МЕТРОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ

Для оценки метрологических характеристик (МХ) следует, прежде всего, определить вид конкретного средства измерений (СИ), поскольку для разных СИ используют различные характеристики и их комплексы.

В зависимости от конструктивного исполнения различают такие виды средств измерений:

- меры, предназначенные для воспроизведения физической величины заданного размера (однозначные меры) или ряда размеров (многозначные меры). В качестве примеров однозначных мер можно назвать щуп (мера длины), угольник (мера прямого угла). К многозначным мерам следует отнести измерительную линейку, транспортир, измерительный сосуд, угловую концевую меру с несколькими рабочими углами;

- измерительные преобразователи, предназначенные для преобразования сигнала измерительной информации и выдачи его в любой форме, удобной для дальнейшего преобразования, передачи и хранения, но не поддающейся непосредственному восприятию оператором. Примеры измерительных преобразователей — пружина динамометра, рычажно-зубчатая система прибора, микрометрическая пара винт-гайка;

- измерительные приборы, предназначенные для получения измерительной информации от измеряемой физической величины, преобразования ее и выдачи в форме, поддающейся непосредственному восприятию оператором.

Прибор включает в себя один или несколько измерительных преобразователей и присоединенное к ним устройство отображения измерительной информации типа шкала-указатель, указатель-диаграммная бумага (показывающие или записывающие аналоговые приборы), либо типа числового табло, цифропечатающего устройства (“цифровые” или дискретные приборы);

- индикаторы - особый вид средств измерений (техническое устройство или вещество), предназначенных для установления наличия какой-либо физической величины или определения ее порогового значения (индикатор фазового провода электропроводки, индикатор контакта измерительного наконечника, лакмусовая бумага). В некоторых случаях в качестве индикаторов могут использоваться измерительные приборы (омметр при проверке обрыва в электрической цепи, часы-будильник, электроконтактный измерительный преобразователь с визуальной сигнализацией, называемый иногда “реле геометрических размеров”).

Основные и вспомогательные средства измерений и дополнительные устройства могут быть объединены в измерительные установки или измерительные системы.

Метрологические характеристики различных средств измерений (МХ СИ) могут не совпадать, а их комплексы могут существенно различаться. В соответствии с ГОСТ 8.009-84 нормируемые метрологические характеристики средств измерений делятся на следующие группы:

1. Характеристики, предназначенные для определения результатов измерений (без введения поправки). Такие МХ можно назвать номинальными.

2. Характеристики погрешностей СИ. Сюда же можно отнести характеристики чувствительности СИ к влияющим величинам.

3. Динамические характеристики СИ.

4. Неинформативные параметры выходного сигнала СИ.

Номинальные метрологические характеристики однозначной и многозначной мер включают значения мер, представляемые именованными числами (одно номинальное значение Y для однозначной меры или N значений многозначной меры Yi). Для штриховых многозначных мер обязательны также характеристики, связанные со шкалой, которые рассматриваются ниже. Для любых мер кроме номинальных значений обязательно нормируются характеристики погрешностей.

Для измерительного преобразователя интегральной МХ является функция преобразования СИ. Она может быть задана в виде формулы, таблицы или графика, которые представляют номинальную функцию преобразования СИ. Функция преобразования отдельного экземпляра СИ может быть представлена конкретной реализацией, которую называют статической или градуировочной характеристикой СИ. Она также оформляется в виде таблицы или графика.

Набор частных МХ измерительного преобразователя может включать такие номинальные характеристики, как диапазон измерений, пределы измерений или диапазон и пределы преобразования, чувствительность СИ, вид выходного кода и число разрядов кода, цена единицы наименьшего разряда кода, номинальная ступень квантования. Остальные МХ выбирают из той же номенклатуры, что и для измерительных приборов.

Диапазон измерений — область значений измеряемой величины, для которой нормированы допускаемые погрешности средства измерений. Для измерительных преобразователей диапазон измерений может вообще не устанавливаться, если он зависит не от самого преобразователя, а от устройств, с которыми он используется. Например, для таких измерительных преобразователей деформаций как тензопреобразователи, диапазон измеряемых величин зависит от свойств применяемого упругого элемента, а не самого тензопреобразователя. Для предельных электроконтактных преобразователей диапазон измерений полностью зависит от конструкции стойки или скобы, в которую преобразователь установлен.

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

Пределы измерений (нижний и верхний) соответствуют наименьшему и наибольшему значениям диапазона измерений.

Для измерительных преобразователей могут использоваться и такие МХ как диапазон и пределы преобразований, которыми ограничена функция преобразования.

