5.2 Метрологические характеристики средств измерений

М етрологические характеристики (МХ) средств измерений – это такие характеристики, которые предназначены для оценки технического уровня и качества средства измерения, для определения результата измерения и расчетной оценки характеристик инструментальной составляющей погрешности измерения. Удобно рассматривать МХ по группам средств измерений ибо функции их существенно различны.

5.21 Мх измерительных приборов

Структурные обозначения измерительных приборов показаны на рисунке 5.1.

х	Аналоговый измерительный прибор			х	Цифровой измерительный прибор	N
	а)	-деления шкалы прибора			б)	N- цифры на индикаторе

Рисунок 5.1 – Структурное обозначение аналогового (а) и цифрового (б) приборов

У прибора один вход и один выход, но групп характеристик оказывается достаточно много:

1 Характеристики входной (измеряемой) величины, включающие информативный параметр и неинформативные параметры.

2 Характеристики выхода (формы представления результата измерения).

3 Характеристики чувствительности, т.е. связи между выходной и входной величинами или .

4 Характеристики согласования (сопряжения) с объектом измерения.

5 Характеристики согласования с приемником информации.

6 Характеристики статической точности, включающие характеристики основной (в нормальных условиях) и дополнительных (за пределами нормальных условий) погрешностей.

7 Характеристики динамической точности или характеристики быстродействия.

8 Характеристики внешних условий.

9 Характеристики энергопитания.

10 Прочие характеристики.

5.2.1 Мх аналоговых приборов

Рассмотрим в качестве примера аналоговый электронный вольтметр переменного тока. Он имеет следующие характеристики.

1 Измеряемая величина (информативный параметр сигнала) - среднее квадратическое (или действующее) значение электрического напряжения.

Диапазон измерений 0 -300 В.

Поддиапазоны измерений (пределы измерений):

(0-3)мВ; (0-10)мВ; (0-30)мВ; (0-100)мВ;

(0-300)мВ; (0-1)В; (0-3)В; (0-10)В; (0-30)В; (0-100)В; (0-300)В.

Характеристики неинформативных параметров измеряемой величины:

- рабочий диапазон частота — 20 Гц … 5МГц (нормальная область частот – 45 ГЦ … 1МГц),

- синусоидальная форма сигнала, коэффициент гармоник, не более 2%.

2 Характеристики выхода, т.е. индикатора, или отсчетного устройства прибора:

индикатор стрелочный с линейной шкалой, число делений шкалы 30 и 100.

3 Характеристики чувствительности на основном диапазоне (300 мВ):

,

где - изменение показания в делениях шкалы, - изменение входной величины. Величина обратная чувствительности есть постоянная прибора С.

4 Характеристики согласования с объектом измерения (источником измеряемой величины); входной импеданс, как совокупность входного сопротивления и входной емкости - и .

5 Характеристики согласования с приемником информации.

В данном случае приемником является человек. Пока такую характеристику не нормируют.

6 Характеристики статической точности приведены в Таблице 5.2.

Таблица 5.2

Поддиапазоны	Пределы допускаемых погрешностей, %
	Рабочие области частот
	45 Гц…1 МГц	20Гц…45 Гц	1 МГц…3 МГц	З МГц…5 МГц
0 – 300 мВ	± 2,5	± 4	± 4	± 6
1 - 300 В	± 2,5	± 4	± 6	± 6

Пределы допускаемой дополнительной приведенной погрешности, вызванной изменением температуры (отклонением от нормальной, равной 20^оС),

в диапазоне температур [5-40]^о С.

Пределы допускаемой дополнительной погрешности, вызванной изменением напряжения питания (отклонение от нормального, равного 220 В),

.

7 Характеристика быстродействия - время реакции (установление показания)- не более 4 с.

8 Характеристики внешних условий.

Условия нормальные по ГОСТ 22261.

Условия рабочие по ТУ ХХ.ХХХ

9 Характеристики энергопитания:

Переменное напряжение от сети 220 В частотой 50 Гц.

10 Прочие характеристики.

5.2.2. МХ цифровых приборов

Если рассмотреть цифровой измерительный прибор (ЦИП), то появляются некоторые особенности:

2 Характеристики выхода.

Прибор имеет цифровой индикатор, например, с 5-ю десятичными разрядами и, кроме того, кодовый выход для связи с ЭВМ. Например: число десятичных разрядов - 5 плюс знаковый разряд, плюс код поддиапазона и т.д., т.е. характеристики интерфейса.

3 Характеристики чувствительности.

Вместо цены деления у ЦИП указывается цена единицы младшего разряда (ЕМР).

6 Характеристики статической точности.

Точность цифровых приборов, как правило, выше стрелочных. Поэтому применяют так называемую двучленную формулу, например в виде пределов допускаемой основной относительной погрешности:

,

где - конечное значение поддиапазона измерений; – результат измерения.

7 Динамические характеристики.

Время измерения 20 мс, частота повторения измерений, не более 25 Гц.

ЦИП имеет специфическую составляющую погрешности: погрешность квантования. Она следует из того, что уравнение преобразования измеряемой величины х в цифровой результат измерения имеет ступенчатый характер (смотри рисунок 1.4, а) и записывается в виде:

,

где Ent- целая часть отношения; q- единица младшего разряда, выраженная в единицах измеряемой величины. Погрешность квантования аналогична погрешности округления чисел при отбрасывании младших разрядов. Правила округления известны. Цифра “пять” присутствует и в приведенной формуле в смещении 0,5q, принципиально необходимом для получения симметричных границ для погрешности квантования.

	N
4q 3q 2q 1q
	1q 2q 3q 4q x
	а)
q 0
										x
	N 4q 3q 2q 1q 1q 2q 3q 4q x а) q 0 -q x б)

Рисунок 5.2 – Функция преобразования (а) и погрешность квантования (б) цифрового прибора

Если окажется, что N = а, то оценка измеряемой величины . И тогда можно утверждать, что истинное значение измеряемой величины находятся в интервале

.

Границы этого интервала определяют погрешность квантования, которая в функции измеряемой величины имеет ''пилообразный'' вид, показанный на рисунке 5.2б.

Э то идеальный ЦИП. Но кроме погрешности квантования у реальных приборов имеются и другие составляющие, которые определяются неидеальностью характеристик компонентов, из которых собран прибор.