Учебное пособие: Методи нормування складових інструментальної похибки вимірювань

Функцію впливу рекомендується не нормувати за умови, що її границі допустимих відхилень від номінальної функції впливу не можуть бути встановлені меншими ніж 20% від номінальної функції впливу. У цьому разі рекомендується нормувати границі допустимої додаткової похибки ЗВТ або допустимої зміни іншої НМХ ЗВТ у всьому робочому діапазоні зміни впливної величини відповідно до робочих умов експлуатації ЗВТ даного типу.

Значення допустимої додаткової похибки ЗВТ, як правило, задають у вигляді часткового або кратного значення допустимої основної похибки. Наприклад, додаткова похибка ЗВТ, яка викликана відхиленням його живлення на % від номінального значення, не повинна перевищувати 0,5 границі основної похибки ЗВТ.

Допустимі значення додаткових похибок, які традиційно застосовуються для розрахунків інструментальної похибки вимірювань, дають завищені результати і тому придатні для одержання тільки досить приблизних оцінок похибки вимірювань. Для одержання більш точних оцінок необхідно враховувати функцію впливу.

Методи нормування додаткових похибок і їх особливості однакові для всіх видів ЗВТ і обох моделей похибки.

Перелік нормованих неінформативних параметрів вхідного і вихідного сигналів ЗВТ, їх номінальні значення і границі допустимих відхилень установлюються в ДСТУ та НТД.

Нормування динамічної похибки засобів вимірювальної техніки

Динамічні похибки ЗВТ нормують опосередковано, шляхом нормування динамічних характеристик (або властивостей) ЗВТ, у зв’язку з тим, що ці похибки залежать не тільки від властивостей ЗВТ, але й від спектральних (частотних) характеристик вхідного сигналу. В існуючих стандартах передбачено нормування таких динамічних характеристик ЗВТ, які дозволяють оцінювати похибки вимірювань під час дії на вході ЗВТ будь-яких змінних сигналів. При цьому головними є вимоги, з одного боку, до детальності опису метрологічних характеристик ЗВТ, а з другого боку - до простоти їх нормування, експериментального визначення і контролю (повірки).

Для задання динамічних властивостей ЗВТ рекомендується використовувати їхні повні і частинні динамічні характеристики (див. підп.3.3.4). Повні динамічні характеристики нормуються або для системних ЗВТ, або для вимірювальних перетворювачів реєструвальних приладів, якщо вони призначаються для роботи з вхідними сигналами, в яких змінюються в часі інформативні параметри. Для таких ЗВТ, якщо для них установлені нормальні та робочі умови застосування, додатково нормують дію впливних величин і неінформативних параметрів вхідного сигналу на повні динамічні характеристики (похибки, що при цьому виникають, належать до додаткових). Для показувальних приладів, вимірювальних перетворювачів і реєструвальних приладів, призначених для роботи з постійними або з такими змінними сигналами, для яких динамічною похибкою можна знехтувати, нормують одну або декілька частинних динамічних характеристик, наприклад час реакції ЗВТ.

Динамічні похибки визнаються неістотними, а динамічні характеристики не нормуються, якщо виконується нерівність.

,

де- найбільше можливе значення динамічної похибки ЗВТ у робочих умовах застосування.

Основним методом нормування динамічних властивостей ЗВТ є задання (вказування) таких повних і частинних характеристик:

1) номінальних характеристик і границь допустимих відхилень від них;

2) границь допустимих значень параметрів вхідного сигналу.

Номінальні динамічні характеристики (повні і частинні) ЗВТ нормують у тих випадках, коли границі допустимих відхилень даної динамічної характеристики не перевищують 20% її номінальної характеристики.

Для ЗВТ, у значній кількості екземплярів яких розкид динамічних характеристик (повних і частинних) великий, і в силу цього для них у НТД установлена необхідність визначення і подальшого використання динамічних характеристик кожного екземпляра ЗВТ, нормують граничну динамічну характеристику (повну або частинну). У таких випадках застосовувати ЗВТ допускається тільки за умови попереднього експериментального визначення динамічної характеристики для даного екземпляра ЗВТ. Граничну динамічну характеристику використовують як критерій придатності ЗВТ і при розрахунках похибок вимірювань.

Динамічні характеристики ЗВТ оцінюють і контролюють при значеннях вхідного сигналу, відповідних усьому діапазону вимірювань (перетворень) або декільком частинам діапазону (піддіапазонам), в яких допускають лінійну апроксимацію динамічних властивостей ЗВТ. Кількість таких динамічних піддіапазонів повинна бути більша чотирьох.

Динамічні характеристики ЗВТ, властивості яких залежать від напряму зміни вхідного сигналу, оцінюють для обох напрямів зміни сигналу. Методики й алгоритми обробки результатів контролю (оцінки) динамічних характеристик повинні встановлюватися в стандартах і технічних умовах на ЗВТ конкретних типів і груп залежно від виду і порядку математичної моделі їх динамічних властивостей, яку називають динамічною моделлю.

Якщо випадкова складова похибки ЗВТ істотна, то частинні динамічні характеристики контролюють за допомогою обробки серії з спостережень. Частинну характеристику приймають такою, що задовольняє вимоги технічних умов, якщо максимальне значення із серії n її оцінок не перевищує допустимого значення.

Нормування похибки взаємодії

З усіх складових інструментальної похибки вимірювань найменш розроблені методи нормування похибки від взаємодії ЗВТ з ОВ. Згідно з фізичним походженням похибки взаємодії, для її оцінки необхідно нормувати характеристики, що відображають властивості ЗВТ відбирати енергію через свої вхідні або вихідні кола і дозволяють визначити зміну вимірюваної фізичної величини, яка виникає в результаті цього обміну. Для засобів електро - і радіотехнічних вимірювань ця задача вирішується досить просто за допомогою нормування вхідних і вихідних повних опорів ЗВТ, причому ці опори неважко контролювати під час повірки.

У вимірювальних засобах, призначених для вимірювання і перетворення на постійному струмі і в низькочастотному діапазоні вхідних сигналів, вхідний і вихідний (для перетворювачів) опори розглядаються і нормуються як активні. У ЗВТ високочастотного діапазону вхідні і вихідні опори є комплексними і повинні нормуватися як повні. В існуючій НТД вхідний і вихідний повні опори для ЗВТ усіх типів і обох моделей похибок нормуються однаково - заданням номінального значення опорів і границь їх допустимих значень або границь їх допустимих змін.

Проте більш часто параметри вхідного повного опору ЗВТ нормуються окремо. Оскільки реактивна складова вхідного повного опору ЗВТ має, як правило, ємнісний характер, то такий опір представляють у вигляді паралельного (іноді послідовного) з‘єднання резистора і конденсатора.

Значно складніше нормувати похибки від взаємодії ЗВТ неелектричних величин з ОВ. У цій галузі вимірювань явища обміну енергією між ЗВТ і ОВ вивчені недостатньо. Але для багатьох ЗВТ неелектричних величин проблема може бути зведена до вже вирішеної, використовуючи теорію електромеханічних аналогій і розрахунку еквівалентних схем перетворювачів неелектричних величин.

Нормування неінформативних параметрів вихідних сигналів засобів вимірювальної техніки

Крім указаних вище метрологічних характеристик, що визначають результат і похибку вимірювань, нормуються неінформативні параметри вихідного сигналу ЗВТ.

Неінформативні параметри вихідних сигналів не належать до метрологічних характеристик ЗВТ. Проте вони визначають можливість нормальної роботи ЗВТ й інших пристроїв, які приєднуються до виходу даного ЗВТ. Наприклад, вихідним сигналом перетворювача напруга-частота або генератора імпульсів є послідовність імпульсів, а її інформативним параметром - частота, вимірювана частотоміром. У той самий час похибка частотоміра залежить від амплітуди, тривалості і форми імпульсів, які належать до неінформативних параметрів. Отже, неінформативні параметри повинні задовольняти певні вимоги, тобто підлягають нормуванню. Це нормування здійснюється двома методами: встановленням або номінальних характеристик (наприклад, значень імпедансів) зі вказанням границь допустимих відхилень від них, або граничних значень характеристик (імпедансів), які визначають область їх допустимих значень. Найбільш розповсюдженим з них є задання границь допустимих значень тієї чи іншої характеристики. Ці границі визначають інтервал, в якому значення характеристики кожного екземпляра ЗВТ конкретного типу повинно знаходитися з імовірністю, близькою до одиниці.

Укажемо також, що всі НМХ ЗВТ можуть представлятися у формі іменованого або неіменованого числа, формули або графіка. При цьому задання будь-якої характеристики у вигляді графіка обов‘язково треба супроводжувати одночасним поданням її у вигляді формули або таблиці. Допускається застосування й інших форм подання НМХ за умови, що ці формули дозволяють оцінювати похибки ЗВТ даного типу, а також здійснювати контроль відповідності цих засобів установленим вимогам. У такому випадку форма подання НМХ конкретизується в НТД на даний тип або вид ЗВТ.

Класи точності засобів вимірювальної техніки

Більшість ЗВТ, які знаходяться на теперішній час в експлуатації, мають переважно статичну похибку, тобто динамічна похибка в них не враховується. Нормування статичної похибки цих ЗВТ здійснюється, як правило, встановленням класу точності.

Класом точності називається узагальнена кількісна характеристика ЗВТ, яка визначається гарантованими границями допустимих основної і додаткових похибок, а також іншими характеристиками ЗВТ, що впливають на похибку (точність) вимірювань і значення яких установлюються стандартами на окремі види ЗВТ.

Дійсні значення основної повної похибки окремих екземплярів ЗВТ однакового типу можуть відрізнятися одне від одного як систематичними, так і випадковими складовими, але в цілому для даного типу ЗВТ вони не перевищують границі допустимої основної похибки. Таким чином, установленням і заданням класу точності нормується основна статична похибка ЗВТ, а всі додаткові похибки й інші метрологічні характеристики, що впливають на похибку ЗВТ, указуються окремо.

Відповідність реального значення основної похибки ЗВТ приписаному йому класу точності перевіряється при періодичних повірках. Якщо воно залишається менше від нормованого, то ЗВТ продовжує експлуатуватися, якщо ж реальне значення основної похибки ЗВТ більше від нормованого, то ЗВТ підлягає ремонту та регулюванню.