Статические характеристики и параметры средств измерений.

Отдельные виды и типы средств измерений обладают своими специфическими свойствами. Вместе с тем средства измерений имеют некоторые общие свойства, которые позволяют сопостав­лять средства между собой.

Различают статические и динамические свойства средства измерений. Статические свойства средства измерений проявля­ются при статическом режиме его работы, т. е. когда выходной сигнал средства считается неизменным при измерении; динамиче­ские свойства — при динамическом режиме работы средства из­мерений, при котором выходной сигнал средства изменяется во времени при его использовании.

Функция преобразования (статическая характеристика преобразования) — функциональ­ная зависимость между информативными параметрами выходно­го и входного сигналов средства измерений. Функцию преобразо­вания, принимаемую для средства измерения (типа) и устанавли­ваемую в научно-технической документации на данное средство (тип), называют номинальной функцией преобразования средст­ва (типа).

Важной характеристикой является чувствительность средст­ва измерений, под которой понимают отношение приращения выходного сигнала Δ y средства измерений к вызвавшему это приращение изменению входного сигнала Δ х. В общем случае чувствительность

При нелинейной статической характеристике преобразования чувствительность зависит от х, при линейной характеристике чувствительность постоянна. У измерительных приборов при постоянной чувствительности шкала равномерная, т. е. длина всех делений шкалы одинакова. Деления шкалы — участки шкалы, на которые делят шкалу с помощью отметок.

Характеристикой прибора является постоянная прибора C=1/S.

Чувствительность не следует смешивать с порогом чувстви­тельности, под которым понимают наименьшее изменение вход­ной величины, обнаруживаемое с помощью данного средства измерений. Порог чувствительности выражают в единицах вход­ной величины.

Характеристикой средства измерений является диапазон из­мерений — область значений измеряемой величины, для которой нормированы допускаемые погрешности средства измерений. Диапазон измерений ограничивается наибольшим и наименьшим значениями диапазона измерений. С целью повышения точности измерений диапазон измерений средства измерений может быть разбит на несколько поддиапазонов. При переходе с одного поддиапазона на другой некоторые составляющие основной погреш­ности уменьшаются, что приводит к повышению точности измере­ний. При нормировании допускают для каждого поддиапазона свои предельные погрешности. Область значений шкалы, ограни­ченную начальными и конечными значениями шкалы, называют диапазоном показаний.

Характеристикой для измерительных приборов является цена деления шкалы — разность значений величины, соответству­ющих двум соседним отметкам шкалы. Для средств измерений, выдающих результаты измерений в цифровом коде; указывают цену единицы младшего разряда (единицы младшего разряда цифрового отсчетного устройства), вид выходного кода (дво­ичный, двоично-десятичный) и число разрядов кода.

Для оценки влияния средства измерений на режим работы объекта исследования указывают входное полное сопротивление Z _вх. Входное сопротивление влияет на мощность, потребляемую от объекта исследования средством измерений. Допустимая на­грузка на средство измерений зависит от выходного полного сопротивления Z _вых средства измерений. Чем меньше выходное сопротивление, тем больше допустимая нагрузка на средство измерений.

Важнейшей характеристикой средства измерений является погрешность, которую оно вносит в результат измерения, или, как принято говорить, погрешность средства измерений.

Погрешность средства измерений может быть выражена в ви­де абсолютной, относительной или приведенной по­грешности. Приведенная погрешность средства измерений — это отношение абсолютной погрешности к нормирующему значению, например к наибольшему пределу используемого поддиапазона средства измерений. Погрешность измерительного прибора Δ x = x - x_и, где х — показание прибора; x_и — истинное значение измеряемой величины. Погрешность измерительного прибора оп­ределяют при его поверке и при этом вместо истинного значения используют действительное значение измеряемой величины, под которым понимают значение физической величины, найденное экспериментальным путем с помощью образцовых средств изме­рений и настолько приближающееся к истинному, что для данной цели может быть использовано вместо истинного значения.

