Характеристика средств измерений

Министерство образования и науки Российской Федерации                                                                 

              Федеральное Государственное Бюджетное

               образовательное учреждение высшего 

                профессионального образования.

  “Кузбасский государственный технический университет

                                     имени Т.Ф.Горбачёва”

 

 

Кафедра разработки месторождений полезных ископаемых.

 

 

 

Контрольная работа № 1.

 

Тема: Характеристика средств измерений.       

 

 

                                             

 

 

 

 

 

 

Выполнил студент: 

группа

 

                                                                                                 Проверил: 

                     

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Кемерово 2014

 

Характеристика средств измерений.

 

ГОСТ 8.009-84 устанавливает номенклатуру нормируемых характеристик средств измерений, которые независимо от вида измеряемых величин и принципов действия средств измерений необходимы для обоснованной оценки погрешности измерения, проводимые в конкретных условиях как в статическом, так и в динамическом режимах, а также способы нормирования и формы их представления.

 

Нормируемые метрологические характеристики - это метрологические характеристики, установленные нормативно-техническими документами.

 

Действительные метрологические характеристики - это характеристики средств измерений, полученные экспериментально.

 

Стандарт предусматривает следующую номенклатуру метрологических характеристик: характеристики, предназначенные для определения результата измерений; характеристики погрешностей средств измерений (суммарная погрешность; систематическая и случайная составляющая погрешности; погрешности вследствие гистерезиса); характеристики чувствительности средств измерений к влияющим величинам (функция влияния; характеристики изменения метрологической характеристики под воздействием влияющих величин); динамические характеристики - характеристики динамических средств измерений, отражающих зависимость выходного сигнала от изменяющегося во времени входного сигнала (переходная, импульсная, амплитудно-частотная и фазовая характеристики; частные характеристики - время установления показания прибора, время реакции и т. д.); характеристики свойств средств измерений, влияющих на погрешность из-за взаимодействия средств измерений.

В стандарте для каждой характеристики установлены способы нормирования и формы представления, приведены рекомендации по выбору комплексов метрологических характеристик.

Основными метрологическими характеристиками являются диапазон измерений (или показаний) и различные составляющие погрешности средства измерений.

Для каждого типа средств измерений устанавливают свои метрологические характеристики.

 

Диапазон показаний - область значений шкалы, ограниченная конечным и начальным значениями, т. е. наименьшим и наибольшим значениями измеряемой величины.

Шкала - это часть устройства, представляющая собой совокупность отметок и проставленных у некоторых из них чисел отсчетов или других символов, соответствующих ряду последовательных значений величины.

Отметка шкалы - это знак (штрих, точка и т. п.) на шкале, соответствующий некоторому отдельному значению измеряемой величины.

 

Промежуток между двумя соседними отметками шкалы называется делением шкалы.

 

Цена деления шкалы - разность значений величин, соответствующих двум соседним отметкам шкалы.

 

Диапазон измерений - область значений измеряемой величины, для которой нормированы допускаемые пределы погрешности средства измерений.

 

Чувствительность измерительного прибора - отношение изменения сигнала на выходе измерительного прибора к вызывающему его изменению измеряемой величины.

 

Различают абсолютную и относительную чувствительность.

 

Абсолютная чувствительность определяется по формуле

 

Относительная чувствительность определяется по формуле

где Д/ - изменение сигнала на выходе; х - измеряемая величина; Ах - изменение измеряемой величины.

 

Неизменность во времени метрологических характеристик измерительного прибора определяет его стабильность.

Стабильность средств измерений определяется как наибольшая 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.

 

Метрологические характеристики средств измерений — это характеристики свойств, оказывающие влияние на результаты и погрешности измерений. Информация о назначении метрологических характеристиках приведена в документации на средства измерений (в ГОСТе, в ТУ, в паспорте). Метрологические характеристики, установленные нормативными документами, называют нормируемыми.

 

При установлении совокупности нормируемых метрологических характеристик для средств измерений конкретного вида необходимо использовать номенклатуру характеристик, регламентированных государственным стандартом ГОСТ 8.009—84 «ГСИ. Нормируемые метрологические характеристики средств измерений». В этом стандарте приведены рекомендации по выбору метрологических характеристик для различных видов СИ и критерий рациональности основных составляющих погрешности. Положения ГОСТ 8.009—84 гармонизированы с международными рекомендациями.

 

Все метрологические свойства (характеристики) можно разделить на две группы:

 

—  свойства, определяющие область применения СИ;

 

—  свойства, определяющие качество измерения.

 

Основными метрологическими характеристиками, определяющими свойства первой группы, являются диапазон измерений и порог чувствительности.

 

Диапазон измерений — область значений величины, в пределах которых нормированы допускаемые пределы погрешности. Значение величины, ограничивающее диапазон измерений снизу или сверху (слева и справа), называют соответственно нижним или верхним пределом измерений.

 

Порог чувствительности — наименьшее изменение измеряемой величины, которое вызывает заметное изменение выходного сигнала.

 

К метрологическим свойствам второй группы относятся три главных свойства, определяющих качество измерений: точность, сходимость и воспроизводимость измерений. Определения названных свойств приведены ранее.

 

В практике применения средств измерений широко используется такая характеристика, как класс точности.

 

Класс точности СИ— обобщенная характеристика, выражаемая пределами допускаемых погрешностей, а также другими характеристиками, влияющими на точность. Классы точности конкретного типа СИ устанавливают в нормативных документах. При этом для каждого класса точности определяют конкретные требования к метрологическим характеристикам, в совокупности отражающим уровень точности СИ данного класса. Класс точности позволяет судить о том, в каких пределах находится погрешность измерений этого класса. Это необходимо знать при выборе СИ в зависимости от заданной точности будущих измерений.

 

Требования к назначению, применению и обозначению классов точности регламентированы в ГОСТ 8.401—80 «ГСИ. Классы точности средств измерений. Основные положения». Этот стандарт гармонизирован с международными рекомендациями.

Метрологические характеристики нормируют для нормальных условий эксплуатации средств измерений. Нормальными считают условия, при которых изменением метрологических характеристик под воздействием влияющих величин можно пренебречь. Для многих средств измерений нормальными условиями являются: напряжение питающей сети (220 ± 4,4) В с частотой (50 ± 0,5) Гц; температура окружающей среды (20 ± 10) °С; атмосферное давление от 97,4 до 104 кПа; отсутствие электрических и магнитных полей (наводок).

 

Важной метрологической характеристикой является погрешность средств измерений — инструментальная погрешность измерения.

 

Инструментальную погрешность средства измерения в нормальной области значений влияющих величин называют основной. Превышение значения влияющей величины за пределы нормальной области может привести к возникновению составляющей инструментальной погрешности, называемой дополнительной. Для средств измерений основная и дополнительная погрешности нормируются отдельно.

 

Пределы допускаемых дополнительных погрешностей средств измерений устанавливают в виде дольного значения предела допускаемой основной погрешности. Для оценки дополнительных погрешностей в документации на средство измерений указывают нормы изменения показаний при выходе условий измерения за пределы нормальных. Дополнительную погрешность иногда нормируют в виде коэффициента, указывающего «на сколько» или «во сколько раз» изменяется погрешность при отклонении номинального значения. Например, указание, что температурная погрешность вольтметра составляет ± 0,5 % на 10°С, означает, что при изменении среды на каждые 10 °С добавляется дополнительная погрешность 0,5 %.

 

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.

 

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.

 

Для измерительных приборов в качестве интегральных метрологических характеристик можно рассматривать номинальные   и реальные функции преобразования (реальная функция есть градуировочная характеристика прибора).

 

 

 

Реальные функции преобразования измерительных преобразователей и приборов могут значимо отличаться от номинальных. Кроме случайных отклонений возможно также наличие систематических тенденций (рисунок 5), которые проявляются с увеличением измеряемых величин в пределах диапазона измерительного преобразования. Если прибор неправильно настроен на нулевое показание (смещение нуля – показание средства измерений, отличное от нуля, при входном сигнале, равном нулю), в любом результате измерений будет присутствовать постоянная систематическая погрешность. Значит, реальная линейная функция преобразования отличается от номинальной плоскопараллельным сдвигом вверх или вниз (рисунок 5а), что вызывает алгебраическое (с учетом знака) добавление к любой измеряемой величине одной и той же постоянной систематической погрешности. Такую погрешность прибора называют "аддитивной", хотя более корректно в этом случае говорить о статической характеристике с аддитивной погрешностью. Для исключения такой погрешности из результата измерения к нему следует алгебраически добавить необходимую поправку, равную систематической погрешности по модулю и противоположную по знаку. Для аппаратурного устранения таких инструментальных составляющих в приборах обычно предусматривают специальное регулировочное устройство для поднастройки, например, корректор нуля в электроизмерительных приборах.

 

Если реальная функция преобразования отличается от номинальной углом наклона (рисунок 5б), то к измеряемой величине добавляется систематическая погрешность, значение которой тем больше, чем больше использованный при измерении диапазон преобразования. Такую погрешность прибора называют "мультипликативной", но как и в предыдущем случае более корректно говорить о статической характеристике с мультипликативной погрешностью. Для исключения такой погрешности из результата измерения его следует умножить на поправочный коэффициент. Аппаратурное устранение такой составляющей, которая вызвана несоответствием реального коэффициента преобразования номинальному значению, как правило, требует частичной разборки прибора для обеспечения доступа к специальным регулировочным устройствам, если они предусмотрены в измерительной цепи.

 

Переменные систематические расхождения реальной и номинальной функций преобразования могут появиться из-за нелинейности характеристики одного или нескольких измерительных преобразователей, например, рычажной передачи.

Возможны и другие виды систематических отклонений реальной функции от номинальной, например погрешности из-за гистерезисных явлений в измерительной цепи. 

 

 

Градуировочные характеристики можно рассматривать как экспериментальные модели функции преобразования измерительного прибора.

В качестве интегральной метрологической характеристики как измерительного преобразователя, так и измерительного прибора может использоваться функция преобразования, представленная в табличной или графической форме. Такая функция может быть номинальной 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.

 

Под градуировкой понимают определение градуировочной характеристики средства измерений (встречается нерекомендуемый термин "тарировка СИ"). 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.

 

Градуировкой в узком смысле называют также нанесение отметок на шкалу прибора, например осуществляемую типографским методом, что соответствует воспроизведению на приборе номинальной функции преобразования СИ. Такое понятие градуировки отражает технологическую сторону нанесения отметок шкалы прибора.