3.3 Классы точности средств измерений

Класс точности – это обобщенная характеристика средств измерений, определяемая пределами допускаемых основных погрешностей. Классы точности регламентируются ГОСТ 8.401 – и стандартами на отдельные виды средств измерений с использованием метрологических характеристик и способов их нормирования, изложенных в предыдущих главах.

Средствам измерений, пределы допускаемой основной погрешности которых задаются относительной погрешностью по одночленной формуле (3.5), присваивают классы точности, выбираемые из ряда чисел р и равные соответствующим пределам в процентах. Так, для средства измерений с δ = ± 0,2 % класс точности обозначается .

Если пределы допускаемой основной относительной погрешности выражаются двухчленной формулой (3.6), то класс точности обозначается как c/d , где числа с и d выбираются из того же ряда, что и р, но записываются в процентах. Так, измерительный прибор класса точности 0.02/0.01 характеризуется пределами допускаемой основной относительной погрешности

.

Классы точности средств измерений, для которых пределы допускаемой основной приведенной погрешности нормируются по формуле (3.4), обозначаются одной цифрой, выбираемой из ряда для чисел р и выраженной в процентах. Если, например, γ = 0,5 %, то класс точности обозначается как 0.5 (без кружка).

Вопросы для самоконтроля

1 Что называют средством измерений?

2 Перечислите виды средств измерений.

3 Чем отличается измерительный прибор от преобразователя и меры?

4 Пpиведите примеры: а) мер постоянного напряжения − однозначных и многозначных; б) мер переменного электрического напряжения; в) мер электрического сопротивления.

5 Пpиведите примеры компараторов, измерительных и масштабных преобразователей, используемых в электрических измерениях.

6 Чем отличается измерительная установка от измерительной системы?

7 К какому виду средств измерений относятся: генератор? термистор? вольтметр? радиочастотный кабель?

8 Для каких целей служат: а) эталоны? б) рабочие средства измерений?

9 Что понимают под метрологическими характеристиками средства измерений?

10 Перечислите метрологические характеристики измерительных приборов.

11 В каких формах записывают основную погрешность средства измерений?

12 Что понимают под функцией влияния?

13 Какими параметрами описывают свойства входа электрических средств измерений в диапазоне низких частот?

14 Какими параметрами описывают свойства входа электрических средств измерений в диапазоне сверхвысоких частот?

15 Что понимают под вариацией показаний средства измерений?

16 Какими параметрами характеризуют инерционные свойства средств измерений?

17 Что понимают под классом точности средства измерений?

18 Как обозначают классы точности средств измерений?

Глава 4 методы измерений

При решении различных измерительных задач, располагая различными видами средств измерительной техники (приборами, мерами, компараторами), экспериментатору необходимо решить вопрос о том, как следует использовать средства измерительной техники, чтобы выполнить требования по точности и производительности измерений. Для этого необходимо четко представлять приемы использования средств измерений, а также реализованные в этих средствах принципы измерений.

Принцип измерений − физическое явление или совокупность физических явлений, положенных в основу функционирования средства измерений. Например, резонансный принцип измерения емкости (измерение емкости конденсатора с использованием явления резонанса напряжений в колебательном контуре), термоэлектрический принцип измерения температуры (измерение температуры с использованием термоэлектрического эффекта).

Метод измерений − совокупность приемов использования средств измерений различных видов (приборов, мер, компараторов). Например, нулевой метод измерения, метод замещения, метод нониуса и др.

Способ измерений − это конкретный путь использования принципов, методов и средств измерений, являющийся основой для разработки процедуры (методики) измерений. Например, генераторный способ измерений L и С, реализованный в приборе Е7−9, в котором использован резонансный принцип измерений и нулевой метод измерений. Или контурный способ измерений L и С, реализованный в куметре Е4−11, который использует резонансный принцип измерений и метод непосредственной оценки. Или осциллографические способы измерений частоты колебаний, фазового сдвига, временных интервалов и т.п.

Ранее отмечалось, что любое измерение заключается в сравнении размера измеряемой физической величины (параметра) с размером единицы этой величины. Это сравнение можно выполнить двумя принципиально разными путями.

Первый путь − передать размер единицы физической величины от меры, которая ее воспроизводит, к измерительному прибору (т.е. отградуировать прибор в единицах физической величины), после чего прибор осуществляет хранение различных значений физической величины. Измеряя прибором, сравнивают размер физической величины, поданной на вход прибора, с тем значением, что хранит прибор после градуировки его отсчетного устройства.

Второй путь заключается в непосредственном сравнении измеряемой физической величины с величиной, воспроизводимой мерой. Для этого надо располагать мерой и компаратором.

Метод непосредственной оценки заключается в использовании измерительного прибора и в оценки при помощи этого прибора всего размера физической величины. Результат измерений при этом методе считывают по отсчетному устройству измерительного прибора. Например, измерение напряжения вольтметром, мощности – ваттметром и т.п. Схемотехнически метод непосредственной оценки можно представить так, как это показано на рис. 4.1.

Рисунок 4.1 – Метод непосредственной оценки

Как правило, измерения этим методом проводятся относительно просто и быстро, не требуют высокой квалификации экспериментатора, поскольку не нужно создавать специальные измерительные установки из нескольких средств измерений и выполнять какие−либо сложные вычисления. Однако точность измерений чаще всего оказывается невысокой из−за погрешностей, связанных отличием условий измерения от нормальных условий, при которых градуировался прибор (непостоянство температуры, нестабильность источников питания и пр).

При проведении наиболее точных измерений предпочтение отдается различным модификациям метода сравнения с мерой, при котором измеряемую величину находят сравнением с величиной, воспроизводимой мерой.

Разновидностями метода сравнения с мерой являются методы сопоставления, методы уравновешивания и методы замещения.

При проведении измерений методами сопоставления (метод совпадений и метод нониуса) разность между измеряемой величиной и величиной, воспроизводимой мерой, измеряют, используя совпадение отметок шкал или периодических сигналов.

Метод совпадений предполагает использование многоканальной нерегулируемой меры (МКНМ), набора устройств сравнения (дифференциальных компараторов) и вспомогательных средств. Схематично реализация этого метода представлена на рис.4.2.

Суть метода совпадений заключается в одновременном сравнении размера измеряемой величины при помощи набора компараторов с множеством значений величины, воспроизводимой МКНМ. Результат измерений полагают равным Q_изм= К_ст*Q, где Q− ступень размера величины, воспроизводимой мерой, К_ст − номер старшего из компараторов, зафиксировавших выполнение условия Q_изм > i*Q, где i1...К.

Рисунок 4.2 – Метод совпадений

Примеры реализации метода − приемники сигналов точного времени Ч7−, аналого−цифровые преобразователи в интегральном исполнении серии 1107ПВ, измерение длины измерительной линейкой и др.

Достоинством этого метода является малое время измерений (высокая производительность измерений). К недостаткам метода следует отнести высокие аппаратные затраты, а иногда − значительную погрешность измерений за счет дискретности многоканальной меры (Q_м).Для уменьшения погрешности от дискретности меры используют метод нониуса.

Метод нониуса − это метод совпадений в котором используют две многоканальные нерегулируемые меры с разными размерами ступеней квантования воспроизводимой физической величины − Q_М1 и Q_М2, что позволяет измерять с дискретностью, равной разности ступеней т.е. (Q_М1 − Q_М2) путем сравнения измеряемой величины со значениями обоих мер.

Например, измерители временных интервалов, построенные на нониусных счетчиках (в качестве устройств сравнения) и использующие два генератора тактовых импульсов на 10 нс (100 МГц) и 10.05 нс (99.5 МГц), позволяют измерять временные интервалы с погрешностью около 50 пикосекунд (пс). Или штангенциркулем, в котором имеются две штриховые меры длины с шагом в 1 мм и в 0.9 мм, измеряют длину с дискретностью отсчета в 0.1 мм.

При проведении измерений методами уравновешивания (нулевой метод и дифференциальный метод) измеряемую величину уравновешивают (полностью или не полностью) величиной, воспроизводимой мерой.

Нулевой метод измерений предполагает использование одноканальной регулируемой меры (ОКРМ), одного устройства сравнения (УС) и нуль – индикатора (НИ). Схематично реализация этого метода показана на рис.4.3.

Рисунок 4.3 – Нулевой метод измерений

Суть нулевого метода заключается в полном уравновешивании измеряемой физической величины Q_x известной величиной, воспроизводимой мерой (Q_М). Путем плавной регулировки размера величины Q_М добиваются нулевых показаний нуль− индикатора (НИ), который фиксирует выполнение условия Q = Q_x − Q_М = 0 на выходе дифференциального компаратора. После этого результат измерений считывают по отсчетному устройству меры: Q_изм = Q_М. В этом случае компенсация воздействий влияющих величин оказывается более полной, а значение измеряемой величины принимается равным значению меры.

К достоинствам метода следует отнести сравнительно небольшие аппаратные затраты и высокую точность измерений. Недостатком метода является низкая производительность измерений.

Пример реализации нулевого метода − измерение амплитуды импульса при помощи осциллографа с дифференциальным усилителем (С1−70 или С1−74) и калибратора регулируемого постоянного напряжения. Другой пример − мостовые измерители R,L,C типов Е7−8, Е7−10).

Дифференциальный метод измерений предполагает использование набора однозначных мер (или одноканальной меры с большими ступенями регулирования воспроизводимой величины), одного дифференциального компаратора и измерительного прибора. Схематично реализация дифференциального метода представлена на рис.4.4.

Рисунок 4.4 – Дифференциальный метод измерений

При дифференциальном методе измерения на измерительный прибор подается непосредственно разность измеряемой величины Q_x и величины Q_м, воспроизводимой мерой (ОКРМ). Пример реализации дифференциального метода – измерение частоты сверхвысокочастотных сигналов при помощи частотомера с гетеродинным преобразователем частоты (Ч3−34 и Я3Ч−51).

Методы уравновешивания могут быть использованы, конечно, только в тех случаях, когда просто и точно реализуется операция вычитания величин (длины, перемещения, электрического напряжения, частоты).

К разновидностям метода сравнения с мерой относятся и методы замещения (полного и неполного). Сущность методов замещения в том, что измеряемая величина замещается в измерительной схеме известной величиной, воспроизводимой мерой. При методе замещения измерение выполняется два этапа (рис.4.5). На первом этапе на отсчетном устройстве (ОУ) фиксируется показание, соответствующее физической величине, поступающей от объекта измерений − α₁.

ОКРМ− одноканальная регулируемая мера; ОУ – отсчетные устройства.

Рисунок 4.5 – Метод замещения

На втором этапе вместо объекта измерений подключают меру (замещают мерой объект измерений).

При полном замещении показания индикатора не изменяются и результат измерения принимается равным значению меры: Q_изм = Q_м. При неполном замещении для получения значения измеряемой величины к значению меры следует прибавить значение, на которое изменилось показание отсчетного устройства прибора. Преимущество метода замещения − в последовательном во времени сравнении измеряемой величины и величины, воспроизводимой мерой. Благодаря тому, что обе эти величины включаются одна за другой в одну и ту же часть измерительной цепи прибора, точностные возможности измерений значительно повышаются по сравнению с измерениями, проводящимися с помощью других разновидностей метода сравнения, где несимметрия цепей, в которые включаются сравниваемые величины, приводит к возникновению систематических погрешностей. Метод замещения применяется в том случае, если мера характеризуется такими же неинформативными параметрами, как и объект измерений (например, при измерениях электрического напряжения вольтметром одинаковыми у объекта измерений и у меры должны быть выходное сопротивление, частота колебаний, форма сигнала).

Рисунок 4.6 – Измерение времени задержки сигнала: а)методом непосредственной оценки; б) нулевым методом

Сравнительная характеристики методов измерений представлена в табл. 4.1.

Таблица 4.1 – Сравнительная характеристика методов измерений

	Метод непосредственной оценки	Методы сравнения с мерой
		Сопоставления		Уравновешивания		Замещения
		Совпадений	Нониуса	Нулевой	Дифференциаль−ный	Полного	Неполного
	1	2	3	4	5	6	7
Используемые средства измерений	Измерительный прибор	МКНМ, набор УС, вспом. ср−ва	2 МКНМ, набор УС, вспом. ср−ва	ОКРМ, УС, НИ	ОКНМ, УС, изм. прибор	ОКРМ, индикатор	ОКРМ, изм. прибор
Результат измерений	Qx = Qип	Qx = Кст*ΔQ	Qx = Кст*ΔQ + Ni(ΔQ1− ΔQ2)	Qx = Qм	Qx = Qм+Qип	Qx = Qм	Qx = Qм+Qип
Производи−тельность	Хорошая	Наилучшая	Высокая	Низкая	Низкая	Низкая	Низкая
Погрешность	Большая	Большая	Малая	Малая	Малая	Самая малая	Малая
Недостатки	Большая погрешность	Большие аппаратурные затраты		Низкая производительность

Задачи

1 Какие методы измерений можно реализовать при наличии одноканального осциллографа, канал веpтикального отклонения котоpого оснащен диффеpенциальным усилителем?

2 Пpедложите стpуктуpные схемы и методики измерений вpемени задеpжки импульсного сигнала в pадиотехнической цепи при помощи одноканального осциллогpафа: а) методом непосредственной оценки; б) методом замещения.

3 Пpедложите два способа измерений длительности импульса при помощи одноканального осциллогpафа и генератора импульсов, реализующие различные методы измерений. Пpиведите схемы измерений.

Вопросы для самоконтроля

1 Что понимают под принципом измерений?

2 Что понимают под методом измерений?

3 В чем сущность метода замещения и когда он используется?

4 Чем отличается нулевой метод измерений от дифференциального?

5 В чем преимущества и недостатки метода сопоставления?

6 В чем отличие измерительных приборов уравновешивающего преобразования от измерительных приборов сравнения?

7 Каков главный недостаток методов уравновешивания, как его можно устранить?

8 Каково главное условие достижения высокой точности измерений методом полного замещения?

9 Что понимают под методикой выполнения измерений?