Метрологические свойства и метрологические характеристики средств измерений

2.4. Метрологические свойства и метрологические характеристики средств измерений

Метрологические свойства СИ — это свойства, влияющие на результат измерений и его погрешность. Показатели метроло­гических свойств являются их количественной характеристикой и называются метрологическими характеристиками.

Метрологические характеристики, устанавливаемые НД, на­зывают нормируемыми метрологическими характеристиками.

Все метрологические свойства СИ можно разделить на две группы:

1) свойства, определяющие область применения СИ;

2) свойства, определяющие качество измерения.

К основным метрологическим характеристикам, определя­ющим свойства первой группы, относятся диапазон измерений и порог чувствительности.

Порог чувствительности — наименьшее изменение измеряе­мой величины, которое вызывает заметное изменение выходно­го сигнала. Например, если порог чувствительности весов ра­вен 10 мг, то это означает, что заметное перемещение стрелки весов достигается при таком малом изменении массы, как 10 мг.

К метрологическим свойствам второй группы относятся три главных свойства, определяющих качество измерений: точ­ность, сходимость и воспроизводимость измерений.

Наиболее широко в метрологической практике использует­ся первое свойство — точность измерений. Рассмотрим его наи­более подробно. Точность измерений СИ определяется их по­грешностью.

Погрешность* — это разность между показаниями СИ и ис­тинным (действительным) значением измеряемой физической величины. Поскольку истинное значение физической величины неизвестно, то на практике пользуются ее действительным значением. Для рабочего СИ за действительное значение принимают показания рабочего эталона низшего разряда (допустим, 4-го), для эталона 4-го разряда, в свою очередь, — значение физи­ческой величины, полученное с помощью рабочего эталона 3-го разряда. Таким образом, за базу для сравнения принимают значение СИ, которое является в поверочной схеме вышестоящим по отношению к подчиненному СИ, подлежащему поверке:

г

* Следует делать различие между понятиями «погрешность» и «ошибка», Первая возникает по объективным обстоятельствам, устранить ее невозможно, можно уменьшить с помощью определенных методов. Термин «ошибка» связан с субъективными обстоятельствами. После проверки результатов ее устра­няют

де — погрешность поверяемого СИ; — значение той же самой величины, найденное с помощью поверяемого СИ; Хо — значение СИ, принятое за базу для сравнения, т.е. действитель­ное значение.

Например, при измерении барометром атмосферного давле­ния получено значение Хп — 1017 гПа. За действительное значе­ние принято показание рабочего эталона, которое равнялось Xо = 1020 гПа. Следовательно, погрешность измерения баро­метром составила:

Погрешности СИ могут быть классифицированы по ряду признаков, в частности:

по способу выражения — абсолютные, относительные;

по характеру проявления — систематические, случайные;

по отношению к условиям применения — основные, допол­нительные.

Наибольшее распространение получили метрологические свойства, связанные с первой группировкой — с абсолютными и относительными погрешностями.

Точность измерений СИ — качество измерений, отражающее близость их результатов к действительному (истинному) значе­нию измеряемой величины. Точность определяется показателя­ми абсолютной и относительной погрешности.

Определяемая по формуле (3) является абсолютной по­грешностью. Однако в большей степени точность СИ характе­ризует относительная погрешность (), т.е. выраженное в про­центах отношение абсолютной погрешности к действительно­му значению величины, измеряемой или воспроизводимой данным СИ:

Точность может быть выражена обратной величиной отно­сительной погрешности — 1/. Если погрешность = 0,1% или 0,001 = 10^-3, то точность равна 10^-3.

В стандартах нормируют характеристики точности, связан­ные с другими погрешностями.

Систематическая погрешность — составляющая погрешно­сти результата измерения, остающаяся постоянной (или же за­кономерно изменяющейся) при повторных измерениях одной и той же величины. Ее примером может быть погрешность граду­ировки, в частности погрешность показаний прибора с круго­вой шкалой и стрелкой, если ось последней смещена на некото­рую величину относительно центра шкалы. Если эта погреш­ность известна, то ее исключают из результатов разными способами, в частности введением поправок.

При нормировании систематической составляющей погреш­ности СИ устанавливают пределы допускаемой систематичес­кой погрешности СИ — конкретного типа — . Величина сис­тематической погрешности определяет такое метрологическое свойство, как правильность измерений СИ.

Случайная погрешность — составляющая погрешности ре­зультата измерения, изменяющаяся случайным образом (по зна­ку и значению) в серии повторных измерений одного и того же размера величины с одинаковой тщательностью. В появлении этого вида погрешности не наблюдается какой-либо закономер­ности. Они неизбежны и неустранимы, всегда присутствуют в результатах измерения. При многократном и достаточно точ­ном измерении они порождают рассеяние результатов.

Характеристиками рассеяния являются средняя арифмети­ческая погрешность, средняя квадратическая погрешность, раз­мах результатов измерений. Поскольку рассеяние носит вероят­ностный характер, то при указании на значения случайной по­грешности задают вероятность.

Укажем в качестве примера на две нормируемые метрологичес­кие характеристики, отражающие точность СИ.

Доверительная погрешность — верхняя и нижняя границы ин­тервала погрешности результата измерений при данной довери­тельной вероятности. Например, в поверочной схеме для гирь и весов (табл. 2) установлено для гирь 1—3-го разрядов значение до­верительной абсолютной погрешности () при вероятности 0,95.

С

редняя квадратическая погрешность (среднее квадратическое отклонение (S) — характеристика рассеяния результатов измере­ний одной и той же величины вследствие влияния случайных по­грешностей. Применяется для оценки точности первичных и вто­ричных эталонов. Например, в поверочной схеме (см. табл. 2) для гири как вторичного эталона (эталона-копии) дано значение по­грешности через такую разновидность показателя, как суммарная погрешность результата измерений (S ;).

Она представляет среднюю квадратическую погрешность ре­зультата измерений, состоящую из случайных и не исключенных систематических погрешностей.

Наконец, показатели точности могут устанавливаться в связи с группировкой погрешностей СИ по условиям измерения.

Основная погрешность СИ — погрешность, определяемая в нормальных условиях применения СИ.

Дополнительная погрешность СИ — составляющая погрешно­сти СИ, дополнительно возникающая вследствие отклонения ка­кой-либо из влияющих величин (температуры, относительной влажности, напряжения сети переменного тока и пр.) от ее нормаль­ного значения.

Обычно метрологические характеристики нормируют раздель­но для нормальных и рабочих условий применения СИ. Нормаль­ными считаются условия, при которых изменением характеристик под воздействием внешних факторов (температура, влажность и пр.) принято пренебрегать. Так, для многих типов СИ нормальны­ми условиями применения являются температура (293 ± 5) К, ат­мосферное давление (100 ± 4) кПа, относительная влажность (65 ± ± 15)%, электрическое напряжение в сети питания 220 В ± 10%. Ра­бочие условия отличаются от нормальных более широкими диапа­зонами изменения влияющих величин. И те и другие метрологичес­кие характеристики указываются в НД.

Оценка погрешности измерений СИ, используемых для опреде­ления показателей качества товаров, определяется спецификой при­менения последних. Например, погрешность измерения цветового тона керамических плиток для внутренней отделки жилища должна быть по крайней мере на порядок ниже, чем погрешность измерения аналогичного показателя серийно выпускаемых картин, сделанных цветной фотопечатью. Дело в том, что разнотонность двух наклеен­ных рядом на стену кафельных плиток будет бросаться в глаза, тог­да как разнотонность отдельных экземпляров одной картины замет­но не проявится, так как они используются разрозненно.

Выше были подробно рассмотрены характеристики точнос­ти результатов измерений. Рассмотрим два других свойства, определяющих качество измерений, — сходимость и воспроиз­водимость результатов измерений.

Сходимость результатов измерений — характеристика каче­ства измерений, отражающая близость друг к другу результа­тов измерений одной и той же величины, выполненных повтор­но одними и теми же средствами, одним и тем же методом, в одинаковых условиях и с одинаковой тщательностью.

Количественная оценка сходимости может быть дана с по­мощью разных показателей. Так, в стандартах на методы опре­деления химического состава мяса сходимость указывается в различной форме: при определении нитрита за результат ана­лиза принимают среднее арифметическое из двух параллельных определений при расхождении по отношению к среднему не бо­лее 10% при Р = 0,95; при определении азота разница между ре­зультатами двух определений, выполненных одновременно или с небольшими промежутками времени одним и тем же химиком-аналитиком, не должна превышать 0,10 г азота на 10 г образца.

Высокая сходимость результатов измерения очень важна при оценке показателей качества товаров, приобретаемых потреби­телем в виде партии (см. выше пример с керамической плиткой).

Воспроизводимость результатов измерений — повторяе­мость результатов измерений одной и той же величины, полу­ченных в разных местах, разными методами, разными операто­рами, в разное время, но приведенных к одним и тем же условиям измерений (температуре, давлению, влажности и др.).

