.

Во избежание ошибок, связанных с нормированием и описанием МХ СИ разработчики и эксперты должны при первой необходимости обращаться к РМГ 29-99 и ГОСТ 8.009.

Метрологическая экспертиза методик выполнения измерений (МВИ) описана в модуле «Постановка и решение задач метрологической экспертизы объекта на базе конструкторской документации». Отличительной особенностью стандартизационной экспертизы МВИ является необходимость достаточно подробного описания МВИ в соответствии с требованиямиГОСТ 8.010. Если эти требования не соблюдены, нормоконтролер фиксирует это как нарушение стандарта и предлагает исправить ошибки. Кроме того, нормоконтролер проверяет полноту и корректность представления метрологических характеристик используемых средств измерений. Основные МХ и типовые ошибки, встречающиеся в описаниях, были представлены выше.

Метрологическая экспертиза методик выполнения измерений основное внимание должна уделять вопросам нормирования допустимой погрешности и оценки погрешности реализуемой. Нормирование допустимой погрешности измерений описано в модуле «Научные основы метрологической экспертизы».

К метрологическим мероприятиям, включающим описания МВИ относятся также поверка средств измерений, их калибровка и градуировка. Поверка и калибровка средств измерений регламентированы стандартами Системы обеспечения единства измерений. В соответствии с требованиями стандартов разрабатываются и методики поверки и калибровки нестандартизованных средств измерений. Основное внимание метрологической экспертизы и в этих случаях должно быть направлено на вопросы нормирования допустимой погрешности поверки (калибровки) и оценки погрешности, допускаемой при реализации исследуемой методики.

Несколько специфическим метрологическим мероприятием является градуировка средств измерений (определение градуировочной характеристики средства измерений). До сих пор встречается нерекомендуемый термин «тарировка СИ», который следует рассматривать как нарушение стандарта. Определение градуировочной характеристики нестандартизованного СИ и оформление ее на шкале прибора соответствует понятию градуировки как метрологического мероприятия, поскольку в этом случае используют полученные в ходе исследований конкретные реализации зависимостей между величинами на входе и на выходе средства измерений.

Реализация функции преобразования может быть представлена в табличной или графической форме. Такая функция может быть характеристикой группы однородных СИ, либо реальной градуировочной характеристикой конкретного СИ. Градуировочная характеристика конкретного экземпляра преобразующего СИ может быть получена в виде единичной реализации, пучка реализаций или оценки, полученной в результате комплексирования пучка единичных реализаций.

Из сказанного ясно, что градуировка средства измерений представляет собой исследование, которое должно сопровождаться всеми атрибутами этого процесса, и метрологическая экспертиза которого должна осуществляться в соответствии с рекомендациями на МЭ исследований (они представлены в соответствующем модуле).

Аналогичный подход можно предложить для экспертизы метрологической аттестации методик выполнения измерений. При аттестации МВИ особое внимание следует уделить методическим составляющим погрешности измерений. В отличие от процессов поверки или калибровки, в которых объект измерений обычно близок к модели, соответствующей идеальному воспроизведению измеряемой величины, реализация типовой МВИ предполагает наличие производственных объектов, которые могут значимо отличаться от идеальной модели. Следовательно, при исследовании МВИ необходимо в оценке методической погрешности учитывать прогнозируемое значение погрешности из-за некорректной идеализации объект измерений.

В определенных ситуациях может появиться необходимость учитывать производственные условия (например, погрешности из-за влияющих величин в рабочих условиях измерений), а также предполагаемую квалификацию оператора, которая может привести к появлению субъективных погрешностей, существенно превышающих погрешности высокопрофессионального оператора.