CC BY
37
DOI 10.21685/2307-5538-2017-4-4
Н. П. Ординарцева
УДК 006.91
ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ВОЗМОЖНОСТИ ПЕРЕДАЧИ В РАБОЧИХ УСЛОВИЯХ ЕДИНИЦЫ ВЕЛИЧИНЫ КАЛИБРУЕМОМУ КАНАЛУ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ
N. P. Ordinartseva
THE EXPERIMENTAL INVESTIGATION OF THE POSSIBILITY TRANSMISSION IN THE WORKING CONDITIONS OF UNIT VALUES TO THE CALIBRATED CHANNEL MEASURING SYSTEM
Аннотация. Актуальность и цели. Исследуется возможность передачи единицы величины в рабочих условиях калибруемому измерительному каналу измерительной системы (ИК ИС). Материалы и методы. С целью доказательства возможности передать единицу величины в условиях уникально сложившейся совокупности влияющих величин в момент калибровки ИК ИС проведен вычислительный эксперимент с использованием метода Монте-Карло для случаев комплектной калибровки простого ИК, комплектной калибровки сложного ИК в случае одной или двух влияющих величин. Влияющими величинами выбраны температура, вносящая наибольший вклад в погрешность передачи единицы величины, и время, обусловливающее временную нестабильность эталонов. Результаты. Полученные результаты эксперимента, приведенные в статье, подтвердили возможность передачи единицы величины в рабочих условиях эксплуатации измерительной системы и калибровки ИК ИС в этих условиях. Это позволит применять калибровку ИК ИС как малозатратный способ повышения точности ИС без демонтажа ИК и его транспортировки в нормальные условия калибровочной лаборатории. Выводы. Полученные результаты доказали возможность калибровки ИК ИС в рабочих условиях.
Abstract. Background. The possibility of transfer of units of value in the working conditions of the calibrated measuring channel of the measuring system is research (MC MS). Materials and methods. In order to prove the possibility to transfer unit values in the unique conditions prevailing totality of the influence quantities at the time of calibration of the measuring channel of the measuring system (MC MS) carried out computational experiment using Monte-Carlo simulation for the cases of complete calibration of the simple MC MS, complete calibration of the complex MC MS in the case of one or two influencing factors. Influence factors selected temperature, contributed most to the error transmission unit size, and time, causing temporary instability of the standards. Results. The obtained results of the experiment presented in the paper confirmed the possibility of transferring units of value in the working conditions of the measuring system and calibration of the MC MS in these conditions. Conclusions. The obtained results proved the possibility of calibration of the in the working conditions.
Ключевые слова: калибровка измерительных каналов измерительных систем, поправка, стационарный эталон, переносной (транспортируемый) эталон, прослеживае-мость единицы величины.
Key words: calibration of measuring channels of measuring systems, the correction, stationary standard, portable (transportable) standard, the traceability unit value.
Пользователи средств измерений (СИ) прибегают к калибровке как к способу повышения точности: найденная по результатам калибровки поправка повышает точность калибруемого СИ, приближая ее к точности эталона (с соответствующей неопределенностью измерений при калибровке). Определяемая разность показаний эталона и калибруемого СИ, документально подтвержденная связь эталона с государственным первичным эталоном (ГПЭ) обеспечивают прослеживаемость единицы величины [1, п. 9.2]. Последнее обеспечивает значимую роль и место калибровки в системе обеспечения единства измерений.
Прослеживаемость единицы величины иллюстрирует рис. 1. Передача единицы величины по поверочной схеме является процедурным вопросом; метрологическая прослеживае-мость единицы величины как связь переносного эталона с ГПЭ интегрировала в себя неопределенности эталонов на всех уровнях калибровки, начиная с первичного эталона.
Рис. 1. Прослеживаемость единицы величины
Для калибровки СИ в рабочих условиях эксплуатации предложен новый способ, который состоит в проведении двухэтапной процедуры передачи единицы величины СИ с использованием метода замещения, реализуемого с помощью переносного эталона, применяемого в указанных условиях, и стационарного эталона, находящегося в лабораторных условиях. Предложенный способ подробно описан в [2, 5]. Известен способ передачи единицы величины в рабочих условиях, когда используют переносной (транспортируемый [1, п. 8.15]) эталон, поправка для которого находится при сличении стационарного и переносного эталонов в нормальных условиях, но найденная поправка применяется для условий сложившейся совокупности влияющих величин рабочих условий. Предложенный способ [1-5] позволяет находить поправку воспроизведения единицы величины переносным эталоном именно для уникально сложившейся совокупности влияющих величин, тем самым обеспечивая повышение точности передачи единицы величины калибруемому ИК ИС.
