Что такое диапазон измерений в метрологии
Метрология
Показатели и характеристики приборов
Основные характеристики средств измерения
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.
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.
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.
Чувствительность прибора
Если стрелка прибора при точных измерениях останавливается между штрихами шкалы, то отсчет производится глазомерной оценкой дробной части деления, пройденного стрелкой.
Параллакс
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
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
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
Примечание: точками обозначены недостающие цифры в обозначении степени защиты от другого вредного фактора.
Метрологические свойства и характеристики средств измерений
Метрологические свойства СИ — это свойства, влияющие на результат измерений и его погрешность. Показатели метрологических свойств являются их количественной характеристикой и называются метрологическими характеристиками.
Метрологические характеристики, устанавливаемые НД, называют нормируемыми метрологическими характеристиками.
Все метрологические свойства СИ можно разделить на две группы:
К основным метрологическим характеристикам, определяющим свойства первой группы, относятся диапазон измерений и порог чувствительности.
Диапазон измерений — область значений величины, в пределах которых нормированы допускаемые пределы погрешности. Значения величины, ограничивающие диапазон измерений снизу или сверху (слева и справа), называют соответственно нижним или верхним пределом измерений.
Порог чувствительности — наименьшее изменение измеряемой величины, которое вызывает заметное изменение выходного сигнала. Например, если порог чувствительности весов равен 10 мг, то это означает, что заметное перемещение стрелки весов достигается при таком малом изменении массы, как 10 мг.
К метрологическим свойствам второй группы относятся два главных свойства точности: правильность и прецизионность результатов.
Точность измерений СИ определяется их погрешностью.
Погрешность средства измерений — это разность между показаниями СИ и истинным (действительным) значением измеряемой величины. Поскольку истинное значение физической величины неизвестно, то на практике пользуются ее действительным значением. Для рабочего СИ за действительное значение принимают показания рабочего эталона низшего разряда (допустим, 4-го), для эталона 4-го разряда, в свою очередь, — значение величины, полученное с помощью рабочего эталона 3-го разряда. Таким образом, за базу для сравнения принимают значение СИ, которое является в поверочной схеме вышестоящим по отношению к подчиненному СИ, подлежащему поверке.
Погрешности СИ могут быть классифицированы по ряду признаков, в частности:
Наибольшее распространение получили метрологические свойства, связанные с первой группировкой — с абсолютными и относительными погрешностями.
Систематическая погрешность — cоставляющая погрешности результата измерения, остающаяся постоянной (или же закономерно изменяющейся) при повторных измерениях одной и той же величины. Ее примером может быть погрешность градуировки, в частности погрешность показаний прибора с круговой шкалой и стрелкой, если ось последней смещена на некоторую величину относительно центра шкалы. Если эта погрешность известна, то ее исключают из результатов разными способами, в частности введением поправок. При химическом анализе систематическая погрешность проявляется в случаях, когда метод измерений не позволяет полностью выделить элемент или когда наличие одного элемента мешает определению другого.
Величина систематической погрешности определяет такое метрологическое свойство, как правильность измерений СИ.
Случайная погрешность — составляющая погрешности результата измерения, изменяющаяся случайным образом (по знаку и значению) в серии повторных измерений одного и того же размера величины с одинаковой тщательностью. В появлении этого вида погрешности не наблюдается какой-либо закономерности. Они неизбежны и неустранимы, всегда присутствуют в результатах измерения. При многократном и достаточно точном измерении они порождают рассеяние результатов.
Характеристиками рассеяния являются средняя арифметическая погрешность, средняя квадратическая погрешность, размах результатов измерений. Поскольку рассеяние носит вероятностный характер, то при указании на значения случайной погрешности задают вероятность.
Оценка погрешности измерений СИ, используемых для определения показателей качества товаров, определяется спецификой применения последних. Например, погрешность измерения цветового тона керамических плиток для внутренней отделки жилища должна быть по крайней мере на порядок ниже, чем погрешность измерения аналогичного показателя серийно выпускаемых картин, сделанных цветной фотопечатью. Дело в том, что разнотонность двух наклеенных рядом на стену кафельных плиток будет бросаться в глаза, тогда как разнотонность отдельных экземпляров одной картины заметно не проявится, так как они используются разрозненно.
Номенклатура нормируемых метрологических характеристик СИ определяется назначением, условиями эксплуатации и многими другими факторами. У СИ, применяемых для высокоточных измерений, нормируется до десятка и более метрологических характеристик в стандартах технических требований (технических условий) и ТУ. Нормы на основные метрологические характеристики приводятся в эксплуатационной документации на СИ. Учет всех нормируемых характеристик необходим при измерениях высокой точности и в метрологической практике. В повседневной производственной практике широко пользуются обобщенной характеристикой — классом точности.
Класс точности СИ — обобщенная характеристика, выражаемая пределами допускаемых (основной и дополнительной) погрешностей, а также другими характеристиками, влияющими на точность. Классы точности конкретного типа СИ устанавливают в НД. При этом для каждого класса точности устанавливают конкретные требования к метрологическим характеристикам, в совокупности отражающим уровень точности СИ данного класса.
Присваиваются классы точности СИ при их разработке (по результатам приемочных испытаний). В связи с тем что при эксплуатации их метрологические характеристики обычно ухудшаются, допускается понижать класс точности по результатам поверки (калибровки). Таким образом, класс точности позволяет судить о том, в каких пределах находится погрешность измерений этого класса. Это важно знать при выборе СИ в зависимости от заданной точности измерений.
Термин: Диапазон измерений
Диапазон измерений – это 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 верхним пределом измерений. Это общепринятое (согласно РМГ 29-99) определение диапазона измерения по смыслу достаточно очевидно. Но при решении практических задач измерения значений физической величины имеется целый ряд особенностей конкретных приборов, связанных с диапазоном измерения. Кратко разберём эти особенности.
Для приборов с двуполярным диапазоном измерения верхний предел измерения по модулю может быть не равен нижнему.
В некоторых приборах диапазон измерения разбит на поддиапазоны. Смена поддиапазонов измерения происходит автоматически, по команде или ручным способом, но в процессе смены поддиапазона измерения, как правило, приостанавливаются.
У некоторых приборов реальный диапазон показаний превышает диапазон измерений, в котором нормированы допускаемые пределы погрешности прибора. Это связано не только с количеством разрядов индикатора, но и с некоторым технологическим запасом, который может быть заложен в данный прибор.
Несмотря на то, что у большинства приборов предельно допустимый входной диапазон превышает диапазон измерений, как минимум, не рекомендуется постоянно эксплуатировать прибор при значении измеряемой физической величины вблизи границ предельно допустимого диапазона.
Для приборов, измеряющих среднеквадратическое значение (СКЗ) переменной физической величины также указывают диапазон измерений СКЗ этой величины, но нередко не указывают реальный рабочий диапазон пиковых (амплитудных) значений этой величины. Это связано с тем, что СКЗ на приборы нормируют либо на синусоидальном сигнале, либо на тестовых измерительных сигналах специального (стандартного) вида. При этом, в тракт измерения прибора закладывают технологический запас по амплитудным значениям измеряемой величины, исходя из стандартных требований для данной области применения. Заметим, что, чем шире полоса частот реального измеряемого сигнала, тем больше диапазон амплитудных значений сигнала по отношению к СКЗ этого сигнала. Таким образом, в случае резко нестандартного сигнала, его амплитудное значение может ограничиться внутри прибора, при том, что СКЗ, измеренное с большой ошибкой, может остаться в рабочем диапазоне. В данной случае, эта ошибка вызвана нелинейностью тракта преобразования из-за превышения входного диапазона сигнала.
Указание в характеристиках прибора входного диапазона измерения СКЗ сигнала при заданном максимальном коэффициенте амплитуды сигнала даёт возможность оценить запас по диапазону измерения данного входа прибора для сигнала общего вида.
Метрологические свойства средств измерений
Метрологические свойства СИ – это свойства, влияющие на результат измерений и его погрешность. Показатели метрологических свойств являются их количественной характеристикой и называются метрологическими характеристиками.
Метрологические характеристики, устанавливаемые НД, называют нормируемыми метрологическими характеристиками.
Все метрологические свойства СИ можно разделить на две группы:
К основным метрологическим характеристикам, определяющим область применения СИ, относятся диапазон измерений и порог чувствительности.
Диапазон измерений – область значений величины, в пределах которых нормированы допускаемые пределы погрешности. Значения величины, ограничивающие диапазон измерений снизу или сверху (слева и справа), называют соответственно нижним или верхним пределом измерений.
Порог чувствительности – наименьшее изменение измеряемой величины, которое вызывает заметное изменение выходного сигнала. Например, если порог чувствительности весов равен 10 мг, то это означает, что заметное перемещение стрелки весов достигается при таком малом изменении массы, как 10 мг.
К метрологическим свойствам второй группы относятся два главных свойства точности: правильность и прецизионность результатов.
Точность измерений СИ определяется их погрешностью.
Погрешность средства измерений – это разность между показаниями СИ и истинным (действительным) значением измеряемой величины. Поскольку истинное значение физической величины неизвестно, то на практике пользуются ее действительным значением. Для рабочего СИ за действительное значение принимают показания рабочего эталона низшего разряда (допустим, 4-го), для эталона 4-го разряда, в свою очередь, – значение величины, полученное с помощью рабочего эталона 3-го разряда. Таким образом, за базу для сравнения принимают значение СИ, которое является в поверочной схеме вышестоящим по отношению к подчиненному СИ, подлежащему поверке.
Погрешности СИ могут быть классифицированы по ряду признаков, в частности:
Наибольшее распространение получили метрологические свойства, связанные с абсолютными и относительными погрешностями.
Систематическая погрешность – cоставляющая погрешности результата измерения, остающаяся постоянной (или же закономерно изменяющейся) при повторных измерениях одной и той же величины. Ее примером может быть погрешность градуировки, в частности погрешность показаний прибора с круговой шкалой и стрелкой, если ось последней смещена на некоторую величину относительно центра шкалы. Если эта погрешность известна, то ее исключают из результатов разными способами, в частности введением поправок. При химическом анализе систематическая погрешность проявляется в случаях, когда метод измерений не позволяет полностью выделить элемент или когда наличие одного элемента мешает определению другого.
Величина систематической погрешности определяет такое метрологическое свойство, как правильность измерений СИ.
Случайная погрешность – составляющая погрешности результата измерения, изменяющаяся случайным образом (по знаку и значению) в серии повторных измерений одного и того же размера величины с одинаковой тщательностью. В появлении этого вида погрешности не наблюдается какой-либо закономерности. Они неизбежны и неустранимы, всегда присутствуют в результатах измерения. При многократном и достаточно точном измерении они порождают рассеяние результатов.
Характеристиками рассеяния являются средняя арифметическая погрешность, средняя квадратическая погрешность, размах результатов измерений. Поскольку рассеяние носит вероятностный характер, то при указании на значения случайной погрешности задают вероятность.
Оценка погрешности измерений СИ, используемых для определения показателей качества товаров, определяется спецификой применения последних. Например, погрешность измерения цветового тона керамических плиток для внутренней отделки жилища должна быть по крайней мере на порядок ниже, чем погрешность измерения аналогичного показателя серийно выпускаемых картин, сделанных цветной фотопечатью. Дело в том, что разнотонность двух наклеенных рядом на стену кафельных плиток будет бросаться в глаза, тогда как разнотонность отдельных экземпляров одной картины заметно не проявится, так как они используются разрозненно.
Номенклатура нормируемых метрологических характеристик СИ определяется назначением, условиями эксплуатации и многими другими факторами. У СИ, применяемых для высокоточных измерений, нормируется до десятка и более метрологических характеристик в стандартах технических требований (технических условий) и ТУ. Нормы на основные метрологические характеристики приводятся в эксплуатационной документации на СИ. Учет всех нормируемых характеристик необходим при измерениях высокой точности и в метрологической практике. В повседневной производственной практике широко пользуются обобщенной характеристикой – классом точности.
Класс точности СИ – обобщенная характеристика, выражаемая пределами допускаемых (основной и дополнительной) погрешностей, а также другими характеристиками, влияющими на точность. Классы точности конкретного типа СИ устанавливают в НД. При этом для каждого класса точности устанавливают конкретные требования к метрологическим характеристикам, в совокупности отражающим уровень точности СИ данного класса.
Классы точности присваиваются средствам измерений при их разработке (по результатам приемочных испытаний). В связи с тем, что при эксплуатации их метрологические характеристики обычно ухудшаются, допускается понижать класс точности по результатам поверки (калибровки). Таким образом, класс точности позволяет судить о том, в каких пределах находится погрешность измерений этого класса. Это важно знать при выборе СИ в зависимости от заданной точности измерений.
Что такое диапазон измерений в метрологии
РЕКОМЕНДАЦИИ ПО МЕЖГОСУДАРСТВЕННОЙ СТАНДАРТИЗАЦИИ
Государственная система обеспечения единства измерений
Основные термины и определения
State system for ensuring the uniformity of measurements. Metrology. Basic terms and definitions
Дата введения 2015-01-01
Цели, основные принципы и основной порядок проведения работ межгосударственной стандартизации установлены ГОСТ 1.0-92 «Межгосударственная система стандартизации. Основные положения» и ГОСТ 1.2-2009 «Межгосударственная система стандартизации. Стандарты межгосударственные, правила и рекомендации по межгосударственной стандартизации. Правила разработки, принятия, применения, обновления и отмены»
Сведения о рекомендациях
1 РАЗРАБОТАНЫ Федеральным государственным унитарным предприятием «Всероссийский научно-исследовательский институт метрологии им.Д.И.Менделеева» (ФГУП «ВНИИМ им.Д.И.Менделеева»)
2 ВНЕСЕНЫ Федеральным агентством по техническому регулированию и метрологии (Росстандарт)
3 ПРИНЯТЫ Межгосударственным советом по стандартизации, метрологии и сертификации (протокол от 14 ноября 2013 г. N 44)
За принятие проголосовали:
Краткое наименование страны по МК (ИСО 3166) 004-97
Сокращенное наименование национального органа по стандартизации
Минэкономики Республики Армения
Госстандарт Республики Беларусь
4 Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 5 декабря 2013 г. N 2166-ст рекомендации по межгосударственной стандартизации РМГ 29-2013 введены в действие в Российской Федерации для применения в качестве рекомендаций по метрологии Российской Федерации с 1 января 2015 г.
Введение
За полтора десятка лет, прошедших с подготовки последней редакции РМГ 29, продолжалось развитие понятийного аппарата современной метрологии, отражающее расширение влияния метрологии на новые области измерений и отвечающее процессам глобализации и интеграции, происходящим в мировой экономике.
Современное представление основных понятий зафиксировано в последней редакции Международного словаря по метрологии (VIM3-2008)*, где основные изменения коснулись расширения таких понятий, как «метрология», «величина», а также включения ряда новых понятий, связанных с метрологической прослеживаемостью и неопределенностью измерений. Одной из задач актуализации РМГ 29 является гармонизация с международной терминологией, что направлено на обеспечение единого подхода к оценке качества результатов измерений, установление их метрологической прослеживаемости и, в конечном итоге, способствует взаимному признанию результатов измерений, калибровок, испытаний и выполнению международных обязательств стран СНГ.
Настоящие рекомендации содержат основные термины, используемые в метрологии. Часть терминов предыдущей редакции РМГ 29 исключены. Это касается, в первую очередь, ряда терминов, содержащихся в других межгосударственных документах и терминов, относящихся к организации деятельности метрологической службы.
Взаимные отношения между терминами иллюструет приложение А, содержащее схемы связи понятий.
1 Область применения
Настоящие рекомендации устанавливают основные термины и определения понятий в области метрологии.
Термины, установленные настоящим документом, рекомендуется применять во всех видах документации, научно-технической, учебной и справочной литературе по метрологии, входящих в сферу работ по стандартизации и (или) использующих результаты этих работ.
2 Метрология и ее разделы
2.1 метрология: Наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности.
2.2 теоретическая метрология: Раздел метрологии, предметом которого является разработка фундаментальных основ метрологии.
2.3 законодательная метрология: Раздел метрологии, предметом которого является установление обязательных технических и юридических требований по применению единиц величин, эталонов, методов и средств измерений, направленных на обеспечение единства и требуемой точности измерений.
2.4 практическая (прикладная) метрология: Раздел метрологии, предметом которого являются вопросы практического применения разработок теоретической метрологии и положений законодательной метрологии.
practical (applied) metrology
3 Величины и единицы
3.1 величина: Свойство материального объекта или явления, общее в качественном отношении для многих объектов или явлений, но в количественном отношении индивидуальное для каждого из них.
3.2 размер величины: Количественная определенность величины, присущая конкретному материальному объекту или явлению.
3.3 род (величины): Качественная определенность величины.
kind of quantity, kind
3.4 значение величины: Выражение размера величины в виде некоторого числа принятых единиц, или чисел, баллов по соответствующей шкале измерений.
quantity value, value of a quantity, value
3.5 числовое значение (величины): Отвлеченное число, входящее в значение величины.
numerical quantity value, numerical value of a quantity, numerical value
3.6 система величин: Согласованная совокупность величин и уравнений связи между ними, образованная в соответствии с принятыми принципами, когда одни величины условно принимают за независимые, а другие определяют как функции независимых величин.
1 Порядковые величины, такие как твердость, измеряемая по шкале С Роквелла, обычно не рассматриваются как относящиеся к системе величин, так как они связаны с другими величинами только через эмпирические соотношения.
system of quantities
3.7 уравнение связи (между величинами): Математическое соотношение между величинами в данной системе величин, основанное на законах природы и не зависящее от единиц измерения.
3.8 основная величина: Одна из величин подмножества, условно выбранного для данной системы величин так, что никакая из величин этого подмножества не может выражаться через другие величины.
1 Подмножество, упоминаемое в этом определении, называется набором основных величин.
2 Основные величины относят к взаимно независимым, так как основная величина не может быть выражена как произведение степеней других основных величин.
3.9 производная величина: Величина, входящая в систему величин и определяемая через основные величины этой системы.
3.10 Международная система величин: Система величин, основанная на подмножестве семи основных величин: длины, массы, времени, электрического тока, термодинамической температуры, количества вещества и силы света.
International System of Quantities, ISQ
3.11 размерность (величины): Выражение в форме степенного одночлена, составленного из произведений символов основных величин в различных степенях и отражающее связь данной величины с величинами, принятыми в данной системе величин за основные с коэффициентом пропорциональности, равным 1.
1 Степени символов основных величин, входящих в одночлен, в зависимости от связи рассматриваемой величины с основными, могут быть целыми, дробными, положительными и отрицательными. Понятие размерности распространяется и на основные величины. Размерность основной величины в отношении самой себя равна единице, т.е. формула размерности основной величины совпадает с ее символом.
2 Символы, представляющие размерности основных величин в Международной системе величин, приведены в таблице 1.
quantity dimension, dimension of a quantity, dimension