Все о датчиках температуры.
Первый универсальный русскоязычный портал

Символ нового года

Как внедрить цифровой термометр в поверочную схему

14.04.2023 | Автор: Моисеева Н.П. | Полемические заметки | Количество просмотров: 2295

Приборов, которые называются «цифровой термометр» сейчас  много. Самые точные приборы, типа МИТ-8.15, Теркон, ТмК используются фактически для измерения электрических сигналов  напряжения, сопротивления, тока. Они могут подключаться к различным температурным датчикам и при этом погрешность измерения температуры складывается из погрешности электрических измерений и самого датчика. Методика поверки основана на определении относительной погрешности электрического сигнала, передача единицы измерения идет в соответствии с поверочными схемами  средств измерений напряжения и электрического сопротивления. А в этих схемах измерители напряжения и сопротивления, используемые, как эталоны различных разрядов, характеризуются пределом допускаемой погрешности Do.

Есть другой тип цифровых термометров, в которых температурный датчик, или щуп, уже включен в состав прибора. Например, термометр LTA  фирмы ТЕРМЭКС, DTI-1000 фирмы АМЕТЕК. Причем иногда точность такого прибора позволяет использовать его в поверочной деятельности, как термометр третьего разряда, что очень удобно для поверки, например, рабочих термометров по ГОСТ 8.461-2009. Погрешность такого датчика должна нормироваться в соответствии с ГПС средств измерения температуры. Как известно,  для всех разрядных СИ, и для мер температуры, и для измерительных приборов  у нас в схеме предусмотрена характеристика точности  в виде «доверительных границ погрешности». И так же, как в случае с калибраторами температуры, о которых мы рассуждали в предыдущей статье, доверительные границы погрешности цифровых термометров, как правило, не нормируются в описании типа и не рассчитываются в методиках поверки. Обычно в ОТ нормируется предел  погрешности, т.е. допустимое отклонение показания поверяемого прибора от показания  эталона. Знаю, что сейчас, после выхода дополнения к постановлению 734 об эталонах, некоторые поверочные центры стали отказывать в указании в свидетельстве о поверке разряда термометра, ссылаясь на отсутствие в МП определения доверительных границ погрешности. (Выдержка из постановления, гл.3 п.12: «Для средств измерений утвержденного типа, применяемых в качестве эталонов единиц величин, вместо первичной аттестации и периодической аттестации выполняется поверка в соответствии с установленными для них методиками поверки средств измерений с учетом требований поверочных схем.»)

Выход из этой ситуации может быть либо в изменении поверочной схемы, либо в изменении методик поверки цифровых термометров. Мое мнение, что менять надо и то и другое. И хотя изменить ГПС – очень нереалистичный вариант, хочу сделать отступление о том, как, по моему мнению, было бы логично характеризовать эталонные измерительные установки, в частности цифровые термометры, в поверочной схеме. Основой для деления на разряды должна быть погрешность, которая определяется при поверке, как разность между показаниями цифрового и эталонного термометров. Устанавливаться должен предел погрешности для разных разрядов и допустимая неопределенность измерений при поверке. Этот подход соответствует рекомендованному в документе КООМЕТ R/GM/21:2011 «Использование понятий “погрешность измерения” и “неопределенность измерения”. Общие принципы». Выдержка из документа: «точность результатов измерений в большинстве метрологических задач характеризуется неопределенностью, а точность средств измерений характеризуется пределами погрешностей.»

Но вернемся к реалиям. Поверочная схема СИ температуры требует оценить доверительные границы погрешности прибора. Попробуем решить задачу.

Итак, при поверке цифрового термометра его сличают в термостате с эталонным термометром более высокого разряда. Эталонный и поверяемый термометры погружают в хороший термостат на одинаковую глубину и проводят серию измерений температуры эталонным и поверяемым термометрами. В результате получают две выборки результатов Тп и Тэ . Из этих результатов можно рассчитать среднее арифметическое значение Тср.п  и  Тср.э  и соответствующие им СКО. Погрешность цифрового термометра будет вычисляться по формуле D = Тср.п - Тср.э.. Далее, следуя старому методу оценивания характеристик погрешности, определяем доверительные границы погрешности.  Для этого  определяем возможные источники систематической погрешности. Источниками являются погрешность эталонного термометра, погрешность электроизмерительной установки на которой измеряют сопротивление эталонного термометра, неравномерность температуры в термостате и разрешение дисплея цифрового термометра. Пример составляющих неисключенной систематической погрешности приведен в таблице. Температура 150 °С.

 

Примечание: вертикальный и горизонтальный градиенты в термостате определяют не из ОТ термостатов, а непосредственно в поверочной лаборатории на длине ЧЭ термометров, поэтому в жидкостных термостатах они могут быть очень малыми.

Далее проводим расчет в известной последовательности:

1)      Определение СКО случайной составляющей погрешности,

2)      Расчет СКО суммарной неисключенной систематической составляющей погрешности,

3)      Расчет доверительных границ суммарной неисключенной систематической составляющей погрешности

4)      Расчет СКО суммарной погрешности (с учетом случайной и систематической составляющей)

5)      Расчет доверительных границ погрешности измерений. 

Допустим, что, рассчитав СКО по результатам 10 измерений, мы получили:

Sп = 0,002 °С

Sэ = 0,001 °С

В итоге для СКО случайной погрешности  получим:

СКО суммарной неисключенной систематической составляющей погрешности НСП рассчитываем в предположении о равномерном распределении неисключенных систематических составляющих погрешности результата измерений внутри их границ (кроме погрешности δtэ, которая имеет нормальное распределение, при этом СКО рассчитывается делением доверительной погрешности на 2):

 

Доверительные границы суммарной неисключенной систематической составляющей погрешности результата измерений температуры  θ (р) при доверительной вероятности 95% рассчитываем по следующей формуле:

 

В итоге для СКО  суммарной погрешности получим:

 

Доверительные границы измерения температуры цифровым термометром D0.95 при эффективном числе степеней свободы n-1=9 определяем по формуле:

 

где t 0.95(9) – коэффициент Стьюдента для числа степеней свободы 9, равный 2,262. 

Доверительные границы погрешности определяют интервал значений, в котором с вероятностью 95% находится погрешность измерения. 

После проведения таких расчетов границ доверительной погрешности измерения, возникает справедливый вопрос, является ли эта величина полной характеристикой точности цифрового термометра? Нет, поскольку в расчете доверительных границ учитывался только разброс (СКО) измеренных значений, т.е. случайная составляющая погрешности, и характеристики метода (термостат, эталонный термометр). При этом фактически не учитывалось значение отклонения показаний прибора от эталона Тср.п -  Тср.э. А именно эта характеристика в методиках поверки является основным показателем точности прибора. 

Допустим, что мы получили при поверке: D = Тср.п -  Тср.э = 0,02 °С и, тем самым уложились в требования к пределу погрешности из описания типа. Это важная характеристика точности, которая фактически и должна использоваться при делении термометров на разряды.  Но в поверочной схеме нет такой характеристики. Там нормируются только доверительные границы погрешности. Очевидно, что доверительные границы погрешности не могут  служить единственным показателем точности измерителя температуры. 

Не могу не сказать также, что расчет доверительных границ погрешности измерения является фактически аналогом расчета расширенной неопределенности измерения, хотя есть небольшие нюансы. Я здесь конкретно приводить расчет неопределенности не буду, но можете посмотреть пример в предыдущей статье о калибраторах

И мы опять приходим к той схеме, о которой я говорила в начале – нормировать в схеме нужно предел допустимой погрешности прибора и расширенную неопределенность измерений при его поверке.

Какой выход из ситуации можно сейчас предложить? Можно предложить рассматривать «доверительные границы погрешности», нормированные в схеме, как предел погрешности плюс доверительный интервал погрешности. 

В нашем примере получим:

D = 0,02 ± 0,008 °С 

И тогда можно сравнивать полученный результат с требованиями ГПС. 

Теперь о конкретных цифрах.  Здесь тоже проблема. В таблице 8 текста ГПС нам даны для 3 разряда следующие требования:

Диапазон от 0 до 300 °С,  дов. границы: от 0,02 до 0,45 °С (предполагается линейная интерполяция в диапазоне температур). При температуре 150 °С получим требование к термометру 3 разряда 0,23 °С. Наш цифровой термометр в это требование легко укладывается. Однако, применять термометр с погрешностью 0,23 °С для поверки ТС по ГОСТ 6651 мы не сможем. (допуск для ТС 1-го класса при 150 °С 0,45 °С). Но рассуждая логично, я все же думаю, что в тексте ГПС ошибка. Не может термометр с погрешностью 0,02 °С при 0 °С сразу при росте температуры поменять погрешность, и уже при 100 °С показать 0,15 °С.  Также, возможно в схеме слишком жесткие требования к погрешности в нуле? Ориентироваться здесь надо на рабочий термометр  1 класса. Возьмем 1/3 от его погрешности в нуле: 0,15/3=0,05 °С.  Это и должно быть требование к  эталону 3 разряда. 

Еще одна проблема, связанная с нормированием точности эталонов – учет нестабильности за интервал времени между поверками. Выскажу мнение, что нестабильность должна быть дополнительной характеристикой точности, заданной для прибора. Она должна нормироваться в описании типа и проверяться при поверке. В дальнейшем, полученные при поверке значения нестабильности должны быть учтены при составлении бюджета неопределенности поверяемого с помощью данного эталона средства измерения. (как это сделано в ГОСТ 8.461). 

В данной статье рассмотрен вопрос о характеристиках точности цифровых эталонных термометров, которые поверяются методом сличения в термостате с термометром более высокого разряда. Что касается термометров сопротивления, таких, например, как ЭТС-100, которые поверяют методом прямого измерения в реперных точках МТШ-90 с дальнейшим построением индивидуальной функции сопротивление-температура, то для них нет понятия «погрешность», в смысле отклонения от эталона. Показателей точности остается два: расширенная неопределенность поверки (она зависит от СКО результатов при поверке, характеристик измерительного оборудования и аппаратуры для реализации реперной точки), а также нестабильность термометра за интервал между поверками. Если перейти на неопределенность нет возможности, то можно по старинке считать доверительные границы погрешности. 

Подводя итог всем рассуждениям и расчетам, хочется в заключение сказать, что изменение законодательства, утверждение поверочных схем и методов поверки должно учитывать современное развитие метрологии и терминологии, а также  потребности, интересы и опыт производителей средств измерений, создавать условия для развития производства, не создавая при этом препятствия и проблемы.

Источники

Рекомендация КООМЕТ R/GM/21:2011 “Использование понятий “погрешность измерения” и “неопределенность измерения”. Общие принципы.” Скачать pdf>>>

Другие статьи раздела

Все статьи раздела "Полемические заметки">> Все статьи нашего блога >>

Добавить комментарий: