2. Средства измерения и их свойства.

Измерения проводят с помощью средств измерений – технических средств, имеющих нормированные метрологические характеристики.

По функциональному назначению средства измерений подразделяются следующим образом:

Мера – средство измерений, предназначенное для воспроизведения физической величины заданного размера. Например, калибр-диаметр - однозначная мера, набор гирь – набор мер, микрометр – многозначная мера.

Измерительный преобразователь - средство измерений, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и (или) хранения, но неподдающийся непосредственному восприятию наблюдателем.

Измерительный преобразователь, на который подается измеряемая величина, называется первичным измерительным преобразователем. Измерительный преобразователь, предназначенный для изменения размера величины в заданное число раз, называют масштабным измерительным преобразовате_лем.

Измерительные преобразователи в зависимости от вида (аналоговый, кодированный) входного и выходного сигнала делятся на три группы:

^{− аналоговые измерительные преобразователи, у которых на входе} и на выходе аналоговые сигналы;

− аналого-цифровые измерительные преобразователи, имеющие на входе аналоговый, а на выходе – кодированный сигнал;

^{− цифро-аналоговые измерительные преобразователи, у которых}

на входе кодированный сигнал, а на выходе – аналоговый.

Измерительный прибор – средство измерений, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем.

Измерительный прибор, показания которого являются непрерывной функцией изменений измеряемой величины, называется аналоговым измерительным прибором.

Измерительный прибор, автоматически вырабатывающий дискретный (кодированный) сигнал измерительной информации и дающий показания в цифровой форме, называют цифровым измерительным прибором.

В зависимости от того, допускают ли измерительные приборы только считывание показаний или допускают считывание и регистрацию или только регистрацию показаний, они относятся либо к показывающим, либо к регистрирующим измерительным приборам.

Информационно-измерительные системы – совокупность функционально объединенных измерительных, вычислительных и других вспомогательных технических средств для получения измерительной информации, ее преобразования, обработки с целью представления потребителю (в том числе, ввода в АСУ) в требуемом виде либо автоматического осуществления логических функций контроля, диагностирования, идентификации (т.е. определения).

Информационно-измерительные системы применяют для испытаний крупных объектов, т.е. когда необходимо измерять большое число физических величин, производить обработку измерительной информации, воздействовать на объект в процессе испытаний и т.д.

Разновидность информационно-измерительных систем - информационно-вычислительные комплексы, которые представляют собой автоматизированные средства измерений и обработки измерительной информации. Их отличительная черта – наличие в комплексе свободно программируемой ЭВМ, которая используется не только для обработки результатов измерения, но и для управления самим процессом измерения.

Для выполнения массовых технологических измерений применяют измерительные установки.

Измерительная установка – это совокупность функционально и конструктивно объединенных средств измерений и вспомогательных устройств, предназначенных для рациональной организации измерений. Электроизмерительные установки используют, например, для градуировки и поверки электроизмерительных приборов.

По метрологическим характеристикам все средства измерений делятся на образцовые и рабочие.

Образцовые средства измерений предназначены для поверки с их помощью других (рабочих) средств измерений.

Рабочие средства измерений используют для всех измерений, кроме измерений, связанных с поверкой, т.е. передачей размера единиц величин.

1.3. Метрологические характеристики СИ.

Технические характеристики СИ, оказывающие влияние на результаты и погрешности измерений, называются метрологическими характеристиками (МХ). От точности характеристик при изготовлении СИ, стабильности их в процессе эксплуатации зависит точность результатов измерения.

Важнейшей метрологической характеристикой СИ является погрешность СИ, которая определяет, насколько действительные свойства СИ близки к номинальным.

Следует различать четыре составляющие погрешности СИ:

• основная;

• дополнительная;

• обусловленная взаимодействием СИ и объекта измерения;

• динамическая.

Основная погрешность – обусловлена неидеальностью собственных свойств СИ. Выражается в виде класса точности СИ.

Погрешность может выражаться различными способами.

Классы точности СИ.

Метрологические характеристики, введенные ГОСТ 8.009-84, наиболее полно описывают метрологические свойства СИ. На практике, однако, чаще всего используются метрологические характеристики, которые нормируются на основе классов точности.

Класс точности--это обобщенная характеристика СИ, выражаемая пределами допускаемых значений его основной и дополнительной погрешностей, а также другими характеристиками, влияющими на точность. Класс точности позволяет судить о том, в каких пределах находится погрешность СИ данного типа.

Пределы допускаемых основной и дополнительных погрешностей выражают в форме абсолютных, относительных и приведенных погрешностей. Выбор формы представления зависит от характера изменения погрешности в пределах диапазона измерений, а также от условий применения и назначения СИ.

1. Пределы допускаемой абсолютной основной погрешности устанавливаются по одной из формул:

или , где x -значение измеряемой величины; и - положительные числа, не зависящие от . Первая формула описывает чисто аддитивную погрешность (не зависящую от измеряемой величины), а вторая – сумму аддитивной и мультипликативной (зависящей от ) погрешностей.

В этом случае в технической документации класс точности обозначают буквами латинского алфавита или римскими цифрами (пригодились).

Например "Класс точности М".

2. Пределы допускаемой относительной основной погрешности:

а). При отсутствии мультипликативной составляющей:

, если .

Обозначение класса точности на приборе в виде .  , например, 1,5 Это значит, что во всем диапазоне допускается максимальная относительная П : =  /x.

.  называется «предел допускаемой относительной основной погрешности», х - показание прибора.

Пример. Счетчик энергии, на циферблате которого указано 1,5 , имеет во всем диапазоне относительную погрешность не более 1,5 %. Абсолютная погрешность при показании, например,

1000 кВт-ч составляет 15 кВт-ч.

б). При наличии мультипликативной погрешности:

.

Класс точности обозначается в виде "c/d"

Пример. Амперметр с пределом измерения 100А и классом точности 1,5/1,0 показывает 10А. Относительная погрешность измерения

=[1,5+1(100/10-1)]= 10%; абсолютная = х = 1А.

в). Пределы допускаемой приведенной основной погрешности:

1). , где -нормирующее значение.

Класс точности обозначают конкретным числом "p", например 0.5.

Пример. Амперметр с пределом измерения 100А, на циферблате которого указано 1,5 имеет во всем диапазоне абсолютную погрешность не более 1,5 А, а относительную при измерении 50А: .

. 2) .  (например, 1.5). То же, что п.1, но  и Х_н выражаются в единицах длины шкалы. Применяется для приборов с существенно неравномерной шкалой.

Пример. Мегоомметр с пределом измерения 100 МОм, длина части шкалы, соответствующая диапазону измерений, 100мм. На циферблате указано 1,5 . Это значит, что во всем диапазоне абсолютная погрешность не более 1,5 мм.

В приведенных формулах --отвлеченные положительные числа, выбираемые из параметрического ряда: (1;1.5;2;2.5;4;5;6) , где n=1;0;-1;-2;...

В обоснованных случаях пределы допускаемой относительной погрешности определяют по более сложным формулам, либо в виде графиков или таблиц.

Класс точности конкретного СИ (прибора) позволяет экспериментатору уже до проведения опыта оценить ожидаемую предельно допустимую погрешность измерения. Это очень важная составляющая раздела: планирование эксперимента.

Пример 1.

Отсчет по равномерной шкале вольтметра с начальной нулевой отметкой и предельным значением 100 Вольт составил 40 Вольт.

1. Класс точности обозначен значком , т.е. выражается через относительную погрешность:

Предел ожидаемой допускаемой погрешности измерения напряжения равен:

, .

Окончательная запись результата измерения: .

Что означает эта запись?

Истинное значение измеряемой величины мы не знаем, но можем утверждать, что с вероятностью Р (в данном случае Р 0.997) оно находится в заданном интервале (доверительном интервале).

2. Класс точности обозначен значком 0.5, т.е. выражается через приведенную погрешность:

Предел ожидаемой допускаемой погрешности измерения

равен: ,

Окончательная запись результата измерения: .

Б). Дополнительная погрешность.

Для каждого СИ в нормативно-технических документах оговариваются условия эксплуатации – совокупность влияющих величин (температура окружающей среды, влажность, давление и др.), при которых нормируется его погрешность. Дополнительной называется погрешность СИ, возникающая вследствие отклонения какой-либо из влияющих величин.

В). Погрешность, обусловленная влиянием СИ на объект исследования.

Любое СИ в простейшем случае (при измерении постоянных сигналов или переменных сигналов низкой частоты – до сотен килогерц) может быть представлено в виде активного эквивалентного сопротивления .

Для СИ, подключаемых параллельно исследуемому участку электрической цепи (например, нагрузке), это сопротивление равно входному сопротивлению прибора и указывается в инструкции (вольтметры, осциллографы и др.). При подключению такого прибора к схеме (нагрузке), параметры электрической цепи меняются и мы получаем дополнительную погрешность – систематическую методическую погрешность. Систематическая – т.к. она всегда постоянна, а «методическая» - поскольку обусловлена методом измерения.

Чем больше входное сопротивление прибора, тем меньше его влияние на исследуемую электрическую схему: методическая погрешность меньше!

Иначе влияют на исследуемую схему СИ, включаемые последовательно с нагрузкой (например, при измерении тока в нагрузке). Они обладают внутренним активным сопротивлением, которое включается последовательно с нагрузкой. Чем меньше внутреннее сопротивление прибора, тем меньше его влияние на исследуемую схему.

Г). Динамическая погрешность – погрешность СИ, возникающая при измерении изменяющейся (в процессе измерений) физической величины, являющаяся следствием инерционных свойств СИ.

Схема любого электронного прибора содержит реактивные элементы: конденсаторы С, индуктивности L, в том числе и паразитные. Даже при подключении СИ, например вольтметра, к источнику постоянного тока, процесс установления показания прибора является конечным: пока не зарядятся все конденсаторы. Этим и обусловлены инерционные свойства электронных приборов. Верные показания будут только при установившемся режиме. Теоретически процесс зарядки конденсатора бесконечен (конденсатор заряжается по экспоненциальному закону), а практически для каждого прибора задается (в паспортных данных) время установления, после которого можно снимать показания с допустимой динамической погрешностью.

Для электромеханических приборов (ЭМП) время установления может составлять 4-6 секунд. У цифровых приборов оно существенно меньше

(микро-, наносекунды и меньше).