Например, в стандарте на методы определения плотности молока воспроизводимость регламентируется в следующей фор­ме: допускаемое расхождение между результатами определения плотности молока одним типом ареометра в различных услови­ях (в разное время, в разных местах и разными операторами) не должно превышать 0,8 кг/м³.

В процедурах сличения результатов анализа качества одно­типной продукции в разных лабораториях рекомендуется [9] оценивать воспроизводимость по методике, изложенной в сле­дующем примере.

Пусть в двух лабораториях (например, контролирующей и кон­тролируемой) при измерениях на одном и том же образце продук­ции некоторого показателя получены значения С₁ и С₂ и при этом известны граничные значения абсолютной погрешности результа­тов измерений _гр1 и _гp2, относящиеся к одной и той же вероятности Р - 0,95. В этом случае модуль разности С₁ - С₂ не должен с вероятностью Р = 0,9 превышать суммы модулей _гр1 и _гр2, т.е. должно выполняться соотношение: С₁ — С₂, < |_гр1| + |_гр2|.

Номенклатура нормируемых метрологических характерис­тик СИ определяется назначением, условиями эксплуатации и многими другими факторами. У СИ, применяемых для высоко­точных измерений, нормируется до десятка и более метрологи­ческих характеристик в стандартах технических требований (технических условий) и ТУ. Нормы на основные метрологичес­кие характеристики приводятся в эксплуатационной докумен­тации на СИ. Учет всех нормируемых характеристик необхо­дим при измерениях высокой точности и в метрологической практике. В повседневной производственной практике широко пользуются обобщенной характеристикой — классом точности.

Класс точности СИ — обобщенная характеристика, выра­жаемая пределами допускаемых (основной и дополнительной) погрешностей, а также другими характеристиками, влияющи­ми на точность. Классы точности конкретного типа СИ уста­навливают в НД. При этом для каждого класса точности уста­навливают конкретные требования к метрологическим харак­теристикам, в совокупности отражающим уровень точности СИ данного класса. Например, для вольтметров нормируют предел допускаемой основной погрешности и соответствующие нор­мальные условия; пределы допускаемых дополнительных по­грешностей; пределы допускаемой вариации показаний; невоз­вращение указателя к нулевой отметке. У плоскопараллельных концевых мер длины такими характеристиками являются пре­делы допускаемых отклонений от номинальной длины и плоскопараллельности; пределы допускаемого изменения длины в течение года. У мер электродвижущей силы (нормальных эле­ментов) нормируют пределы допускаемой нестабильности ЭДС в течение года.

Обозначение классов точности осуществляется следующим об­разом.

Если пределы допускаемой основной погрешности выражены в форме абсолютной погрешности СИ, то класс точности обознача­ется прописными буквами римского алфавита. Классам точности, которым соответствуют меньшие пределы допускаемых погрешно­стей, присваиваются буквы, находящиеся ближе к началу алфавита.

Для СИ, пределы допускаемой основной погрешности которых принято выражать в форме относительной погрешности, обозна­чаются числами, которые равны этим пределам, выраженным в процентах. Так, класс точности 0,001 нормальных элементов сви­детельствует о том, что их нестабильность за год не превышает 0,001%. Обозначения класса точности наносят на циферблаты, щит­ки и корпуса СИ, приводят в НД. СИ 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 для каждой измеряемой величины. Так, электроизмерительному при­бору, предназначенному для измерений напряжения и сопротивле­ния, могут быть присвоены два класса точности: один — как воль­тметру, другой — как омметру.

Присваиваются классы точности СИ при их разработке (по результатам приемочных испытаний). В связи с тем что при эк­сплуатации их метрологические характеристики обычно ухуд­шаются, допускается понижать класс точности по результатам поверки (калибровки).

Итак, класс точности позволяет судить о том, в каких преде­лах находится погрешность измерений этого класса. Это важно знать при выборе СИ в зависимости от заданной точности из­мерений.

Точность и методика производимых измерений требуют спе­циального рассмотрения.

Цель работы: Освоение методик определения основных метрологических и эксплуатационных характеристик первичных измерительных преобразователей информации на примере бесконтактного волоконно-оптического датчика перемещений.

Используемое оборудование: волоконно-оптический датчик перемещения, специальный штатив с возможностью контроля перемещений, цифровой вольтметр, микрометрический винт, четыре различных типа поверхности.

Алгоритм получения результатов.

Волоконно-оптический датчик подключают к цифровому вольтметру.

Часть 1. Нахождение функции преобразования.

Изменяя расстояние между датчиком и поверхностью, находим положение датчика, при котором напряжение на выходе датчика будет максимальным.

Находим точку перегиба функции преобразования. Для этого измеряем напряжение в нескольких точках при x