Классы точности средств измерений

Класс точности — это обобщенная метрологическая характеристика СИ, определяемая предельными значениями допустимых основной и дополнительных погрешностей. Классы точности различных СИ могут задаваться по-разному в соответствии с ГОСТ 8.401-80. «Классы точности средств измерений. Общие требования». Настоящий стандарт устанавливает деление СИ по классам точности, способы нормирования метрологических характеристик, комплекс требований к которым зависит от класса точности СИ, а также — обозначения классов точности.

Пределы допустимых погрешностей СИ выражаются в форме абсолютной, относительной и приведенной погрешностей (табл. 3.1).

Если погрешность СИ носит аддитивный характер, то класс точности задается пределом основной абсолютной или приведенной погрешностей (варианты 1 и 2 в табл. 1.3). Если погрешность СИ носит мультипликативный характер, то класс точности задается пределом основной относительной погрешностей (вариант 3 в табл. 1.3).

Если же погрешность имеет как аддитивную, так и мультипликативную составляющие, то класс точности может задаваться пределом абсолютной погрешности (вариант 4 в табл. 1.3) или пределом основной относительной погрешности (вариант 5 в табл. 1.3).

На рис. 1.3 приведена графическая иллюстрация разных способов задания классов точности. На рис. 1.3, а приведены варианты 1 и 2, на рис. 1.3, б приведен вариант 3, на рис. 1.9, в и рис. 1.9, г — соответственно варианты 4 и 5 из табл. 1.3. Для упрощения изображения на рис. 1.3 показаны не симметричные коридоры предельных значений погрешностей, а лишь их модули.

Таблица 3.1 Формы задания классов точности

Вариант	Форма представления	Формула
	Предел основной абсолютной погрешности
	Предел основной приведенной погрешности, %
	Предел основной относительной погрешности, %
	Предел основной абсолютной погрешности
	Предел основной относительной погрешности

Примечание. Х_н — нормирующее значение СИ; Х_д — действительное значение измеряемой величины; X — измеренное значение измеряемой величины; Х_к — конечное значение диапазона измерения СИ; а, b, с, d, p, q — постоянные коэффициенты — отвлеченные положительные числа, выбираемые из ряда: 1-10"; 1,5-10";: (1,6-10"); 2-10"; 2,5-10"; (3-10"); 4-10"; 5-10"; 6-10", где п = 1, 0, -1, -2 и т.д.

Классы точности простых измерительных приборов невысокой точности, например щитовых стрелочных вольтметров, задаются пределом основной приведенной погрешности (вариант 2 из табл. 1.3). Для самопишущих приборов характерным является задание класса точности пределом основной относительной погрешности (вариант 3 из табл. 1.3). Для СИ средней и высокой точности применяются варианты 4 и 5 из табл. 1.3. Например, для мостов, компенсаторов, цифровых измерительных приборов, как правило, используется вариант 5 из табл. 1.3. Наиболее распространенной во всем мире (и одновременно наиболее понятной) формой задания погрешностей для современных цифровых СИ является вариант 4 из табл. 1.3.

При этом предел основной абсолютной погрешности ∆_п содержит и аддитивную (±а), и мультипликативную (±bХ) составляющие:

∆_п=±(а + bХ), (1.23)

где X — значение измеряемой величины; a и b — постоянные коэффициенты.

На рис. 1.4, а приведена графическая иллюстрация аддитивной, мультипликативной составляющих и суммарной погрешности, представленных в абсолютном виде, а на рис. 1.4, б — иллюстрация этих составляющих и суммы, представленных в относительном виде.

Форма задания класса точности пределом абсолютной погрешности, содержащей аддитивную и мультипликативную составляющие, может иметь несколько вариантов записи. Например, класс точности цифрового термометра может быть задан следующим образом:

А_п = ±(0,5 % результата + 2 единицы МЗР), (1.24)

где МЗР — младший значащий разряд.

Здесь первое слагаемое — это мультипликативная погрешность, а второе — аддитивная.

Другой пример — цифровой мультиметр в режиме измерения переменных напряжений имеет класс точности, определяемый выражением

А_п = ±(1,0 % результата + 0,5 % диапазона измерения). (1.25)

Для зарубежной аппаратуры (и для англоязычной литературы) характерна такая форма записи класса точности:

A = ±(aFS + bR), (1.26)

где FS (Full Scale) — верхнее значение диапазона измерений; R (Reading) — результат измерения (отсчет); a, b — постоянные коэффициенты.

Рис. 3.2 Графическая иллюстрация разных
способов задания классов точности

Рис. 3.3 Адаптивная, мультипликативная и суммарная погрешности в абсолютном (а) и относительном (б) видах

Расчет суммарной погрешности результата измерения в общем случае предполагает нахождение максимально возможного числа составляющих (основной, дополнительной, методической, взаимодействия и т.д.).

Дополнительная погрешность возникает при работе СИ (в частности, прибора) не в нормальных, а в рабочих условиях, когда одна или несколько влияющих величин выходят за пределы области нормальных значений (но находятся внутри диапазона рабочих значений).

Влияющая величина (ВВ) — это такая физическая величина, которая не измеряется в данном эксперименте, но влияет на результат измерения или преобразования. Например, в эксперименте по измерению тока в электрической цепи некоторые другие физические величины (температура окружающей среды, атмосферное давление, относительная влажность воздуха, электрические и магнитные поля, напряжение питания СИ) являются влияющими величинами. Конечно, если мы измеряем температуру окружающей среды, то температура в данном эксперименте есть измеряемая величина.

Влияющие величины в общем случае могут меняться в довольно широких диапазонах. При оценке работоспособности СИ в различных условиях воздействия окружающей среды различают три области возможных значений ВВ:

1. область нормальных значений ВВ (при этом значение ВВ находится в пределах заранее оговоренных — нормальных — значений);

2. область рабочих значений ВВ (при этом значение ВВ находится в диапазоне своих рабочих значений);

3. область значений ВВ, при которых возможны хранение или транспортировка СИ.

С точки зрения оценки инструментальных погрешностей нас интересуют лишь первые две области (рис. 1.5). Область нормальных значений ВВ обычно задается симметричным относительно номинального значения β₀ диапазоном β_{1 …} β₂. В этом диапазоне возможных значений ВВ условия применения СИ считаются нормальными (НУ), и при этом имеет место только основная погрешность СИ.

Рис. 1.5 Значения влияющей величины, условия применения
и погрешности средств измерений

Областью рабочих значений называется более широкий диапазон возможных изменений ВВ, в котором СИ может нормально использоваться. Границы этого диапазона задаются нижним βн и верхним β_В предельными значениями ВВ, соответственно. В этом диапазоне значений ВВ условия применения СИ называются рабочими (РУ) и при этом имеет место не только основная, но еще и дополнительная погрешность. Таким образом, при работе в пределах рабочих условий, но за пределами нормальных, общая инструментальная погрешность складывается уже из основной и дополнительной составляющих.

Например, для самой важной практически во всех измерительных экспериментах ВВ — температуры окружающей среды — область нормальных (для России) значений и, следовательно, нормальных условий применения СИ в большинстве обычных технических измерительных экспериментов составляет (20 ± 5) °С или (20 ± 2) °С.

Области нормальных значений не являются постоянными, а зависят от особенностей выполняемых измерений, измеряемых величин, классов точности СИ. Например, чем точнее СИ, тем уже требуемый диапазон нормальных температур. Для мер электрического сопротивления высшего класса точности (0,0005; 0,001; 0,002) допустимое отклонение температуры от номинального значения составляет, соответственно, ±0,1 °С; ±0,2 °С; ±0,5 °С. Для зарубежных приборов часто за номинальное принимается значение температуры +23 °С. Номинальные значения и диапазоны нормальных значений некоторых основных ВВ для обычных измерений приведены в табл. 1.4.

Области нормальных значений ВВ в специальных измерениях оговариваются отдельно в описании СИ или в методиках проведения измерений.

Таблица 1.4 Диапазоны нормальных значений влияющих величин

Влияющая величина	Значение
Температура окружающей среды, °С	20 ±5 или 20 ±2
Относительная влажность воздуха, %	55... 60
Атмосферное давление, кПа (мм рт. ст.)	100 + 4 (750 ±30)
Действующее значение напряжения питающей сети, В	220 ±10 %

Диапазоны рабочих условий эксплуатации для СИ разного назначения различны. Скажем, для СИ лабораторного применения это может быть диапазон температур 0...+40 °С (рис. 1.6).

Для СИ промышленного применения области рабочих значений ВВ являются более широкими, чем, скажем, для лабораторных СИ. Измерительная аппаратура военного назначения имеет еще более широкие области рабочих значений ВВ.

Условия хранения допускают наиболее широкие диапазоны значений ВВ. Например, для основного параметра окружающей среды — температуры — в паспорте на прибор может быть записано: «...диапазон рабочих температур: 0...+40 °С, диапазон температур хранения: -10...+60°С».

Зная класс точности, коэффициенты влияния окружающей среды (например, температурный коэффициент), а также коэффициенты влияния неинформативных параметров измеряемых сигналов (например, частоты периодического сигнала напряжения при измерении действующего значения), можно оценить значение дополнительной погрешности и затем найти суммарную инструментальную, сложив основную и дополнительную составляющие.

Рисунок 1.6 Диапазоны рабочих условий эксплуатации для СИ

3.4 ЭКСПЛУАТАЦИОННЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ

Недостаточно требовать от средства измерения только определенных метрологических характеристик. Необходимо иметь уверенность, что при выполнении экспериментов аппаратура будет сохранять работоспособность и обеспечивать удовлетворительные характеристики. Поскольку в некоторых задачах условия проведения экспериментов могут быть самыми разнообразными (порой напоминающими полевые условия), то эксплуатационные характеристики используемых измерителей иногда важнее метрологических. При планировании конкретных измерений необходимо четко представлять возможные условия проведения экспериментов и выбирать оборудование с учетом его паспортных эксплуатационных характеристик.

Любое электротехническое или электронное (в частности, измерительное) устройство должно отвечать некоторым вполне логичным требованиям по нормальной эксплуатации. Основные из них могут быть сведены в две группы требований. Первая группа — характеристики влияния среды на устройство (его защита от воздействия температуры, относительной влажности воздуха, атмосферного давления, пыли, влаги, электромагнитного излучения и др.). Вторая группа — влияние самого устройства на окружающую среду и безопасность работы с ним человека (электробезопасность персонала, пожаробезопасность, взрывобезопасность, уровень электромагнитного излучения и др.).

Защищенность средства измерения от воздействия окружающей среды может характеризоваться степенью влияния различных параметров на работоспособность устройства и результаты экспериментов. Среди множества возможных влияющих факторов чаще всего учитываются следующие:

· температура окружающей среды;

· относительная влажность воздуха;

· пыль, влага (вода), возможность работы оборудования на определенной глубине под водой;

· атмосферное давление (возможность работы прибора на определенной высоте над уровнем моря);

· вибрация, ударное воздействие;

· магнитные и электрические поля;

· радиационное излучение;

· качество питающей электрической сети.

Иногда оговариваются также степени защищенности от помех общего и нормального вида, от агрессивных сред, степень искробезопасности (возможность работы устройства во взрывоопасных средах).

Рассмотрим некоторые основные эксплуатационные характеристики измерительной аппаратуры. Уже много десятилетий существует международный норматив, определяющий некоторые основные эксплуатационные характеристики электрических и электронных устройств: International Protection (IP) Rating — индекс защищенности устройства от пыли и влаги окружающей среды, а также электробезопасности персонала при работе с устройством. Норматив признан и успешно используется во всем мире.

Таблица 1.5 Защищенность устройства от твердых частиц
и электробезопасность персонала

Цифра	Уровень защиты	Характеристика защиты
	Нет защиты	Никакой защиты устройства от пыли. Нет защиты персонала от возможного контакта с опасными токоведущими проводниками
	Защита от крупных частиц (предметов)	Защита от проникновения в устройство предметов диаметром более 50 мм. Защита от касания ладонью токоведущих проводников
	Защита от частиц (предметов) среднего размера	Защита персонала от прикосновения к токоведушим частям. Защита от проникновения в устройство предметов диаметром более 12 мм (например, пальца руки)
	Защита от мелких частиц (предметов)	Защита персонала от прикосновения к токоведушим частям инструментом или пальцами. Защита от проникновения в устройство предметов диаметром более 2,5 мм (например, отвертки)
	Защита от песка	Защита персонала от прикосновения к токоведушим частям инструментом или пальцами. В устройство не могут попасть предметы диаметром более 1,0 мм
	Защита от пыли	Пыль может попадать внутрь устройства, но в количестве, не нарушающем работоспособности устройства
	Полная защита от пыли	Внутрь устройства не проникает никакая пыль

Его требования соответствуют ряду стандартов развитых стран и международных стандартов, например DIN 400 50, BS 5490, NF С 20-010, IEC 529, NEMA, и распространяются на устройства с напряжениями переменного тока до 1000 В и постоянного тока до 1500 В. В нашей стране также действует ГОСТ 14 254-80 — аналог этого норматива. Норматив IP не оговаривает защиту от агрессивных сред, давления, вибрации, электромагнитных полей, радиации и т.п., а характеризует только пыле- и влагозащищенность устройства и электробезопасность работы с ним. Конкретная категория защищенности задается двумя цифрами — IP XX. Первая цифра в обозначении IP XX — защита от твердых частиц (табл. 1.5). Вторая цифра в обозначении IP XX — защита от действия влаги (табл. 1.6).

Рисунок 1.7 Степени защиты от твердых частиц и электробезопасность персонала при работе с прибором

Некоторые современные средства измерения/регистрации температуры разработаны с очень высоким уровнем защиты. Например, существуют миниатюрные цифровые измерительные регистраторы температуры (Data Logger), предназначенные для длительной регистрации температуры, степень защищенности которых характеризуется индексом IP 67.

Рис. 1.8 Различные степени защиты от влаги (воды).

Есть даже модели устройств с предельным уровнем — IP 68. Это означает, что они совершенно не боятся пыли и могут работать даже под водой на большой глубине. Например, некоторые выдерживают давление 20 бар, что соответствует глубине примерно 200 м.

Таблица 1.5 Защищенность устройства от влаги (воды)

Цифра	Уровень защиты	Характеристика защиты
	Нет защиты	Никакой защиты устройства от брызг влаги
	Защита от вертикально падающих капель	Вертикально падающие капли не вызывают нарушения работоспособности устройства
	Защита от капель, падающих пол углом	Капли воды, падающие под углом до 15°, не вызывают нарушения работоспособности устройства
	Защита от капель, падающих под углом	Устройство защищено от капель воды, падающих под углом до 60°
	Защита от брызг воды, падающих в любом направлении	Устройство защищено от брызг воды, которые могут быть направлены со всех сторон
	Защита от струй воды	Струя воды (например, из шланга) не нарушает работоспособности устройства
	Защита от заливания водой	Заливание устройства водой (например, на палубе корабля) не нарушает работоспособности устройства
	Защита от погружения в воду	Устройство может быть полностью погружено в воду, оставаясь при этом работоспособным
	Защита от погружения в воду на определенную глубину	Устройство сохраняет работоспособность при погружении в воду на определенную глубину (значение выдерживаемого давления указывается отдельно)