15. Качество измерительных приборов
Качество измерительного прибора – это уровень соответствия прибора своему прямому предназначению. Следовательно, качество измерительного прибора определяется тем, насколько при использовании измерительного прибора достигается цель измерения.
Главная цель измерения – это получение достоверных и точных сведений об объекте измерений.
Для того чтобы определить качество прибора, необходимо рассмотреть следующие его характеристики:
1) постоянную прибора;
2) чувствительность прибора;
3) порог чувствительности измерительного прибора;
4) точность измерительного прибора.
Постоянная прибора – это некоторое число, умножаемое на отсчет с целью получения искомого значения измеряемой величины, т. е. показания прибора. Постоянная прибора в некоторых случаях устанавливается как цена деления шкалы, которая представляет собой значение измеряемой величины, соответствующее одному делению.
Чувствительность прибора – это число, в числителе которого стоит величина линейного или углового перемещения указателя (если речь идет о цифровом измерительном приборе, то в числителе будет изменение численного значения, а в знаменателе – изменение измеряемой величины, которое вызвало данное перемещение (или изменение численного значения).
Порог чувствительности измерительного прибора – число, являющееся минимальным значением измеряемой величины, которое может зафиксировать прибор.
Точность измерительного прибора – это характеристика, выражающая степень соответствия результатов измерения настоящему значению измеряемой величины. Точность измерительного прибора определяется посредством установления нижнего и верхнего пределов максимально возможной погрешности.
Практикуется подразделение приборов на классы точности, основанное на величине допустимой погрешности.
Класс точности средств измерений – это обобщающая характеристика средств измерений, которая определяется границами основных и дополнительных допускаемых погрешностей и другими, определяющими точность характеристиками. Классы точности определенного вида средств измерений утверждаются в нормативной документации. Причем для каждого отдельного класса точности утверждаются определенные требования к метрологическим характеристикам. Объединение установленных метрологических характеристик определяет степень точности средства измерений, принадлежащего к данному классу точности.
Класс точности средства измерений определяется в процессе его разработки. Так как в процессе эксплуатации метрологические характеристики как правило ухудшаются, можно по результатам проведенной калибровки (поверки) средства измерений понижать его класс точности.
16. Погрешности средств измерений
Погрешности средств измерений классифицируются по следующим критериям:
1) по способу выражения;
2) по характеру проявления;
3) по отношению к условиям применения.
По способу выражения выделяют абсолютную и относительную погрешности. Абсолютная погрешность вычисляется по формуле:
где ?Qn – абсолютная погрешность проверяемого средства измерения;
Qn – значение некой величины, полученное с помощью проверяемого средства измерения;
Q0 – значение той же самой величины, принятое за базу сравнения (настоящее значение). Относительная погрешность – это число, отражающее степень точности средства измерения. Относительная погрешность вычисляется по следующей формуле:
где ?Q – абсолютная погрешность;
Q0 – настоящее (действительное) значение измеряемой величины.
Относительная погрешность выражается в процентах.
По характеру проявления погрешности подразделяют на случайные и систематические.
По отношению к условиям применения погрешности подразделяются на основные и дополнительные.
Основная погрешность средств измерения – это погрешность, которая определяется в том случае, если средства измерения применяются в нормальных условиях.
Дополнительная погрешность средств измерения – это составная часть погрешности средства измерения, возникающая дополнительно, если какая-либо из влияющих величин выйдет за пределы своего нормального значения.
Метрология
Приборы для линейных и угловых измерений характеризуются следующими метрологическими показателями: ценой деления или дискретностью цифрового отсчета, диапазоном измерения по шкале, пределом измерения прибора, измерительным (контактным) усилием и погрешностью.
Для полной характеристики прибора необходимо еще знать интервал деления шкалы, передаточное отношение, предельно допустимую погрешность, повторяемость показаний, гистерезис и др.
Некоторые метрологические показатели и термины определены стандартами. Другие применяются фирмами и на производстве. В обоих случаях следует знать, что они означают.
Одним из основных конструктивных элементов приборов является отсчетное устройство со шкалой или цифровым дисплеем. С помощью шкалы или цифрового дисплея передается информация об измеряемой величине в форме наиболее доступной для пользователя, называемая показания прибора.
Шкала
Шкалой называется совокупность ряда отметок (штрихов) и проставленных у некоторых из них чисел отсчета, соответствующих значениям или отклонениям измеряемой величины.
На рисунке 1 показан пример выполнения круговой шкалы. Расстояние между серединами двух соседних отметок (штрихов) шкалы или между двумя штрихами называется интервалом деления (или ценой деления) . Цена деления выражается единицей измерения, указанной на шкале.
Для большинства приборов интервал деления шкалы — постоянная величина на всей длине шкалы. Такие шкалы называются равномерными.
Неравномерные шкалы в приборах для линейных измерений в настоящее время не применяются.
Интервал деления шкалы выбирают от 0,9 до 2,5 мм. При таких интервалах делений обеспечивается наилучший результат глазомерной оценки долей деления при расположении стрелки указателя прибора между штрихами шкалы.
Значение измеряемой величины, соответствующее одному делению шкалы, называется ценой деления (с) . Цена деления, как правило, не должна быть меньше погрешности показаний прибора.
По ГОСТ 5365-83 цена деления шкалы прибора должна быть кратной цифрам 1, 2 или 5.
Ширина штрихов шкал выбирается в пределах 0,1…0,2 мм.
Разность ширин штрихов в пределах одной шкалы не должна быть больше 0,05 мм.
Длина коротких штрихов принимается равной 2-2,5 интервала деления, а длинных – 3…3,5 интервала.
Ширина конца стрелки, располагающегося над штрихами шкалы, не должна быть больше ширины штрихов. Конец стрелки должен перекрывать 0,3…0,8 длины коротких штрихов шкалы.
В настоящее время созданы электронные приборы и инструменты с непосредственным цифровым отсчетом результатов измерений. У этих приборов шкала заменена многоразрядным цифровым дисплеем, на котором цифрами отображается результат измерения. В каждом разряде обычно цифры от 0 до 9.
Наименьшая разница в младшем разряде называется дискретностью показаний .
Высота цифр у ручных инструментов и приборов (например, штангенциркуля) составляет 7,5…9 мм. У выносных электронных блоков высота цифр составляет 12…15 мм и более.
Особенность цифрового отсчета по сравнению со штриховыми шкалами состоит в том, что ее дискретность (наименьшее показание) меньше погрешности показаний прибора. Это объясняется десятичным характером цифрового отсчета. Это качество цифрового отсчета повышает точность настройки приборов при калибровке и настройке на нуль при относительных измерениях.
Диапазон измерения
Значение измеряемой величины, соответствующее всей шкале прибора с нормированной погрешностью, называют диапазоном измерения по шкале прибора. Диапазон измерения по шкале не всегда совпадает с пределом измерения прибора.
Пределом измерения прибора называется наибольшая и наименьшая величины, которые могут быть измерены прибором.
Например, микрометр с пределом измерения 50…75 мм имеет диапазон измерения по штриховой шкале 25 мм.
Для индикаторов, измерительных головок и других приборов, предназначенных для относительных измерений на стойках со столиками, пределы измерения высот определяются высотой стойки, а диаметров — вылетом кронштейна, в котором крепится индикатор. В таких случаях обычно указывают отдельно предел измерения диаметров и высот.
Чувствительность прибора
Перемещение измерительного стержня механического прибора передается стрелке через увеличивающий передаточный механизм (рычажный, зубчатый) . У индуктивных и инкрементных преобразователей отсутствует механическая передача — перемещение измерительного стержня преобразуется в электрический сигнал. В обоих случаях свойство прибора реагировать на изменения измеряемой величины называется чувствительностью или разрешением прибора.
Чувствительность прибора очень важная характеристика и оценивается наименьшим изменением значения измеряемой величины, способным вызвать малейшее заметное изменение показаний прибора, и называется порогом чувствительности или разрешающей способностью прибора.
Отношение линейного или углового перемещения стрелки (указателя) или изменение цифрового показания прибора к изменению размера, вызвавшему это перемещение, называется передаточным отношением прибора .
Для штриховых шкал передаточное отношение определяется отношением интервала деления a к цене деления c :
Если стрелка прибора при точных измерениях останавливается между штрихами шкалы, то отсчет производится глазомерной оценкой дробной части деления, пройденного стрелкой.
Точностью отсчета называется точность, достигаемая при отсчете по шкале прибора. Точность отсчета зависит от качества штрихов шкалы, толщины стрелки (указателя) , расстояния между шкалой и стрелкой, освещенности шкалы и квалификации контролера.
Наиболее благоприятная для точного отсчета ширина штрихов шкалы равна 0,1 интервала деления.
У цифровых шкал точность отсчета зависит от дискретности шкалы, то есть последнего разряда показаний и не имеет субъективной ошибки отсчета.
Параллакс
Параллаксом называется кажущееся смещение указателя относительно штрихов шкалы (рис. 2) при наблюдении в направлении, не перпендикулярном плоскости шкалы. Это явление связано с особенностями строения органов зрения человека и может приводить к значительным погрешностям при считывании показаний с измерительного прибора или инструмента.
Погрешности отсчета, вызываемые параллаксом, особенно ощутимо проявляются у штангенциркулей и часто превосходят величину отсчета по нониусу.
Погрешность параллакса, согласно обозначениям, принятым на рис. 2 , будет равна δ = h tg φ .
Для уменьшения погрешности от параллакса расстояние между отсчетным индексом и шкалой должно быть минимальным, а отсчет следует производить при наблюдении перпендикулярно плоскости шкалы.
Воспроизводимость или повторяемость
При многократном измерении одного размера вследствие несовершенства механизма прибора (наличия в нем зазоров, трения, и деформаций) повторные показания прибора могут не совпадать.
Наибольшая разность между показаниями прибора при многократном измерении одной и той же величины в одном направлении при неизменных внешних условиях называется вариацией показаний, воспроизводимостью или повторяемостью .
Воспроизводимость измерений может характеризоваться стандартным отклонением или средней квадратической погрешностью сравниваемых рядов измерений. Воспроизводимость несёт важную информацию для оценки погрешности измерения.
Воспроизводимость свидетельствует о правильности измерения только в том случае, если прибор не имеет систематической ошибки или если систематическая ошибка мала и ей можно пренебречь.
Погрешность показаний
Погрешность показаний прибора — это разность между показанием прибора и действительным значением измеряемой величины.
На погрешность влияют многие факторы — совершенство конструкции и техническое состояние средства измерения, способ использования прибора, человеческий фактор (острота зрения, дрожание рук, степень мастерства и профессионализма и т. п.) , а также такие факторы, как измерительное усилие, температура приборов и температура помещения, в котором производится измерение.
Измерительное усилие
Измерительным (контактным) усилием называется сила, создаваемая механизмом прибора и действующая на измеряемую поверхность в направлении линии измерения.
Измерительное усилие обычно создается пружинами, деформации и усилия которых изменяются в зависимости от перемещения измерительного стержня прибора.
Разность между наибольшим и наименьшим значениями измерительного усилия при однонаправленном изменении значений измеряемой величины называется колебанием (перепадом) измерительного усилия.
Величина измерительного усилия и его перепад оказывают большое влияние на результат измерения, так как вызывают деформации измерительной оснастки, контролируемой поверхности и других элементов, что приводит к возникновению дополнительной поверхности.
По этой причине всегда стремятся к уменьшению измерительного усилия и его перепада, но в ограниченных пределах, поскольку слишком малое измерительное усилие может привести к отрыву наконечника от контролируемой поверхности, т.е. к ненадежности измерения, особенно при динамических измерениях на больших скоростях.
Нормальное значение температуры
Для измерительных инструментов, приборов и деталей машин ГОСТ 9249-59 установлено нормальное значение температуры, равное 20 ˚С. Именно при этой температуре действительны все размеры, меры, метрологические характеристики измерительных приборов, результаты измерении и т.п.
Степень защиты измерительных приборов
Все измерительные средства особенно их преобразователи и механизмы защищают от попадания мелких твердых частиц, пыли и воды.
Степень защиты измерительных приборов определена и нормируется российским национальным стандартом ГОСТ 14254-96 и международным стандартом DIN EN 60 529.
Для обозначения степени защиты приборов применяются две цифры: первая цифра определяет защиту от попадания твердых частиц и пыли, вторая — от влаги.
Пример обозначения степени защиты — IP54.
Классификация приборов по степени защиты от твердых частиц и влаги приведена в таблице ниже.
Примечание: точками обозначены недостающие цифры в обозначении степени защиты от другого вредного фактора.
ЧИТАТЬ КНИГУ ОНЛАЙН: Метрология, стандартизация и сертификация: конспект лекций
С течением мировой истории человеку приходилось измерять различные вещи, взвешивать продукты, отсчитывать время. Для этой цели понадобилось создать целую систему различных измерений, необходимую для вычисления объема, веса, длины, времени и т. п. Данные подобных измерений помогают освоить количественную характеристику окружающего мира. Крайне важна роль подобных измерений при развитии цивилизации. Сегодня никакая отрасль народного хозяйства не могла бы правильно и продуктивно функционировать без применения своей системы измерений. Ведь именно с помощью этих измерений происходит формирование и управление различными технологическими процессами, а также контролирование качества выпускаемой продукции. Подобные измерения нужны для самых различных потребностей в процессе развития научно—технического прогресса: и для учета материальных ресурсов и планирования, и для нужд внутренней и внешней торговли, и для проверки качества выпускаемой продукции, и для повышения уровня защиты труда любого работающего человека. Несмотря на многообразие природных явлений и продуктов материального мира, для их измерения существует такая же многообразная система измерений, основанных на очень существенном моменте – сравнении полученной величины с другой, ей подобной, которая однажды была принята за единицу. При таком подходе физическая величина расценивается как некоторое число принятых для нее единиц, или, говоря иначе, таким образом получается ее значение. Существует наука, систематизирующая и изучающая подобные единицы измерения, – метрология. Как правило, под метрологией подразумевается наука об измерениях, о существующих средствах и методах, помогающих соблюсти принцип их единства, а также о способах достижения требуемой точности.
Происхождение самого термина «метрология» возводя! к двум греческим словам: metron, что переводится как «мера», и logos – «учение». Бурное развитие метрологии пришлось на конец XX в. Оно неразрывно связано с развитием новых технологий. До этого метрология была лишь описательным научным предметом. Следует отметить и особое участие в создании этой дисциплины Д. И. Менделеева, которому подевалось вплотную заниматься метрологией с 1892 по 1907 гг… когда он руководил этой отраслью российской науки. Таким образом, можно сказать, что метрология изучает:
1) методы и средства для учета продукции по следующим показателям: длине, массе, объему, расходу и мощности;
2) измерения физических величин и технических параметров, а также свойств и состава веществ;
3) измерения для контроля и регулирования технологических процессов.
Выделяют несколько основных направлений метрологии:
1) общая теория измерений;
2) системы единиц физических величин;
3) методы и средства измерений;
4) методы определения точности измерений;
5) основы обеспечения единства измерений, а также основы единообразия средств измерения;
6) эталоны и образцовые средства измерений;
7) методы передачи размеров единиц от образцов средств измерения и от эталонов рабочим средствам измерения. Важным понятием в науке метрологии является единство измерений, под которым подразумевают такие измерения при которых итоговые данные получаются в узаконенных единицах, в то время как погрешности данных измерений получены с заданной вероятностью. Необходимость существования единства измерений вызвана возможностью сопоставления результатов различных измерений, которые были проведены в различных районах, в различные временные отрезки, а также с применением разнообразных методов и средств измерения.
Следует различать также объекты метрологии:
1) единицы измерения величин;
2) средства измерений;
3) методики, используемые для выполнения измерений и т. д.
Метрология включает в себя: во—первых, общие правила, нормы и требования, во—вторых, вопросы, нуждающиеся в государственном регламентировании и контроле. И здесь речь идет о:
1) физических величинах, их единицах, а также об их измерениях;
2) принципах и методах измерений и о средствах измерительной техники;
3) погрешностях средств измерений, методах и средствах обработки результатов измерений с целью исключения погрешностей;
4) обеспечении единства измерений, эталонах, образцах;
5) государственной метрологической службе;
6) методике поверочных схем;
7) рабочих средствах измерений.
В связи с этим задачами метрологии становятся: усовершенствование эталонов, разработка новых методов точных измерений, обеспечение единства и необходимой точности измерений.
Очень важным фактором правильного понимания дисциплины и науки метрология служат использующиеся в ней термины и понятия. Надо сказать, что, их правильная формулировка и толкование имеют первостепенное значение, так как восприятие каждого человека индивидуально и многие, даже общепринятые термины, понятия и определения он трактует по—своему, используя свой жизненный опыт и следуя своим инстинктам, своему жизненному кредо. А для метрологии очень важно толковать термины однозначно для всех, поскольку такой подход дает возможность оптимально и целиком понимать какое— либо жизненное явление. Для этого был создан специальный стандарт на терминологию, утвержденный на государственном уровне. Поскольку Россия на сегодняшний момент воспринимает себя частью мировой экономической системы, постоянно идет работа над унификацией терминов и понятий, создается международный стандарт. Это, безусловно, помогает облегчить процесс взаимовыгодного сотрудничества с высокоразвитыми зарубежными странами и партнерами. Итак, в метро логии используются следующие величины и их определения:
1) физическая величина, представляющая собой общее свойство в отношении качества большого количества физических объектов, но индивидуальное для каждого в смысле количественного выражения;
2) единица физической величины, что подразумевает под собой физическую величину, которой по условию присвоено числовое значение, равное единице;
3) измерение физических величин, под которым имеется в виду количественная и качественная оценка физического объекта с помощью средств измерения;
4) средство измерения, представляющее собой техническое средство, имеющее нормированные метрологические характеристики. К ним относятся измерительный прибор, мера, измерительная система, измерительный преобразователь, совокупность измерительных систем;
5) измерительный прибор представляет собой средство измерений, вырабатывающее информационный сигнал в такой форме, которая была бы понятна для непосредственного восприятия наблюдателем;
6) мера – также средство измерений, воспроизводящее физическую величину заданного размера. Например, если прибор аттестован как средство измерений, его шкала с оцифрованными отметками является мерой;
7) измерительная система, воспринимаемая как совокупность средств измерений, которые соединяются друг с другом посредством каналов передачи информации для выполнения одной или нескольких функций;
8) измерительный преобразователь – также средство измерений, которое производит информационный измерительный сигнал в форме, удобной для хранения, просмотра и трансляции по каналам связи, но не доступной для непосредственного восприятия;
9) принцип измерений как совокупность физических явлений, на которых базируются
Основные показатели измерительных средств
Диапазон измерений — это область значений измеряемой величины, для которой нормированы допускаемые погрешности. Эта область ограниченна пределами измерениями, т.е. наибольшим и наименьшим значением диапазона измерений.
Чувствительность (S) – отношение измерения сигнала на входе прибора, в вызвавшему его изменению измеряемой величины x (S =). Различают абсолютную и относительную S0 = ()/x. Чувствительность характеризует способность прибора реагировать на измерение измеряемой величины.
Порог чувствительности – это изменение измеряемой величины, вызывающей наименьшее изменение показания обнаруженные наблюдателем, при нормальном для данного прибора способе отсчёта (100мкм – разрешение человеческого глаза).
Вариация показания – это средняя разность между показаниями прибора соответствующей данной точке, диапазон измерений при двух направлениях медленного многократного изменения измеряемой величины.
Показанием называют значение измеряемой величины, определяемой по отсчетному устройству прибора и выраженная в принятых единицах этой величины. Вариация характеризует на сколько устойчиво повторяются показания прибора при измерениях одних и тех же значений величин.
Погрешность измерений – называется отклонение результата измерения от истинного значения измеряемой величины. Погрешности бывают абсолютные, относительные, приведенные, основные и дополнительные.
Класс точности – это обобщенная характеристика, определяемая пределами допускаемых основных и дополнительных погрешностей, а также другими свойствами влияющими на точность значения, которой устанавливается в стандартах на отдельные виды средств измерений. Класс точности характеризует свойства приборов в отношение точности, но не являются непосредственными показателями точности измерений выполняемых с помощью этих приборов, у которых пределы допускаемой основной погрешности, задаются относительно основной и дополнительной погрешности, присвоенной согласно ГОСТ-у. Класс точности выбирается из следующего ряда величин:
1; 1,0;1,5; 2; 2,5;…;*10 n , где n = -1,0,1,2..
Время установления показаний – промежуток времени прошедший с момента измерения измеряемой величины до момента установления показаний. Для аналоговых приборов в момент установления показаний определяется моментом, когда амплитуда колебаний указателя становится не больше, чем погрешность прибора.
Быстродействие – это число измерений выполняемых в единицу времени. Этот показатель особенно важен для цифровых приборах, а также для аналоговых, когда одним прибором с помощью коммутируемого устройства необходимо измерять несколько медленно меняющих величин.
Потребляемая мощность – при подключении прибора к источнику измеряемой величины прибор неизбежно нарушает этот источник, потребляя некоторую мощность и чем меньше он потребляет, тем выше качество прибора и тем самым меньше погрешность измерений прибора.
Надёжность – это способность прибора сохранять свои показания в определенных пределах в течении установленного интервала времени при заданных условиях эксплуатации. Основными критериями надёжности являются вероятность безотказной работы, интенсивность отказа и среднее время безотказной работы, оценка надежности производится на этапе разработки измерительного прибора.
Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями: