МЕТРОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ И КОНТРОЛЯ

1. Метрологическая характеристика средства измерений —

Цена деления шкалы — это разность значения величин, со­ответствующих двум соседним отметкам шкалы средства измерений. Например, если перемещение указателя шкалы из положе­ния I в положение II (рис. 1, а) соответствует изменению вели­чины в 0,001 мм, то цена деления этой шкалы равна 0,001 мм. Чаще всего используют кратные и дольные значения от 1 до 2, а именно 0,01; 0,02; 0,1; 0,2; 1; 2; 10 мкм и т.д. В угломерных сред­ствах измерений применяют круговые шкалы с ценой деления 1^о , а дополнительное отсчетное устройство позволяет отсчитывать доли этих делений в минутах и секундах. Цена деления шкалы всегда указывается на шкале средства измерений.

Рисунок 1. Основные метрологические характеристики средств измерений: а — цена деления шкалы; б — длина деления шкалы; в — диапазон показаний и диапазон измерений; I, II — положения указателя шкалы; с — цена деления

Длина (интервал) деления шкалы — это расстояние между осями (или центрами) двух соседних отметок шкалы (рис. 1, б), измеренное вдоль воображаемой линии, проходящей через сере­дины самых коротких отметок шкалы. На практике, исходя из разрешающей силы глаз оператора (остроты зрения), учитывая ширину отметок шкалы и указателя, минимальная длина деления шкалы принимается равной 1 мм, а максимальная — 2,5 мм. Наи­более распространенная длина равна 1 мм. У пневматических приборов с водяным манометром длина деления шкалы составля­ет около 5 мм.

Начальное и конечное значения шкалы — соответственно наименьшее и наибольшее значения измеряемой величины (рис. 1, в), которые могут быть отсчитаны по шкале средства измере­ний.

Диапазон показаний — область значений шкалы прибора, огра­ниченная начальным и конечным значениями шкалы (рис. 1, в). Эту характеристику часто называют пределами измерения по шкале. Например, для индикаторов часового типа диапазон может составлять 2,5 или 10 мм, а для гладких микрометров — 25 мм, для оптиметра — ±0,1 мм.

Диапазон измерений, который часто называют пределом изме­рений средства измерений, — это область значений величины, в пределах которой нормированы допустимые пределы погрешно­сти средства измерений. Например, для гладких микрометров этот параметр составляет 0...25 мм; 25...50 мм; 50...75 мм и т.д., а для большого инструментального микроскопа (тип БМИ) по оси X — 0... 150 мм и по оси У — 0...75 мм.

Одной из основных характеристик средств измерений линей­ных и угловых величин контактным методом является измери­тельное усилие, которое возникает в зоне контакта измеритель­ного наконечника средства измерений с измеряемой поверхно­стью в направлении линии измерения. Оно необходимо для того, чтобы обеспечить устойчивое замыкание измерительной цепи. В зависимости от допуска контролируемого изделия (2... 10 мкм) рекомендуемое измерительное усилие находится в пределах 2,5...3,9 Н, а при допуске свыше 10 мкм составляет 9,8 Н. Важным показателем измерительного усилия является его перепад — раз­ность измерительных усилий при двух положениях указателя в пределах диапазона показаний. Стандарт ограничивает эту вели­чину в зависимости от типа средства измерений. Например, для микрометра с ценой деления 0,01 мм колебание измерительного усилия допускается в пределах 2 Н, для индикаторов часового типа с той же ценой деления — 0,8 Н, а для измерительных пру­жинных головок — 0,2...2 Н.

Свойство средства измерений, заключающееся в его способно­сти реагировать на изменения измеряемой величины, называется чувствительностью. Она оценивается отношением изменения выходного сигнала этого средства к вызывающему его изменению измеряемой величины.

Порог чувствительности средства измерений — характери­стика средства измерений в виде наименьшего значения измене­ния ФВ, начиная с которого может осуществляться ее измерение данным средством. Эта характеристика важна при оценке малых перемещений.

Кроме рассмотренных ранее характеристик средств измерений на практике используются и такие понятия, как стабильность меры (свойство меры сохранять неизменным во времени свое значение), стабильность измерительного прибора (свойство прибора сохранять неизменными во времени поправки к его по­казаниям) и вариация показаний — разность показаний прибо­ра в одной и той же точке диапазона измерений при плавном под­ходе к этой точке со стороны меньших значений измеряемой ве­личины.

2. Особое место в метрологических характеристиках средств из­мерений и контроля занимают погрешности измерений и, в час­тности, погрешности самих средств измерений и контроля.

Инструментальные погрешности возникают вследствие не­достаточно высокого качества элементов средств измерений и контроля. К этим погрешностям можно отнести погрешности из­готовления и сборки средств измерений; погрешности, вызывае­мые трением в механизме средства измерений и недостаточной жесткостью его деталей и т.п. Инструментальная погрешность индивидуальна для каждого средства измерений.

Причиной возникновения методических погрешностей служит несовершенство метода измерений, так как мы сознательно изме­ряем или используем на выходе средств измерений не ту величи­ну, которая нам нужна, а другую, которая отражает нужную лишь приблизительно, но ее измерение гораздо проще реализовать.

За основную погрешность принимают погрешность средства измерений, применяемого в нормальных условиях. Известно, что наряду с чувствительностью к измеряемой величине средство измерений имеет некоторую чувствительность и к неизмеряемым, но влияющим величинам, например к температуре, атмосферно­му давлению, вибрации, ударам и т.д. Поэтому любое средство измерений имеет основную погрешность, которая отражается в нормативно-технической документации.

При эксплуатации средств измерений и контроля в производ­ственных условиях возникают значительные отклонения от нор­мальных условий, вызывающие дополнительные погрешности. Эти погрешности нормируются соответствующими коэффициен­тами влияния изменения отдельных влияющих величин на изме­нение показаний.

Погрешности средств измерений нормируют установлением предела допустимой погрешности. Предел допустимой погрешности средства измерений — наибольшее значение погрешности средств измерений, устанавливаемое нормативным документом для данного типа средств измерений, при котором оно еще признает­ся годным к применению. Например, пределы допустимой погреш­ности концевой меры длины класса 1 длиной 100 мм составляют +50 мкм, а для амперметра класса 1,0 — ±1 % верхнего предела измерений.

Кроме того, все вышеперечисленные погрешности измерений подразделяют по виду на систематические, случайные и грубые, статические и динамические составляющие погрешностей, а так­же абсолютные и относительные погрешности.

3. Для обобщенной характеристики точности средств измерений, определяемой пределами допустимых погрешностей (основной и дополнительной), а также другими их свойствами, влияющими на погрешность измерений, вводится понятие класса точности средств измерений. Единые правила установления пределов до­пустимых погрешностей показаний по классам точности средств измерений регламентирует ГОСТ 8.401—80.

Классы точности определяются стандартами и техническими условиями, содержащими технические требования к средствам измерений. Для каждого класса точности средств измерений конкретного типа устанавливаются конкретные требования к мет­рологическим характеристикам, в совокупности отражающие уро­вень точности. Единые характеристики для средств измерений всех классов точности (например, входные и выходные сопротив­ления) нормируются независимо от классов точности. Средства измерений нескольких ФВ или с несколькими диапазонами изме­рений могут иметь два класса точности и более. Например, элек­троизмерительному прибору, предназначенному для измерения электрического напряжения и сопротивления, могут быть присво­ены два класса точности: один — как вольтметру, другой — как амперметру.

Классы точности присваивают средствам измерений при раз­работке. В процессе эксплуатации метрологические характеристи­ки средств измерений ухудшаются. Поэтому допускается пониже­ние класса их точности по результатам метрологической аттеста­ции или поверки.

В связи с большим разнообразием средств измерений и их метрологических характеристик в ГОСТ 8.401—80 определены способы обозначения, причем выбор способа зависит от того, в каком виде нормирована погрешность.

4 Например, если δ = ±1 %, то класс точности средства измере­ний 0,1; если приведенная погрешность γ = ±1,5 %, то класс точно­сти средства измерений 1,5. Это справедливо для приведенной погрешности, нормируемой значением ФВ в принятых единицах. В тех случаях, когда погрешность нормируется длиной шкалы прибора 1, класс точности также равен численному значению γ, но обозначается по другому. Например, γ = 0,5% (Х_N = 1) отвеча­ет класс точности 0,5.

Таблица 1. Примеры обозначения классов точности приборов.

Примечание. ∆ — пределы допустимой абсолютной погрешности измере­ний, выраженной в единицах измеряемой величины на входе (выходе) или услов­но в делениях шкалы; X — значение измеряемой величины на входе (выходе) сред­ства измерений или число делений, отсчитываемых по шкале; а, b — положитель­ные числа, не зависящие от X; δ — пределы допустимой относительной основной погрешности, %; q, р — больший (по модулю) из пределов измерений; с, d — поло­жительные числа, выбираемые из ряда; с = b+d; d = а|Х_N|; γ — пределы допусти­мой приведенной основной погрешности, %; Х_N — нормирующее значение изме­ряемой величины.

Чтобы отличить относительную погрешность от приведенной, на средстве измерений ее обводят кружком. С той же целью под обозначением класса точности на средстве измерений ставят знак «V» (это значит, что предел абсолютной погрешности приведен к длине шкалы или к ее части, а не к номинальной точке шкалы).

Примеры обозначения классов точности приведены в табл. 1.

Зайцев С.А. Метрология, стандартизация и сертификация в машиностроении, с.209-217