Нормирование метрологических характеристик средств измерений. 2

Курсовая  работа 

По  дисциплине: Метрология, стандартизация и сертификация.

На  тему: Нормирование метрологических характеристик средств измерений. 
 
 
 
 
 
 
 
 

 Оглавление 
 
 

Введение…………………………………………………………………………..2 

1. Общие положения……………………………………………………………..4

2. Предварительный выбор методов и средств измерений…………………..12 

3. Общие правила и условия определения характеристик           погрешностей измерений………………………………………………………………………15

4. Определение характеристик погрешности прямых измерений…………...19

5. Определение характеристик погрешности косвенных          измерений………………………………………………………………………25

6. Окончательный выбор методов и средств измерений……………………..29

7. Пояснение использованных терминов……………………………………...32 

Заключение……………………………………………………………………...37 

Список используемой литературы…………………………………………..  ..43 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Введение 
 

       В настоящей рекомендации излагаются общие указания по выбору методов и средств технических измерений, осуществляемому в процессе разработки методик выполнения измерений (МВИ).

     В отношении выбора типов средств измерений данная рекомендация касается только их метрологических характеристик. В настоящей рекомендации не даются требования, касающиеся степени автоматизации измерений, трудоемкости метрологического обслуживания средств измерений и других факторов, связанных с эксплуатационными, эргономическими и т.п. свойствами МВИ.

      Выбор методов и средств измерений по заданным исходным данным определяет высококвалифицированный персонал, хорошо знакомый с физическими основами измерений, методами нормирования метрологических характеристик и расчета по ним погрешностей средств измерений в реальных условиях их применения, с методами представления и использования результатов и погрешностей измерений, методами расчета результатов и погрешностей косвенных измерений. Нормативно-техническими и методическими документами, в которых заложены основы указанных методов, являются:

ГОСТ 8.009-84 «ГСИ. Нормируемые метрологические характеристики средств измерений»;

«средств измерений" ">Методический материал по применению ГОСТ 8.009-84»;

РД 50-453-84 «Методические указания. Характеристики погрешности средств измерений в реальных условиях эксплуатации. Методы расчета»;

МИ 1317-86 «Методические указания. ГСИ. Результаты и характеристики погрешности измерений. Формы представления. Способы использования  при испытаниях образцов продукции  и контроле их параметров»;

МИ 1730-87 «Методические указания. ГСИ. Погрешности косвенных измерений параметров процессов. Методы расчета».

      Настоящая рекомендация предназначена служить руководством для разработки частных инструкций или других документов (отраслевых, предприятия и др.), регламентирующих применительно к конкретным видам изделий или процессов правила выбора методов и средств измерений, применяемых при исследованиях, разработке, испытаниях, контроле и других операциях, включающих в себя измерения. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

1. Общие положения

       1.1. Выбор методов и средств измерений в процессе разработки МВИ осуществляется на основании следующих задаваемых исходных данных:

вида  и, при необходимости, описания: объектов измерений; свойства объекта, которое должно быть определено в соответствии с поставленной задачей измерений; других свойств объекта измерений, способных влиять на погрешности измерений;

вида  измеряемой величины, диапазона ее возможных значений, наибольшей возможной частоты (скорости) ее изменения, вида (определенная детерминированная функция, случайная функция и т.п.) и частотного спектра процесса (сигнала), информативным параметром которого является измеряемая величина (если она является параметром или функционалом какого-либо процесса).

      Последние данные принимаются в качестве исходных в тех случаях, когда в соответствии с поставленной задачей измерений и видом объекта измерений не возникают затруднения в выборе величины, которая должна быть принята за измеряемую. Если этот выбор не очевиден, на основании остальных заданных исходных данных должна быть сформирована модель объекта измерений и в качестве измеряемой величины должен быть выбран определенный параметр или функционал параметров модели объекта измерений. После этого устанавливаются необходимые для выбора методов и средств измерений характеристики измеряемой величины;

характеристики  внешних условий проведения измерений  и режимов работы объектов измерений (далее - внешних условий), способных влиять на погрешности измерений;

пределы допускаемых характеристик погрешности  измерений, которым должны удовлетворять  все (любые) результаты измерений, полученные путем применения реализаций разрабатываемой  МВИ (требования к погрешностям МВИ) в заданных условиях.

      Степень конкретности задаваемых исходных данных существенно влияет на близость характеристик погрешности измерений, определяемых расчетным путем в процессе выбора методов и средств измерений, к действительным характеристикам погрешности измерений, присущим данной МВИ при заданных условиях.

      Примечание. МВИ могут быть предназначены для использования в более общих, чем измерения, операциях получения некоторых конечных результатов (результатов испытаний, контроля изделий, технической диагностики машин и др.). При этом результаты измерений представляют собой промежуточные результаты, по которым конечные результаты определяются на основании известных функциональных связей конечных результатов с результатами измерений. Требования к погрешностям подобных МВИ устанавливаются на основании известных функциональных связей показателей степени правильности конечных результатов с погрешностями измерений и заданных допускаемых значений этих показателей.

     Для операций испытаний образцов продукции и контроля параметров образцов продукции соответствующие функциональные связи, а также инженерные способы определения погрешностей испытаний образцов продукции и показателей достоверности контроля параметров образцов продукции по известным характеристикам погрешностей измерений приведены в МИ 1317-86. Пользуясь формулами и графиками, приведенными в МИ 1317-86, можно решать и обратную задачу: определять пределы допускаемых характеристик погрешностей измерений по заданным допускаемым характеристикам погрешностей испытаний образцов продукции или допускаемым показателям достоверности контроля параметров образцов продукции.

       1.2. Выбор методов и средств измерений по заданным исходным данным является многовариантной задачей, приемлемое метрологическое решение которой может быть получено при разных соотношениях составляющих погрешности измерений, т.е. при разных МВИ. Рациональным надо считать такое решение данной задачи, при котором минимизируются затраты на измерения (в том числе, на метрологическое обслуживание средств измерений) при условии обеспечения заданных пределов допускаемых характеристик погрешности измерений в заданных условиях с учетом всех, не только метрологических, требований к МВИ.

       1.3. Выбор методов и средств измерений должен основываться на учете следующих факторов, характерных для задач измерений и для МВИ.

       1.3.1. Измеряемая величина соответствует некоторой модели объекта измерений, принятой за адекватно отражающую свойства объекта, которые должны изучаться путем измерений (МИ 1317-86). Между тем, любая принятая модель практически лишь приближенно отражает изучаемые свойства объекта измерений.

     Примеры: 1. При планировании измерений электрического выходного напряжения и (t) генератора с целью изучения выделяемой в нагрузке мощности, в качестве измеряемой величины следует принять действующее (эффективное) значение напряжения

_{> >}, (1)

где Т - интервал времени, на котором определяется действующее значение напряжения; t - текущее время.

       На основе априорной информации о схеме генератора необходимо уточнить функционал (1) для того, чтобы возможно было выбрать тип средства измерений напряжения (в частности, по рабочему диапазону частот). Может оказаться возможным принять модель выходного напряжения генератора в виде процесса, изменяющегося во времени по синусоидальному закону. Тогда для ориентировочного выбора типа средства измерений напряжения функционал (1) можно записать в виде

_{> >}, (2)

где U_м и ω - амплитуда и круговая частота синусоидального напряжения. При расчете погрешности измерений необходимо учитывать, что в действительности выходное напряжение может отличаться от чисто гармонического и представлять собой сумму гармоник (если модель выходного напряжения генератора выбрана верно, первая гармоника должна превалировать). Поэтому при расчете погрешности измерений надо считать, что измеряемая величина в действительности должна выражаться функционалом

_{> >}. (3)

       Вследствие этого погрешность средства измерений может содержать дополнительную «частотную» составляющую, вызванную влиянием на выходной сигнал средства измерений высших гармоник напряжения генератора.

       2. При планировании измерений внутреннего диаметра втулки для изучения возможной степени уплотнения сочленения втулки с проходящим через нее валом, на основе априорной информации о конструкции втулки принята модель внутренней поверхности втулки в виде прямого кругового цилиндра. При этом в качестве измеряемой величины может быть принят внутренний диаметр втулки в любом ее поперечном сечении при любой угловой координате.

       В действительности, внутренняя поверхность втулки вследствие особенностей технологии ее изготовления может несколько отличаться от прямого кругового цилиндра, например, может обладать некоторой конусностью, а поперечные сечения могут несколько отличаться от окружности. Поэтому принятая измеряемая величина - диаметр в любом поперечном сечении при любой угловой координате - не полностью соответствует и свойствам самой втулки, и задаче, для решения которой проводятся измерения, и определению возможной степени уплотнения сочленения втулки с валом.

       1.3.2. Возможно использование вторичного процесса (см. Приложение). Процесс характеризуется определенной функциональной зависимостью своего информативного параметра от измеряемой величины. Эта функция, в общем случае, содержит ряд параметров, не зависящих от измеряемой величины, но изменения которых могут влиять на погрешность измерений. Эти параметры могут изменяться самопроизвольно или под воздействием каких-либо факторов в пределах, которые при анализе погрешностей МВИ должны быть установлены.

     Примечание. Далее в рекомендации не будут различаться измеряемая величина и информативный параметр вторичного процесса.

1.3.3. Измеряемая величина (при косвенных измерениях - величина, подвергаемая прямым измерениям) передается от объекта измерений средству (средствам) измерений в общем случае так, что не обеспечивается строгое равенство размеров измеряемой величины у объекта измерения и на входе средства измерений.

       Пример. При прямом измерении внутреннего диаметра втулки средство измерений не может быть практически установлено так, чтобы воспринимать строго длину именно того отрезка, который принят «по определению» за диаметр втулки: средство измерений практически невозможно установить строго в плоскости поперечного сечения и по диаметру; оно практически устанавливается в плоскости, лишь близкой к плоскости поперечного сечения, и по хорде, лишь близкой к диаметру.

       1.3.4. При косвенных измерениях результат измерений вычисляют по результатам прямых измерений. Если при этом измеряемой величиной является функция нескольких аргументов, прямым измерениям подвергаются эти аргументы. Если измеряемой величиной является функционал функции одного аргумента, прямым измерениям подвергается функция при разных значениях аргумента.

       1.3.5. При косвенных измерениях результат измерений вычисляется (автоматически или оператором) по определенному алгоритму (формуле), не всегда строго идентичному принятому «определению» измеряемой величины.

1.3.6. Косвенные измерения функционалов непрерывных функций могут проводиться с использованием прямых измерений функций при дискретных значениях их аргументов.

Примеры:

1. Средняя  температура _{> >} газа в объеме V, по определению, выражается

_{> >}, (4)

где Θ (х. у, z) - температура газа в точке с координатами х, у, z внутри объема V.

При измерении  средней температуры _{> > > >} она может вычисляться по результатам _{> >}, прямых измерений температуры Θ в конечном числе п точек объема V по формуле

_{> >}, (5)

      По формуле (5) вычисляется результат косвенного измерения средней температуры, когда прямые измерения температуры проводятся в дискретных точках пространства объемом V.

       2. Действующее значение электрического напряжения u(t), по определению, выражается формулой (1).

      Измеряться действующее значение напряжения может путем прямых измерений мгновенных значений напряжения u(t_i) в дискретные моменты времени t_i и вычислений по формуле

_{> >}, (6)

где _{> >} результат прямого измерения напряжения в i-й момент времени; п - число дискретных моментов времени, в которые проводятся прямые измерения; _{> >} - результат косвенного измерения действующего значения U напряжения и (t),

      1.3.7. При косвенных измерениях на погрешность измерений может влиять корреляция погрешностей прямых измерений, по результатам которых вычисляется результат косвенных измерений.

Взаимная  корреляция погрешностей прямых измерений  может быть обусловлена: взаимным пространственным расположением каналов прямых измерений, плохим экранированием; зависимостью погрешностей разных средств измерений, применяемых при данных косвенных  измерениях, от одних и тех же влияющих величин и др.

       Автокорреляция погрешностей прямых измерений может оказаться существенной, если погрешности прямых измерений представляют собой случайные процессы, обладающие, низкочастотным спектром.

        1.3.8. В МВИ применяются средства измерений и другие технические средства определенных типов. Свойства всех технических средств, применяемых в МВИ, отражены их метрологическими (для средств измерений) и техническими (для любых технических средств) характеристиками, нормированными в нормативно-технических документах на применяемые типы технических средств. Метрологические характеристики средств измерений оказывают влияние на погрешности измерений. Влияние на погрешности измерений могут, в принципе, оказывать и технические характеристики других (вспомогательных) технических средств, применяемых в МВИ.

