Метрологічні характеристики засобів вимірювальної техніки

Останнім часом фахівці висловлюють думку, що похибка засобів вимірювальної техніки втрачає актуальність, тому що на її заміну приходить невизначеність вимірювань, однак це твердження не відповідає дійсності

До метрологічних характеристик засобів вимірювальної техніки зараховано характеристики, необхідні для забезпечення точності вимірювань, які проводяться за допомогою цього засобу.

Обов’язкові для всіх засобів вимірювальної техніки характеристики, що належать до метрологічних характеристик:

діапазон вимірювань – інтервал значень вимірюваної величини, для якого відома похибка засобу вимірювальної техніки;
похибка вимірювань – різниця між виміряним значенням величини та опорним значенням величини (Міжнародний словник з метрології (VIM)) чи різниця між виміряним значенням величини та умовно істинним значенням величини (ДСТУ 2681-94 «Метрологія. Терміни та визначення»).

Нормування метрологічних характеристик: застосовуємо вимоги OIML R 34

Метрологічні характеристики мають велике значення для правильного застосування засобів вимірювальної техніки.

У рекомендації Міжнародної організації законодавчої метрології OIML R 34 (ДСТУ OIML R 34:2008 «Метрологія. Класи точності засобів вимірювальної техніки») визначено характеристики похибок та позначення класів точності засобів вимірювальної техніки за його категоріями.

Цей міжнародний документ установлює принципи класифікації засобів вимірювальної техніки відповідно до їхньої точності та поширюється на такі засоби вимірювальної техніки:

матеріальні міри, які зберігають відповідну кількість величини;
засоби вимірювань, що реалізують процес вимірювань та за показами яких визначається значення виміряної величини;
вимірювальні перетворювачі, що перетворюють величину одного роду у відповідне значення величини іншого роду.

Засоби вимірювальної техніки класифікують за точністю через установлення класів, які характеризують різні рівні точності засобу конкретної категорії.

Під категорією мається на увазі сукупність засобів вимірювальної техніки, які вимірюють конкретну величину, наприклад:

вольтметри;
лінійки;
Рh-метри;
термометри тощо.

Для кожного класу точності однієї категорії засобів вимірювальної техніки повинні бути встановлені параметри та характеристики, які визначають специфічні метрологічні властивості та можуть спричинити похибки вимірювань, що виконуються цими засобами.

Для кожної категорії засобів вимірювальної техніки встановлюється певна кількість класів точності, відображаючи ті рівні метрологічних властивостей, які відповідають установленим вимогам науки та технології.

При цьому слід враховувати, що індекс, приписаний конкретному класу точності, відображає певний загальний рівень метрологічних властивостей засобу вимірювальної техніки, але безпосередньо не вказує на точність вимірювань, проведених цим засобом.

Параметри та характеристики засобів вимірювальної техніки, які застосовують під час класифікації ЗВТ за його точністю:

основна похибка;
додаткова похибка, що спричиняється змінами впливових величин, які зумовлюють зміни:
- показів засобу вимірювальної техніки;
- величини, відтворюваної матеріальними мірами;
- метрологічних характеристик вимірювальних перетворювачів;
нестабільність з часом;
похибка гістерезису;
інші властивості, що впливають на точність засобу вимірювальної техніки.

Можна навести такі приклади параметрів та метрологічних характеристик:

для кінцевих мір: різниця між їхньою реальною та номінальною довжиною, допустимі відхилення щодо площинності та паралельності їхніх робочих поверхонь, скручування та нестабільність з часом;
для еталонних комірок: нестабільність з часом;
для електричних показувальних засобів: основна похибка та зміни у показах, викликані змінами впливових величин (температури, частоти змінного струму тощо);
для зважувальних приладів: основна похибка, похибка гістерезису (варіація), похибка зрівнювання.

Параметри та характеристики для кожної категорії засобів вимірювальної техніки подають у формі:

максимально допустимих основних та додаткових похибок (або, замість них, зміни у показах, зумовлені змінами відповідних впливових величин);
максимально допустимої нестабільності;
максимально допустимого відхилення від еталонного.

Максимальні похибки засобів вимірювальної техніки можуть бути виражені у формі:

абсолютних похибок;
зведених похибок;
відносних похибок.

Обрання форми вираження похибки для деякої категорії засобів вимірювальної техніки має бути здійснене відповідно до їхніх властивостей з урахуванням:

принципу дії засобу;
вимірювального перетворення;
використання засобу;
інших чинників, які можуть впливати на залежність похибки від значення величини.

Розглянемо вираження максимальних похибок більш докладно.

1. У формі абсолютних похибок

Максимальні похибки засобів вимірювальної техніки виражають у формі абсолютних похибок (тобто в одиницях величин, які вимірюють, або ціною поділки шкали засобу вимірювальної техніки), якщо ці засоби призначені для сфери вимірювань, де заведено оцінювати рівень точності результатів у значеннях, виражених в одиницях вимірюваних величин або у цінах поділки засобу.

Наприклад, максимальну похибку мір довжини заведено виражати в одиницях довжини (приміром, у мікрометрах).

2. У формі зведених похибок

Максимальні похибки засобів вимірювальної техніки виражають у формі зведених похибок (тобто як відсоток від прийнятого значення), якщо абсолютні похибки в діапазоні шкали практично не залежать від значення вимірюваної величини та якщо одночасно необхідно виразити максимальні похибки числом, яке залишається незмінним для конкретного класу засобу вимірювальної техніки, де верхні межі діапазонів вимірювання різні.

Наприклад, абсолютні похибки показів амперметрів не змінюються практично на різних ділянках шкали. Водночас зручно позначати максимальні похибки амперметрів, що мають різні верхні межі діапазону вимірювання: 1 А, 10 А, 100 А… числом, яке не змінюється, коли змінюються верхні межі діапазону вимірювання (приміром, 1% від верхньої межі діапазону вимірювання).

3. У формі відносних похибок

Максимальні похибки засобів вимірювальної техніки виражають у формі відносних похибок (тобто як відсоток від значення вимірюваної величини), якщо абсолютні похибки ЗВТ є приблизно лінійною функцією вимірюваної величини та якщо водночас зручно позначати ці максимальні похибки числом (або числами), які залишаються незмінними для конкретного класу точності засобу вимірювальної техніки, у яких верхні межі діапазону вимірювання різні.

Наприклад: для комплекту котушок опору зі значеннями 0,01; 0,1; 1; 10; 100; 1000 і 10000 Ом заведено виражати максимальну похибку деяким числом, що позначає відносну похибку як відсоток (приміром, 0,01% номінального значення опору котушки).

Нормування похибки за методом розрахунку

На міжнародному та вітчизняному рівні застосовуються однакові методи нормування похибки за методом розрахунку (абсолютна, відносна та зведена) засобів вимірювальної техніки.

Розглянемо, як виконуються такі розрахунки.

1

Якщо максимальні похибки категорії засобу вимірювальної техніки, виражені у формі абсолютних похибок, не залежать від вимірюваної величини, то максимальні похибки встановлюють відповідно до формули 1:

∆ = ± а,

де:
∆ – абсолютна максимальна похибка;
а – постійне значення, виражене в одиницях вимірюваної величини або ціни поділки шкали.

2

Якщо максимальні похибки категорії засобу вимірювальної техніки (у робочому стані), виражені у формі абсолютних похибок, є в постійній залежності від значення вимірюваної величини, то максимальні похибки встановлюють відповідно до формули 2:

∆ = ± (а + bх),

де:
∆ – абсолютна максимальна похибка;
а – постійне значення, виражене в одиницях вимірюваної величини;
х – значення вимірюваної величини;
b – додатне абстрактне постійне число.

У випадку складніших залежностей між значеннями максимальних похибок та значеннями вимірюваної величини максимальні похибки встановлюють у виді функції, яка апроксимує цю функцію, або у формі таблиці.

3

Зведені максимальні похибки встановлюються відповідно до формули 3:

γ = ± 100 |∆| / х_N% = ± p %,

де:
γ – максимальна зведена похибка, виражена як відсоток прийнятого значення х_N;
|∆| – абсолютна максимальна похибка, виражена в тих самих одиницях, як прийняте значення х_N, без урахування знаку;
р – додатне абстрактне число.

Прийняте значення дорівнює:

для ЗВТ із лінійною або експоненціальною шкалою та якщо нуль шкали розташований в кінці або поза шкалою – значенню верхньої межі діапазону вимірювань;
для ЗВТ з лінійною або експоненціальною шкалою та якщо нуль шкали розташований усередині діапазону вимірювань – найбільшому значенню межі діапазону вимірювань (без урахування знаку)*;
для ЗВТ з дуже нелінійною шкалою – фактичній довжині всієї шкали (у цьому випадку ∆ виражається в тих самих одиницях, що і довжина шкали);
для ЗВТ, що градуйовані в одиницях величини, для якої можлива шкала з нулем (наприклад, в ℃), – діапазону вимірювань;
для ЗВТ, для яких номінальне значення фіксоване, – цьому номінальному значенню.

*У випадку електричних ЗВТ, продовжує діяти правило Міжнародної електротехнічної комісії (IEC), яке встановлює, що прийняте значення дорівнює арифметичній сумі значень двох меж діапазону вимірювань з обох боків від нуля, без урахування знаку.

