1.4.5. Метрологические характеристики средств измерений

Метрологическая характеристика средства измерения - это характеристика одного из свойств средства измерений, влияющая на результат измерений и его погрешность.

Для каждого типа средств измерений устанавливают свои метрологические характеристики.

Тип средств измерений - совокупность средств измерений, предназначенных для измерения одних и тех же величин, выраженных в одних и тех же единицах величин, основанных на одном и том же принципе действия, имеющих одинаковую конструкцию и изготовленных по одной и той же технической документации.

Метрологические характеристики, устанавливаемые нормативно-техническими документами, называют нормируемыми метрологическими характеристиками, а определяемые экспериментально - действительными метрологическими характеристиками.

Перечень метрологических характеристик, правила выбора комплекса нормируемых метрологических характеристик для средств измерений и способы их нормирования изложены в ГОСТ 8.009-84 "Государственная система обеспечения единства измерений. Нормируемые метрологические характеристики средств измерений".

Рассмотрим их подробнее.

1. Важнейшая характеристика - точность, под которой понимается степень приближения результатов измерений, полученных с помощью данных средств измерений, к истинному значению измеряемой величины.

Общепринятого количественного способа определения точности пока нет, поэтому для количественной оценки точности используется понятие погрешности.

Под погрешностью понимается отклонение показаний приборов (или номинальных значений мер) от истинных значений измеряемых величин (истинных значений мер).

2. Зависимость между значениями величины на выходе и входе средства измерений, представленная в виде таблицы, графика или формулы, называется градуировочной характеристикой (ГХ) средства измерений.

Градуировочная характеристика является индивидуальной, т.е. описывает свойства конкретного экземпляра средства измерений.

При серийном выпуске однотипных средств измерений зависимость между значениями величины на выходе и входе средства измерений часто устанавливается с помощью номинальной функции преобразования.

Она является типовой.

3. Чувствительность S равна отношению изменения величины на выходе к вызывающему его изменению входной (измеряемой) величины.

S = Δу/Δх.

Например, для стрелочного СИ - это отношение перемещения dl конца стрелки к вызвавшему его изменению dx измеряемой величины:

S = dl/dx.

Для неравномерных шкал величина S = var, и степень неравномерности шкалы оценивают через коэффициент

J = S^max/S^min.

Для равномерных шкал S = S_ср = const и S_ср = l/x_N, где x_N - диапазон измерений.

Поскольку х и y могут быть выражены в различных единицах, то величина S имеет размерность [мм/А], [мм/В], [градус/В] и т.д.

Иногда для оперирования безразмерными единицами вводят понятие относительной чувствительности

S_о = (Δу/у₀)/(Δх/х₀),

где х₀, у₀ - номинальные (или средние) величины.

Величину, обратную чувствительности, называют постоянной прибора С = 1/S.

Как правило, выходным сигналом СИ является отсчёт (показание) в единицах величины. В этом случае постоянная прибора С равна цене деления.

4. От чувствительности следует отличать порог чувствительности, представляющий собой такое воздействие на входе измерительного прибора, которое вызывает на выходе минимальный уверенно обнаруживаемый эффект.

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

Диапазон измерений ограничивается наибольшим и наименьшим значениями. Для повышения точности измерений диапазон измерений может быть разбит на несколько поддиапазонов.

При переходе с одного поддиапазона на другой некоторые составляющие основной погрешности уменьшаются, что приводит к повышению точности измерений. При нормировании допускают для каждого поддиапазона свои предельные погрешности.

Область значений шкалы, ограниченную начальным и конечным значениями шкалы, называют диапазоном показаний.

6. Для средств измерений, выдающих результаты в цифровом коде, указывают

- цену единицы младшего разряда (единицы младшего разряда цифрового отсчётного устройства),

- вид выходного кода (двоичный, двоично-десятичный)

- и число разрядов кода.

7. Для оценки влияния средства измерений на режим работы объекта исследований указывают входное полное сопротивление Z_вх.

Входное сопротивление влияет на мощность, потребляемую от объекта исследований средством измерения.

8. Допустимая нагрузка на средство измерений зависит от его выходного полного сопротивления Z_вых.

Чем меньше выходное сопротивление, тем больше допустима нагрузка на средство измерений.

9. Вариация (гистерезис) - разность между показаниями средства измерений в данной точке диапазона измерения при возрастании и убывании измеряемой величины и неизменных внешних условиях:

Н = |х_в - х_у|,

где х_в, х_у - значения измерений образцовыми СИ при возрастании и убывании величины х.

10. В современной измерительной практике часто приходится измерять быстро изменяющиеся величины. При этом необходимо учитывать не только статические, но и динамические свойства средств измерений.

Динамические характеристики средств измерений можно разделить на полные и частные.

Полные динамические характеристики позволяют при любом заданном изменении во времени величины на входе рассчитать изменение во времени выходной величины, а следовательно, оценить погрешности, вызванные инерционностью средства измерений.

Полной динамической характеристикой любого средства измерений является дифференциальное уравнение, связывающее входную и выходную величины.

Для линейных средств измерений (описываемых линейными дифференциальными уравнениями с постоянными коэффициентами) полными динамическими характеристиками являются также:

- передаточная функция;

- комплексный коэффициент передачи - амплитудно-частотная характеристика (АЧХ);

- комплексная чувствительность - фазочастотная характеристика (ФЧХ);

- переходная функция - реакция на единичный скачок;

- импульсная (весовая) функция - реакция на единичный импульс.

Указанные характеристики взаимосвязаны, и по одной из них можно найти все остальные. Методы их экспериментального определения широко освещаются в литературе по автоматическому регулированию.

Частная динамическая характеристика представляет собой какой-либо параметр полной динамической характеристики или её функционал.

В качестве такой характеристики используются, например:

- полоса частот измеряемых величин, в пределах которой динамическая погрешность не превышает заданной;

- время установления выходной величины.

(Для стрелочных электроизмерительных приборов время успокоения - промежуток времени, прошедшего с момента скачкообразного изменения измеряемой величины до момента, когда стрелка прибора не удаляется от положения равновесия более чем на 1% длины шкалы.

Для цифровых измерительных приборов в качестве частной динамической характеристики используется наименьшее время, необходимое для выполнения одного измерения).

Частные динамические характеристики проще и обладает большей наглядностью, но не позволяют определить динамическую погрешность для конкретного закона изменения во времени измеряемой величины.

Кроме метрологических характеристик при эксплуатации средств измерений важно знать и неметрологические, общетехнические характеристики - показатели надёжности, электрической прочности, сопротивление изоляции, степень устойчивости к климатическим и механическим воздействиям, время установления рабочего режима, габариты, массу, собственное потребление энергии, стоимость и др.

Под надёжностью средства измерений понимают его способность сохранять нормированные метрологические характеристики при определённых условиях эксплуатации в течение заданного времени.

Основными критериями надёжности приборов являются вероятность безотказной работы и средняя продолжительность безотказной работы.

Кроме указанных, надёжность оценивают ещё такими количественными характеристиками, как:

- частота отказов,

- среднее время между соседними отказами,

- интенсивность отказов и др.

При этом под отказом понимается событие, после появления которого характеристики средств измерений выходят за допустимые пределы.