Расчет погрешности СИ в реальных условиях эксплуатации

Требования к нормируемым метрологическим характеристикам СИ устанавливает ГОСТ 8.009-84. Комплекс НМХ средств измерений конкретного типа устанавливают на основании принятой для средств измерений данного типа модели его погрешности в реальных условиях применения. Модель погрешности СИ определенного типа в реальных условиях применения в общем случае имеет вид:

Данная формула представляет собой символическую запись объединения пяти составляющих погрешности средства измерений в реальных условиях применения:

Δ_os – систематическая составляющая основной погрешности средства измерений;

Δ_o – случайная составляющая основной погрешности средства измерений;

Δ_oH – случайная составляющая основной погрешности, обусловленная гистерезисом;

∑ Δ_ci (i = 1…l ) – объединение дополнительных погрешностей Δ_ci средства измерений, обусловленных действием влияющих величин и неинформативных параметров входного сигнала средства измерений (влияющих величин);

Δ_dyn – динамическая погрешность средств измерений, обусловленная влиянием скорости (частоты) изменения входного сигнала средства измерений;

l – число дополнительных погрешностей.

В зависимости от свойств СИ и рабочих условий его применения отдельные составляющие могут отсутствовать.

Учет всех нормируемых MX средств измерений при оценивании погрешности результата измерений является сложной и трудоемкой процедурой, оправданной при измерениях повышенной точности. При измерениях на производстве обычно используется упрощенный подход, при котором возможное значение инструментальной составляющей погрешности определяется по классу точности СИ.

Обеспечение единства измерений

Поверочные схемы

В РФ действует система метрологического обеспечения СИ, направленная на обеспечение единства измерений и единообразия средств измерений. В этой системе задействована сеть государственных и негосударственных метрологических служб, которую долгие годы возглавлял Комитет РФ по стандартизации, метрологии и сертификации (Госстандарт России).

Единство измерений обеспечивается первичной поверкой или калибровкой СИ при выпуске из производства, а в период эксплуатации – периодической поверкой или калибровкой. Для поверки или калибровки СИ используются более точные средства измерений, которые передают размер единицы физической величины рабочим СИ. Эти более точные средства измерений называют эталонами единиц величин.

Эталон единицы величины – средство измерений, предназначенное для воспроизведения и хранения единицы величины с целью передачи ее размера другим средствам измерений данной величины.

Эталон единицы величины поверяется с помощью эталона более высокого разряда. Тот, в свою очередь, от еще более точного, и так до тех пор, пока «цепочка» передачи единицы не придет к имеющему высшую точность в стране государственному эталону единицы величины. Государственный эталон единицы величины – это эталон, признанный решением уполномоченного на то государственного органа в качестве исходного на территории РФ.

Поверочная схема для средств измерений – нормативный документ, устанавливающий соподчинение средств измерений, участвующих в передаче размера единицы от эталона рабочим СИ (с указанием методов и погрешности при передаче). Различают государственные и локальные поверочные схемы. Государственная поверочная схема распространяется на все СИ данной физической величины в стране. Локальная поверочная схема действует в пределах региона, отрасли, ведомства или предприятия.

В СССР поверочные схемы были обязательны для исполнения на всех уровнях распространения. Государственные поверочные схемы утверждались государственными стандартами (ГОСТ) и действовали на территории всей страны. При таком подходе необходимо было иметь во всех центрах поверки большое количество образцовых средств измерений, так как нельзя было поверять рабочие средства измерений низкой точности с помощью образцовых средств измерений высокого разряда, предназначенных для поверки более точных приборов.

В настоящее время поверочные схемы носят рекомендательный характер, причем локальные поверочные схемы на предприятиях часто вообще отсутствуют (при небольшом объеме поверок и калибровок).

Обобщенный вид современной государственной поверочной схемы приведен на рис. 1.15. Поверочную схему можно представить в виде пирамиды, в основании которой находятся рабочие СИ данной физической величины, а вершину занимает исходный эталон величины. Соотношение погрешностей СИ, находящихся на соседних вышестоящей и нижестоящей ступенях поверочной схемы должно быть не более 1:3 (лучше 1:4; 1:5 и менее).

На верхней ступени государственных поверочных схем единиц физических величин находится государственный первичный эталон или государственный специальный эталон.

Государственный первичный эталон – эталон, утвержденный в качестве исходного на территории государства, например государственные эталоны метра, килограмма, секунды, ампера, кельвина, канделы, вольта. Обычно первичными называют эталоны основных единиц системы СИ, а также некоторых производных единиц, имеющие высокую точность воспроизведения размера единицы. Так, наряду с государственным первичным эталоном ампера в качестве первичных утверждены эталоны вольта и ома.

Рис. 1.15. Государственная поверочная схема

Государственные специальные эталоны воспроизводят единицы в особых условиях, в которых прямая передача размера единицы от первичных эталонов с требуемой точностью технически неосуществима (высокие и сверхвысокие частоты, энергии, давления, температуры, особые состояния вещества, крайние участки диапазона измерений и т. д.). Примером являются государственные специальные эталоны единицы переменного напряжения в диапазонах частот 20 Гц – 30 МГц и 30 МГц – 3 ГГц. В них единица переменного напряжения в каждом диапазоне воспроизводится своим способом и каждый из этих эталонов возглавляет отдельную государственную поверочную схему.

Вторичные эталоны создаются и утверждаются для обеспечения сохранности и меньшего износа государственного эталона. Вторичные эталоны могут иметь принцип действия, отличный от принципа действия государственного эталона. Вторичные эталоны, как и государственный эталон, для передачи размера единицы рабочим СИ не применяют. Для этой цели используют рабочие эталоны.

Рабочий эталон предназначен для передачи размера единицы рабочим средствам измерений. При необходимости рабочие эталоны подразделяются на разряды (0, 1, 2, 3), при этом передачу размера единицы осуществляют через цепочку соподчиненных рабочих эталонов, как это показано на рис. 1.12.

Термин «рабочий эталон» заменил собой термин «образцовое средство измерений». По старой терминологии (использовавшейся до 1993 г.) рабочие эталоны 0-го разряда именовались просто рабочими эталонами и относились к категории вторичных эталонов.

Локальные поверочные схемы разрабатываются метрологическими службами предприятий и организаций. Они, как правило, имеют всего 2-3 ступени передачи и возглавляются исходным для данного предприятия эталоном, который периодически поверяется в органах Государственной метрологической службы. Локальная поверочная схема может регламентировать передачу размера сразу нескольких единиц величин (например, тока, напряжения, мощности и т. д.), если при этом используется одно и то же исходное средство измерений (например, измерительная установка типа У358).

В настоящее время различают следующие виды эталонов:

Первичный эталон – эталон, обеспечивающий воспроизведение единицы с наивысшей в стране (по сравнению с другими эталонами той же единицы) точностью. Первичные эталоны подразделяются на национальные (государственные), международные и специальные.

Вторичный эталон – эталон, получающий размер единицы непосредственно от первичного эталона данной единицы. Вторичные эталоны подразделяются на эталоны-копии и эталоны сравнения.

Национальный эталон – эталон, признанный официальным решением служить в качестве исходного для страны. Первичный эталон, признанный решением уполномоченного на то государственного органа в качестве исходного на территории Российской Федерации, называется государственным первичным эталоном. Оба термина имеют адекватное значение. Термин "национальный эталон" применяется тогда, когда хотят подчеркнуть соподчиненность государственного эталона международному.

Международный эталон – эталон, принятый по международному соглашению в качестве международной основы для согласования с ним размеров единиц, воспроизводимых и хранимых национальными эталонами.

Специальный эталон – эталон, обеспечивающий воспроизведение единицы в особых условиях и заменяющий для этих условий первичный эталон. Единица, воспроизводимая с помощью специального эталона, по размеру должна быть согласована с единицей, воспроизводимой с помощью соответствующего первичного эталона.

Эталон-копия – вторичный эталон, предназначенный для передачи размеров единиц рабочим эталонам. Эталон-копия не всегда является физической копией государственного эталона, он копирует лишь метрологические свойства государственного эталона.

Эталон сравнения – вторичный эталон, применяемый для сличения эталонов, которые по тем или иным причинам не могут быть непосредственно сличены друг с другом.

Рабочий эталон воспринимает размер единицы от вторичных эталонов и, в свою очередь, служит для передачи размера менее точному рабочему эталону (низшего разряда) или рабочим средствам измерений. Термин "рабочий эталон" заменил используемый ранее термин "образцовое средство измерений".

Разрядный эталон – эталон, обеспечивающий передачу размера единицы физической величины через цепочку соподчиненных по разрядам рабочих эталонов. При этом от последнего рабочего эталона в этой цепочке размер единицы передается рабочему средству измерения. Число разрядов для каждого вида средств измерений устанавливается государственной поверочной схемой.

В зависимости от назначения и исполнения эталоны подразделяются следующим образом:

одиночный эталон, в составе которого имеется одно средство измерений (мера, измерительный прибор, эталонная установка) для воспроизведения и хранения единицы;

групповой эталон, в состав которого входит совокупность средств измерений одного типа, номинального значения или диапазона измерений, применяемых совместно для повышения точности воспроизведения единицы или ее хранения; за результат измерений обычно принимается среднее арифметическое значение из результатов измерений однотипными средствами измерений или эталонными установками;

эталонный набор, состоящий из совокупности средств измерений, позволяющих воспроизводить и хранить единицу в диапазоне, представляющем объединение диапазонов указанных средств; эталонные наборы создаются в тех случаях, когда необходимо охватить определенную область значений физической величины, например набор эталонных гирь;

транспортируемый эталон, иногда специальной конструкции, предназначенный для его транспортировки к местам поверки или калибровки средств измерений или сличений эталонов данной единицы.