4

Якщо максимальні похибки конкретної категорії засобу вимірювальної техніки (у робочому стані), виражені у формі відносних похибок, не залежать від значення вимірюваної величини, то максимальні похибки встановлюються відповідно до формули 4:

δ = ± 100 |∆| / х% = ± с %,

де:
δ – максимальна відносна похибка, виражена у відсотках значення х,
х – значення вимірюваної величини;
|∆| – абсолютна максимальна похибка без урахування знаку;
с – додатне абстрактне число.

5

Якщо максимальні похибки конкретної категорії засобу вимірювальної техніки, виражені у формі відносних похибок, залежать від значення вимірюваної величини, то максимальні похибки встановлюють відповідно до формули 5:

δ = ± 100 |∆| / х% = ± [с + d (x_m/x – 1)] %,

де:
δ – максимальна відносна похибка, виражена у відсотках значення х;
х – значення вимірюваної величини;
|∆| – межі абсолютної похибки без урахування знаку;
x_m – верхня межа діапазону вимірювань засобу вимірювальної техніки або діапазону зміни вхідної величини вимірювальних перетворювачів;
с та d – додатні абстрактні числа.

Позначення класів точності

Для засобів вимірювальної техніки, у яких максимальні похибки виражають абсолютною похибкою, застосовується позначення класів точності великими літерами або римськими цифрами. При цьому для конкретних категорій нормативними документами встановлюються можливі максимальні значення похибки для конкретного позначення.

Для засобів вимірювальної техніки, у яких максимальні похибки виражають через зведені або відносні похибки, розроблений ряд класів точності, який відповідає числам:

1×10ⁿ;
1,5×10ⁿ;
1,6×10ⁿ;
2×10ⁿ;
2,5×10ⁿ;
3×10ⁿ;
4×10ⁿ;
5×10ⁿ;
6×10ⁿ, де n = 1, 0, –1, –2 тощо.

Для засобів вимірювальної техніки, у яких максимальні похибки виражаються відносною похибкою, значення якої залежить від вимірюваної величини, ряд класів точності визначають та записують двома числами – c та d. При цьому ці числа c та d для кожного класу точності обирають з ряду, вказаного в OIML R 34, відношення між цими двома числами встановлюється документами для різних категорій засобів вимірювальної техніки, при цьому c повинно бути більшим, ніж d.

Рекомендації OIML та нормативні документи щодо категорій засобів вимірювальної техніки, які забезпечують їхній розподіл за точністю, повинні встановлювати ряди відповідних класів точності та максимальних похибок, а також умов, за яких їх визначено. Зокрема, це:

максимальна основна похибка (або похибки) та відповідні нормальні умови;
максимальні додаткові похибки та максимальні їхні діапазони під час використання для кожної впливової величини;
допустимі межі змін у показах як результат дії впливових величин, межі допустимої нестабільності з часом;
параметри та характеристики, що визначають всі інші метрологічні властивості засобів вимірювальної техніки.

Максимальні основні похибки та класи точності для кожної категорії засобів вимірювальної техніки виражені та застосовні за нормальних умов використання цих засобів. Нормальні значення та допустимі відхилення впливових величин повинні бути встановлені для категорії та типу засобів вимірювальної техніки.

Встановлення характеристик для засобів вимірювальної техніки: керуємось Директивою 2014/32/ЄС

Під час встановлення вимог до засобів вимірювальної техніки застосовують визначення термінів, закріплені в Директиві 2014/32/ЄС Європейського Парламенту та Ради від 26.02.2014 про гармонізацію законодавства держав-членів стосовно надання на ринку вимірювальних приладів та Технічному регламенті засобів вимірювальної техніки, затвердженому Постановою КМУ від 24.02.2016 № 163 (ідентичний Директиві 2014/32/ЄС).

Засіб вимірювальної техніки – будь-який пристрій або система з функцією вимірювання.

Впливова величина – величина, яка не є вимірюваною величиною, але впливає на результат вимірювання.

Максимально допустима похибка – значення похибки, яке не повинне перевищуватися за нормованих робочих умов і за відсутності перешкод та встановлене спеціальними вимогами.

Вимірювана величина – конкретна величина, що є об’єктом вимірювання.

Нормовані робочі умови – значення вимірюваної величини та впливових величин, що утворюють нормальні робочі умови для засобу вимірювальної техніки.

Перешкода – впливова величина, що має значення в межах, установлених відповідними вимогами, але поза встановлених нормованих робочих умов для засобу вимірювальної техніки. Впливова величина є перешкодою, якщо для цієї впливової величини не встановлено нормовані робочі умови.

Кліматичні умови – умови, за яких може експлуатуватися засіб вимірювальної техніки.

Згідно з Директивою 2014/32/ЄС за нормованих робочих умов і відсутності перешкод похибка вимірювання не повинна перевищувати значення максимально допустимої похибки, встановленого для відповідної категорії або типу засобу вимірювальної техніки в його експлуатаційних документах.

Максимально допустима похибка виражається як двостороннє значення відхилення від істинного значення вимірюваної величини.

За нормованих робочих умов і наявності перешкоди вимоги до експлуатаційних характеристик повинні бути такими, як встановлено вимогами нормативних або експлуатаційних документів.

Якщо засіб вимірювальної техніки призначено для застосування в умовах постійного впливу електромагнітного поля, то допустиме значення експлуатаційних характеристик повинно перебувати в межах максимально допустимої похибки під час випробувань на вплив випромінюваного амплітудно модульованого електромагнітного поля.

Виробник в експлуатаційних документах визначає кліматичні, механічні та електромагнітні умови, для яких призначене застосування засобу вимірювальної техніки, джерело живлення та інші величини, які впливають на його точність.

Згідно з Директивою 2014/32/ЄС виробник для встановлення кліматичних умов для засобу вимірювальної техніки повинен визначити найвищу та найнижчу температуру з наведених у таблиці значень і зазначити, чи призначений засіб вимірювальної техніки для роботи в умовах вологості з конденсацією або без неї, а також у відкритому чи закритому місці.

Відповідно до кліматичних робочих умов також установлюється вологість навколишнього середовища.

Зовнішні механічні умови класифікують за класами.

Клас М1

До нього належать засоби вимірювальної техніки, що застосовуються в місцях, які піддаються вібрації та ударам низького рівня, наприклад, засоби вимірювальної техніки, змонтовані на легких опорних конструкціях, що піддаються впливу незначних вібрацій і ударів, переданих поривами вітру або поштовхами, пов’язаними з місцевими вибухами або забиванням паль, грюканням дверей тощо.

Клас М2

До нього належать засоби вимірювальної техніки, які використовуються в місцях зі значним або високим рівнем вібрації й ударів, наприклад, від механізмів і машин, що проходять поруч, або близько розташованих важких машин, транспортерних стрічок тощо.

Клас М3

До нього належать засоби вимірювальної техніки, які використовують у місцях, де рівень вібрації й ударів високий або дуже високий, наприклад, для засобів вимірювальної техніки, встановлених безпосередньо на машинах, транспортерних стрічках тощо.

Стосовно зовнішніх механічних умов розглядають такі впливові величини:

вібрація;
механічний удар.

Зовнішні електромагнітні умови класифікують за такими класами.

Клас Е1

До нього належать засоби вимірювальної техніки, що використовуються в місцях з електромагнітними перешкодами, подібними до перешкод, які можуть виникати в житлових, торгових і легких промислових будівлях.

Клас Е2

До нього належать засоби вимірювальної техніки, які використовують у місцях з електромагнітними перешкодами, подібними до перешкод, які можуть виникати в інших промислових будівлях.

Клас Е3

До нього належать засоби вимірювальної техніки, що живляться від акумулятора автомобіля. Такі засоби вимірювальної техніки повинні відповідати вимогам класу Е2 і таким додатковим вимогам:

падіння напруги, спричинене підключенням стартера-мотора двигуна внутрішнього згоряння;
перехідні процеси через падіння навантаження у разі розрядження акумулятора, відключеного за дієвого двигуна.

Стосовно зовнішніх електромагнітних умов розглядають такі впливові величини:

переривання напруги;
короткочасні падіння напруги;
перехідні процеси в силових та/або сигнальних колах;
електростатичні розряди;
радіочастотні електромагнітні поля;
наведені радіочастотні електромагнітні поля на силових лініях та/або сигнальних колах;
викиди напруги й струму в силових лініях та/або сигнальних колах.

Інші впливові величини, які слід враховувати за необхідності:

коливання напруги;
коливання частоти напруги живлення;
частотні електромагнітні поля джерела живлення;
будь-яка інша величина, яка може вплинути значною мірою на точність засобу вимірювальної техніки.

Для засобів вимірювальної техніки встановлюються характеристики відтворюваності та повторюваності.

Близькість результатів послідовних вимірювань однієї й тієї самої вимірюваної величини під час зміни місця вимірювання або споживача (користувача), коли всі інші умови вимірювань залишаються незмінними, є відтворюваністю. Розбіжність результатів вимірювань повинна бути незначною порівняно з максимально допустимою похибкою.

Близькість результатів повторних вимірювань однієї й тієї самої вимірюваної величини, виконаних в одних і тих самих умовах вимірювань, є повторюваністю. Розбіжність результатів вимірювань повинна бути незначною порівняно з максимально допустимою похибкою.

Наразі на додаток до діапазону вимірювань та максимально допустимої похибки для засобів вимірювань застосовується така характеристика, як розподільна здатність.

За Міжнародним словником з метрології (VIM) розподільна здатність є мінімальною різницею між наданими показами, яка може бути значною.

Таким чином, метрологічні характеристики засобів вимірювальної техніки обов’язково включають похибку, а невизначеність не нормується.