Метрологические характеристики средств измерений

Современный менеджмент качества использует метрологию для фундаментального обеспечения качества продукции и услуг. Метрологическая характеристика средств измерения — это характеристика одного из свойств средства измерений, влияющая на результат измерений и его погрешность. Для каждого типа средств измерений устанавливают свои метрологические характеристики. Тип средств измерений — совокупность средств измерений, предназначенных для измерения одних и тех же величин, выраженных в одних и тех же единицах величин, основанных на одном и том же принципе действия, имеющих одинаковую конструкцию и изготовленные по одной и той же технической документации.

Перечень метрологических характеристик, правила выбора комплекса нормируемых метрологических характеристик для средств измерений и способы их нормирования изложены в ГОСТ 8.009−84 «Государственная система обеспечения единства измерений. Нормируемые метрологические характеристики средств измерений». В соответствии с ГОСТ 8.009−84 метрологические характеристики (МХ) средств измерений можно разделить на следующие группы:

• — характеристики, предназначенные для определения результатов измерений (без введения поправки). Такие МХ можно назвать номинальными;
• — характеристики погрешностей СИ. Сюда же можно отнести характеристики чувствительности СИ к влияющим величинам;
• — динамические характеристики СИ;
• — неинформативные параметры выходного сигнала СИ.

Метрологические характеристики СИ позволяют:

• — определять результаты измерений и рассчитывать оценки характеристик инструментальной составляющей погрешности измерения в реальных условиях применения СИ;
• — рассчитывать MX каналов измерительных систем, состоящих из ряда средств измерений с известными MX;
• — производить оптимальный выбор СИ, обеспечивающих требуемое качество измерений при известных условиях их применения;
• — сравнивать СИ различных типов с учетом условий применения. При разработке принципов выбора и нормирования средств измерений необходимо придерживаться ряда положений, изложенных ниже.
• 1. Основным условием возможности решения всех перечисленных задач является наличие однозначной связи между нормированными MX и инструментальными погрешностями. Эта связь устанавливается посредством математической модели инструментальной составляющей погрешности, в которой нормируемые MX должны быть аргументами. При этом важно, чтобы номенклатура MX и способы их выражения были оптимальны. Опыт эксплуатации различных СИ показывает, что целесообразно нормировать комплекс MX, который, с одной стороны, не должен быть очень большим, а с другой — каждая нормируемая MX должна отражать конкретные свойства СИ и при необходимости может быть проконтролирована.
• 2. Нормирование MX средств измерений должно производиться исходя из единых теоретических предпосылок. Это связано с тем, что в измерительных процессах могут участвовать СИ, построенные на различных принципах.
• 3. Нормируемые MX должны быть выражены в такой форме, чтобы с их помощью можно было обоснованно решать практически любые измерительные задачи и одновременно достаточно просто проводить контроль СИ на соответствие этим характеристикам.
• 4. Нормируемые MX должны обеспечивать возможность статистического объединения, суммирования составляющих инструментальной погрешности измерений. В случае она может быть определена как сумма (объединение) следующих составляющих погрешности:
  • — (t), обусловленной отличием действительной функции преобразования в нормальных условиях от номинальной, приписанной соответствующими документами данному типу СИ. Эта погрешность называется основной;
  • — обусловленной реакцией СИ на изменение внешних влияющих величин и неинформативных параметров входного сигнала относительно их номинальных значений. Эта погрешность называется дополнительной;
  • — обусловленной реакцией СИ на скорость (частоту) изменения входного сигнала. Эта составляющая, называемая динамической погрешностью, зависит и от динамических свойств средств измерений, и от частотного спектра входного сигнала;
  • — обусловленной взаимодействием СИ с объектом измерений или с другими СИ, включенным последовательно с ним в измерительную систему.

Эта погрешность зависит от характеристик и параметров входной цепи СИ и выходной цепи объекта измерений. Первые две составляющие представляют собой статическую погрешность СИ, а третья — динамическую. Из них только основная погрешность определяется свойствами СИ. Дополнительная и динамическая погрешности зависят как от свойств самого СИ, так и от некоторых других причин (внешних условий, параметров измерительного сигнала и др.).

Требования к универсальности и простоте статистического объединения составляющих инструментальной погрешности обуславливают необходимость их статистической независимости — некоррелированности. Однако предположение о независимости этих составляющих не всегда верно. Выделение динамической погрешности СИ как суммируемой составляющей допустимо только в частном, но весьма распространенном случае, когда СИ можно считать линейным динамическим звеном и когда погрешность является весьма малой величиной по сравнению с выходным сигналом.

Динамическое звено считается линейным, если оно описывается линейными дифференциальными уравнениями с постоянными коэффициентами. Для СИ, являющихся существенно нелинейными звеньями, выделение в отдельно суммируемые составляющие статической и динамической погрешностей недопустимо.

• 5. Нормируемые MX должны быть инвариантны к условиям применения и режиму работы СИ и отражать только его свойства. Выбор MX необходимо осуществлять так, чтобы пользователь имел возможность рассчитывать по ним характеристики СИ в реальных условиях эксплуатации.
• 6. Нормируемые MX, приводимые в нормативно-технической документации, отражают свойства не отдельно взятого экземпляра СИ, а всей совокупности СИ данного типа, т. е., являются номинальными. Под типом понимается совокупность СИ, имеющих одинаковое назначение, схему и конструкцию и удовлетворяющих одним и тем же требованиям, регламентированным в технических условиях. Метрологические характеристики отдельного СИ данного типа могут быть любыми в пределах области значений номинальных MX.

Отсюда следует, что MX средства измерений данного типа должна описываться как нестационарный случайный процесс. Математически строгий учет данного обстоятельства требует нормирования не только пределов MX как случайных величин, но и их временной зависимости (т. е., автокорреляционных функций). Это приведет к чрезвычайно сложной системе нормирования и практической невозможности контроля MX, поскольку при этом он должен был бы осуществляться в строго определенные промежутки времени.

Вследствие этого принята упрощенная система нормирования, предусматривающая разумный компромисс между математической строгостью и необходимой практической простотой.

В принятой системе низкочастотные изменения случайных составляющих погрешности, период которых соизмерим с длительностью между поверочного интервала, при нормировании MX не учитываются. Они определяют показатели надежности СИ, обуславливают выбор рациональных между поверочных интервалов и других аналогичных характеристик. Высокочастотные изменения случайных составляющих погрешности, интервалы, корреляции которых соизмеримы с длительностью процесса измерения, необходимо учитывать путем нормирования, например, их автокорреляционных функций. Перечень нормируемых MX делится на шесть основных групп.

Дополнительными метрологическими характеристиками СИ могут быть неинформативные параметры выходного сигнала средства измерений. Например, для устройств с электрическим преобразованием измерительной информации в выходном каскаде принципиально важными являются сила или напряжение опорного электрического тока, который модулируется для получения соответствующего сигнала.

Использовать для измерений следует только те средства, которые признаны метрологическими исправными.

Нарушение хотя бы одной нормированной характеристики считается метрологическим отказом средства измерений, даже если оно сохранило техническую работоспособность.

Понятие отказ взято из такой области оценивания качества, как надежность. Метрологическая исправность средства измерений (метрологическая исправность) — состояние средства измерений, при котором все нормируемые метрологические характеристики соответствуют установленным требованиям.

Метрологический отказ средства измерений (метрологический отказ) — выход метрологической характеристики средства измерений за установленные пределы. Метрологическая надежность средства измерений (метрологическая надежность) — надежность средства измерений в части сохранения его метрологической исправности.

Метрологическую исправность средств измерений устанавливают по результатам их поверки или калибровки.