Чувствительность СИ характеризует отношение сигнала на выходе измерительного преобразователя, отображающего измеряемую величину, к вызывающему его сигналу на входе преобразователя.

Для преобразователей с дискретным (цифровым, числовым) устройством выдачи измерительной информации вместо диапазона и пределов измерений или преобразований приходится использовать такие МХ, как вид выходного кода и число разрядов кода. Эти МХ ограничивают сверху и снизу возможности выдачи сигнала измерительной информации.

Цена единицы наименьшего разряда кода или номинальная ступень квантования (если она больше цены единицы наименьшего разряда кода) для устройств с дискретной выдачей измерительной информации ограничивает снизу фиксируемый уровень изменения входного сигнала.

Поскольку измерительные преобразователи выдают измерительную информацию в форме, не поддающейся непосредственному восприятию оператором, реальные значения их МХ обычно определяют с подключением к этим СИ устройств отображения информации, после чего они превращаются в измерительные приборы. Поэтому будем рассматривать оставшиеся метрологические характеристики этих СИ совместно с МХ измерительных приборов.

Для измерительных приборов с неименованными устройствами отображения информации или выходными устройствами, градуированными не в единицах измеряемой физической величины, интегральной МХ является его функция преобразования. Она может быть задана в виде формулы, таблицы или графика. Для конкретного прибора может также использоваться и градуировочная характеристика.

Частные номинальные метрологические характеристики измерительного прибора включают:

· диапазон измерений;

· пределы измерений (нижний и верхний);

· диапазон показаний — область значений шкалы, ограниченная конечным и начальным значениями шкалы. Иногда используют также термины “диапазон шкалы” и “пределы шкалы”, которые особенно удобны для характеристики приборов с несколькими парами шкала-указатель. Для приборов с дискретным (цифровым, числовым) устройством отображения измерительной информации диапазон показаний определяется видом выходного кода и числом разрядов кода;

· цена деления шкалы или для приборов с дискретным (цифровым) устройством отображения измерительной информации — цена единицы наименьшего разряда кода или номинальная ступень квантования, если она больше цены единицы наименьшего разряда кода.

В характеристики погрешностей измерительного прибора или преобразователя могут входить:

· значение погрешности СИ (если доминирующей составляющей является случайная составляющая погрешности, а неисключенной систематической погрешностью СИ можно пренебречь);

· значение случайной составляющей погрешности СИ;

· значение среднего квадратического отклонения случайной составляющей погрешности СИ;

· значение случайной составляющей погрешности СИ от гистерезиса (от вариации выходного сигнала);

· значение систематической составляющей погрешности СИ;

· значение систематической составляющей погрешности СИ.

При определении оценок систематической составляющей погрешности СИ необходимо учитывать, что систематические составляющие конкретного экземпляра СИ рассматриваются как случайные величины на множестве СИ данного типоразмера.

Характеристики чувствительности СИ к влияющим величинам:

· функции влияния ФВ — зависимость изменения МХ СИ от изменения влияющей величины или от изменения совокупности влияющих величин;

· изменения значений МХ СИ, вызванные изменениями влияющих величин в установленных пределах.

Имеются также характеристики средств измерений, отражающие способность влиять на инструментальную составляющую погрешности измерений вследствие взаимодействия СИ с любым подключенным к их входу или выходу компонентов (таких, как объект измерений, дополнительное средство измерений и т.п.).

Динамические характеристики, входящие в МХ конкретного средства измерений, делятся на полную динамическую характеристику и частные динамические характеристики. Примерами частных динамических характеристик аналоговых СИ, являются:

· время реакции tr (для измерительного преобразователя – время установления выходного сигнала, для показывающего измерительного прибора – время установления показаний);

· максимальная частота (скорость) измерений fmax.

Дополнительными метрологическими характеристиками СИ могут быть неинформативные параметры выходного сигнала средства измерений. Например, для устройств с электрическим преобразованием измерительной информации в выходном каскаде принципиально важными являются сила или напряжение опорного электрического тока, который модулируется для получения соответствующего сигнала.

Для разработчиков СИ могут понадобиться такие МХ СИ, которые обычно не входят в нормируемый комплекс, но должны быть учтены при проектировании, например:

Длина деления шкалы – расстояние между осями или центрами двух соседних отметок шкалы, измеренное вдоль базовой линии.

Порог чувствительности СИ, который характеризуется наименьшим изменением измеряемой величины, вызывающей заметное изменение выходного сигнала средства измерений. Порогом чувствительности определяется зона нечувствительности СИ.

Вариация показаний измерительного прибора – разность показаний прибора в одной и той же точке диапазона измерений при плавном подходе “справа” и “слева” к этой точке.