Для измерительных преобразователей погрешность может быть определена как по входу, так и по выходу преобразователя. Погрешность преобразователя по входу

Δ x = f^-1_ном (y₀) – x₀, где f^-1_ном — функция, обратная номинальной статической характеристике преобразователя f_ном(х); х₀ — действительное значение входной величины; y₀ — действительное значение выходной вели­чины.

Погрешность преобразователя по выходу

Δ y = y₀ - f_ном(х₀).

Погрешности средства измерений зависят от внешних усло­вий (влияющих величин), поэтому их принято делить на основ­ную н дополнительные. Основной погрешностью средства измере­ний называют погрешность в условиях, принятых за нормальные для данного средства. Дополнительные погрешности средства измерений возникают при отклонении влияющих величин от нормальных значений (нормальных областей значений).

Если статическая характеристика преобразования средства измерений имеет вид
y = F(x, ξ ₁, ξ ₂, …, ξ _n), где у — выходная ве­личина; х— входная величина; ξ ₁, ξ ₂, …, ξ _n — влияющие величи­ны, то изменение выходной величины Δ y определяется не только изменением измеряемой величины Δ х, но и изменениями влия­ющих величин

Δ ξ ₁, Δ ξ ₂, …, Δ ξ _n. В этом случае

В этом выражении второй и последующие члены правой части являются составляющими погрешности. Если изменения влияю­щих величин находятся в пределах нормальных условий, то все указанные составляющие входят в состав основной погрешности. При отклонении влияющих величин за пределы нормальных усло­вий приращения указанных составляющих образуют дополни­тельные погрешности от изменения величин ξ ₁, ξ ₂, …, ξ _n.

Функции называют функциями влияния, в которых ξ _1норм, ξ _{2норм, …,} ξ _тнорм, — нормальные значения влияющих величин;

ξ ₁, ξ ₂, …, ξ _n — влияющие величины, для которых определяют дополнительные погрешности. Производные называют коэффициентами влияния.

Погрешности средств измерений могут иметь систематиче­ские и случайные составляющие. Случайные составляющие при­водят к неоднозначности показаний. Поэтому случайные состав­ляющие погрешностей средств измерений стараются сделать не­значительными по сравнению с другими составляющими. Большинство серийных измерительных приборов обладает этим свойством. Однако в приборах высокой чувствительности и точно­сти случайная составляющая может быть соизмерима с система­тической.

Важной характеристикой. средств измерений является вариа­ция выходного сигнала, под которой понимают разность между значениями информативного параметра выходного сигнала, со­ответствующими одному и тому же действительному значению входной величины при двух направлениях медленных изменений входной величины в процессе подхода к выбранному значению входной величины.

По зависимости от измеряемой величины погрешности сред­ства измерений разделяют на аддитивные и мультипликативные.

Аддитивные (абсолютные) погрешности не зависят от измеряемой величины. Мультипликативные (абсолютные) по­грешности изменяются пропорционально измеряемой величине. Могут быть составляющие, имеющие более сложную зависимость от измеряемой величины, например, так называемые погрешности от нелинейности статической характеристики преобразования.

Различают погрешности конкретного экземпляра средства измерений и погрешности типа средств измерений. Тип средств измерений — совокупность средств измерений, имеющих одина­ковые устройство, функциональное назначение и нормируемые характеристики.

Погрешность конкретного средства измерений характеризует только данный экземпляр средства измерений. Такая погреш­ность, обычно известная только для средств измерений, изго­товленных в единичном экземпляре, или малой партией, или для специально поверенных средств измерений. Погрешность типа средств измерений характеризует всю совокупность экземпляров данного типа, погрешность любого экземпляра данного типа не может превышать погрешности типа. Для приборов массового производства указывается погрешность типа.

Важным качеством средств измерений является их способ­ность сохранять свои свойства во времени. Для контроля метро­логических свойств средства измерений должны периодически поверяться. Межповерочный интервал определяется нестабиль­ностью свойств и допустимым изменением метрологических свойств средств измерений.