| Метрологические характеристики средств измерения | |
| Автор: student | Категория: Технические науки / Автоматизация | Просмотров: 1611 | Комментирии: 0 | 03-01-2014 15:16 |
Метрологические характеристики средств измерения
Важнейшими свойствами средств измерений явля¬ются те, от которых зависит качество получаемой с их помощью измерительной информации. Качество измерения характеризуется точностью, достоверностью, правильностью, сходимостью и воспроизводимостью измерений, а также размером допускаемых погрешностей.
Метрологические характеристики (свойства) средств — это такие характеристики, которые предназначены для оценки технического уровня и качества средства измерения, для определения результатов измерения и расчетной оценки характеристик инструментальной составляющей погрешности измерения.
ГОСТ 8.009—84 устанавливает комплекс нормируемых метрологических характеристик средств измерения, который выбирается из числа приводимых ниже.
Характеристики, предназначенные для определения результатов измерения (без введения поправки):
функция преобразования измерительного преобразователя,
значение однозначной или многозначной меры;
цена деления шкалы измерительного прибора или многозначной меры;
вид выходного кода, число разрядов кода.
Характеристики погрешностей средств измерения — характеристики систематической и случайной составляющих погрешностей, вариация выходного сигнала средств измерения либо характерис¬тика погрешности средств измерения.
Характеристики чувствительности средств измерения к влияю¬щим величинам — функция влияния или изменение значений мет¬рологических характеристик средств измерения, вызванные изме¬нениями влияющих величин в установленных пределах.
Динамические характеристики средств измерения подразделяют на полные и частные. К полным динамическим характеристикам относят: переходную, амплитудно-фазовую и импульсную харак¬теристики, передаточную функцию, к частным — время реакции, коэффициент демпфирования, постоянную времени, значение резонансной собственной круговой частоты.
Неинформативные параметры выходного сигнала средств измере¬ния — параметры выходного сигнала, не используемые для пере¬дачи или индикации значения информативного параметра вход¬ного сигнала измерительного преобразователя или не являющиеся выходной величиной меры.
Рассмотрим более подробно наиболее часто встречающиеся мет-рологические показатели средств измерения.
Цена деления шкалы — это разность значений величин, соот-ветствующих двум соседним отметкам шкалы. Например, если пе¬ремещение указателя шкалы из положения I в положение II (рис. 1.13, а) соответствует изменению величины в 0,001 мм, то цена деления этой шкалы равна 0,001 мм. Значения цен делений выбирают из ряда 1, 2, 5, 10, 20, 50, 100, 200, 500 мкм. Но чаще всего используют кратные и дольные значения от 1 до 2, а именно: 0,01; 0,02; 0,1; 0,2; 1; 2; 10 мкм и т. д. В угломерных средствах измерения применяются круговые шкалы с ценой деления 1, а дополнительное отсчетное устройство позволяет отсчитывать доли этих делений в минутах и секундах. Цена деления шкалы всегда указывается на шкале средства измерений.
Интервал деления шкалы — это расстояние между серединами двух соседних штрихов шкалы (рис. 1.13, б). На практике исходя из разрешающей силы глаз оператора (остроты зрения) с учетом ши¬рины штрихов и указателя минимальный интервал деления шка¬лы принимают равным 1 мм, а максимальный — 2,5 мм. Наиболее распространенной величиной интервала является 1 мм. У пневматических приборов с водяным манометром интервал деления шкалы составляет около 5 мм.
Рис. 1.13. Основные метрологические характеристики средств измерения
Начальное и конечное значения шкалы — соответственно наимень¬шее и наибольшее значения измеряемой величины (рис. 1.13, в), указанные на шкале, характеризующие возможности шкалы средств измерения и определяющие диапазон показаний.
Диапазон показаний — область значений шкалы, ограниченная начальным и конечным значениями шкалы (см. рис. 1.13, в). Эту характеристику часто называют пределами измерения по шкале. Например, для индикаторов часового типа диапазон может составлять 2,5или 10 мм, для гладких микрометров — 25 мм, для оптиметра — ±0,1 мм.
Диапазон измерения, который часто называют пределом измере¬ния средства измерения, — это диапазон значений измеряемой ве¬личины, который может быть измерен данным средством измерения и для которого нормируется допускаемая погрешность средства измерения.
Одной из основных характеристик средств измерения линейных и угловых величин контактным методом является измерительное усилие, которое возникает в зоне контакта измерительного наконечни¬ка средства измерения с измеряемой поверхностью в направлении линии измерения. Оно необходимо для того, чтобы обеспечить ус¬тойчивое замыкание измерительной цепи. В зависимости от допуска контролируемого изделия (2... 10 мкм) рекомендуемые величины измерительного усилия находятся в пределах 2,5...3,9 Н, а свыше 10 мкм — 9,8 Н. Важным показателем измерительного усилия является его перепад (колебание) — разность измерительного усилия при двух положениях указателя в пределах диапазона показаний.
Свойство средства измерения, заключающееся в его способности реагировать на изменения измеряемой величины, называется чувствительностью. Она оценивается отношением изменения положения указателя относительно шкалы к соответствующему изменению измеряемой величины.
Если измеряемой величиной является длина или угол и значение чувствительности выражается безразмерным числом, то последнее называется передаточным отношением:
i = а/с,
где а — интервал деления шкалы; с — цена деления.
Например, при цене деления индикатора 0,01 мм и интервале деления шкалы 1,5 мм передаточное отношение будет равно 150.
Порог чувствительности средства измерения — изменение измеряемой величины, вызывающее наименьшее изменение его показаний, обнаруживаемое при нормальном способе отсчета. Эта характеристика важна при оценке малых перемещений.
Вариация показаний — наибольшая экспериментально определяемая разность между повторными показаниями средства измерения, соответствующими одному и тому же действительному значению измеряемой величины при неизменных внешних условиях. Обычно вариация показаний у средств измерения составляет 10... 50 % от цены деления, она определяется путем многократного арретирования наконечника средства измерения.
Погрешность измерения — это отклонение результата измерения Хизм от действительного значения QД измеряемой величины: = Хизм QД. Тогда погрешность средства измерения п — это разность между показанием прибора Хп и действительным значением измеряемой величины:
= Хп QД.
Наряду с терминами «погрешность измерения», «погрешность средства измерения» используется понятие «точность измерения», которое отражает близость его результатов к истинному значению измеряемой величины. Высокая точность измерения соответствует малым погрешностям измерения. Погрешности измерения обычно классифицируют по причине их возникновения и по виду погрешностей.
Инструментальные погрешности возникают вследствие недостаточно высокого качества элементов средств измерения и контроля. К этим погрешностям можно отнести погрешности изготовления и сборки СИ; погрешности из-за трения в механизме СИ, недостаточной жесткости его деталей и т.п. Инструментальная погрешность индивидуальна для каждого СИ.
Причиной возникновения методических погрешностей служит несовершенство метода измерения, т.е. то, что мы сознательно измеряем, преобразуем или используем на выходе средств измерения не ту величину, которая нам нужна, а другую, которая отражает нужную лишь приблизительно.
Основная и дополнительная погрешности. За основную погрешность принимают погрешность средства измерения, используемого в нормальных условиях, оговоренных в нормативно-технических документах (НТД). Известно, что наряду с чувствительностью к измеряемой величине средство измерения имеет некоторую чувствительность и к неизмеряемым, но оказывающим влияние величинам, например температуре, атмосферному давлению, вибрации, ударам и т.д. Поэтому любое средство измерения имеет основную погрешность, которая отражается в НТД.
При эксплуатации средств измерения и контроля в производственных условиях возникают значительные отклонения от нормальных условий, вызывающие дополнительные погрешности. Эти погрешности нормируются соответствующими коэффициентами влияния изменения отдельных влияющих величин на изменение показании в виде ; ; и т.д.
Погрешности средств измерения нормируют установлением предела допускаемой погрешности. Предел допускаемой погрешности средства измерения — наибольшая (без учета знака) погрешность средства измерения, при которой оно может быть признано и допущено к применению. Например, пределы допускаемой погрешности 100-мм концевой меры длины класса 1 составляют ±50 мкм, а для амперметра класса 1,0 составляют ± 1 % от верхнего предела измерений.
Погрешности средств измерения могут выражаться:
в виде абсолютной погрешности :
для меры
= Хн - ХД,
где Хн — номинальное значение; ХД — действительное значение измеряемой величины;
для прибора
= Хп ХД,
где Хп — показание прибора;
в виде относительной погрешности (100%):
= (/ХД)100,
в виде приведенной погрешности (100%):
= (/XN)100,
где XN — нормирующее значение измеряемой физической величины.
В качестве нормирующего значения может быть принят предел измерения данным СИ. Например, для весов с пределом измерения массы 10 кг XN = 10 кг.
Если в качестве нормирующей величины принимается размах всей шкалы, то именно к значению этого размаха в единицах измеряемой физической величины и относят абсолютную погрешность. Например, для амперметра с пределами -100...+100 мА XN = 200 мА.
Если в качестве нормирующей величины принимается длина шкалы прибора, равная единице, то XN = 1.
На каждое СИ погрешность приводится только в какой-то од¬ной форме.
Если погрешность СИ при неизменных внешних условиях постоянна во всем диапазоне измерений, то
= ±а. (1.4)
Если она меняется в указанном диапазоне, то
= ±(а + bx). (1.5)
При = ± а погрешность называется аддитивной, а при = ±(а+bx) — мультипликативной.
Для аддитивной погрешности
= ± р. (1.6)
Для мультипликативной погрешности
. (1.7)
Приведенная погрешность
= ± q.
Значения р, с, d, q выбираются из ряда чисел: 110n; 1,510n; 1,610n; 210n; 2,510n; 310n; 410n; 510n; 610n, где n — положительное или отрицательное целое число, включая нуль.
Для обобщенной характеристики точности средств измерения, определяемой пределами допускаемых погрешностей (основной и дополнительной), а также другими их свойствами, влияющими на погрешность измерений, вводится понятие «класс точности средств измерения». Единые правила установления пределов допускаемых погрешностей показаний по классам точности средств измерения регламентирует ГОСТ 8.401—80. Классы точности удобны для сравнительной оценки качества средств измерения, их выбора, международной торговли.
Классы точности определяются стандартами и техническими условиями, содержащими технические требования к средствам измерения. Для каждого класса точности средства измерения конкретного типа устанавливаются конкретные требования к метрологическим характеристикам, в совокупности отражающие уровень точности. Единые характеристики для средств измерения всех классов точности (например, входные и выходные сопротивления) нормируются независимо от класса точности. Средства измерения нескольких физических величин или с несколькими диапазонами измерений могут иметь два и более классов точности. Например, электроизме¬рительному прибору, предназначенному для измерения электриче¬ского напряжения и сопротивления, могут быть присвоены два класса точности: один — как вольтметру, другой — как амперметру.
Классы точности присваивают средствам измерения при разработке. В процессе эксплуатации метрологические характеристики средств измерения ухудшаются. Поэтому допускается понижение класса их точности по результатам метрологической аттестации.
В связи с большим разнообразием средств измерения и их метрологических характеристик ГОСТ 8.401—80 определены способы обозначения, причем выбор того или иного способа зависит от того, в каком виде нормирована погрешность. Для СИ, у которых погрешность измерения определяется в соответствии с формулами (1.4) и (1.5), класс точности присваивается порядковым номером, начиная для самого точного с 1 и далее по мере возрастания погрешности.
Если погрешность определяется по формулам (1.6) или (1.7), класс точности СИ соответствует значениям относительной или приведенной погрешности, выраженной в %.
Например, если = ± 1 %, то класс точности СИ — 0,1; если при-веденная погрешность = ± 1,5 %, то класс точности СИ — 1,5. Это справедливо для приведенной погрешности, нормируемой значением физической величины в принятых единицах. В тех случаях, когда погрешность нормируется длиной шкалы прибора 1, класс точно¬сти также равен численному значению у, но обозначается по-другому. Например, при = 0,5 % (XN = 1) класс точности — 0,5.
Если погрешность СИ определяется формулой (1.7) (мультипликативная погрешность), то она обозначается c/d. Если
то класс точности СИ обознается 0,02/0,01.
Примеры обозначения классов точности приборов см. в табл. 1.3.
xк – конечный отсчет шкалы (предел из
Важнейшими свойствами средств измерений явля¬ются те, от которых зависит качество получаемой с их помощью измерительной информации. Качество измерения характеризуется точностью, достоверностью, правильностью, сходимостью и воспроизводимостью измерений, а также размером допускаемых погрешностей.
Метрологические характеристики (свойства) средств — это такие характеристики, которые предназначены для оценки технического уровня и качества средства измерения, для определения результатов измерения и расчетной оценки характеристик инструментальной составляющей погрешности измерения.
ГОСТ 8.009—84 устанавливает комплекс нормируемых метрологических характеристик средств измерения, который выбирается из числа приводимых ниже.
Характеристики, предназначенные для определения результатов измерения (без введения поправки):
функция преобразования измерительного преобразователя,
значение однозначной или многозначной меры;
цена деления шкалы измерительного прибора или многозначной меры;
вид выходного кода, число разрядов кода.
Характеристики погрешностей средств измерения — характеристики систематической и случайной составляющих погрешностей, вариация выходного сигнала средств измерения либо характерис¬тика погрешности средств измерения.
Характеристики чувствительности средств измерения к влияю¬щим величинам — функция влияния или изменение значений мет¬рологических характеристик средств измерения, вызванные изме¬нениями влияющих величин в установленных пределах.
Динамические характеристики средств измерения подразделяют на полные и частные. К полным динамическим характеристикам относят: переходную, амплитудно-фазовую и импульсную харак¬теристики, передаточную функцию, к частным — время реакции, коэффициент демпфирования, постоянную времени, значение резонансной собственной круговой частоты.
Неинформативные параметры выходного сигнала средств измере¬ния — параметры выходного сигнала, не используемые для пере¬дачи или индикации значения информативного параметра вход¬ного сигнала измерительного преобразователя или не являющиеся выходной величиной меры.
Рассмотрим более подробно наиболее часто встречающиеся мет-рологические показатели средств измерения.
Цена деления шкалы — это разность значений величин, соот-ветствующих двум соседним отметкам шкалы. Например, если пе¬ремещение указателя шкалы из положения I в положение II (рис. 1.13, а) соответствует изменению величины в 0,001 мм, то цена деления этой шкалы равна 0,001 мм. Значения цен делений выбирают из ряда 1, 2, 5, 10, 20, 50, 100, 200, 500 мкм. Но чаще всего используют кратные и дольные значения от 1 до 2, а именно: 0,01; 0,02; 0,1; 0,2; 1; 2; 10 мкм и т. д. В угломерных средствах измерения применяются круговые шкалы с ценой деления 1, а дополнительное отсчетное устройство позволяет отсчитывать доли этих делений в минутах и секундах. Цена деления шкалы всегда указывается на шкале средства измерений.
Интервал деления шкалы — это расстояние между серединами двух соседних штрихов шкалы (рис. 1.13, б). На практике исходя из разрешающей силы глаз оператора (остроты зрения) с учетом ши¬рины штрихов и указателя минимальный интервал деления шка¬лы принимают равным 1 мм, а максимальный — 2,5 мм. Наиболее распространенной величиной интервала является 1 мм. У пневматических приборов с водяным манометром интервал деления шкалы составляет около 5 мм.
Рис. 1.13. Основные метрологические характеристики средств измерения
Начальное и конечное значения шкалы — соответственно наимень¬шее и наибольшее значения измеряемой величины (рис. 1.13, в), указанные на шкале, характеризующие возможности шкалы средств измерения и определяющие диапазон показаний.
Диапазон показаний — область значений шкалы, ограниченная начальным и конечным значениями шкалы (см. рис. 1.13, в). Эту характеристику часто называют пределами измерения по шкале. Например, для индикаторов часового типа диапазон может составлять 2,5или 10 мм, для гладких микрометров — 25 мм, для оптиметра — ±0,1 мм.
Диапазон измерения, который часто называют пределом измере¬ния средства измерения, — это диапазон значений измеряемой ве¬личины, который может быть измерен данным средством измерения и для которого нормируется допускаемая погрешность средства измерения.
Одной из основных характеристик средств измерения линейных и угловых величин контактным методом является измерительное усилие, которое возникает в зоне контакта измерительного наконечни¬ка средства измерения с измеряемой поверхностью в направлении линии измерения. Оно необходимо для того, чтобы обеспечить ус¬тойчивое замыкание измерительной цепи. В зависимости от допуска контролируемого изделия (2... 10 мкм) рекомендуемые величины измерительного усилия находятся в пределах 2,5...3,9 Н, а свыше 10 мкм — 9,8 Н. Важным показателем измерительного усилия является его перепад (колебание) — разность измерительного усилия при двух положениях указателя в пределах диапазона показаний.
Свойство средства измерения, заключающееся в его способности реагировать на изменения измеряемой величины, называется чувствительностью. Она оценивается отношением изменения положения указателя относительно шкалы к соответствующему изменению измеряемой величины.
Если измеряемой величиной является длина или угол и значение чувствительности выражается безразмерным числом, то последнее называется передаточным отношением:
i = а/с,
где а — интервал деления шкалы; с — цена деления.
Например, при цене деления индикатора 0,01 мм и интервале деления шкалы 1,5 мм передаточное отношение будет равно 150.
Порог чувствительности средства измерения — изменение измеряемой величины, вызывающее наименьшее изменение его показаний, обнаруживаемое при нормальном способе отсчета. Эта характеристика важна при оценке малых перемещений.
Вариация показаний — наибольшая экспериментально определяемая разность между повторными показаниями средства измерения, соответствующими одному и тому же действительному значению измеряемой величины при неизменных внешних условиях. Обычно вариация показаний у средств измерения составляет 10... 50 % от цены деления, она определяется путем многократного арретирования наконечника средства измерения.
Погрешность измерения — это отклонение результата измерения Хизм от действительного значения QД измеряемой величины: = Хизм QД. Тогда погрешность средства измерения п — это разность между показанием прибора Хп и действительным значением измеряемой величины:
= Хп QД.
Наряду с терминами «погрешность измерения», «погрешность средства измерения» используется понятие «точность измерения», которое отражает близость его результатов к истинному значению измеряемой величины. Высокая точность измерения соответствует малым погрешностям измерения. Погрешности измерения обычно классифицируют по причине их возникновения и по виду погрешностей.
Инструментальные погрешности возникают вследствие недостаточно высокого качества элементов средств измерения и контроля. К этим погрешностям можно отнести погрешности изготовления и сборки СИ; погрешности из-за трения в механизме СИ, недостаточной жесткости его деталей и т.п. Инструментальная погрешность индивидуальна для каждого СИ.
Причиной возникновения методических погрешностей служит несовершенство метода измерения, т.е. то, что мы сознательно измеряем, преобразуем или используем на выходе средств измерения не ту величину, которая нам нужна, а другую, которая отражает нужную лишь приблизительно.
Основная и дополнительная погрешности. За основную погрешность принимают погрешность средства измерения, используемого в нормальных условиях, оговоренных в нормативно-технических документах (НТД). Известно, что наряду с чувствительностью к измеряемой величине средство измерения имеет некоторую чувствительность и к неизмеряемым, но оказывающим влияние величинам, например температуре, атмосферному давлению, вибрации, ударам и т.д. Поэтому любое средство измерения имеет основную погрешность, которая отражается в НТД.
При эксплуатации средств измерения и контроля в производственных условиях возникают значительные отклонения от нормальных условий, вызывающие дополнительные погрешности. Эти погрешности нормируются соответствующими коэффициентами влияния изменения отдельных влияющих величин на изменение показании в виде ; ; и т.д.
Погрешности средств измерения нормируют установлением предела допускаемой погрешности. Предел допускаемой погрешности средства измерения — наибольшая (без учета знака) погрешность средства измерения, при которой оно может быть признано и допущено к применению. Например, пределы допускаемой погрешности 100-мм концевой меры длины класса 1 составляют ±50 мкм, а для амперметра класса 1,0 составляют ± 1 % от верхнего предела измерений.
Погрешности средств измерения могут выражаться:
в виде абсолютной погрешности :
для меры
= Хн - ХД,
где Хн — номинальное значение; ХД — действительное значение измеряемой величины;
для прибора
= Хп ХД,
где Хп — показание прибора;
в виде относительной погрешности (100%):
= (/ХД)100,
в виде приведенной погрешности (100%):
= (/XN)100,
где XN — нормирующее значение измеряемой физической величины.
В качестве нормирующего значения может быть принят предел измерения данным СИ. Например, для весов с пределом измерения массы 10 кг XN = 10 кг.
Если в качестве нормирующей величины принимается размах всей шкалы, то именно к значению этого размаха в единицах измеряемой физической величины и относят абсолютную погрешность. Например, для амперметра с пределами -100...+100 мА XN = 200 мА.
Если в качестве нормирующей величины принимается длина шкалы прибора, равная единице, то XN = 1.
На каждое СИ погрешность приводится только в какой-то од¬ной форме.
Если погрешность СИ при неизменных внешних условиях постоянна во всем диапазоне измерений, то
= ±а. (1.4)
Если она меняется в указанном диапазоне, то
= ±(а + bx). (1.5)
При = ± а погрешность называется аддитивной, а при = ±(а+bx) — мультипликативной.
Для аддитивной погрешности
= ± р. (1.6)
Для мультипликативной погрешности
. (1.7)
Приведенная погрешность
= ± q.
Значения р, с, d, q выбираются из ряда чисел: 110n; 1,510n; 1,610n; 210n; 2,510n; 310n; 410n; 510n; 610n, где n — положительное или отрицательное целое число, включая нуль.
Для обобщенной характеристики точности средств измерения, определяемой пределами допускаемых погрешностей (основной и дополнительной), а также другими их свойствами, влияющими на погрешность измерений, вводится понятие «класс точности средств измерения». Единые правила установления пределов допускаемых погрешностей показаний по классам точности средств измерения регламентирует ГОСТ 8.401—80. Классы точности удобны для сравнительной оценки качества средств измерения, их выбора, международной торговли.
Классы точности определяются стандартами и техническими условиями, содержащими технические требования к средствам измерения. Для каждого класса точности средства измерения конкретного типа устанавливаются конкретные требования к метрологическим характеристикам, в совокупности отражающие уровень точности. Единые характеристики для средств измерения всех классов точности (например, входные и выходные сопротивления) нормируются независимо от класса точности. Средства измерения нескольких физических величин или с несколькими диапазонами измерений могут иметь два и более классов точности. Например, электроизме¬рительному прибору, предназначенному для измерения электриче¬ского напряжения и сопротивления, могут быть присвоены два класса точности: один — как вольтметру, другой — как амперметру.
Классы точности присваивают средствам измерения при разработке. В процессе эксплуатации метрологические характеристики средств измерения ухудшаются. Поэтому допускается понижение класса их точности по результатам метрологической аттестации.
В связи с большим разнообразием средств измерения и их метрологических характеристик ГОСТ 8.401—80 определены способы обозначения, причем выбор того или иного способа зависит от того, в каком виде нормирована погрешность. Для СИ, у которых погрешность измерения определяется в соответствии с формулами (1.4) и (1.5), класс точности присваивается порядковым номером, начиная для самого точного с 1 и далее по мере возрастания погрешности.
Если погрешность определяется по формулам (1.6) или (1.7), класс точности СИ соответствует значениям относительной или приведенной погрешности, выраженной в %.
Например, если = ± 1 %, то класс точности СИ — 0,1; если при-веденная погрешность = ± 1,5 %, то класс точности СИ — 1,5. Это справедливо для приведенной погрешности, нормируемой значением физической величины в принятых единицах. В тех случаях, когда погрешность нормируется длиной шкалы прибора 1, класс точно¬сти также равен численному значению у, но обозначается по-другому. Например, при = 0,5 % (XN = 1) класс точности — 0,5.
Если погрешность СИ определяется формулой (1.7) (мультипликативная погрешность), то она обозначается c/d. Если
то класс точности СИ обознается 0,02/0,01.
Примеры обозначения классов точности приборов см. в табл. 1.3.
xк – конечный отсчет шкалы (предел из
Не Пропустите: