Средства измерений

Реальные  функции преобразования измерительных  преобразователей и приборов могут  значимо отличаться от номинальных. Кроме случайных отклонений возможно также наличие систематических тенденций (рисунок 5), которые проявляются с увеличением измеряемых величин в пределах диапазона измерительного преобразования. Если прибор неправильно настроен на нулевое показание (смещение нуля – показание средства измерений, отличное от нуля, при входном сигнале, равном нулю), в любом результате измерений будет присутствовать постоянная систематическая погрешность. Значит, реальная линейная функция преобразования отличается от номинальной плоскопараллельным сдвигом вверх или вниз (рисунок 5а), что вызывает алгебраическое (с учетом знака) добавление к любой измеряемой величине одной и той же постоянной систематической погрешности. Такую погрешность прибора называют "аддитивной", хотя более корректно в этом случае говорить о статической характеристике с аддитивной погрешностью. Для исключения такой погрешности из результата измерения к нему следует алгебраически добавить необходимую поправку, равную систематической погрешности по модулю и противоположную по знаку. Для аппаратурного устранения таких инструментальных составляющих в приборах обычно предусматривают специальное регулировочное устройство для поднастройки, например, корректор нуля в электроизмерительных приборах.

Если реальная функция преобразования отличается от номинальной углом наклона (рисунок 5б), то к измеряемой величине добавляется  систематическая погрешность, значение которой тем больше, чем больше использованный при измерении диапазон преобразования. Такую погрешность  прибора называют "мультипликативной", но как и в предыдущем случае более корректно говорить о статической характеристике с мультипликативной погрешностью. Для исключения такой погрешности из результата измерения его следует умножить на поправочный коэффициент. Аппаратурное устранение такой составляющей, которая вызвана несоответствием реального коэффициента преобразования номинальному значению, как правило, требует частичной разборки прибора для обеспечения доступа к специальным регулировочным устройствам, если они предусмотрены в измерительной цепи.

Переменные  систематические расхождения реальной и номинальной функций преобразования могут появиться из-за нелинейности характеристики одного или нескольких измерительных преобразователей, например, рычажной передачи.

Возможны  и другие виды систематических отклонений реальной функции от номинальной, например погрешности из-за гистерезисных  явлений в измерительной цепи (рисунок 5в).  

Градуировочные характеристики можно рассматривать как экспериментальные модели функции преобразования измерительного прибора.

Наряду с  интегральными метрологическими характеристиками для средств измерений предусмотрены  возможности назначения и контроля множества различных частных  характеристик. Часть из них представляет интерес для пользователя, другие принципиально важны только для  разработчиков средств измерений. К последним можно отнести  такие как:

• длина деления шкалы – расстояние между осями (или центрами) двух соседних отметок шкалы, измеренное вдоль воображаемой линии, проходящей через середины самых коротких отметок шкалы;
• длина шкалы – длина линии, проходящей через центры всех самых коротких отметок шкалы средства измерений и ограниченной начальной и конечной отметками. Линия может быть прямой или кривой, реально выполненной на приборе или воображаемой, и длина шкалы есть расстояние вдоль этой линии между нижним и верхним пределами шкалы.
• чувствительность средства измерений (чувствительность) – свойство средства измерений, определяемое отношением изменения выходного сигнала этого средства к вызывающему его изменению измеряемой величины.

Примеры характеристик, важных и для пользователя, и для  разработчиков:

• диапазон показаний средства измерений (диапазон показаний) – область значений шкалы прибора, ограниченная начальным и конечным значениями шкалы
• диапазон измерений средства измерений (диапазон измерений) – область значений величины, в пределах которой нормированы допускаемые пределы погрешности средства измерений.

Примечание  — Значения величины, ограничивающие диапазон измерений снизу и сверху (слева и справа), называют соответственно нижним пределом измерений или верхними пределом измерений;

• вариация показаний измерительного прибора (вариация показаний) – разность показаний прибора в одной и той же точке диапазона измерений при плавном подходе к этой точке со стороны меньших и больших значений измеряемой величины. Примечание — В высокочувствительных (особенно в электронных) измерительных приборах вариация приобретает иной смысл и может быть раскрыта как колебание его показаний около среднего значения (показание"дышит");
• порог чувствительности средства измерений (порог чувствительности) – характеристика средства измерений в виде наименьшего значения изменения физической величины, начиная с которого может осуществляться ее измерение данным средством.Кроме этого термина на практике применяются также термины: порог реагирования, порог подвижности, срабатывание, порог срабатывания и пороговая чувствительность, которые следует рассматривать как синонимы, не подлежащие применению;
• зона нечувствительности средства измерений (зона нечувствительности) – диапазон значений измеряемой величины, в пределах которого ее изменения не вызывают выходного сигнала средства измерений. Иногда эту зону называют мертвой;
• дрейф показаний средства измерений (дрейф показаний) – изменение показаний средства измерений во времени, обусловленное изменением влияющих величин или других факторов.

Для выбора номенклатуры и назначения метрологических  характеристик (МХ) важно определить вид конкретного средства измерений, поскольку для разных СИ используют различные МХ и комплексы МХ. Метрологические  характеристики средств измерений (МХ СИ) различных видов существенно  отличаются по номенклатуре. Так для  однозначной меры набор метрологических  характеристик включает значение мерыY и характеристики ее погрешностей, а для многозначной штриховой меры, измерительного преобразователя или прибора состав комплекса МХ значительно расширен, а сами комплексы могут существенно различаться между собой.

Метрологические характеристики (МХ) средств измерений  по ГОСТ 8.009-84 делят на следующие  группы:

• характеристики, предназначенные для определения результатов измерений (без введения поправки). Такие МХ можно назвать номинальными;
• характеристики погрешностей СИ;
• характеристики чувствительности СИ к влияющим величинам, которые тоже можно отнести к характеристикам погрешностей;
• динамические характеристики СИ;
• неинформативные параметры выходного сигнала СИ (предпочтительно рассматривать неинформативные параметры сигнала измерительной информации).

Названы также  и "характеристики СИ, отражающие их способность влиять на инструментальную составляющую погрешности измерений  вследствие взаимодействия СИ с любым  из подключенных к их входу или  выходу компонентов(таких как объект измерений, средство измерений и т.п.)".  

Номинальные метрологические характеристики мер  однозначной и многозначной включают значения мер, представляемые именованными числами. Для однозначной меры это  одно номинальное значение Y, а для  многозначной меры – множество значений Yi. Для штриховых многозначных мер обязательны также характеристики, связанные со шкалой (рассматриваются ниже вместе с другими МХ аналоговых СИ). Для любых мер кроме номинальных значений обязательно нормируются характеристики погрешностей.

В качестве интегральной метрологической характеристики как измерительного преобразователя, так и измерительного прибора может использоваться функция преобразования, представленная в табличной или графической форме. Такая функция может быть номинальной характеристикой группы однородных СИ, либо реальной градуировочной характеристикой конкретного СИ. Градуировочная характеристика конкретного экземпляра преобразующего СИ может быть получена в виде единичной реализации, пучка реализаций или оценки, полученной в результате комплексирования пучка единичных реализаций.

Под градуировкой понимают определение градуировочной характеристики средства измерений (встречается нерекомендуемый термин "тарировка СИ"). Определение градуировочной характеристики нестандартизованного СИ и оформление ее на шкале прибора соответствует понятию градуировки как метрологического мероприятия, поскольку в этом случае используют полученные в ходе исследований конкретные реализации зависимостей между величинами на входе и на выходе средства измерений.

