Понятие о метрологическом обеспечении

1.3.4 Классы точности  средств измерений

Под классом точности средств  измерений понимают их обобщённые характеристики, определяемые пределами допускаемых  основной и дополнительной погрешности, а также другими свойствами средств  измерений, влияющими на их точность, значения которых устанавливаются  в стандартах на отдельные виды средств  измерений.

Средствам измерений с  двумя или более диапазонами  измерений одной и той же физической величины допускается присваивать  два или более класса точности. Например, электроизмерительному прибору, предназначенному для измерения  силы постоянного тока в диапазонах 0-10; 0-20; 0-50 А, могут быть для отдельных диапазонов присвоены различные классы точности. Средствам измерений, предназначенным для измерений двух или более физических величин, допускается присваивать различные классы точности для каждой измеряемой величины. Например, электроизмерительному прибору, предназначенному для измерений электрического напряжения и сопротивления, могут быть присвоены два класса точности: один как вольтметру, другой - как омметру.

Средства измерений должны удовлетворять требованиям к  метрологическим характеристикам, установленным для присвоения класса точности как при выпуске их из производства, так и в ходе эксплуатации.

Средствам измерений при  их разработке присваивают классы точности с учётом результатов государственных  приемочных испытаний. Если в стандарте  или технических условиях установлено  несколько классов точности, то допускается  присваивать класс точности при  выпуске из производства, а также  понижать класс точности по результатам  поверки. Например, класс точности для  концевых мер длины может быть присвоен при выпуске мер из производства или изменен в процессе эксплуатации, если в ходе её отклонение длины  меры от номинального значения превысило  предел допускаемых отклонений для  класса точности, присвоенного ранее.

Обозначения классов точности наносится на циферблаты, щитки и  корпуса средств измерений, приводятся в нормативных и технических  документах. Обозначения могут иметь  форму заглавных букв латинского алфавита или римских цифр (I, II, III, IV и т.д.) с добавлением условных знаков. Смысл этих обозначений раскрывается в нормативной и технической  документации. Если класс точности обозначается арабскими цифрами  с добавлением условного знака, то эти цифры непосредственно  устанавливают оценку снизу точности показаний средства измерений.

Единые правила установления пределов допускаемых погрешностей по классам точности измерений регламентирует ГОСТ 8.401-80.

1.3.5 Характеристика  средств измерений

Средства измерений обладают комплексом специфических свойств  и параметров: конструктивных, функциональных (эксплуатационных), эргономических, эстетических и других. Из функциональных наиболее важными являются такие как чувствительность, пределы и диапазоны измерений, размах и вариация показаний, надёжность, стабильность и погрешность.

Под чувствительностью понимается свойство средства измерений, определяемое отношением изменения выходного  сигнала этого средства к вызывающему  его изменению измеряемой величины. Различают абсолютную и относительную  чувствительность.

Поскольку в практике больше всего используются средства измерений  с равномерной шкалой, то чувствительность принято выражать через параметры  шкалы - длину и цену деления. Длиной деления шкалы считается расстояние между центрами двух соседних отметок, а ценой деления разность значений величины, соответствующих двум соседним отметкам.

Исходя из этого абсолютную чувствительность определяют из соотношения а/с, где а - длина деления, с - цена деления шкалы.

Свойство средств измерений  откликаться на малые изменения  измеряемой величины называют реагированием. То наименьшее значение величины, которое  вызывает заметное (при обычном способе  отсчёта) изменение выходного сигнала называют порогом реагирования или порогом чувствительности.

Важными параметрами средств  измерений являются диапазон и пределы  измерения. Та область значений измеряемой величины, в пределах которой погрешности  средств измерений нормированы (точно  известны) называется диапазоном измерений. Значения величины, ограничивающие диапазон сверху и снизу (слева и справа) называют соответственно верхним и  нижним пределами измерения, т.е. это  наибольшее и наименьшее значение величины, которые могут быть измерены данным средством.

Ряд средств измерений  выпускаются не с одним, а с  несколькими диапазонами, например весы, pH - метры, полярографы и другие. Эти приборы более удобны в использовании, более экономичны, но зато менее надёжны.

Для практики измерений весьма важным свойством средств измерений  является постоянство их показаний, при воздействии одной и той  же измеряемой величины.

