4.3Нормируемые метрологические характеристики средств измерений

Для обеспечения единства измерений и взаимозаменяемости средств измерений вводятся и нормируются определенные метрологические характеристики, номенклатура которых устанавливается государственным стандартом ГОСТ 8.009-84 «ГСИ. Нормируемые метрологические характеристики средств измерений» [3].

Метрологическими называются характеристики свойств средств измерений, оказывающих влияние на результат измерения, его точность. Согласно стандарту ГОСТ 8.009-84 нормированию подлежат те метрологические характеристики, знание которых необходимо:

• для определения результатов измерений и расчетной оценки характеристик инструментальной составляющей погрешности измерений;

• для расчета метрологических характеристик каналов измерительных систем, состоящих из средств измерений с нормированными метрологическими характеристиками;

• для оптимального выбора средств измерений;

• для использования в качестве контролируемых характеристик при контроле средств измерений на соответствие установленным нормам.

Нормируемыми называются такие метрологические характеристики, значения которых приводятся в нормативно-технических документах на данный тип измерительных средств, а именно: в стандартах на средства измерения данного типа, технических условиях на средства измерения данного типа, в технических заданиях на разработку и т.п. Значения нормируемых метрологических характеристик, принятые для данного типа, обязательно приводятся в эксплуатационно-технической документации, сопровождающей каждый конкретный экземпляр средства измерения.

По согласованию с органами метрологической службы допускается нормировать метрологические характеристики, отличающиеся от указанных в вышеупомянутом стандарте, если свойства средств измерений таковы, что по метрологическим характеристикам, установленным в стандарте, не могут быть определены результаты измерений и расчитаны характеристики инструментальной составляющей погрешности измерений.

В документации на средства измерений должны быть указаны рекомендуемые методы расчета инструментальной составляющей погрешности измерений при применении средств измерений данного типа в реальных условиях в пределах нормированных рабочих условий применения (в эксплуатационной документации – с примерами расчета).

В документации на средства измерений, предназначенные для применения в измерительных системах, должны быть указаны методы расчета метрологических характеристик измерительных систем.

Номенклатура метрологических характеристик, подлежащих нормированию согласно ГОСТ 8.009-84 обширна, но может быть укрупненно представлена как состоящая из четырех групп.

1. Характеристики, предназначенные для определения результатов измерений (без введения поправки). К их числу относятся: цена деления шкалы измерительного прибора, функция преобразования измерительного преобразователя, значения однозначной или многозначной меры и т.п.

2. Характеристики погрешностей средств измерений. К их числу относятся: значение систематической составляющей погрешности, среднее квадратическое отклонение случайной составляющей погрешности, а также значение погрешности без указания вида (систематическая или случайная). Последнее допускается для средств измерений, случайная составляющая погрешности которых в каждой точке диапазона измерений пренебрежимо мала в соответствии с критериями существенности, установленными в ГОСТ 8.009-84..

3. Характеристики чувствительности средств измерений к влияющим величинам, в том числе изменения значений характеристик погрешности, вызванные изменениями влияющих величин.

4. Динамические характеристики средств измерений, в том числе переходная характеристика, частотные характеристики, передаточная функция преобразования и т.п.

Способы нормирования и формы выражения метрологических характеристик также рассмотрены в ГОСТ 8.009-84.

Типовые характеристики первой группы нормируют как номинальные характеристики средств измерений данного типа. Формой представления номинальных характеристик являются формулы, таблицы, графики. Линейную функцию преобразования, проходящую через начало координат, допускается представлять коэффициентом преобразования в виде числа.

Характеристики второй группы (характеристики погрешности) нормируют путем установления пределов допускаемых характеристик погрешностей, за которые не должны выходить значения индивидуальных характеристик погрешностей каждого экземпляра измерительных средств данного типа. Пределы допускаемых характеристик погрешностей представляют числом или функцией (формула, таблица, график) входного или выходного сигнала. Одной из форм выражения характеристик второй группы является класс точности, о котором пойдет речь далее.

Таким образом, для конкретных экземпляров средств измерений нормируют пределы (граничные характеристики), в которых должна находится индивидуальная характеристика при предусмотренных условиях применения средств измерений.

Метрологические характеристики нормируются раздельно для нормальных и рабочих условий применения средств измерений. Нормальными условиями являются: температура (205)^оС, атмосферное давление 84 … 106 кПа, относительная влажность 30…80%. Рабочие условия отличаются от нормальных более широкими диапазонами влияющих величин.

Учет всех нормируемых метрологических характеристик измерительных средств оправдан при измерениях с повышенной точностью. При измерениях на производстве, в учебных лабораториях достаточно оценить инструментальную составляющую погрешности измерений, которая расчитывается по информации о нормированных значениях погрешности средства измерения.

Основная погрешность средств измерений определяется использованием их в нормальных условиях.

Дополнительная обусловлена выходом значений влияющих величин (температура, давление и др.) за пределы нормальных значений.

Отметим еще раз, что погрешность средств измерений, согласно ГОСТ 8.009-84, нормируется с разбивкой на систематическую и случайную. Характеристику погрешности без разбивки на случайную и систематическую разрешается нормировать для средств измерений, случайная составляющая погрешности которых пренебрежимо мала. При отсутствии разбивки на систематическую и случайную, погрешность именуется просто «погрешность», а ее нормированное значение – «допускаемый предел погрешности». Допускаемый предел основной погрешности представляет собой границы интервала, в котором значение характеристики любого экземпляра средств измерения данного типа должно находится с вероятностью близкой к Р=1 при использовании средств в нормальных условиях.

Точность большинства типов технических средств измерений характеризуется допускаемым пределом основной погрешности, формой выражения которого является класс точности.

Класс точности назначается в соответствии с ГОСТ 8.401-80 «ГСИ. Классы точности средств измерений» [8]. Стандарт полностью соответствует международной рекомендации МОЗМ №34¹. Далее рассматриваются основные положения стандарта.

Средствам измерений присваиваются классы точности, выбираемые из ряда:

К = (1,0; 1,5; 2,0; 2,5; … 6,0)10ⁿ, где n = 1; 0; -1; -2.

Чем меньше число, обозначающее класс точности средств измерений, тем меньше пределы допускаемой основной погрешности.

Абсолютная погрешность измерений определяется разностью измеренного значения х_изм и действительного значения х_д измеряемой величины:  = х_изм – х_д. Пределы допускаемой абсолютной основной погрешности устанавливаются формулами:

 =  а или  = (а + вх), (4.12)

где х – значение измеряемой величины; а и в – положительные числа.

Пределы допускаемой приведенной основной погрешности определяются

(4.13)

где Х_Н – нормирующее значение измеряемой величины (разность между верхним и нижним значениями шкалы прибора).

Пределы допускаемой относительной основной погрешности определяются

или %, (4.14)

где х – показания прибора; Х_В – верхний предел измерений; с и d – положительные числа.

Приведенная погрешность выражается в процентах, но не является относительной погрешностью. Имея предел допускаемой приведенной погрешности , предел допускаемой относительной погрешности для каждого значения измеряемой величины необходимо вычислять по формуле

(4.15)

Обозначения классов точности наносятся на шкалы, щитки или корпуса приборов.

Пределы допускаемой дополнительной погрешности устанавливаются в виде дольного значения от основной погрешности, т.е. связаны с классом точности прибора. Дополнительные погрешности при фиксированных влияющих величинах представляют собой систематические погрешности. Например, изменение показаний прибора класса точности 0,5, вызванное изменением температуры окружающей среды, не должно выходить за пределы 0,5% на каждые 10 градусов измерения температуры в пределах рабочего интервала температур.

Таблица 4.2 Нормирование основной погрешности и классы точности средств измерений

№ п\п	Форма выражения погрешности	Формула основной погрешности	Предел основной погрешности	Обозначение на приборе
1	Приведенная основная погрешность		1,5%	1,5
1а	Приведенная основная погрешность с неравномерной шкалой		1,5%	1,5
2	Относительная основная погрешность		1,5%
2а	Относительная основная погрешность	% с = 0,02; d = 0,01	[0,02+0,01(ХВ/х-1)]%	0,02/0,01

Необходимо отметить, что рассмотренные стандарты на нормирование метрологических характеристик ГОСТ 8.009-84 и на классы точности средств измерений ГОСТ 8.401-80 не распространяются на эталоны любых уровней и поверочные установки. Вопросы нормирования метрологических характеристик эталонов и поверочных установок представлены в стандартах на соответствующие эталоны и установки.

Порядок узаконения СИ, а также порядок контроля соответствия требуемым метрологическим характеристикам отдельных экземпляров СИ, предусмотрен Законом «Об обеспечении единства измерений». Закон предусматривает для узаконения СИ процедуру «утверждения типа», а для метрологического контроля СИ процедуру «поверки». Процедура «утверждения типа» рассмотрена в разделе 7.3, а процедура «поверки» в разделе 7.4.

Пример 1.

Амперметр с пределом измерения 0 .. 10 А и классом точности 2,5. Это означает, что прибор нормирован на приведенную погрешность: Х_н = 10А; = 2,5%. Абсолютная погрешность

А.

П ример 2.

Обозначение на приборе , измеренное значение тока х = J = 2А. Абсолютная погрешность А.

Выбор класса точности прибора должен соответствовать задачам измерения. Необходимо заранее оценить ожидаемую (допустимую) погрешность измерения.

Пример 3.

Электронный потенциометр типа КСП с классом точности 0,5 и шкалой 0 … 1100^оС включен в цепь измерения температуры лабораторной печи.

Абсолютная погрешность измерения

^оС.

Очевидно, что не имеет смысла измерять температуру по шкале потенциометра с требуемой точностью менее 6^оС.