Градуировкой  в узком смысле называют также  нанесение отметок на шкалу прибора, например осуществляемую типографским методом, что соответствует воспроизведению  на приборе номинальной функции  преобразования СИ. Такое понятие  градуировки отражает технологическую  сторону нанесения отметок шкалы  прибора.

Набор частных  МХ измерительного преобразователя  может включать такие номинальные  характеристики, как диапазон и пределы  преобразования, чувствительность СИ, вид выходного кода и число  разрядов выходного кода, цена единицы  наименьшего разряда кода, номинальная  ступень квантования. Остальные  МХ выбирают из той же номенклатуры, что и для измерительных приборов.

Для измерительных  преобразователей диапазон и пределы  преобразования могут вообще не устанавливаться, если они зависят не от самого преобразователя, а от устройств, с которыми он используется. Например, для тензопреобразователей, используемых в первичных измерительных преобразователях силы и деформаций, диапазон преобразуемых величин зависит не от самого тензопреобразователя, а от свойств применяемого упругого элемента. Для предельных электроконтактных преобразователей диапазон измерений полностью зависит от конструкции стойки или скобы, в которую преобразователь установлен. Пределы преобразования (нижний и верхний) соответствуют наименьшему и наибольшему значениям диапазона преобразования.

Для некоторых  первичных измерительных преобразователей диапазон преобразования может ограничиваться их физическими свойствами. Это касается термопар, фотоприемников лучистой энергии, емкостных и других преобразователей.

Для преобразователей с дискретной (цифровой, числовой) выдачей  сигнала измерительной информации вместо диапазона и пределов преобразований приходится использовать такие МХ, как вид выходного кода и число  разрядов выходного кода. Именно эти  МХ ограничивают возможности выдачи сигнала измерительной информации сверху и снизу.

Цена единицы  наименьшего разряда кода или  номинальная ступень квантования, если последняя больше цены единицы  наименьшего разряда кода, для  устройств с дискретной выдачей  измерительной информации ограничивает фиксируемый уровень изменения  входного сигнала снизу. В соответствии с этим положением можно провести аналогию между номинальной ступенью квантования и порогом чувствительности СИ.

Поскольку измерительные преобразователи  выдают измерительную информацию в  форме, не поддающейся непосредственному  восприятию оператором, реальные значения их МХ обычно определяют с подключением к этим СИ устройств отображения  информации, после чего они превращаются в измерительные приборы. Поэтому  далее будем рассматривать метрологические  характеристики измерительных приборов.   

Частные номинальные  метрологические характеристики измерительного прибора включают:

диапазон  измерений – область значений величины, в пределах которой нормированы  допускаемые пределы погрешности  средства измерений.

Примечание  — Значения величины, ограничивающие диапазон измерений снизу и сверху (слева и справа), называют соответственно нижним пределом измерений или верхними пределом измерений;

диапазон  показаний – область значений шкалы прибора, ограниченная начальным  и конечным значениями шкалы

Для многозначных штриховых мер используют также  термины "диапазон шкалы" и "пределы  шкалы", поскольку указатель как  элемент СИ в них отсутствует. Эти термины удобны также и  для характеристики приборов с несколькими  парами устройств отображения информации типа шкала-указатель.

Для приборов с дискретным (цифровым, числовым) устройством  отображения измерительной информации диапазон показаний определяется видом  выходного кода и числом разрядов кода. Код может быть десятиричный (десятичный), двенадцатиричный, шестидесятиричный и другой, например, семиричный код для дней недели. Важно также предельное число знаков на табло, в том числе цифр (число разрядов выходного кода) и других (не цифровых) знаков. Существенными признаками являются виды знаков и их содержание, например, наличие фиксированной или плавающей разделительной десятичной запятой (точки), минуса, знака переполнения или неправильного подключения прибора и др.

Одной из наиболее важных характеристик для приборов с устройством отображения информации типа шкала-указатель является цена деления шкалы (цена деления) – разность значений величин, соответствующих  двум соседним отметкам шкалы средства измерений.