Для доказательства работоспособности и применимости предложенного нового метода [2-5] выполнено моделирование Ару, Vру (погрешности / поправки) передачи единицы величины калибруемому ИК ИС в условиях, отличных от нормальных [6], методом Монте-Карло. В статье предлагается описание выполненного эксперимента и приводятся полученные результаты, доказавшие возможность выполнения калибровочных работ ИС и их каналов в ра-
бочих условиях эксплуатации без демонтажа и транспортировки элементов системы в нормальные условия калибровочной лаборатории.
Метод Монте-Карло [7] является численным методом моделирования случайных стохастических процессов и лежит на стыке теоретического и экспериментального исследования. В качестве объекта исследования выбрана ИК ИС с токовым входом (входами) и рассмотрены случаи:
- комплектной калибровки простого ИК ИС;
- комплектной калибровки сложного ИК ИС.
В вычислительном эксперименте, реализующемся в работах [2-5], в качестве стационарного эталона использован мультиметр цифровой прецизионный модели Fluke 8508A; в качестве переносного эталона - калибратор многофункциональный MCX-II-R. Для измерений температуры рабочих условий использован термогигрометр Ива-6Н, а для воспроизведения температуры рабочих условий (для переносного эталона - калибратор многофункционального MCX-II-R) - испытательная камера WK3-340.70.
Эксперимент выполнен при следующих условиях. Температура окружающей среды, в которой находился калибруемый ИК, в процессе калибровки была в диапазоне ©е [34,8; 35,2] °С.
При межповерочном интервале стационарного эталона (один год) предполагалось, что сличение стационарного и переносного эталонов выполнялось на 200-й день от даты последней поверки стационарного эталона, а с момента работы переносного эталона в рабочих условиях до его сличения со стационарным эталоном прошел один день. Калибруемая точка диапазона измерений ИК ИС - 10 мА.
Схема комплектной калибровки простого ИК в рабочих условиях эксплуатации ИС показана на рис. 2.
2 этап
Рис. 2. Комплектная калибровка простого ИК в рабочих условиях
Этап 1. С помощью переносного эталона (калибратора многофункционального МСХ-П-Я) осуществляем воспроизведение силы постоянного тока, значение которого соответствует калибруемой точке 10 мА; сигнал подаем на вход калибруемого ИК. С помощью термогигро-
метра Ива-6Н осуществляем измерение температуры рабочих условий, которое, предположим, оказалось равно В = (35,0±0,3) °С. Выполняем калибровочные работы ИК.
Модель калибровки на этапе 1 представим следующим алгоритмическим оператором. Переносной эталон МСХ-П-Я воспроизводит силу постоянного тока с погрешностью, систематическую составляющую которой примем равной есист е [-0,4Досн, + 0,4Досн ], случайную -
еслуч е [-0,5Досн, + 0,5Досн ]. С учетом допускаемой основной погрешности калибратора многофункционального модели МСХ-П-Я есист е [-0,0015; 0,0015] мА в модели примем равномерный закон распределения есист; еслуч е [-0,0019; 0,0019] мА, примем нормальный закон распределения еслуч. Коэффициент температурной составляющей дополнительной погрешно-
сти примем в модели равным а е
-0,5-^°^, + 0,5-Л о
или ае Г—0,00019;0,00019] мА/°С,
10°С 10°С
распределение равномерное, температура находится в диапазоне 0е [34,8;35,2] °C, распределение нормальное. Для минимизации случайной составляющей погрешности проводим 4-кратное измерение.
Согласно модели источниками неопределенности на этапе 1 калибровки будут:
- погрешность воспроизведения силы постоянного тока калибратором многофункциональным модели MCX-II-R;
- дополнительная погрешность от температуры воспроизведения силы постоянного тока калибратором многофункциональным модели MCX-II-R;
- изменение температуры рабочих условий в течение этапа 1 калибровочного эксперимента.
Вычислительный эксперимент методом Монте-Карло. Генерируем массив случайных чисел, используя функцию «Генерация случайных чисел» из пакета «Анализ данных», подключенного в качестве надстройки к основной программе Microsoft Office Excel.
