4-3. ХАРАКТЕРИСТИКИ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ

Отдельные виды и типы средств измерений обладают своими специфическими свойствами. Вместе с тем средства измерений имеют некоторые общие свойства, которые позволяют сопоставлять средства между собой.

Различают статические и динамические свойства средства измерений. Статические свойства средства измерений проявляются при статическом режиме его работы, т. е. когда выходной сигнал средства считается неизменным при измерении; динамические свойства — при динамическом режиме работы средства измерений, при котором выходной сигнал средства изменяется во времени при его использовании.

Свойства средств измерений описывают характеристиками, среди которых выделяют комплекс метрологических характеристик (см. § 1-1).

Метрологические характеристики.

Функция преобразования (статическая характеристика преобразования) — функциональная зависимость между информативными параметрами выходного и входного сигналов средства измерений. Функцию преобразования, принимаемую для средства измерения (типа) и устанавливаемую в научно-технической документации на данное средство (тип), называют номинальной функцией преобразования средства (типа).

Важной характеристикой является чувствительность средства измерений, под которой понимают отношение приращения выходного сигнала средства измерений к вызвавшему это приращение изменению входного сигнала . В общем случае чувствительность

При нелинейной статической характеристике преобразования чувствительность зависит от х, при линейной характеристике чувствительность постоянна. У измерительных приборов при постоянной чувствительности шкала равномерная, т. е. длина всех

делений шкалы одинакова. Деления шкалы — участки шкалы, на которые делят шкалу с помощью отметок.

Характеристикой прибора является постоянная прибора

Чувствительность не следует смешивать с порогом чувствительности, под которым понимают наименьшее изменение входной величины, обнаруживаемое с помощью данного средства измерений. Порог чувствительности выражают в единицах входной величины.

Характеристикой средства измерений является диапазон измерений — область значений измеряемой величины, для которой нормированы допускаемые погрешности средства измерений. Диапазон измерений ограничивается наибольшим и наименьшим значениями диапазона измерений. С целью повышения точности измерений диапазон измерений средства 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 начальными и конечными значениями шкалы, называют диапазоном показаний.

Характеристикой для измерительных приборов является цена деления шкалы — разность значений величины, соответствующих двум соседним отметкам шкалы. Для средств измерений, выдающих результаты измерений в цифровом коде, указывают цену единицы младшего разряда (единицы младшего разряда цифрового отсчетного устройства), вид выходного кода (двоичный, двоично-десятичный) и число разрядов кода (см. § 8-2).

Для оценки влияния средства измерений на режим работы объекта исследования указывают входное полное сопротивление Входное сопротивление влияет на мощность, потребляемую от объекта исследования средством измерений. Допустимая нагрузка на средство измерений зависит от выходного полного сопротивления средства измерений. Чем меньше выходное сопротивление, тем больше допустимая нагрузка на средство измерений.

Важнейшей характеристикой средства измерений является погрешность, которую оно вносит в результат измерения, или, как принято говорить, погрешность средства измерений.

Погрешность средства измерений может быть выражена в виде абсолютной, относительной (см. § 2-1) или приведенной погрешности. Приведенная погрешность средства измерений — это отношение абсолютной погрешности к нормирующему значению, например к наибольшему пределу используемого поддиапазона

средства измерений. Погрешность измерительного прибора где — показание прибора; — истинное значение измеряемой величины. Погрешность измерительного прибора определяют при его поверке и при этом вместо истинного значения используют действительное значение измеряемой величины, под которым понимают значение физической величины, найденное экспериментальным путем с помощью образцовых средств измерений и настолько приближающееся к истинному, что для данной цели может быть использовано вместо истинного значения.

Для измерительных преобразователей погрешность может быть определена как по входу, так и по выходу преобразователя. Погрешность преобразователя по входу

где — функция, обратная номинальной статической характеристике преобразователя — действительное значение входной величины; — действительное значение выходной величины.

Погрешность преобразователя по выходу

Погрешности средства измерений зависят от внешних условий (влияющих величин), поэтому их принято делить на основную и дополнительные. Основной погрешностью средства измерений называют погрешность в условиях, принятых за нормальные для данного средства. Дополнительные погрешности средства измерений возникают при отклонении влияющих величин от нормальных значений (нормальных областей значений).

Если статическая характеристика преобразования средства измерений имеет вид где у — выходная величина; х — входная величина; — влияющие величины, то изменение выходной величины определяется не только изменением измеряемой величины но и изменениями влияющих величин В этом случае

В этом выражении второй и последующие члены правой части являются составляющими погрешности. Если изменения влияющих величин находятся в пределах нормальных условий, то все указанные составляющие входят в состав основной погрешности. При отклонении влияющих величин за пределы нормальных условий приращения указанных составляющих образуют дополнительные погрешности от изменения величин

Функции называют функциями влияния, в которых — нормальные значения влияющих величин; влияющие величины, для которых определяют дополнительные погрешности. Производные называют коэффициентами влияния.

Погрешности средств измерений могут иметь систематические и случайные составляющие. Случайные составляющие приводят к неоднозначности показаний. Поэтому случайные составляющие погрешностей средств измерений стараются сделать незначительными по сравнению с другими составляющими. Большинство серийных измерительных приборов обладает этим свойством. Однако в приборах высокой чувствительности и точности случайная составляющая может быть соизмерима с систематической.

Важной характеристикой средств измерений является вариация выходного сигнала, под которой понимают разность между значениями информативного параметра выходного сигнала, соответствующими одному и тому же действительному значению входной величины при двух направлениях медленных изменений входной величины в процессе подхода к выбранному значению входной величины.

По зависимости от измеряемой величины погрешности средства измерений разделяют на аддитивные и мультипликативные.

Аддитивные (абсолютные) погрешности не зависят от измеряемой величины. Мультипликативные (абсолютные) погрешности изменяются пропорционально измеряемой величине. Могут быть составляющие, имеющие более сложную зависимость от измеряемой величины, например, так называемые погрешности от нелинейности статической характеристики преобразования.

Различают погрешности конкретного экземпляра средства измерений и погрешности типа средств измерений. Тип средств измерений — совокупность средств измерений, имеющих одинаковые устройство, функциональное назначение и нормируемые характеристики.

Погрешность конкретного средства измерений характеризует только данный экземпляр средства измерений. Такая погрешность, обычно известная только для средств измерений, изготовленных в единичном экземпляре, или малой партией, или для специально поверенных средств измерений. Погрешность типа средств измерений характеризует всю совокупность экземпляров

данного типа. Погрешность любого экземпляра данного типа не может превышать погрешности типа. Для приборов массового производства указывается погрешность типа.

Важным качеством средств измерений является их способность сохранять свои свойства во времени. Для контроля метрологических свойств средства измерений должны периодически поверяться. Межповерочный интервал определяется нестабильностью свойств и допустимым изменением метрологических свойств средств измерений.

К метрологическим характеристикам средства измерений относятся динамические характеристики, т. е. характеристики инерционных свойств средства, определяющие зависимость выходного сигнала средства измерений от меняющихся во времени величин: параметров входного сигнала, внешних влияющих величин, нагрузки. Динамические свойства средства измерений определяют динамическую погрешность (см. § 2-1). В зависимости от полноты описания динамических свойств средств измерений различают полные и частные динамические характеристики (см. ГОСТ 8.256-77).

Полная динамическая характеристика — характеристика, однозначно определяющая изменения выходного сигнала средства измерений при любом изменении во времени информативного или неинформативного параметра входного сигнала, влияющей величины или нагрузки.

К полным динамическим характеристикам относят переходную характеристику, импульсную переходную характеристику, амплитудно-фазовую характеристику, совокупность амплитудно-частотной и фазово-частотной характеристик, передаточную функцию (см. § 4-6).

Частная динамическая характеристика не отражает полностью динамических свойств средства измерений. К частным динамическим характеристикам аналоговых средств измерений, которые можно рассматривать как линейные, относят любые функционалы или параметры полных динамических характеристик. Примерами таких характеристик являются время реакции средства измерений, коэффициент демпфирования, значение резонансной собственной угловой частоты, значение амплитудно-частотной характеристики на резонансной частоте.

Для измерительных приборов время реакции — время установления показаний прибора, т. е. время от момента скачкообразного изменения измеряемой величины до момента установления с определенной погрешностью показания, соответствующего установившемуся значению измеряемой величины.

Для измерительных преобразователей время реакции — время установления выходного сигнала, определяемое при

скачко-образном изменении входного сигнала и заданной погрешности установления выходного сигнала.

Коэффициент демпфирования (степень успокоения — см. § 4-6) — параметр дифференциального уравнения второго порядка, описывающего линейное средство измерений.

Динамические характеристики цифровых измерительных устройств приведены в § 8-2.

Неметрологические характеристики.

Кроме метрологических характеристик, при эксплуатации средств измерений важно знать и неметрологические характеристики: показатели надежности, электрическую прочность, сопротивление изоляции, устойчивость к климатическим и механическим воздействиям, время установления рабочего режима и др.

Под надежностью средства измерений понимают способность средства измерений сохранять заданные характеристики при определенных условиях работы в течение заданного времени или заданной наработки. С понятием надежности связано понятие отказа — нарушения работоспособности средства измерений. Различают внезапный отказ, когда средство измерений полностью теряет свою работоспособность, например, вследствие обрыва цепи, и постепенный отказ, когда с течением времени метрологические характеристики выходят за допустимые пределы.

Согласно ГОСТ 22261—82 «Средства измерений электрических и магнитных величин. Общие технические условия» применяют следующие показатели надежности: безотказность, ремонтопригодность (для восстанавливаемых средств измерений), долговечность.

В качестве показателя безотказности устанавливают наработку на отказ. Под наработкой понимают продолжительность работы средства, а под наработкой на отказ — отношение наработки ремонтируемого средства к числу отказов в течение этой наработки.

В качестве показателя долговечности принят средний срок службы или средний ресурс. Срок службы и ресурс — соответственно календарная продолжительность эксплуатации средства и его наработка от ее начала до наступления такого предельного состояния, при котором дальнейшая эксплуатация средства должна быть прекращена.

В качестве показателя ремонтопригодности стандарт устанавливает среднее время восстановления средства.

Нормирование метрологических характеристик.

Средства измерений можно использовать по назначению, если известны их метрологические свойства. Последние обычно описывают путем указания номинальных значений тех или иных характеристик и допускаемых отклонений от них.

Эти сведения приводят в нормативно-технической документации на средства измерений, а наиболее важные из них указывают на самих средствах.

Установление номинальных значений и границ допускаемых отклонений реальных метрологических характеристик средств измерений от их номинальных значений — нормирование метрологических характеристик.

Общим вопросом нормирования метрологических характеристик средств измерений посвящен ГОСТ 8.009-84 «Нормирование и использование метрологических характеристик средств измерений». ГОСТ устанавливает номенклатуру метрологических характеристик средств измерений.

Характеристики, предназначенные для определения результатов измерений (без введения поправки):

1) функция (статическая характеристика) преобразования измерительного преобразователя, а также измерительного прибора с неименованной шкалой;

2) значение однозначной или значения многозначной меры;

3) цена деления шкалы измерительного прибора или многозначной меры;

4) вид выходного кода, число разрядов кода, цена единицы наименьшего разряда кода цифровых средств измерений.

Характеристики погрешностей средств измерений:

1) характеристики систематической составляющей погрешности;

2) характеристики случайной составляющей погрешности;

3) характеристики погрешности.

Характеристики чувствительности средств измерений к влияющим величинам:

1) функции влияния;

2) изменения значений метрологических характеристик средств измерений, вызванных изменениями влияющих величин в установленных пределах.

Динамические характеристики средств измерений:

1) полная;

2) частные.

Характеристики взаимодействия средств измерений с объектом исследования и нагрузкой:

1) входное полное сопротивление;

2) выходное полное сопротивление.

Неинформативные параметры выходного сигнала средств измерений.

Из указанного перечня для конкретных средств измерений выбирают такие характеристики, которые достаточны для оценки погрешностей измерений.

В настоящее время для большинства электрических средств измерений, используемых в статическом режиме, нормируют пределы допускаемых погрешностей. Вопросы нормирования погрешностей для таких средств измерений рассмотрены в ГОСТ 8.401-80 «Классы точности средств измерений. Общие требования».

Согласно этому стандарту пределы допускаемых основной и дополнительных погрешностей выражают в форме приведенных, относительных или абсолютных погрешностей в зависимости от характера изменения погрешностей в пределах, диапазона измерений, а также от условий применения и назначения средств измерений.

Пределы допускаемой абсолютной основной погрешности, выраженной в единицах измеряемой величины или условно в делениях шкалы, устанавливают по формуле

или

где х — значение измеряемой величины на входе (выходе) средства измерений или число делений, отсчитанных по шкале; а, b — положительные числа, не зависящие от х. Пределы допускаемой абсолютной погрешности могут устанавливаться также по более сложной формуле, или в виде графика, или в виде таблицы.

Пределы допускаемой приведенной основной погрешности (в процентах) устанавливают по формуле

где — пределы допускаемой абсолютной основной погрешности, устанавливаемые по формуле (4-1); — нормирующее значение — условно принятое значение измеряемой величины, выраженное в тех же единицах, что и — отвлеченное положительное число.

Нормирующее значение для средств измерений с равномерной или степенной шкалой, а также для измерительных преобразователей, если нулевое значение входного (выходного) сигнала находится на краю или вне диапазона измерений, устанавливают равным большему из пределов измерений или равным большему из модулей пределов измерений, если нулевое значение находится внутри диапазона измерений. Для электроизмерительных приборов с равномерной шкалой, практически равномерной или степенной шкалой и нулевой отметкой внутри диапазона измерений допускается устанавливать равным сумме модулей пределов измерений. Практически равномерная шкала — шкала,

длины делений которой различаются не более чем на 30%, а цена делений постоянна. Степенная шкала — шкала с расширяющимися или сужающимися делениями и отличная от равномерной и практически равномерной шкалы. Для средств измерений, для которых принята шкала с условным нулем (например, в градусах Цельсия), нормирующее значение устанавливают равным модулю разности пределов измерений; для средств измерений с установленным номинальным значением нормирующее значение равно этому номинальному значению. Для измерительных приборов с существенно неравномерной шкалой (например, для омметров) нормирующее значение устанавливают равным всей длине шкалы или ее части, соответствующей диапазону измерений. В этом случае пределы абсолютной погрешности выражают, как и длину шкалы, в единицах длины.

Пределы допускаемой относительной основной погрешности (в процентах) устанавливают по формуле

если установлено по формуле (4-1), или по формуле

если установлено по формуле (4-2). В этих выражениях — отвлеченное положительное число; — больший (по модулю) из пределов измерений; — положительные числа, причем

В обоснованных случаях пределы допускаемой относительной основной погрешности устанавливают по более сложной формуле, или в виде графика, или таблицы.

Значения в формулах (4-3), (4-4) и (4-5) выбирают из ряда и т.д.). Значения, указанные в скобках, не устанавливают для вновь разрабатываемых средств измерений.

Пределы допускаемых дополнительных погрешностей устанавливают в виде: а) постоянного значения для всей рабочей области влияющей величины; б) отношения предела допускаемой дополнительной погрешности, соответствующего регламентированному интервалу влияющей величины, к этому интервалу; в) предельной функции влияния; г) функциональной зависимости пределов допускаемых отклонений от номинальной функции влияния.

Таблица 4-1 (см. скан)

Предел допускаемой вариации выходного сигнала и пределы допускаемой нестабильности выражают в виде доли допускаемой основной погрешности.

Способы выражения остальных метрологических характеристик устанавливаются в стандартах на средства измерений конкретного вида.

Классы точности (см. § 1-1) средств измерений, пределы допускаемой основной погрешности которых принято выражать в форме приведенной погрешности [см. формулу (4-3)] или относительной погрешности [см. (4-4)], обозначают числами, которые равны пределам, выраженным в процентах. Для средств измерений, пределы допускаемой основной погрешности которых принято выражать в форме относительных погрешностей [см. (4-5)], классы точности обозначают числами (в процентах), разделяя их косой чертой. Для средств измерений с пределами допускаемой основной погрешности в форме абсолютных погрешностей классы точности обозначают буквами латинского алфавита или римскими цифрами.

Классы точности цифровых измерительных приборов со встроенными вычислительными устройствами для дополнительной

обработки результатов измерений устанавливают без режима обработки.

Правила и примеры обозначения классов точности средств измерений приведены в табл. 4-1.

При указании классов точности на измерительных приборах с существенно неравномерной шкалой допускается указывать пределы допускаемой основной относительной погрешности для части шкалы, лежащей в пределах, отмеченных специальными знаками, например точками или треугольниками.