Метрологические характеристики, входящие в установленный комплекс, выбирают такими, чтобы обеспечить возможность их контроля при приемлемых затратах. В эксплуатационной документации на средства измерений указывают рекомендуемые методы расчета инструментальной составляющей погрешности измерений при использовании средств измерения данного типа в реальных условиях применения.
По ГОСТу 8.009 – 84 “ГСИ. Нормируемые метрологические характеристики средств измерений” предусмотрена следующая номенклатура метрологических характеристик:
1). Характеристики, предназначенные для определения результатов измерений (без введения поправок):
функция преобразования измерительного преобразователя - f(x);
значение однозначной или многозначной меры – у;
цена деления шкалы измерительного прибора или многозначной меры;
вид входного кода, число разрядов кода, цена единицы наименьшего разряда средств измерений, предназначенных для выдачи результатов в цифровом коде.
2). Характеристики погрешностей средств измерений включают: значение погрешности, ее систематические и случайные составляющие, погрешности случайной составляющей DслН от гистерезиса – вариация Н выходного сигнала (показания).
Для систематической составляющей Dсист погрешности средств измерений выбирают характеристики из числа следующих:
значение систематической систематической составляющей Dсист;
значение систематической составляющей Dсист, математическое ожидание М[Dсист] и среднее квадратическое отклонение s[Dсист] систематической составляющей погрешности.
Для случайной составляющей Dсл погрешности выбирают характеристики из числа следующих:
среднее квадратическое отклонение s[Dсл] случайной составляющей погрешности;
среднее квадратическое отклонение s[Dсл] случайной составляющей погрешности и нормализованная автокорреляционная функция rDсл(t) или функция спектральной плотности SDсл(w) случайной составляющей погрешности.
В нормативно-технической документации на средства измерений конкретных видов или типов допускается нормировать функции или плотности распределения вероятностей систематической и случайной составляющих погрешности.
3. Характеристики чувствительности средств измерений к влияющим величинам выбираются из числа следующих:
функция влияния y(x);
изменения e(x) значений метрологических характеристик средства измерения, вызванные изменением влияющих величин x в установленных пределах.
4. Динамические характеристики отражают инерционные свойства средства измерений при воздействии на него меняющихся во времени величин - параметров входного сигнала, внешних влияющих величин, нагрузки.
По степени полноты описания инерционных свойств средств измерений динамические характеристики делятся на полные и частные.
К полным динамическим характеристикам относятся:
дифференциальное уравнение, описывающее работу средства измерений;
передаточная функция;
переходная характеристика;
импульсная переходная характеристика;
амплитудно-фазовая характеристика;
амплитудно-частотная характеристика для минимально-фазовых средств измерения;
совокупность амплитудно-фазовых и фозово-частотных характеристик.
Частичными динамическими характеристиками могут быть отдельные параметры полных динамических характеристик или характеристики, не отражающие полностью динамических свойств средств измерений, но необходимые для выполнения измерений с требуемой точностью (например, время реакции, коэффициент демпфирования, значение амплитудно-частотной характеристики на резонансной частоте, значение резонансной собственной круговой частоты). Комплекс их оговаривается в соответствующих стандартах.
Нормы на отдельные метрологические характеристики приводятся в эксплуатационной документации (паспорте, техническом описании, инструкции по эксплуатации и т. д.) в виде номинальных значений, коэффициентов функций, заданных формулами, таблицами или графиками пределов допускаемых отклонений от номинальных значений функций.
В ГОСТе 8.009 – 84 приведены способы нормирования рассмотренных выше метрологических характеристик.
3.4.5. Классы точности средств измерений
Учёт всех нормируемых метрологических характеристик средств измерений является сложной и трудоёмкой процедурой. На практике такая точность не нужна. Поэтому для средств измерений, используемых в повседневной практике, принято деление на классы точности, которые дают их обобщённую метрологическую характеристику.
Требования к метрологическим характеристикам устанавливаются в стандартах на средства измерений конкретного типа.
Классы точности присваиваются средствам измерений с учётом результатов государственных приёмочных испытаний.
Обозначения классов точности наносятся на циферблаты, щитки и корпуса средств измерений, приводятся в нормативно-технических документах. Классы точности могут обозначаться буквами (например, М, С и т. д.) или римскими цифрами (I,II,III и т. д.). Обозначение классов точности по ГОСТу 8.401–80 может сопровождаться дополнительными условными знаками:
q 0,5, 1,6, 2,5 и т. д.- для приборов, приведенная погрешность g=D/ХN которых составляет 0,5, 1,6, 2,5% от нормирующего значения ХN (D - пределы допустимой абсолютной погрешности). При этом ХN принимается равным бо’льшему из модулей пределов измерений, если нулевое значение входного (выходного) сигнала находится на краю или вне диапазона измерений;
q - то же, что и в предыдущем случае, но при ХN равным длине шкалы или ее части;
q , , и т. д. - для приборов, у которых относительная погрешность d=D/х составляет 0,1, 0,4, 1,0% непосредственно от полученного значения измеряемой величины х;
0,02/0,01 - для приборов, у которых измеряемая величина не может отличаться от значения х, показанного указателем, больше, чем на [C + d×
(|Хк ¤х| - 1)]%, где С и d - числитель и знаменатель соответственно в обозначении класса точности; Хк – бо'льший (по модулю) из пределов измерений прибора. Примеры обозначения классов точности приведены на рис. 3.2.
3.4.6. Метрологическая надёжность средств измерения
В процессе эксплуатации любого средства измерения может возникнуть неисправность или поломка, называемые отказом.
Рис. 3 .2. Лицевые панели приборов: а – вольтметра класса точности 0,5 с равномерной шкалой; б– амперметра класса точности 1,5
с равномерной шкалой; в – амперметра класса точности 0,02/0,01 с равномерной шкалой; г - мегаомметра класса точности с неравномерной шкалой
течение определённого времени при нормальных режимах и рабочих условиях эксплуатации. Она характеризуется интенсивностью отказов, вероятностью безотказной работы и наработкой на отказ.
Интенсивность отказов определяется выражением
,
где L - число отказов; N - число однотипных элементов; Dt - промежуток времени.
Для средства измерения, состоящего из n типов элементов, интенсивность отказов
где mi - количество элементов i-го типа.
Вероятность безотказной работы .
Наработка на отказ .
Для внезапного отказа, интенсивность отказов которого не зависит от времени работы средства измерения,
Lсум(t) = Lсум = const; P(t) = exp(-Lсум×t); Tср = L/Lсум .
Межповерочный интервал, в течение которого обеспечивается заданная вероятность безотказной работы, определяется по формуле
где Рмо - вероятность метрологического отказа за время между поверками;
Р(t) - вероятность безотказной работы.
3.4.7. Метрологическая аттестация средств измерений
Под метрологической аттестацией понимают исследование средства измерений, выполняемое метрологическим органом с целью определения его метрологических свойств и выдачи соответствующего документа с указанием полученных данных.
По результатам метрологической аттестации средству измерений приписываются определённые метрологические характеристики, определяется возможность применения его в качестве образцового или рабочего средства измерений. В настоящее время под метрологической аттестацией обычно понимают всестороннее исследование образцовых или нестандартных средств измерений, а также стандартных образцов состава и свойств веществ и материалов.
Нестандартные средства измерений (НСИ). Установлен порядок метрологического обеспечения эксплуатации нестандартных средств измерений, который распространяется также на:
ввозимые из-за границы единичными экземплярами;
единичные экземпляры серийных средств измерений, отличающиеся от условий, для которых нормированы их метрологические характеристики;
серийно выпускаемые образцы, в схему и конструкцию которых внесены изменения, влияющие на их метрологические характеристики.
Нестандартными могут быть как рабочие, так и образцовые средства измерений.
Задачами метрологического обеспечения НСИ являются:
1. Исследование метрологических характеристик и установление соответствия НСИ требованиям технических заданий, либо паспорту (проекту) завода изготовителя.
2. Установление рациональной номенклатуры НСИ.
3. Обеспечение НСИ средствами аттестации, поверки (НТД по поверке) при их разработке, изготовлении и эксплуатации.
4. Обеспечение постоянной пригодности НСИ к применению по назначению с нормированной для них точностью.
5. Сокращение сроков и снижение затрат на разработку, изготовление и эксплуатацию.
Научно-методическое руководство деятельностью предприятий по метрологическому обеспечению НСИ осуществляют головные и базовые организации метрологической службы министерств (ведомств), метрологические институты, центры стандартизации и метрологии Госстандарта России.
Вновь разработанные или закупленные по импорту НСИ допускаются к применению только после их метрологической аттестации. Если существует договор о взаимном признании результатов аттестации средств измерений со страной, из которой импорируется НСИ, то аттестация в России может не проводиться.
За разработкой, изготовлением и эксплуатацией НСИ ведётся авторский и государственный (в сферах распространения государственного метрологического контроля и надзора) надзор , а также ведомственный конт-роль.
Авторский контроль осуществляется разработчиком НСИ совместно с метрологической службой разработчика. Он предусматривает участие в подготовке и проведении метрологической аттестации НСИ, оказание помощи при разработке нормативно-технической документации и организации поверки НСИ.
Ведомственный метрологический контроль за разработкой, изготов-лением, аттестацией и поверкой НСИ проводится метрологическими службами министерства (ведомства).
3.5. Погрешность измерений
Погрешность измерений - это отклонение значений величины, найденной путём её измерения, от истинного (действительного) значения измеряемой величины.
Погрешность прибора - это разность между показанием прибора и истинным (действительным) значением измеряемой величины.
Разница между погрешностью измерения и погрешностью прибора заключается в том, что погрешность прибора связана с определёнными условиями его поверки.
Погрешность может быть абсолютной и относительной.
Абсолютной называют погрешность измерения, выраженную в тех же единицах, что и измеряемая величина. Например, 0,4В, 2,5мкм и т. д. Абсолютная погрешность
D = А – Хист » А – Хд,
где А - результат измерения; Xист - истинное значение измеряемой величины; Xд - действительное значение измеряемой величины.
Относительная погрешность измерения представляет собой отношение абсолютной погрешности измерения к истинному (действительному) значению измеряемой величины и выражается в процентах или долях измеряемой величины:
.
В зависимости от условий измерения погрешности подразделяются на статические и динамические.
Статической называют погрешность, не зависящую от скорости изменения измеряемой величины во времени.
Динамической называют погрешность, зависящую от скорости изменения измеряемой величины во времени. Возникновение динамичесой погрешности обусловлено инерционностью элементов измерительной цепи средства измерений. Динамической погрешностью средства измерений является разность между погрешностью средства измерений в динамических условиях и его статической погрешностью, соответствующей значению величины в данный момент времени.
3.5.1. Систематические и случайные погрешности
Систематической погрешностью называется погрешность, остающаяся постоянной или закономерно изменяющейся во времени при повторных измерениях одной и той же величины.
Примером систематической погрешности, закономерно изменяющейся во времени, может служить смещение настройки прибора во времени.
Случайной погрешностью измерения называется погрешность, которая при многократном измерении одного и того же значения не остаётся постоянной. Например, при измерении валика одним и тем же прибором в одном и том же сечении получаются различные значения измеренной величины.
Систематические и случайные погрешности чаще всего появляются одновременно.
Для выявления систематической погрешности производят многократные измерения образцовой меры и по полученным результатам определяют среднее значение размера. Отклонение среднего значения от размера образцовой меры характеризует систематическую погрешность. которую называют "средней арифметической погрешностью", или "средним арифметическим отклонением".
Систематическая погрешность всегда имеет знак отклонения, т.е. "+" или "-". Систематическая погрешность может быть исключена введением поправки.
При подготовке к точным измерениям необходимо убедиться в отсутствии постоянной систематической погрешности в данном ряду измерений. Для этого нужно повторить измерения, применив при этом уже другие средства измерения. По возможности нужно изменить и общую обстановку опыта - производить его в другом помещении, в другое время суток.
Прогрессивные и периодические систематические погрешности в противоположность постоянным можно обнаружить при многократных измерениях.
Обработка данных и оценка параметров случайных погрешностей производится методами математической статистики, изложенными в [42, 50].
При расчёте предельной погрешности измерения определяют числовое значение погрешности измерения от всех составляющих и производят суммирование:
где знаки "+" или "-" ставятся из условия, чтобы систематические и случайные погрешности суммировались по модулю.
Если в случайной погрешности известно среднее квадратическое отклонение, то
где К - показатель, указывающий доверительные границы для предельной случайной погрешности измерения (при К=1 р=0,65; при К=2 р=0,945; при К=3 р=0,9973).
Если результаты измерений зависят от большого числа разнообразных факторов, то
y = F(x1, x2, …..xn) ,
где xi - переменные функциональные параметры.
Каждый параметр может иметь отклонение Dxi (погрешность) от предписанного значения xi. Поскольку погрешность Dxi мала по сравнению с величиной xi, суммарная погрешность Dy функции y можно вычислять по формуле , (3.1)
где ¶y/¶xi - передаточное отношение (коэффициент влияния) параметра xi.
Формула (3.1) справедлива лишь для систематических погрешностей Dxi.
Для случайных погрешностей (когда отдельные составляющие не всегда принимают предельные значения) используются теоремы теории вероятностей о дисперсии, то есть
. (3.2)
Суммарная погрешность при наличии только случайных составляющих dxi погрешностей
где m - число попарно корреляционно связанных параметров;
ki и kj - коэффициенты относительного рассеяния, характеризующие степень отличия закона распределения погрешности данного параметра от нормального;
rij - коэффициент корреляции, существующий при наличии корреляционной связи между параметрами xi и xj.
При наличии и систематических и случайных составляющих погрешностей вычисляют доверительные границы суммарной погрешности:
Dyсум = Dy ± k×sy ,
где k - масштабный коэффициент интервала распределения, зависящий от закона распределения и принятой доверительной вероятности. Так, при доверительной вероятности Р = 0,95 для закона нормального распределения k = 2, а для закона Максвелла k = 3,6.
Пример. В результате измерений и последующего вычисления по формуле (3.1) получена суммарная систематическая погрешность результата измерения Dy =
-0,7 мкм, среднее квадратическое этого результата измерения, вычисленное по формуле (3.2) sy = 0,4 мкм. При доверительной вероятности Р =0,95 предел допускаемой погрешности dизм = +1 мкм. Тогда верхняя и нижняя доверительные границы погрешности
Dyсум в = -0,7 + 2×0,4 = +0,1 мкм; Dyсум н = -0,7 - 2×0,4 = -1,5 мкм.
Так как Dyсум н > dизм , выбранный метод и средство измерения не удовлетворяют требованиям точности. Следовательно, необходимо скомпенсировать систематическую составляющую погрешности, например, путём изготовления образца для настройки измерительного средства. Размер образца должен быть больше его начального размера на 0,7 мкм; тогда будет справедливо неравенство 0,8 < 1 мкм и проведённые измерения будут удовлетворять требованиям по точности.
3.5.2. Причины возникновения погрешностей измерения
Имеется ряд слагаемых погрешностей, которые являются доминирующими в общей погрешности измерения. К ним относятся:
1. Погрешности, зависящие от средств измерения. Нормируемую допустимую погрешность измерительного средства следует рассматривать как погрешность измерения при одном из возможных вариантов использования этого измерительного средства, поскольку проверка точности данных приборов заключается чаще всего в измерении им эталона.
2. Погрешности, зависящие от установочных мер. Установочные меры могут быть универсальными (концевые меры) и специальными (изготовленными по виду измеряемой детали). Погрешность измерения будет меньше, если установочная мера будет максимально подобна измеряемой детали по конструкции, массе, материалу, его физическим свойствам, способу базирования и т.д. Погрешности от концевых мер длины возникают из-за погрешности изготовления (классы) или погрешности аттестации (разряды), а также из-за погрешности их притирки.
3. Погрешности, зависящие от измерительного усилия. При оценке влияния измерительного усилия на погрешность измерения необходимо выделить упругие деформации установочного узла и деформации в зоне контакта измерительного наконечника с деталью.
4. Погрешности, происходящие от температурных деформаций (температурные погрешности). Погрешности возникают из-за разности температур объекта измерения и измерительного средства. Существуют два основных источника, обуславливающих погрешность от температурных деформаций: отклонение температуры воздуха от 20о С и кратко-временные колебания температуры воздуха в процессе измерения.
Страницы: 1, 2, 3, 4, 5, 6, 7, 8, 9, 10, 11