Матрица плана эксперимента этапа 1 имеет вид
X =
( X X X \
Л1,1 1,2 ^ 1,19
XX X
2,1 2,2 2,19
XX X
■у 30000,1 Л 30000,2 Л 30000,19 у
(1)
где Xij означает i -ю реализацию j-го фактора: i = 1, ..., 30 000; j = 1, ..., 19 и представлена
в таблице Excel соответственно столбцами A-S (рис. 3). В таблице Excel (см. рис. 3) результаты опытов представлены соответственно столбцами:
X1(A) - генерация есист е [-0,0015; 0,0015] мА, распределение равномерное;
X2(B) ^ X5(E) - генерация еслуч в 1^4-м измерениях, еслуч е [-0,0019; 0,0019] мА, распределение нормальное;
X6(F) - генерация коэффициента температурной составляющей дополнительной погрешности а, ае [—0,00019;0,00019] мА/°С, распределение равномерное;
X7(G) ^ X10(J) - изменение температуры рабочих условий в течение этапа 1 калибровочного эксперимента, распределение нормальное;
X11(K) ^ X14(N) - температурная составляющая дополнительной погрешности в 1^4-м измерениях;
X15(0) ^ X18(^) - суммарная погрешность в 1^4-м измерениях;
X19(S) - оценка суммарной погрешности в 1^4-м измерениях;
X(T) - опорный сигнал, воспроизводимый переносным эталоном MCX-II-R, подаваемый на вход калибруемого ИК.
Е Microsoft Excel - Книга9.11слож1в-на1этап
Файл Правка Вид Вставка Формат Сервис Данные Окно
i j j a j, iltj i ti i ¿a 1-u a -1 - а, д - ii. м
¿правка
^ j Arial Cyr
I Введите вопрос j
10 T I Ж A* 4 =
f, -0,000353959450565629
T
T
H I
t
L -
-0.000351 -0,00052
-0,0012 0,000419
0 5002B9 0501197 0501154 0ДИ375 ■050146 -0,00026 0,00109
-0,00046 0,000113 -1,9E-05 -7.4E-05 ■0,00072 0,000366 5.6E-05
■0,00108 -0,00027 ■0,00076 ,00136 0,0014
jgmoi
,00064 ,00145
0,000161 -0.00043 0,001271 -0,00039 -0,00036 ■0,00092 ,00064 -0,00062 ,00047 -0,00066 000161 -0,00074 ,00043 0,000566 ,00036 -0,00062
,00043 2.79E-05 3.001231 0,000306 -0,0001 0,000316 -0,0005
■0,00016 0,000373 0,000229 ■0,00035 1,01E-05 -0,00145 0,000166 0,0005 0.000553 ■0,00055 -0,00145 -0,0007 ■0,00093 0,000379 0,000335 -4.7E-05 -0,00114 -0,00028 ■0,00059 0,000676 -0,00013 0,000205 0,000462
0,000316 -0,00045 0,000299 -1,6 E-05 -0,00184 -0,00065 0,000263 0,000326 -0,00093 ■3.7 E-05 -0,00075 -0.00012 0,000812 -0,00068 -0,00028 0,000332 -0,00043 0,000389 ■0,00076 -0,00029 8,44 £-05 -0,0012
251 -0.00022 -0.00082
и 1 > w\Лист1/Лист2
-8,6 E-05
-0,00093
■0,00073 0,00077 0,00117 ■0,00034
_-0,0011
0,00062 ■0,00054 0,000656 -0.00033 ■0.00017 -0.00041 -0.00026 ■0,0005 -0,00047 0,000425 0,000198 0,000507 -0,00063 -0,00039 -0,0003 -0,00011 0,000179
■0.0005, / ЛистЗ /
-0,00083 -0,00022
,28&05 -D,00016 -4.2E-05 8,51 E-05 -D ,00015 0,000137 -2.4E-05 -0,00016 5.16E-05 -6.3E-05 -0,00013 -0,00014 9.59E-05 -6.9E-05 0,000118 4,06E-05 -4.3E-05 -0,00017 0,000138 0,000117 0,000177 0,000185 ,49E-05
-1Ё-04
35,05212 34,95518 34,92704 35,0283 35,0735 34,97984 35,01171 34,87005 34 34.93223 35.00074 34,9785 34,931 35,04461 34,98809 35,03053 34,98608 34,9421S 34,8793 34,86594 35,11331 35,02743 35,12187 34,99824
35,05341 35,01706 34,93722 35,03897 35,09148 34,9887 34,95166 34,96542 35,01422 34.90272 35,03866 35,01662 35,00813 34,96188 35,05052 34,97419 35,0087 34,99245 35,07591 35,04134 35,05033 34,93176 34,8946 35,04903
0,000601 -4.4E-05 0.000182 35.15364, 34.95665 l<
34,98571 35,05008 35,04498 34,99048 35,02683 34,93536 35,01323 35,01935 34,97824 35,10722 35Д2661 35,05851 34,95858 34,97076 35,04338 3459793 34,98937 3452035 35,03431 35.15137 35,07634 35,06193 34,88228 34,39334 34 05387
35,05023 35.07428 34.99073 34.33153 35.06048 34.96156 35.00333 3437783 345Э515 34.32681 35.02375 35XÖ282 3451615 35.05313 3458663 3457335 35.04537 35,01766 34,55766 35,05515 36Д3267 35,14188
О.ОСОШ -050127 ■050033 0.000683 ■0.00124 0.001092 ■0.C0013 ■0.00128 0.000412 ■0.0005 ■0.00102 ■0.00114 0.000761 ■0.00056 0.00094 0500326 ■0.00034 -0.00131 0501085 0560919 0501437 0501483 0500121
O.COOK o.oor ■o.ooo: о.оош ■o.ooi:
0.001 Of ■0.000 ■o.ooi;
0.0004
■o.cw
■0.00H ■0.001 05007f ■OjOOOi 0.0009. 05003:
■o.ooo; •o.ooi: 0.0011 ода»;
05014; 05014; 0.0001
j|
3457766
34.37441 35 024 0.00140 p5ÛU*v
-0ДЮ8 ОД*
> I
С Microsoft Excel - Книга9.11слож1в-на1этап
: -ij файл Правка Вид Вставка Формат Сервис Данные Окно
j^d^^i^iai-^a-i -1 ft s - л I й «
^ ; Arial Cyr
Введите вопрос - _ в X
- 10 -I Ж К ч ш - ¿
Ц -0,000353999450666829
АО AR 1 AS AT AU AV AW А* AY г « ЕА -
1 S.6979E436 -0,(305 -0,00053 9,999473 -4.7Е-05 9,999953 ОДЮ4В 0,06061 0,003838413 расш неоп-т
1 3 -0,00304155 0,00026108 •0Д1161 -0,00212 0501153 0500281 9,997075 10,00028 -0,00016 3,0ВЕ-О5 9,99904 0,001965 -0,00346
10,00004 -0,Ш024 -0,00336
4 OJOD18918! 0,00147В 0,0016В6 10,00169 0,00016 10,00016 -0,00153 0,00335 7.9Е043Е 07 среднее
5 6 -0,00180046 0.00187В46 -0,0013 -0,00091 0,00322В 0,002137 9,999089 10,00214 0,000154 О.ШО103 10,00015 0,001064 -0,0033
10,00018 -0,00195 -0,00327
} -G,0013923 -0Д321В -0.001В5 9,998149 -0,00019 9,999806 J).001657 -С ,06327
0 9 -0,00114619 0.00057В81 ■С,00093 -0,00111 S ,Э9Э8В0 -3.7Е-05 9,999963 0,001075 -0.00327
0,00122ВЦ),001358 10,00136 0,000145 10,00015 -0,00121 -0,00317
10 -0,00156216 -050177 -0,00132 9,998181 -0,(ю014 9,999855 0,001675 0,06317
11 -0,00230979 -0,002ÏÏ^ -0,0023 9,997695 -0,0001 9,999098 0,002203 -0,00315
12 -0,00262411 ■0,0026В -0,00283 9,997169 -0,0001В 9,999018 0,002649 -0,00314
¡3 ОДЮ27252 -0,00112! -0,00042 9,999577 -0,00019 9,999813 0,000236 0.00314
14 -0,00224261 -0,00205 -0,00185 9,990147 -0,00013 9,999066 0,001719 -0,00313
15 -0,00019336 0,000473 0,000136 10,00014 -0,00011 9,999038 -0,00025 -0,06312
16 -050077512 -0,00092 -0,00124 9,398756 -0,00019 9,939807 0,001051 0.00311
17 -050142127 -0,00045 -0,00139 9,998607 -8.6Е-05 9,999914 0,001307 -0.00311
!8 <1,00150447 -0,00246 -0,00204 9,937964 -6.3Е-05 9599937 0,001974 -0,00309
19 20 0,00052907 0,000898 0,000649 10,00065 2,15Е-05 10,00002 -0,00063 -0.00308
0,00014550 0,00014 0,00062 10,00062 -5.7Е-05 9,999943 -0,00060 -0.00300
21 0,00104937 0,000972 0,000776 10,00078 -5,1 Е-05 9,999949 -0,00083 ■0.00308
22 -0.0001811 0,001392 0,000865 10,00086 -5.8Е-05 9,939942 -0,00092 -0.00308
23 050126522 0,000511 0,001308 10,00131 0,000164 10,00016 -0,00114 -0,00308
24 ■0,00176381 -0,00111 -0,00124 9,998762 -1.4Е-05 9,999986 0,001225 ■0,00308
25 м 0.00199063 0.001089 0,001017 > и \Лист1 X Лист2 / ЛистЗ / 10.00102 _-ЗЕ-05 9.99997 -0.00ip5 -0.00308 1
29991
Гстсрс
■0,00042 0,00126 -0,0005 0,00045 0,00074 -0,00037
■0,00048 0,000741Цо ,00026
29992 -0,00131 -0,00036 0,000896
29993 0,000208 0,000466 0,000532 -0,0007 0,0010ВГТ0,00111Т
■0,00054 0,000426 0,001215
29995] 0,000965 0,001314 0,000709
29997 5,61 Е-05 0,000913 -9.3Е-05
29998 0.000B3 -0,00042О,00099 59999 0,000362 -0,00097 -0,00037 30000 0,000717 0,001123 -7Е-05
23994
29995
0,000223 -3,6 Е-05 -0,00071 6,26 Е-05 -0,00095 -0,00089 0,000334 0,001734 0,000353 8.14Е-05 ■0,00051 0,00057
0,0002 0,00075' -0,0002 ■0,00046 0,000311 0,00021 -0,00033 -0,00044 -0,00043 -0,00034 -1Е-04 -0,00039
2,01 Е-06 0,000142 -0,00012 0,000175 -7.9Е-05 -1 Е-05 -0,00012 -2,4Е-05 1.7Е-05 -0,00016 ■0,00013 6,77Е-05
.ЗП0П1
м \Лист1У Лист? /ЛистЗ /
34,97427 3557452 34 53783 34,37153 34,91735 34,89713 35,05867 35,11106 34,94027 35,0055 35,05608 34,94335
" К
34 569ЭЗ 3450734 34 53327 ЭБ,12323
35,031 а? 35,04333 35,03119 3550601 3453093 34,37423
34,31334
34525» 3559504 34.31635 35.0В503 35,0047В 34,33135 35,01356 3552729 34.38971 34.98151
34.33703
35.00216 345742 35.04668 35.03425 34Д2424 3457826 3653484 34 54287 3456167 34,92273 34,36805
I5E-05 1.61
050115 0.00'
■o.crnse -од
0,001397 0,00
-О50062 од
8.1Е05 8.21
■один; -од
-0.0002 -0.(
0500135 ода
050129 -ОД
0,00106 од
34,37263 36,07317 36,14006 0ДЮ638 О ДО
.»■Г
29989 ■0.0002 ■0.00011 9.999891 ■5.6 Е-05 9.999944 525Е-05 0,003272
29990 0,001519 0.001037 10,00104 -6 Е-05 9.99994 -0,0011 0,003276
29991 -0.00181 ■0.00155 9.998446 -6.4 Е-05 9.999936 0.001491 0.003276
29992 ■0.00038 -0,00012 0.000188 -0,00033 10,00019 9,999673 ■0.00017 9.999825 ■0,00036 0,003294
29993 2.77 Е-05 10.00003 0,000355 0,003357
29994 -0,00056 -0,0009 9,999096 •9 .ЗЕ-05 9,999907 0,000811 0,003364
29995 ■0,00179 -0,00103 9,998969 ■7,2 Е-05 9,999928 0,000959 0,003373
0,00033 0,00161 10,00161 0,000129 10,00013 -0,00148 0,003376
29997 -0,00028 0,000369 10,00037 7,48Е-06 10,00001 -0,00036 0,003396
29998 -0,0008 -0,00042 9,999584 0,000111 10,00011 0,000527 0,003407
-0,00074 -0,00121 9,993795 4,82 Е-05 10,00005 0,001253 0,003474
30000 0,00088 0,00152 10,00152 9,56 Е-05 10,0001 -0,00142 0,003477
30001
M < t И\ЛИ[Т1/ЛИСТ2 /ЛиСТЗ / |< > I
Рис. 3. Фрагменты таблицы Excel с матрицей плана эксперимента комплектной калибровки простого ИК при одном влияющем факторе
Этап 2. По окончании калибровочных работ по месту расположения ИК ИС перемещаем переносной экземпляр эталона MCX-II-R в калибровочную лабораторию. С помощью испытательной камеры WK3-340.70 воссоздаем для MCX-II-R рабочие условия с измеренным значением влияющей величины В = 35 °С. Сличаем показания переносного эталона (MCX-II-R) и стационарного эталона (Fluke 8508A), обеспечивающего передачу единицы величины и ее прослеживаемость до ГПЭ. Найденную при сличении эталонов поправку V ру = I0 — Iру используем для корректировки результатов калибровки, полученных на этапе 1. Определяем неопределенность поправки V ру.
Модель калибровки на этапе 2 представим следующим алгоритмическим оператором.
Переносной эталон MCX-II-R воспроизводит силу постоянного тока с погрешностью, систематическую составляющую которой примем равной есист е [—0,4Досн, + 0,4Досн ], случайную - еслуч е [—0,5Досн, + 0,5Досн] или с учетом предела допускаемой основной погрешности калибратора многофункционального модель MCX-II-R есист е [—0,0015;0,0015] мА, в модели примем равномерный закон распределения есист; еслуч е [—0,0019;0,0019] мА, примем нормальный закон распределения еслуч. Погрешность установки температуры в испытательной камере модели WK3-340.70 (дискретность установки значения влияющей величины) согласно техническим характеристикам, Д1камеры = ±0,5 °С, закон распределения Д1камеры = ±0,5 °С равномерный. Погрешность поддержания температуры в испытательной камере модели WK3-340.70 (неравномерность температурного поля по объему камеры) Д2камеры = ±1,5 °С, закон распределения нормальный. Коэффициент температурной составляющей дополнительной погрешности
примем в модели равным ае
—0,5 , + 0,5-До
n , . п или ае [—0,00019;0,00019] мА/ °С, рас-100 С 100 С _ L J
пределение равномерное. Для минимизации случайной составляющей погрешности проводим 4-кратное измерение воспроизводимой переносным эталоном единицы величины. В соответствии с техническими характеристиками мультиметра цифрового прецизионного модели Fluke 8508A его основная погрешность Д8508А = [—0,0002: +0,0002] мА, примем закон распределения Д8508А равномерным.
Согласно модели калибровки ИК ИС источниками неопределенности на этапе 2 калибровки будут:
- погрешность воспроизведения силы постоянного тока калибратором многофункциональным модели MCX-II-R;
- погрешность установки температуры в испытательной камере модели WK3-340.70;
- погрешность поддержания температуры в испытательной камере модели WK3-340.70;
- дополнительная погрешность от температуры воспроизведения силы постоянного тока калибратором многофункциональным модели MCX-II-R;
- погрешность измерения силы постоянного тока мультиметром цифровым прецизионным модели Fluke 8508A.
Матрица плана эксперимента этапа 2 имеет вид
X =
( x x X л
Л1,1 1,2 ^ 1,24
XX X
Л2,1 л2,2 2,24
XX X
■у 30000,1 л 30000,2 л 30000,24 у
(2)
и представлена в таблице Excel соответственно столбцами V ^ AS (см. рис. 3). В таблице Excel (см. рис. 3) результаты опытов представлены соответственно столбцами: X1(V) - генерация есист, есист е [—0,0015; 0,0015] мА, распределение равномерное;
X2(W) - X5(Z) - генерация еслуч в 1-4-м измерениях, еслуч е [—0,0019;0,0019] мА, распределение нормальное;
X6(AA) - генерация коэффициента температурной составляющей дополнительной погрешности а, ае [—0,00019;0,00019] мА/°С, распределение равномерное;
X7(AB) - температура в камере, с погрешностью установки Дкамеры = ±0,5°С, распределение равномерное;
X8(AC) - X11(AF) - погрешность поддержания температуры в испытательной камере в 1—4-м измерениях, распределение нормальное;
X12(AG) — X15(AJ) - фактическая температура в испытательной камере;
X16(AK) — X19(AN) - дополнительная погрешность от температуры воспроизведения силы постоянного тока калибратором многофункциональным модели MCX-II-R;
X20(A0) — X23(AR) - суммарная погрешность в 1—4-м измерениях;
X24(AS) - оценка суммарной погрешности в 1—4-м измерениях;
X(AT) - сигнал, воспроизводимый переносным экземпляром эталона MCX-II-R, подаваемый на вход образцового мультиметра цифрового прецизионного модели Fluke 8508A для сличения;
X(AU) - генерация основной допускаемой погрешности мультиметра цифрового прецизионного модели Fluke 8508A Д8508A = [—0,0002; +0,0002] мА, распределение равномерное;
X(AV) - сигнал, воспроизводимый стационарным экземпляром эталона Fluke 8508A, сличаемый с сигналом калибратора многофункционального модели MCX-II-R;
X(AW) - поправка воспроизведения единицы величины переносным экземпляром эталона MCX-II-R в рабочих условиях V у .
Результаты выполненного эксперимента оказались следующими:
1. Случай применения известного способа калибровки, при котором переносной эталон сличают со стационарным эталоном в нормальных условиях калибровочной лаборатории.
Единица величины в рабочих условиях воспроизводится переносным эталоном MCX-II-R, и номинальный сигнал 10 мА подается на вход калибруемого ИК с погрешностью, максимальное по модулю значение которой равно 0,0037 мА, или 0,04 %. Расширенная неопределенность погрешности U = 0,0024 мА.
2. Применение предложенного нового способа [2-5], который основан на двухэтапной передаче единицы величины калибруемому ИК ИС с использованием метода замещения.
Нахождение поправки к значению единицы величины, воспроизводимому переносным эталоном MCX-II-R, позволяет воспроизвести единицу величины 10 мА в рабочих условиях с погрешностью, максимальное по модулю значение которой равно 0,00041 мА, или 0,004 %. Расширенная неопределенность погрешности U = 0,00021 мА.
Сравнение полученных результатов эксперимента показало, что применение нового способа калибровки ИК ИС позволяет уменьшить погрешность воспроизведения единицы величины и ее расширенную неопределенность почти в 10 раз. Минимизация погрешности воспроизведения единицы величины и ее расширенной неопределенности в рабочих условиях эксплуатации ИС в сравнении с известным способом достигается следующим образом.
В известном способе поправка определяется в нормальных условиях, а применяется в иных, рабочих условиях. Такая поправка не учитывает действия уникальной совокупности влияющих величин в момент калибровки ИК. Известный способ не определяет поправки для рабочих условий калибровки, что зачастую вообще делает его неприемлемым для калибровки ИК в рабочих условиях.
Предложенный новый способ позволяет найти поправку воспроизведения единицы величины переносным экземпляром эталона именно для тех условий, с той уникальной сложившейся совокупностью влияющих величин, в которой проводится калибровка ИК. Неопределенность нахождения поправки Vру на этапе 2 предложенного способа обусловливается
только неточностью воссоздания рабочих условий локально в калибровочной лаборатории. В выполненном эксперименте неточность воссоздания рабочих условий обусловлена:
- погрешностью измерения влияющих величин на этапе 1 (погрешностью измерения температуры В и ее изменением во время этапа 1);
- погрешностью воссоздания влияющей величины на этапе 2:
а) погрешностью установки температуры в испытательной камере,
б) погрешностью поддержания температуры в камере, т.е. неравномерностью теплового поля внутри камеры.
Достигнутая точность воспроизведения единицы величины в рабочих условиях обосновывает возможность применения и работоспособность предложенного способа для комплектной калибровки простого ИК в случае одной влияющей величины.
Далее аналогичным образом было выполнено экспериментальное исследование возможности передачи единицы величины в случае двух влияющих величин. Наряду с влияющим фактором температуры, оказывающим наибольшее влияние на точность передачи единицы величины, вторым влияющим фактором в эксперименте выбрано время. Полученные результаты экспериментальных исследований передачи единицы величины калибруемому ИК ИС в рабочих условиях при температуре вне области ее нормальных значений и с учетом нестабильности стационарного и переносного эталонов приведены в табл. 1.
Экспериментальные исследования были продолжены для случая сложного ИК ИС, реализующего косвенные измерения разности сил постоянного электрического тока, результаты приведены в табл. 1.
Таблица 1
Результаты экспериментальных исследований передачи единицы величины калибруемому ИК ИС в рабочих условиях
Погрешность передачи единицы величины ИК в рабочих условиях, мА Погрешность передачи единицы величины ИК в рабочих условиях,% от номинального значения Расширенная неопределенность
Описание эксперимента погрешности передачи единицы величины ИК в рабочих условиях, мА
Комплектная Известный 0,0037 0,04 0,0024
калибровка простого способ
ИК в случае одной Предложенный
влияющей величины [2-5] способ 0,00041 0,004 0,00021
(температуры)
Комплектная Известный 0,0037 0,04 0,0032
калибровка простого способ
ИК в случае двух Предложенный
влияющих величин (температуры [2-5] способ 0,00045 0,005 0,00021
и времени)
Комплектная Известный 0,0077 0,08 0,0042
калибровка сложного способ
ИК в случае одной Предложенный
влияющей величины [2-5] способ 0,0063 0,06 0,0035
(температуры)
Комплектная Известный 0,0078 0,08 0,0044
калибровка сложного способ
ИК в случае двух Предложенный
влияющих величин (температуры [2-5] способ 0,0065 0,07 0,0039
и времени)
Сопоставительный анализ полученных экспериментальных данных доказывает работоспособность и применимость предложенного нового способа калибровки ИК ИС в рабочих условиях в одной точке диапазона измерений [2-5]. Применение способа в каждой регламен-
тированной точке диапазона измерений ИК ИС делает возможным калибровку ИК ИС без демонтажа (если это вообще возможно), транспортировки элементов ИК ИС в калибровочную лабораторию и обратно, нового монтажа ИК ИС с возможной утратой прежнего приработанного режима, а главное, позволяет получить калибровочную кривую ИК ИС именной для представляющих практический интерес рабочих условий эксплуатации ИК ИС.
Библиографический список
1. РМГ 29-2013. ГСИ. Метрология. Основные термины и определения. - М. : Стандарт-информ, 2014. - 55 с.
2. Данилов, А. А. Калибровка средств измерений в рабочих условиях / А. А. Данилов, М. В. Бержинская, Ю. В. Кучеренко, Н. П. Ординарцева // Метрология. - 2014. - № 1. -С. 19-22.
3. Danilov, A. A. Calibration of measuring instruments under working conditions // A. A. Danilov, Yu. V. Kucherenko, M. V. Berzhinskaya, N. P. Ordinartseva // Measurement Techniques. -2014. - Vol. 57, iss. 3. - P. 228-230.
4. Danilov, A. A. Calibration Method of Measuring Instruments in Operating Conditions / A. A. Danilov, M. V. Berzhinskaya, Yu. V. Kucherenko, N. P. Ordinartseva // Advanced Mathematical and Computational Tools in Metrology and Testing X. - Singapore : World Scientific Publishing Company, 2015. - P. 149-156.
5. Danilov, A. A. Calibration method of measuring instruments in operating conditions / A. A. Danilov, Yu. V. Kucherenko, M. V. Berzhinskaya, N. P. Ordinartseva // Advanced Ma-tematical and Computational Tools in Metrology and Testing (AMCTM 2014) : trouble VNIIM, IMEKO TC21 International Conference. - St. Petersburg, Russia, 2014.
6. ГОСТ 8.395-80. ГСИ. Нормальные условия измерений при поверке. Общие требования. -М. : ИПК Изд-во стандартов, 2008. - 7 с.
7. ГОСТ Р 54500.3.1-2011. Руководство ИСО/МЭК 98-3:2008. Дополнение 1: 2008. Неопределенность измерения. Часть 3. Руководство по выражению неопределенности измерения. Дополнение 1. Трансформирование распределений с использованием метода Монте-Карло. - URL: http://docs.cntd.ru/document/1200088856
Ординарцева Наталья Павловна
кандидат технических наук, доцент,
кафедра информационно-измерительной техники
и метрологии,
Пензенский государственный университет (Россия, г. Пенза, ул. Красная, 40) E-mail: [email protected]
Ordinartseva Natalia Pavlovna
candidate of technical sciences, associate professor,
sub-department of information
and measuring equipment and metrology,
Penza State University
(40 Krasnaya street, Penza, Russia)
УДК 006.91 Ординарцева, Н. П.
Экспериментальное исследование возможности передачи в рабочих условиях единицы величины калибруемому каналу измерительной системы / Н. П. Ординарцева // Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль. - 2017. - № 4 (22). - С. 28-36. БО! 10.21685/2307-5538-2017-4-4.
