Калибровка средств измерений

В настоящее время в Российской Федерации с переходом к рынку возникла не­обходимость поиска новых форм организации метрологической деятельности, которые соответствовали бы рыночным отношениям в экономике. Одной из та­ких форм является организация Российской системы калибровки (РСК), схема которой приведена на рис. 3.10.

Контроль средств измерений на предмет их пригодности к применению в миро­вой практике осуществляется двумя основными видами: поверкой и калибров­кой.

Калибровка средства измерений — это совокупность операций, выполняемых ка­либровочной лабораторией с целью определения и подтверждения действитель­ных значений метрологических характеристик и (или) пригодности средства измерений к применению в сферах, не подлежащих государственному метро­логическому контролю и надзору в соответствии с установленными требова­ниями.

Результаты калибровки средств измерений удостоверяются калибровочным зна­ком, наносимым на средства измерений, или сертификатом о калибровке, а так­же записью в эксплуатационных документах.

Поверку (обязательная госповерка) может выполнять, как правило, орган госу­дарственной метрологической службы, а калибровку — любая аккредитованная и не аккредитованная организация.

Поверка обязательна для средств измерений, применяемых в сферах, подлежа­щих Государственному метрологическому контролю (ГМК), калибровка же — процедура добровольная, поскольку относится к средствам измерений, не подле­жащим ГМК. Предприятие вправе самостоятельно решать вопрос о выборе форм и режимов контроля состояния средств измерений, за исключением тех областей применения средств измерений, за которыми государства всего мира устанавли­вают свой контроль — это здравоохранение, безопасность труда, экология и др.

Освободившись от государственного контроля, предприятия попадают под не менее жесткий контроль рынка. Это означает, что свобода выбора предприятия по «метрологическому поведению» является относительной, все равно необхо­димо соблюдать метрологические правила.

Рис. 3.10. Схема Российской службы калибровки

В развитых странах устанавливает и контролирует исполнение этих правил не­государственная организация, именуемая «национальной калибровочной служ­бой». Эта служба берет на себя функции регулирования и разрешения вопросов, связанных со средствами измерений, не подпадающими под контроль государст­венных метрологических служб.

Желание иметь конкурентоспособную продукцию побуждает предприятия иметь измерительные средства, дающие достоверные результаты.

Внедрение системы сертификации продукции дополнительно стимулирует под­держание измерительных средств на соответствующем уровне. Это согласует­ся с требованиями систем качества, регламентируемыми стандартами ИСО серии 9000.

Построение Российской системы калибровки (РСК) основывается на следую­щих принципах: добровольность вступления; обязательность получения разме­ров единиц от государственных эталонов; профессионализм и компетентность персонала; самоокупаемость и самофинансирование.

Основное звено РСК — калибровочная лаборатория. Она представляет собой са­мостоятельное предприятие или подразделение в составе метрологической службы предприятия, которое может осуществлять калибровку средств измере­ний для собственных нужд или для сторонних организаций. Если калибровка проводится для сторонних организаций, то калибровочная лаборатория должна быть аккредитована органом РСК. Аккредитацию осуществляют государствен­ные научные метрологические центры или органы Государственной метрологи­ческой службы в соответствии со своей компетенцией и требованиями, установ­ленными в ГОСТ 51000.2-95 «Общие требования к аккредитующему органу».

Порядок аккредитации метрологической службы утвержден постановлением Госстандарта РФ от 28 декабря 1995 г. № 95 «Порядок аккредитации метрологи­ческих служб юридических лиц на право проведения калибровочных работ».

ПОГРЕШНОСТИ ИЗМЕРЕНИЙ

Результат любого измерения отличается от истинного значе­ния измеряемой величины* на некоторое значение, зависящее от точ­ности средств и метода измерения, квалификации оператора, условий, при которых производится измерение. Отклонение результата измере­ния от истинного значения измеряемой величины называется погреш­ностью измерения. Различают абсолютные и относительные погрешности измерения:

(1.4)

где — абсолютная погрешность измерения; — значение, полученное при измерении; - истинное значение измеряемой величины; -относительная погрешность измерения.

Относительную погрешность часто выражают в процентах:

(1.5)

Говоря о точности измерений, следует иметь в виду, что высокая точность измерений соответствует малым погрешностям всех видов, присутствующих при проведении измерений.

Количественно точность может быть выражена обратной величиной модуля относительной погрешности. Например, если погрешность измерения равна 0,1%=, то точность равна .

На рис.2. приведена схема классификации погрешностей, возникающих при проведении измерений и испытаний.

В зависимости от характера проявления погрешности делят на систе­матические, случайные и грубые (промахи).

Погрешность , определяемая выражением (1.1), является резуль­тирующей погрешностью, т.е. суммой систематической и случайной погрешностей.

Систематической погрешностью измерения называется составляющая погрешности измерения, остающаяся постоянной или закономерно изме­няющаяся при повторных измерениях одной и той же величины.

При­чиной появления систематических погрешностей могут быть неисправ­ности измерительной аппаратуры, несовершенство метода измерений, неправильная установка измерительных приборов и отступление от нормальных условий их работы, особенности самого оператора. Систе­матические погрешности в принципе могут быть выявлены и устранены. Для этого требуется проведение тщательного анализа возможных источ­ников погрешностей в каждом конкретном случае.

Случайной погрешностью измерения называется составляющая по­грешности измерения, изменяющаяся случайным образом при повтор­ных измерениях одной и той же величины.

Наличие случайных погреш­ностей выявляется при проведении ряда измерений этой величины, когда оказывается, что результаты измерений не совпадают друг с дру­гом. Часто случайные погрешности возникают из-за одновременного действия многих независимых причин, каждая из которых в отдельно­сти мало влияет на результат измерения.

В некоторых случаях результат от­дельного измерения резко отличается от результатов других измерений, выполненных при тех же условиях. Причиной этого может быть толчок, нарушение электрического контакта и т.д. Такой результат, содержащий грубую погрешность (промах), следует исключить и не учитывать при дальнейшей статисти­ческой обработке результатов измерения.

ПРИЧИНЫ ВОЗНИКНОВЕНИЯ И СПОСОБЫ ИСКЛЮЧЕНИЯ СИСТЕМАТИЧЕСКИХ ПОГРЕШНОСТЕЙ

Существуют некото­рые общие причины возникновения систематических погрешностей, в соответствии с которыми их подразделяют на методические, инструмен­тальные и субъективные.

Методические погрешности происходят от несовершенства метода измерения, использования упрощающих предположений и допущений при выводе применяемых формул, влияния измерительного прибора на объект измерения. Например, измерение температуры с помощью термопары может содержать методическую погрешность, вызванную нарушением температурного режима исследуемого объекта (вследствие внесения термопары).

Инструментальные погрешности зависят от погрешностей применяе­мых средств измерения. Например, неточность градуировки, конструктивные несовершенства, изменения характеристик прибора в процессе эксплуа­тации и т.д. являются причинами инструментальных погрешностей.

Субъективные погрешности вызываются неправильными отсчетами показаний прибора человеком (оператором).

Это может случиться, например, из-за неправильного направления взгляда при наблюдении за показаниями стрелочного прибора (погрешность от параллакса). Использование цифровых приборов и автоматических методов измере­ния позволяет исключить такого рода погрешности.

Поправкой называется значение величины, одноименной с измеряе­мой, которое нужно прибавить к полученному при измерении значению величины с целью исключения систематической погрешности.

В некоторых случаях используют поправочный множитель — число, на которое умножают результат измерения для исключения системати­ческой погрешности.

Поправка или поправочный множитель определяется при помощи поверки технического средства, составления и использования соответ­ствующих таблиц и графиков. Применяются также расчетные способы нахождения поправочных значений.

С по­мощью средств, содержащих микропроцессорные системы удается производить исключение или коррекцию многих видов систематических погрешностей. Автоматическое введение попра­вок, расчет и исключение погрешностей позволяют существенно повысить точность измерений.

ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ И ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

Входной величиной измерительного прибора является его измеряемая величина. Наибольшее и наименьшее значения измеряемой величины, для которых нормированы погрешности, называются преде­лами измерения. Область значений, заключенная между верхним и нижним пределами измерения, называется диапазоном измерений. От диапазона измерений следует отличать диапазон показаний, который охватывает область значений шкалы, ограниченную конечным и началь­ным значениями шкалы. Диапазон измерений, охваты­вающий часть шкалы более узок, чем диапазон показа­ний, охватывающий всю шкалу.

Выходной величиной измерительного прибора является изменение состояния отсчетного устройства, например положения стрелки стрелоч­ного прибора.

Функция (уравнение) преобразования — функциональная зависимость между выходной величиной у и входной величиной х. Она может задаваться аналитически (уравнением), таблично или графически. Аналитическая функцию преобразования используется при расчете и проектиро­вании. Функция преобразования реального преобразователя (опреде­ляется экспериментально в виде таблицы зависимости вы­ходной величины от входной. Затем по табличным данным строится график.

Обычно желательно, чтобы функция преобразования была линейной.

Чувствительность — это отношение изменения выходной величины из­мерительного прибора или измерительного преобразователя к вызвав­шему ее изменению входной величины. Чувствительность определяется выражением

S = dy/dx (1.5)

В важном частном случае, когда выходная величина изменяется про­порционально входной, S = у/х, где у — значение выходной величины, соответствующее входной величине х. При нелинейной функции преобра­зования чувствительность зависит от значения входной величины.

Для прибора или преобразователя может определяться абсолютная, относительная и приведенная погрешности.

Абсолютная погрешность равна

(1.6)

где — показание прибора; х — истинное значение измеряемой ве­личины. Однако в связи с тем, что истинное значение неизвестно, поэтому на практике вместо него используется действительное значение - показания более точного, образцового прибора.

Абсолютная погрешность прибора выражается в тех же единицах, что и измеряемая величина.

Относительная погрешность прибора равна:

(1.7)

Приведенная погрешность прибора также выражается в процентах и равна отношению абсолютной погрешности к нормирующему значе­нию , которое принимается равным диапазо­ну, %:

(1.8)

Различают номинальную функцию преобразования измерительного преобразователя , которую он должен иметь и реальную у = f(x), которую он имеет в действительности. Абсолютная погрешность преобразователя по выходу:

(1.9)

Абсолютным значением погрешности преобразователя по входу называется разность

(1.10)

где х — истинное значение входной величины; - значение входной величины, определяемое по номинальной функции преобразования , при значении выходной величины , соответствующей истинному значению х.

Относительные погрешности по выходу и входу определяются соот­ветственно равенствами

(1.11)

(1.12)

Приведенные погрешности по выходу и входу

(1.13)

(1.14)

где максимальные значения входной и выходной величины, а их минимальные значения.

Очевидно, при пропорциональной[1] функции преобразования у = Sx значения относительных погрешностей так же как и приведенных по­грешностей по входу и выходу совпадают.

В технике часто используются преобразователи с линейной функцией преобразования

(1.15)

где S — чувствительность преобразователя; - значение выходной ве­личины при нулевом значении входной.

Отклонение такой функции преобразования от номинальной может быть вызвано отклонением и отклонением чувствительности . По­грешность, обусловленная неноминальным значением , называется аддитивной. По­грешность, обусловленная неноминальным значением чувствительно­сти , называется мультипликативной.

Аддитивная погрешность не зависит от входной величины. При изменении вследствие каких-либо причин график функции преобразования перемещается

Рис. 1.3 Рис. 1.4

параллельно самому себе (рис. 1.3). Значение этой погрешности

(1.16)

где — номинальное значение

При мультипликативной погрешности наклон прямой, графически отображающий функцию преобразования, отличается от наклона при номинальной функции преобразования (рис. 1.4). При этом абсолютная погрешность зависит от входной величины х.

Действительно, пусть чувствительность изменилась на и стала рав­ной , где — номинальное ее значение. В этом случае абсолютная погрешность преобразователя

(1.17)

т.е. абсолютная мультипликативная погрешность пропорциональна вход­ной величине х.

Рассмотрим относительную мультипликативную погрешность при про­порциональной функции преобразования :

(1.18)

Относительная мультипликативная погрешность равна относительному изменению чувствительности.

Погрешность измерительных средств зависит от условий проведения измерений. При этом различают основную и дополнительные погреш­ности. Основной погрешностью называется погрешность, существующая при так называемых нормальных условиях, которые указаны в норма­тивных документах

Дополнительная погрешность возникает при отклонении условий ис­пытания и эксплуатации средства измерения от нормальных.

Нормирование погрешности средств измерения производится по максимально допускаемым значениям основной и дополнительной по­грешностей.

Средствам измерения присваивается класс точности. Это обобщен­ная метрологическая характеристика, определяемая пределами допус­каемых основной и дополнительных погрешностей, значения которых устанавливаются в стандартах на отдельные виды средств измерения

Отдельными характеристиками погрешности являются вариации по­казаний прибора и порог чувствительности. Вариация показаний прибо­ра - это наибольшая разность его показаний при одном и том же значе­нии измеряемой величины.

Порог чувствительности — это изменение измеряемой величины, вы­зывающее наименьшее изменение показаний, различимое при нормаль­ном для данного прибора способе отсчета.

Собственное потребление мощности прибором из цепи, в которой производится измерение, является важной характеристикой прибора. Оно приводит к изменению электрических параметров этой цепи и от­рицательно влияет на точность измерения.

Динамические характеристики. Описанные выше характеристики яв­ляются статическими, т.е. не зависящими от времени. На практике измеряемая вели­чина меняется по времени, измерение обычно нужно проводить за возможно более короткое время и параметры измерительного прибора только приближенно можно считать неизменными.

Поэтому необходимо учитывать реакцию преобразователя на заданное изменение измеряемой величины .

Динамическая погрешность при этом равна

(1.19)

где

значение выходной величины измерительного средства в момент времени ; значение выходной величины, заданное его статической функцией преобразования.

Учет всех особенностей реакции затруднителен. Поэтому в качестве динамических характеристик приборов используются:

- время установления показаний

- надежность.

Установления показаний — промежуток времени, прошедший с мо­мента подключения или изменения измеряемой величины до момента, когда отклонение указателя от установившегося значения не превышает 1,5% длины шкалы. Для многих приборов это время не превышает 4 с.

Обычно стремятся иметь приборы, обеспечивающие малые времена установления показаний (в случае цифровых приборов — малые времена измерения).

Надежность прибора — способность сохранять заданные характери­стики при определенных условиях в течение заданного времени. Выход значения параметров и характеристик прибора за пределы нормы счи­тается отказом. Отказ измерительного прибора может наступить, если его действительная погрешность станет больше ее нормирующего зна­чения, определяемого классом точности.

Количественным показателем надежности является наработка на от­ка з - среднее время безотказной работы прибора. Наработка на отказ является статистической величиной.