Метрологические характеристики средств измерений

Метрология – наука об измерениях – играет важную роль в различных сферах человеческой деятельности. Метрологические характеристики измерительных приборов определяют их способность точно выполнять свою работу. Понимание этих характеристик необходимо для обеспечения точности и достоверности получаемых данных. 

В данном материале подробно рассмотрены основные метрологические характеристики средств измерений, их виды и методы определения, а также ошибки, которые могут возникнуть при их использовании. Эта информация позволит специалистам углубить свои знания в области метрологии и повысить качество проводимых измерений.

Что такое метрологические характеристики СИ?

Метрологические характеристики средства измерений – это характеристики одного из его свойств, влияющие на результат измерения и на его погрешность. Они определяют возможность практического получения результатов измерений – их величины и погрешности. 

Основными метрологическими характеристиками СИ являются:

• длина деления шкалы – расстояние между серединами двух ее соседних отметок (штрихов, точек и т. п.); 
• цена деления шкалы – разность значений величин, соответствующих ее двум соседним отметкам; 
• градуировка – зависимость между значениями величин на входе и выходе СИ;
• диапазон показаний – область значений шкалы, ограниченная начальным и конечным значениями шкалы (наибольшим и наименьшим значениями измеряемой величины); 
• диапазон измерений – область значений измеряемой величины, в пределах которой нормированы допустимые пределы погрешности СИ; 
• чувствительность измерительного прибора – отношение изменения его сигнала на выходе к сигналу на входе;
• вариация (нестабильность) показаний прибора – алгебраическая разность между наибольшим и наименьшим результатами при многократном измерении одной и той же величины в неизменных условиях;
• стабильность СИ – свойство, выражающее неизменность его показаний во времени.

Перечень метрологических характеристик, правила выбора комплекса нормируемых метрологических характеристик и способы их нормирования содержатся в соответствующих НПА.

Виды метрологических характеристик

Существует несколько ключевых метрологических характеристик СИ:

• точность. Это качество измерений, отражающее близость их результатов к истинному значению измеряемой величины. Количественная оценка точности – обратная величина модуля относительной погрешности;
• погрешность. Это разность между результатом измерения величины и ее настоящим (действительным) значением. Различают абсолютную и относительную погрешности; 
• повторяемость. Отражает близость друг к другу результатов измерений одного и того же параметра, выполненных повторно одними и теми же средствами одним и тем же методом и в аналогичных условиях;
• стабильность. Качественная характеристика СИ, отражающая неизменность его метрологических свойств во времени. Количественной оценкой стабильности является уровень нестабильности СИ или вариация его показаний; 
• диапазон измерений. Указывает на допускаемый интервал значений для результатов измерений. Варьируется от минимального до максимального возможного значения измеряемой величины.

Точность измерений

Эта характеристика качества измерений отражает степень близости результатов к истинному значению измеряемой величины. Чем меньше результат измерения отклоняется от истинного значения величины, тем меньше его погрешность и выше точность. 

Точность измерений зависит от нескольких факторов:

• расположение наблюдателя относительно измерительного прибора. Например, если смотреть на линейку сбоку, из-за неточного определения полученного значения произойдет погрешность измерений; 
• деформация измерительного прибора. Металлические и пластиковые линейки могут изогнуться, а сантиметровая лента со временем растягивается; 
• несоответствие шкалы прибора эталонным значениям. При множественном копировании эталонов может произойти ошибка, которая в будущем будет повторяться;
• физический износ шкалы измерений. Это приводит к невозможности распознавания ее значений;
• неверный масштаб шкалы прибора. Он определяет значения делений и расстояние между ними. 

Также на точность измерений влияет погрешность измерительного прибора.

Погрешность измерений

Это отклонение результата измерений от истинного (действительного) значения измеряемой величины. Различают два вида погрешностей:

• абсолютная. Показывает наибольшее возможное отклонение истинного значения измеряемой величины от измеренного прибором. Выражается в тех же единицах, что и измеряемая величина;
• относительная. Показывает, какую долю от измеренного значения составляет абсолютная погрешность. Выражается в долях или в процентах от действительного значения измеряемой величины. 

По источнику возникновения погрешности измерений делятся на три вида:

• инструментальная – погрешность, возникающая из-за несовершенства средств измерений; 
• методическая – погрешность, возникающая из-за несовершенства метода измерений; 
• субъективная (личная) – погрешность, обусловленная индивидуальными особенностями лица, выполняющего измерения.

Повторяемость и стабильность

Повторяемость измерений – это изменчивость их результатов в аналогичных условиях. При этом все в процессе должно оставаться неизменным: оборудование, оператор, метод, условия окружающей среды и т. д. 

Стабильность результатов измерений имеет место в ситуациях, когда наблюдаемую изменчивость можно объяснить постоянно действующим комплексом обычных причин. Цель контроля стабильности – оценка реального качества совокупности результатов измерений, выполняемых в лаборатории. Для проверки стабильности результатов измерений используют контрольные карты Шухарта и контрольные карты кумулятивных сумм. Основная задача контрольных карт – обнаружить неестественные изменения данных, характеризующих повторяющийся процесс, и дать критерий для обнаружения отсутствия в нем статистической управляемости.

Разрешающая способность

Разрешающая способность результатов измерений показывает, какое минимальное отклонение измеряемой величины может быть зарегистрировано прибором. Данная характеристика не связана с точностью измерений напрямую. Она определяет, сможет ли прибор различить два разных результата измерения. 

Разрешающая способность измерений зависит от различных факторов в зависимости от типа измерительного прибора. Для стрелочных (аналоговых) приборов она определяется возможностью зрительно зафиксировать точное положение стрелки между делениями шкалы. Для мелких шкал с малым расстоянием между делениями разрешающая способность равна половине цены деления. Для крупных шкал с большим расстоянием между делениями разрешающая способность повышается, даже при той же цене деления. 

Для цифровых приборов разрешающая способность определяется не индикатором, а разрешающей способностью преобразователя аналоговой величины в цифровой вид. 

Разрешающая способность оптических приборов зависит от способности получать четкие изображения двух точек объекта, расположенных поблизости. Она изменяется обратно пропорционально расстоянию между двумя объектами, подлежащими разрешению.

Линейность измерений

Это способность средства измерения обеспечивать пропорциональность показаний входному сигналу. Линейность измерений зависит от следующих факторов:

• от воздействия на СИ факторов окружающей среды; 
• от срока его службы и допусков на установку; 
• от метода измерения. Например, если оно происходит плавно или медленно, нелинейность можно устранить калибровкой с помощью нескольких опорных точек.

Процедура определения линейности заключается в проведении подходящей прямой линии. Затем нелинейность определяется как максимальное отклонение любого из выходных показаний от этой прямой линии и выражается в процентах от полной шкалы. Например, в электронике линейная рабочая область устройства находится там, где выходная зависимая переменная прямо пропорциональна входной.

Как определяются метрологические характеристики

Как говорилось выше, метрологические характеристики – это характеристики средств измерений, определяющие возможность практического получения результатов измерений (их величины и погрешности). Они определяются нескольким методами, которые описаны ниже.

Методы определения

Процесс определения метрологических характеристик включает в себя калибровку или поверку, при которых показания СИ сравнивают с эталонными значениями величины. 

Есть два основных метода определения метрологических характеристик СИ:

• метод непосредственной оценки. При его использовании значение величины определяют непосредственно по отсчетному устройству измерительного прибора прямого действия. Пример: измерение напряжения с помощью вольтметра;
• метод сравнения. В этом случае измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой.

У метода сравнения есть несколько разновидностей:

• нулевой метод, когда действие измеряемой величины полностью уравновешивается образцовой; 
• дифференциальный метод, когда определяется разница между измеряемой величиной и близкой ей по значению известной эталонной; 
• метод замещения, при котором действие измеряемой величины замещается образцовой.

Нормативные документы, стандарты

В России метрологические характеристики определяются ГОСТ 8.009-84. Он описывает технические характеристики СИ, их свойства, влияние на результаты и погрешности измерений. Стандарт разделяет нормируемые характеристики, устанавливаемые нормативно-техническими документами, и действительные, которые определяются экспериментально. 

Также есть и иные документы и стандарты, связанные с определением метрологических характеристик СИ. Это ГОСТ Р 8.674-2009 «Государственная система обеспечения единства измерений (ГСИ). Общие требования». Стандарт распространяется на средства измерений и технические системы и устройства с измерительными функциями и устанавливает состав и представление общих требований к ним. 

Еще один документ – ГОСТ Р 8.810-2012 «Государственная система обеспечения единства измерений. Стандартные образцы. Программа и методика определения метрологических характеристик». Стандарт устанавливает общие рекомендации к содержанию программ и методик определения метрологических характеристик стандартных образцов, выпускаемых в РФ.

Ошибки при работе с метрологическими характеристиками

Среди распространенных ошибок при работе с метрологическими характеристиками СИ можно выделить следующие:

• игнорирование погрешности. Это может привести к ошибочному признанию бракованных изделий годными, а годных – бракованными; 
• неправильный выбор диапазона измерений. При выборе СИ необходимо, чтобы его диапазон измерений был больше измеряемого размера, а диапазон показаний – больше допуска измеряемого размера; 
• отсутствие регулярной поверки. СИ до ввода в эксплуатацию, а также после ремонта подлежат первичной поверке, а в процессе эксплуатации – периодической. 

Также к ошибкам при работе с метрологическими характеристиками относят неправильный отсчет по шкале измерительного прибора или неправильную запись результата наблюдений.

Игнорирование погрешности

Может привести к неточным измерениям и потенциально ошибочным результатам. Например, игнорирование погрешности калибровки измерительного прибора может привести к ошибкам, особенно в научных исследованиях или в других отраслях, где точные измерения имеют решающее значение. Для уменьшения погрешности можно:

• использовать более точное измерительное устройство; 
• пригласить более квалифицированного специалиста; 
• если измерение не единоразовое – увеличить количество циклов.

Также для исключения систематической погрешности можно ввести поправку в результат измерения или в показания прибора, равную этой погрешности, но с обратным знаком. Еще один способ – сравнить исследуемый объект с предварительно аттестованным образцом. Если нет большой разницы в значениях измеряемого объекта и образца, систематическая погрешность исключается из результатов измерений.

Неправильный выбор диапазона измерений

Также может привести к искажению результатов. Например, при использовании рефлектометра неправильный выбор диапазона измерения может вызвать большее отклонение результатов тестирования. 

Неправильный выбор диапазона измерений распространен при подборе датчиков – например, для измерения давления. Важно выбрать устройство с диапазоном, максимально близким к фактическому рабочему значению с учетом скачков давлений. 

Если ничего не известно о возможном значении измеряемого параметра, рекомендуется начинать измерять со старшего («грубого») диапазона и, постепенно переходя на более чувствительный, искать подходящий. Также стоит стремиться выбрать такой диапазон, на котором показания индикатора содержат максимальное число цифр.

Отсутствие регулярной поверки

Может вызвать следующие ошибки: 

• СИ с погрешностью, превышающей допустимую, будут признаны годными (необнаруженный брак);
• исправные устройства будут признаны негодными (ошибочный брак).

Обе категории ошибок опасны и могут повлечь негативные последствия для пользователей и производителей СИ. Также при увеличении межповерочного интервала возрастает риск применения неисправных устройств с недопустимой погрешностью.

Выводы

Метрологические характеристики СИ играют ключевую роль в обеспечении точности и надежности измерений. Они определяют, насколько близки результаты измерений к истинным значениям, а также влияют на погрешности, которые могут возникать в процессе измерений. 

Основные характеристики – длина деления шкалы, цена деления, градуировка и диапазоны показаний – необходимы для определения качества измерительных приборов. Точность измерений, их повторяемость и стабильность также существенно влияют на результаты, и их необходимо учитывать при проведении измерений. 

Ошибки, возникающие из-за игнорирования погрешностей, неправильного выбора диапазона измерений и отсутствия регулярной поверки СИ могут привести к серьезным последствиям: недостоверным результатам и неправильным выводам. Поэтому важно строго следовать установленным стандартам и методам калибровки, а также регулярно поверять СИ, чтобы гарантировать их соответствие нормативным требованиям и обеспечить высокое качество измерений. Эти меры помогут минимизировать риски и повысить надежность получаемых результатов.

Изображение от freepik