        Для повышения точности измерений может быть предусмотрено в МВИ применение средств измерений определенных типов, но при условии их предварительной метрологической аттестации, при которой определяются действительные значения метрологических характеристик, индивидуальные для применяемых в МВИ экземпляров средств измерений. Это позволит при расчете характеристик погрешностей измерений (пп. 4.3.1 - 4.3.3) пользоваться не нормированными, а действительными для примененных экземпляров средств измерений значениями метрологических характеристик. Подобное усложнение МВИ допустимо только при условии такой высокой стабильности во времени метрологических характеристик применяемых экземпляров средств измерений, что их можно считать практически неизменными на интервалах времени между периодическими метрологическими аттестациями экземпляров средств измерений.

       1.3.9. Измерения по данной МВИ могут осуществляться с участием оператора, отсчитывающего показания по шкалам измерительных приборов, диаграммам регистрирующих приборов неизбежно с некоторыми погрешностями.

       1.4. Выбор методов и средств измерений в процессе разработки МВИ проводится следующими этапами: а) предварительный выбор методов и средств измерений, заканчивающийся разработкой первого проекта МВИ; б) определение характеристик погрешностей измерений, характеризующих первый (и последующие) проект МВИ; в) сравнение характеристик погрешностей измерений, свойственных первому (и последующим) проекту МВИ, с заданными пределами допускаемых характеристик погрешностей измерений; г) принятие решения об окончании разработки МВИ или о необходимости внесения изменений в первый (и последующие) проект МВИ; д) внесение изменений в МВИ, если это признано необходимым на этапе г). Этапы д), б), в), г) повторяются до достижения требуемых (заданных) свойств МВИ. На этом выбор методов и средств измерений (разработка МВИ) заканчивается.

2. Предварительный выбор методов и средств измерений

        2.1. Предварительный выбор методов и средств измерений осуществляется следующими этапами.

Примечание. Этапы по пп. 2.1.3 - 2.1.5 взаимосвязаны. Они могут осуществляться в другом порядке, совместно, с повторением всех этих этапов или некоторых из них.

        2.1.1. Если соответствие заданного вида измеряемой величины тому свойству объекта измерений, которое должно быть определено в данной задаче измерений, не представляется очевидным, рекомендуется проверить правильность вида измеряемой величины.

Для этого  на основе априорно известных свойств  объекта измерений и задачи измерений (получение некоторого конечного  результата, информации для непосредственного принятия решения и др.), в соответствии с рекомендациями МИ 1317-86, следует составить модель объекта измерений и выделить в ней тот параметр (или функционал параметров), который должен быть принят за измеряемую величину.

       2.1.2. В состав заданных исходных данных должны входить пределы допускаемых характеристик погрешности измерений. Но если МВИ предназначена для использования при испытаниях продукции или при контроле параметров образцов продукции, то в состав заданных исходных данных, вместо допускаемых характеристик погрешности измерений, можно включать пределы допускаемых характеристик погрешности испытаний образцов продукции или показателей достоверности контроля параметров образцов продукции, рекомендованных в МИ 1317-86.

      2.1.3. Устанавливают вид измерений, используемых в МВИ для определения значений измеряемой величины - прямые или косвенные.

      2.1.4. На основании исходных данных; решения, принятого по п. 2.1.3; обзора существующих видов средств измерений, которые, предположительно, смогли бы применяться в разрабатываемой МВИ, устанавливают, необходимо ли использовать вторичный процесс и его информативный параметр, отражающий искомое свойство объекта измерений (прямых).

       Вторичный процесс используется в случаях, когда невозможно или нецелесообразно применение такого средства измерений, которое может непосредственно воспринимать измеряемую величину (или процесс, информативным параметром которого она является).

       Выбранный вторичный процесс и его информативный параметр определяют принятый в МВИ метод (методы) преобразования измеряемой величины во входной сигнал средства измерений.