Под размахом понимают разность между наименьшим и наибольшим значением  отсчёта, полученным при повторных  воздействиях одной и той же величины в одних и тех же условиях. Вариацией  считается разность показаний в  одной и той же точке диапазона  измерений при плавном подходе  к ней «справа» и «слева» (или  «сверху» и «снизу»).

Надёжность средств измерений  различают функциональную и метрологическую, под первой понимают безотказность  и долговечность работы в исправном  состоянии. Под второй - способность  сохранять метрологические характеристики в пределах установленных норм в  течение заданного времени. Очень близким к этому является свойство стабильности - способность средств измерений сохранять неизменными метрологические характеристики в период их эксплуатации. К метрологическим характеристикам относят характеристики таких свойств, которые влияют на результат измерений или его погрешность.

Одной из составляющих погрешности  измерений является инструментальная погрешность, т.е. погрешность, связанная  со средствами измерений. Эта погрешность  обусловлена влиянием конструкции, технологии изготовления, эксплуатацией, хранением и условиями, в которых  используется средство измерений. В  виду множества причин, вызывающих появление таких погрешностей их подразделяют на систематические и случайные. К систематическим инструментальным погрешностям относятся погрешности настройки, износа и старения.

В зависимости от способа  выражения различают абсолютные, относительные и приведённые  погрешности; по отношению к условиям применения - основные и дополнительные. Разность между показанием средств  измерений и действительным значением  величины, выраженная в единицах измерения  этой величины, называется абсолютной погрешностью:

DХ = Хп-Хд,

 

где Хп - показание средств измерений.

Различают абсолютную погрешность  меры, измерительного преобразователя  и прибора. В случае меры под её погрешностью понимается разность между  номинальным и действительным значением  величины, воспроизводимым мерой:

DХм = Хм-Хд.

Номинальное значение меры - это значение, предписанное ей при  изготовлении.

Однако на практике значительно  удобнее и нагляднее пользоваться относительной погрешностью, которая  выражается отношением абсолютной погрешности  к действительному значению величины (а в случае меры - к номинальному её значению):

S = DХ/Хд.

Если диапазон измерений  включает и нулевое значение величины, то в этой точке шкалы относительная  погрешность превращается в бесконечное. В этом случае пользуются приведённой погрешностью, равной отношению абсолютной погрешности к некоторому, условно принятому, нормирующему значению Хn, за которое чаще всего принимается значение верхнего предела измерений

g = DХ/Хn.

Относительную и приведённую  погрешности обычно выражают в процентах:

s = 100DХ/Хд,

g = 100DХ/Хn.

Основной погрешностью средств  измерений (DХ) называют погрешность, присущую данному средству в нормальных условиях его эксплуатации: нормальными считают такие условия, когда влияющие на результат измерения внешние факторы (температура, влажность, давление, запылённость, вибрация, частота и напряжение питания, магнитное поле и т.д.) имеют нормальное значение или находятся в пределах нормальной области значений. Такими условиями считают температуру 20±20 С, относительную влажность воздуха в пределах 60-80%, атмосферное давление 101,3 кПа (760 мм рт. ст.), отсутствие вибрации, магнитных полей, ионизирующих излучений и т.п. Для различных средств измерений эти условия могут отличаться. Их значения указываются в стандартах, паспортах и инструкциях по эксплуатации средств измерений.

При отклонении влияющих факторов от нормальных значений погрешности  изменяются. Составляющая погрешности, возникающая вследствие отклонений от нормальных условий, называется дополнительной погрешностью (Di). Размер её зависит от интенсивности изменений влияющей величины и от стабильности средства к воздействию этой величины.

Систематические погрешности  могут быть определены при поверке  средств измерений и исключены  при расчёте результатов измерений.

Не исключенный  остаток систематической погрешности  и случайные погрешности исключить  и учесть точно невозможно. Поэтому  их нормируют, т.е. устанавливают такие  их пределы, при которых ещё возможно использование данного средства для решения поставленной измерительной задачи. Чем уже эти пределы, тем точнее средство. Точность средств измерений - это характеристика, отражающая близость его погрешности к нулю.

1.3.6 Принципы выбора средств  измерений

Качество измерений  зависит от правильности выбора средств  измерений. При этом учитывается  ряд факторов:

· измеряемая физическая величина;

· метод измерения, реализуемый в среде измерений;

· диапазон и погрешность  СИ;

· условия проведения измерений;

· допускаемая погрешность  измерений;

· стоимость средства измерений;

· простота их эксплуатации;

· ресурсы средств  измерений;

· потери из-за погрешностей измерений (брак I и II рода).

Основными характеристиками средств измерений являются их погрешности. Их рассматривают в первую очередь.

Три основные принципа выбора точности средств измерений: Экономический подход - учитывает почти все показатели. При этом необходимо иметь в виду:

· повышение точности измерений позволяет точнее регулировать производственный процесс;

· более точные измерения позволяют сократить  допуск на изделия;

· повышение точности измерений приводит к уменьшению доли необнаруженного и ложного  брака.

С ростом погрешности  измерений потери растут, в то время  как затраты на измерения снижаются.

Экономически оптимальная  точность измерений технологического параметра соответствует минимуму суммы потерь из-за погрешности измерений  и затрат на измерения, включая затраты  на метрологическое обслуживание средств  измерений. Оптимальная точность измерений  соответствует среднеквадратической оценке (СКО) погрешности.

Зависимость потерь от погрешности измерений и зависимость  затрат на измерения определяются на практике не точно, что вызывает неопределенность соответствующей характеристики оптимальной  погрешности измерений.

Работы по оптимизации  точности измерений завершаются  разработкой мероприятий по приближению  точности измерений к оптимальной  и оценке экономического эффекта  от их реализации. Мероприятия состоят  в основном из совершенствования  методик измерений и из совершенствования  метрологического обслуживания и приборного парка. На завершающей стадии работ  по оптимизации точности измерений  основные вопросы должны решаться квалифицированным  экспертом.

Вероятностный подход заключается в выборе точности средств  измерений по заданному допуску  на контролируемый параметр изделия  и заданным значением брака контроля I и II рода (необнаруженный и ложный брак).

Если контроль осуществляется абсолютно точными средствами измерений, все изделия, находящиеся в поле допуска, были бы признаны годными, а  изделия, у которых измеряемый параметр превышает допуск, были признаны непригодными. Из-за существования погрешности  измерений при контроле часть  негодных изделий будет признана годными (брак контроля II рода), а часть годных изделий - негодными (брак контроля I рода). На брак контроля влияет рассеивание действительных значений контролируемого параметра, установленный допуск на контролируемый параметр, закон распределения погрешностей измерений и рассечения действительного значения контролируемого параметра.

Директивный подход позволяет установить соотношение  между допуском на контролируемый параметр и предельно допускаемой погрешностью измерений.

1.3.7 Методики выполнения измерений  (МВИ)

Метрологическое обеспечение  измерений основывается на стандартах ГСИ, в том числе основополагающих стандартах метрологического обеспечения.

Процедуру измерения (МВИ) можно разделить на несколько  этапов:

· выбор метода измерений;

· выбор СИ, реализующего выбранный метод;

· выбор вспомогательных  технических средств и веществ для выполнения измерений;

· определение последовательности операций при выполнении измерений;

· выбор алгоритма  вычислений.

Соответственно  каждый из этапов может в той или  иной мере повлиять на уровень погрешности  измерений.

Уровень погрешностей измерений может быть определен  как до практической реализации МВИ, так и в процессе или после  ее реализации.

На методики, характеристики погрешностей которых определяются до их практической реализации, распространяется ГОСТ 8.010-90 (ГОСТ Р 8.563-90).

МВИ разрабатываются  с целью гарантирования погрешности  измерений при условии соблюдения всех требований документа.

По способам учета  свойств СИ, посредством которых  реализуется МВИ, различают:

· типовые МВИ, гарантированные  характеристики погрешности которых определены с учетом возможности применения любого экземпляра СИ и вспомогательных технических устройств, используемых для измерений;

· индивидуальные МВИ, гарантированные характеристики погрешности которых определены с учетом индивидуальных свойств конкретного экземпляра СИ, вспомогательных технических устройств, используемых для измерений.

МВИ в зависимости  от ее сложности и области распространения  регламентируют: