Качество измерительных приборов в метрологии

Качество измерений зависит от многих факторов. В некоторых случаях, однако, требуется знать, какое влияние на результаты измерений и их точность оказывают именно средства измерений. К таким случаям относятся

– априорная оценка точности измерений. При ее выполнении наряду с другими факторами должна учитываться точность средств измерений;

– выбор средств измерений, применение которых в известных условиях обеспечит требуемую точность измерений. Эта задача является обратной по отношению к предыдущей;

– сравнение различных типов средств измерений по их метрологическим свойствам как на этапе проектирования, так и в процессе эксплуатации;

– использование средств измерений в качестве комплектующих при разработке сложных измерительных систем. Одни и те же требования к измерительной системе могут удовлетворяться при различных сочетаниях средств измерений, используемых в качестве комплектующих. Оптимальное сочетание должно быть результатом технико-экономического обоснования;

– определение точности информационных систем расчетным путем, когда экспериментальное решение этой задачи связано с большими трудностями или вообще невозможно из-за специфики условий работы. Эта же задача возникает при проектировании информационных систем.

Главная Форум Теория Задания Контакты

УЧЕБНИК “МЕТРОЛОГИЯ, СТАНДАРТИЗАЦИЯ И СЕРТИФИКАЦИЯ”

Колчков В.И. МЕТРОЛОГИЯ, СТАНДАРТИЗАЦИЯ И СЕРТИФИКАЦИЯ. М.:Учебное пособие

3. Метрология и технические измерения

3.5. Средства измерений

3.5.5. Метрологические характеристики измерительных приборов

Метрологическими характеристиками измерительных приборов и установок являются: диапазон показаний, диапазон измерений, цена деления шкалы, длина деления шкалы, чувствительность и вариация и др.

Метрологическими характеристиками называются технические характеристики, определяющие свойства измерительных приборов и оказывающие влияние на результаты и на погрешности измерений. Они предназначены для оценки технического уровня и качества средства измерений.

Технические характеристики относятся к показателям точности, оказывающим влияние на результаты измерений

Измерительные приборы могут быть аналоговые и цифровые. В аналоговых приборах показания определяются по шкале и являются непрерывной функцией изменения измеряемой величины. В цифровых приборах, вырабатываются дискретные сигналы измерительной информации, и результат представляется в цифровой форме.

Назад  Далее

3.6. Виды погрешностей и причины их возникновения

Качество измерений характеризуется: точностью, достоверностью, правильностью, сходимостью и воспроизводимостью измерений. Точность измерительного прибора это – метрологическая характеристика прибора, определяемая погрешностью измерения, в пределах которой можно обеспечить использование данного измерительного прибора.

В метрологии используется понятие “класс точности” прибора или меры. Класс точности средства измерений (ГОСТ 8.401-80) является обобщенной характеристикой средства намерений, определяемой пределами основных и дополнительных погрешностей, а также другими свойствами, влияющими на точность, значения которых устанавливаются в стандартах на отдельные виды средств измерения.

Класс точности характеризует свойства средства измерения, но не является показателем точности выполненных измерений, поскольку при определении погрешности измерения необходимо учитывать погрешности метода, настройки и др.

В зависимости от точности приборы разделяются на классы: первый, второй и т.д. Допускаемые погрешности для разных типов приборов регламентируются государственными стандартами.
Точность – это качество измерений, отражающее близость их результатов к истинному значению измеряемой величины. Количественная оценка точности – обратная величина модуля относительной погрешности. Например, если погрешность измерений равна 10 в степени минус 6, то точность равна 10 в степени плюс 6.

Точность измерения зависит от погрешностей возникающих в процессе их проведения.

В зависимости от последовательности причины возникновения различают следующие виды погрешностей.

Нормальные условия применения средств измерений – условия их применения, при которых влияющие величины имеют, нормальные значения пли находятся в пределах нормальной (рабочей) области значений. Нормальные условия выполнения линейных и угловых измерений и поверки регламентированы соответственно ГОСТ 8.050-73 и ГОСТ 8.395-80.

Нормальная температура при проведении измерений равна 20 °C (293 K), при этом рабочая область температур составляет 20 °C ± 1°.

Температурные погрешности вызываются температурными деформациями. Они возникают из-за разности температур объекта измерения и средства измерения. Существуют два основных источника, обуславливающих погрешность от температурных деформаций: отклонение температуры воздуха от 20 °C и кратковременные колебания температуры воздуха в процессе измерения.

Субъективные погрешности – погрешности, зависящие от оператора . Возможны четыре вида субъективных погрешностей: погрешность отсчитывания;  погрешность присутствия (проявляется в виде влияния теплоизлучения оператора на температуру окружающей среды, а тем самым и на измерительное средство); погрешность действия (вносится оператором при настройке прибора); профессиональные погрешности (связаны с квалификацией оператора, с отношением его к процессу измерения).

В качестве количественной оценки стабильности служит нестабильность средства измерений или вариация его показаний.
Достоверность измерений .характеризует степень доверия к результатам измерений. Достоверность оценки погрешностей определяют на основе законов теории вероятностей и математической статистики. Это дает возможность для каждого конкретного случая выбирать средства и методы измерений, обеспечивающие получение результата, погрешности которого не превышают заданных границ с необходимой достоверностью.

Правильность измерений – это качество измерений, отражающее близость к нулю систематических погрешностей в результатах измерений.

Показатели и характеристики приборов

Приборы для линейных и угловых измерений характеризуются следующими метрологическими показателями: ценой деления или дискретностью цифрового отсчета, диапазоном измерения по шкале, пределом измерения прибора, измерительным усилием и погрешностью.
Для полной характеристики прибора необходимо еще знать интервал деления шкалы, передаточное отношение, предельно допустимую погрешность, повторяемость показаний, гистерезис и др.

Некоторые метрологические показатели и термины определены стандартами. Другие применяются фирмами и на производстве. В обоих случаях следует знать, что они означают.
Одним из основных конструктивных элементов приборов является отсчетное устройство со шкалой или цифровым дисплеем. С помощью шкалы или цифрового дисплея передается информация об измеряемой величине в форме наиболее доступной для пользователя, называемая показания прибора.

Шкала

называется совокупность ряда отметок и проставленных у некоторых из них чисел отсчета, соответствующих значениям или отклонениям измеряемой величины.

На показан пример выполнения круговой шкалы. Расстояние между серединами двух соседних отметок шкалы или между двумя штрихами называется интервалом деления (или ценой деления). Цена деления выражается единицей измерения, указанной на шкале.

Для большинства приборов интервал деления шкалы – постоянная величина на всей длине шкалы. Такие шкалы называются равномерными.
Неравномерные шкалы в приборах для линейных измерений в настоящее время не применяются.
Интервал деления шкалы выбирают от 0,9 до 2,5 мм. При таких интервалах делений обеспечивается наилучший результат глазомерной оценки долей деления при расположении стрелки указателя прибора между штрихами шкалы.

Значение измеряемой величины, соответствующее одному делению шкалы, называется ценой деления . Цена деления, как правило, не должна быть меньше погрешности показаний прибора.

Особенность цифрового отсчета по сравнению со штриховыми шкалами состоит в том, что ее дискретность меньше погрешности показаний прибора. Это объясняется десятичным характером цифрового отсчета. Это качество цифрового отсчета повышает точность настройки приборов при калибровке и настройке на нуль при относительных измерениях.

Диапазон измерения

Значение измеряемой величины, соответствующее всей шкале прибора с нормированной погрешностью, называют по шкале прибора. Диапазон измерения по шкале не всегда совпадает с пределом измерения прибора.

Чувствительность прибора

Перемещение измерительного стержня механического прибора передается стрелке через увеличивающий передаточный механизм . У индуктивных и инкрементных преобразователей отсутствует механическая передача – перемещение измерительного стержня преобразуется в электрический сигнал. В обоих случаях свойство прибора реагировать на изменения измеряемой величины называется или прибора.
Чувствительность прибора очень важная характеристика и оценивается наименьшим изменением значения измеряемой величины, способным вызвать малейшее заметное изменение показаний прибора, и называется порогом чувствительности или разрешающей способностью прибора.

Отношение линейного или углового перемещения стрелки или изменение цифрового показания прибора к изменению размера, вызвавшему это перемещение, называется передаточным отношением прибора.
Для штриховых шкал передаточное отношение определяется отношением интервала деления к цене деления :

і = a/c.

Если стрелка прибора при точных измерениях останавливается между штрихами шкалы, то отсчет производится глазомерной оценкой дробной части деления, пройденного стрелкой.

называется точность, достигаемая при отсчете по шкале прибора. Точность отсчета зависит от качества штрихов шкалы, толщины стрелки , расстояния между шкалой и стрелкой, освещенности шкалы и квалификации контролера.
Наиболее благоприятная для точного отсчета ширина штрихов шкалы равна 0,1 интервала деления.
У цифровых шкал точность отсчета зависит от дискретности шкалы, то есть последнего разряда показаний и не имеет субъективной ошибки отсчета.

Параллакс

называется кажущееся смещение указателя относительно штрихов шкалы при наблюдении в направлении, не перпендикулярном плоскости шкалы. Это явление связано с особенностями строения органов зрения человека и может приводить к значительным погрешностям при считывании показаний с измерительного прибора или инструмента.
Погрешности отсчета, вызываемые параллаксом, особенно ощутимо проявляются у штангенциркулей и часто превосходят величину отсчета по нониусу.
Погрешность параллакса, согласно обозначениям, принятым на , будет равна δ = h tg φ.

Для уменьшения погрешности от параллакса расстояние между отсчетным индексом и шкалой должно быть минимальным, а отсчет следует производить при наблюдении перпендикулярно плоскости шкалы.

Воспроизводимость или повторяемость

При многократном измерении одного размера вследствие несовершенства механизма прибора (наличия в нем зазоров, трения, и деформаций) повторные показания прибора могут не совпадать.
Наибольшая разность между показаниями прибора при многократном измерении одной и той же величины в одном направлении при неизменных внешних условиях называется вариацией показаний, или .

Воспроизводимость измерений может характеризоваться стандартным отклонением или средней квадратической погрешностью сравниваемых рядов измерений. Воспроизводимость несёт важную информацию для оценки погрешности измерения.
Воспроизводимость свидетельствует о правильности измерения только в том случае, если прибор не имеет систематической ошибки или если систематическая ошибка мала и ей можно пренебречь.

Погрешность показаний

Погрешность показаний прибора – это разность между показанием прибора и действительным значением измеряемой величины.
На погрешность влияют многие факторы – совершенство конструкции и техническое состояние средства измерения, способ использования прибора, человеческий фактор (острота зрения, дрожание рук, степень мастерства и профессионализма и т. п.), а также такие факторы, как измерительное усилие, температура приборов и температура помещения, в котором производится измерение.

Измерительное усилие

называется сила, создаваемая механизмом прибора и действующая на измеряемую поверхность в направлении линии измерения.
Измерительное усилие обычно создается пружинами, деформации и усилия которых изменяются в зависимости от перемещения измерительного стержня прибора.

Разность между наибольшим и наименьшим значениями измерительного усилия при однонаправленном изменении значений измеряемой величины называется колебанием измерительного усилия.

Величина измерительного усилия и его перепад оказывают большое влияние на результат измерения, так как вызывают деформации измерительной оснастки, контролируемой поверхности и других элементов, что приводит к возникновению дополнительной поверхности.
По этой причине всегда стремятся к уменьшению измерительного усилия и его перепада, но в ограниченных пределах, поскольку слишком малое измерительное усилие может привести к отрыву наконечника от контролируемой поверхности, т.е. к ненадежности измерения, особенно при динамических измерениях на больших скоростях.

Нормальное значение температуры

Для измерительных инструментов, приборов и деталей машин ГОСТ 9249-59 установлено нормальное значение температуры, равное 20 ˚С. Именно при этой температуре действительны все размеры, меры, метрологические характеристики измерительных приборов, результаты измерении и т.п.

Степень защиты измерительных приборов

Все измерительные средства особенно их преобразователи и механизмы защищают от попадания мелких твердых частиц, пыли и воды.
Степень защиты измерительных приборов определена и нормируется российским национальным стандартом ГОСТ 14254-96 и международным стандартом DIN EN 60 529.
Для обозначения степени защиты приборов применяются две цифры: первая цифра определяет защиту от попадания твердых частиц и пыли, вторая – от влаги.
Пример обозначения степени защиты – IP54.
Классификация приборов по степени защиты от твердых частиц и влаги приведена в таблице ниже.

Примечание: точками обозначены недостающие цифры в обозначении степени защиты от другого вредного фактора.

Пример обозначения степени защиты измерительного прибора и ее пояснение:
означает, что прибор способен сохранять заданную функциональность в следующих условиях: “Проникновение пыли” и “Временное погружение в воду”

Концевые меры длины

Характеристики свойств средств измерений, оказывающие влияние на результаты измерений и их точность, называются метрологическими характеристиками средств измерений.

Они бывают двух видов:

1. Метрологические характеристики, в которых используется информация о размере единицы измерения. К этому виду относятся следующие группы метрологических характеристик:

1.1. Характеристики, предназначенные для определения результатов измерений (до внесения поправок): функция преобразования измерительного преобразователя, а также измерительного прибора с неименованной шкалой или со шкалой, отградуированной в единицах, отличных от единиц входной величины; значение однозначной или значения многозначной меры; цена деления шкалы измерительного прибора или многозначной меры; цена единицы наименьшего разряда кода средств измерений, предназначенных для выдачи результатов в цифровом коде.

1.2. Характеристики качества показаний — точности и правильности. Точность показания определяется его средним квадратическим отклонением или его аналогом. Правильность обеспечивается внесением поправки, устанавливаемой при испытаниях средства измерений в целях утверждения типа. Эта поправка является одной из составляющих суммарной поправки, которая вносится в показание средства измерений.

1.3. Динамические характеристики средств измерений (полные и частные), учитывающие их инерционные свойства в особых условиях, когда измеряемая величина меняется во времени.

2. Метрологические характеристики, в которых не используется информация о размере единицы измерения. К этому виду относятся следующие группы метрологических характеристик:

2.1. Характеристики, предназначенные для определения результатов измерений (до внесения поправок). К ним относятся: вид выходного кода, число разрядов кода, если средство измерений предназначено для выдачи результатов в цифровом коде.

2.2. Характеристики чувствительности средств измерений к влияющим величинам. К ним относятся функции плияния и учета изменений метрологических характеристик средств измерений, вызванных изменениями влияющих величин в установленных пределах.

2.3. Характеристики взаимодействия с объектами или устройствами на входе и выходе средств измерений. Примерами характеристик этой группы являются входной и выходной импедансы линейного измерительного преобразователя.

2.4. Неинформативные параметры выходного сигнала, обеспечивающие нормальную работу устройств, подключенных к средству измерений. Например, выходным сигналом преобразователя напряжения в среднюю частоту следования импулыов является последовательность импульсов. Для определения значения измеряемого напряжения к выходу преобразователя подключается частотомер. Он будет нормально работать только в случае, если амплитуда и форма импульсов прео6разователя, хотя они и не несут информации о значении измеряемого напряжения, удовлетворяют определенным требованиям. В противном случае частотомер будет измерять частоту следования этих импульсов неточно либо вообще не будет работать.

Метрологические характеристики являются показателями качества и технического уровня всех без исключения средств измерений. Они относятся к априорной информации, используемой:

– для определения результатов измерений и расчетной оценки характеристик инструментальной составляющей погрешности или неопределенности измерений;

– для расчета метрологических характеристик каналов измерительных систем, состоящих из средств измерений с нормированными метрологическими характеристиками;

– для оптимального выбора средств измерений.

Сведения о них, полученные при испытаниях средств измерений в целях утверждения типа, содержатся в нормативно-технических документах на средства измерений. В этих же документах приводятся требования (нормы), которым должны удовлетворять металогические характеристики всех серийно выпускаемых средств измерений данного типа. Соответствие этим требованиям метрологических характеристик каждого отдельного экземпляра средств измерений должно проверяться.

Проверка соответствия метрологических характеристик нормам и установление на этой основе пригодности средств измерений к применению производится при их поверке.