       Пример. Если измеряемой величиной является температура некоторой среды в определенном диапазоне значений, на основе обзора существующих средств измерений температуры, с учетом как заданного диапазона измеряемой температуры, так и других факторов МВИ, в качестве вторичного процесса может быть выбрано тепловое излучение изучаемой среды. Информативным параметром вторичного процесса будет тогда интенсивность теплового излучения изучаемой среды.

         2.1.5. На основании заданных исходных данных; решений, принятых по пп. 2.1.3; 2.1.4; требований к степени автоматизации измерений, к эксплуатационным, эргономическим и другим характеристикам МВИ устанавливают виды и типы используемых в МВИ средств измерений, а также других технических средств, таких, например, как вспомогательные источники энергии, средства автоматизации, средства вычислительной техники и др.

На данном этапе предварительный выбор  типов средств измерений основывают на комплексе нормированных для них метрологических характеристик, других технических характеристик, рабочих условий применения типов средств измерений. На данном этапе производится ориентировочный расчет погрешностей средств измерений в реальных для данных МВИ условиях применения. При этом можно руководствоваться общими рекомендациями, изложенными в «средств измерений" ">Методическом материале по применению ГОСТ 8.009-84», и методами расчета, изложенными в РД 50-453-84.

      2.1.6. Составляют схему соединений средств измерений с объектом измерений, между собой (если их несколько), с другими техническими средствами.

       2.1.7. Если предполагается, что для удовлетворения требований к погрешности МВИ необходимо будет при измерениях уменьшать влияние случайных составляющих погрешности измерений, предварительно устанавливают число измерений (наблюдений) и соответствующий алгоритм обработки их отдельных результатов.

       2.1.8. Если предполагается, что для удовлетворения требований к погрешности МВИ необходимо будет при измерениях уменьшать систематические составляющие погрешности измерений, выбирают методику исключения (уменьшения) систематических составляющих погрешности.

      2.2. В результате выполнения работ по пп. 2.1.1 - 2.1.8 предварительный выбор методов и средств измерений закончен, т.е. разработан первый проект МВИ.

3. Общие правила и условия определения характеристик погрешностей измерений.

       3.1. На основе заданных исходных данных и анализа первого проекта МВИ проводится расчет характеристик погрешностей измерений, которые могут быть присущи любым результатам измерений, получаемым при использовании реализаций данной МВИ в заданных условиях.

       При расчете характеристик погрешностей измерений, соответствующих первому проекту МВИ, в качестве метрологических характеристик средств измерений принимают их нормированные значения.

      3.2. Определяться должны именно те характеристики полной (суммарной) погрешности измерений, пределы допускаемых значений которых указаны в исходных данных для выбора методов и средств измерений (п. 1.1). Виды характеристик погрешностей измерений указаны в МИ 1317-86. Выбираются те характеристики (дисперсии или модули наибольших возможных значений) составляющих, суммированием которых определяется искомая характеристика полной (суммарной) погрешности измерений.

     Примечание. При суммировании характеристик, составляющих погрешности измерений, могут применяться те же методы, которые рекомендованы в «Методическом материале по применению ГОСТ 8.009-84» и в РД 50-453-84 для суммирования составляющих погрешности средств измерений, а также другие обоснованные в каждом конкретном случае методы суммирования.

       3.3. Если в МВИ предусмотрено уменьшение влияния случайной составляющей погрешности прямого измерения путем многократных прямых измерений (п. 2.1.7), то вместо ее характеристики в расчет вводят характеристику случайной погрешности среднего арифметического результата многократных прямых измерений (при принятом их числе). При этом за окончательный результат прямого измерения принимают указанное среднее арифметическое.

       3.4. Если в систематическую составляющую погрешности измерений (п. 2.1.8) входят составные части, значения которых постоянны и известны (или могут быть определены), последние могут быть исключены из погрешности измерений, т.е. могут быть введены поправки в результат измерений. Если в МВИ предполагается введение поправок в результаты измерений, то вместо характеристик систематической составляющей погрешности измерений как характеристик случайной величины (см. «средств измерений" ">Методический материал по применению ГОСТ 8.009-84»), в расчет вводят характеристики неисключенного остатка систематической погрешности как характеристики случайной величины. Тогда при измерениях по данной МВИ обязательно введение поправок в результаты измерений.