3.2 Структура средств измерений

Каждое средство измерений представляет собой некоторое техническое устройство определенной структуры. Степень сложности средства измерений определяется характером и количеством преобразований, необходимых для преобразования информативного параметра входного сигнала в информативный параметр выходного сигнала.

Средства измерений можно изобразить графически их схемами – структурными, функциональными и принципиальными.

Структурной схемой – средства измерений называется схема, отображающая ее основные структурные элементы, их назначения и взаимосвязи. Степень дифференциации структурной схемы на структурные элементы определяется назначением схемы.

Схема, которая наряду со структурой средства измерения разъясняет функционирование отдельных элементов, определенные процессы в них, называют функциональной.

Схема, отображающая полный состав элементов средства измерения, их взаимосвязи и дающая представление о принципе действия средства измерения называется принципиальной схемой средства измерения.

Способ соединения элементов определяет метод измерительного преобразования. Различают методы прямого уравновешивающего компенсационного и комбинированного преобразований.

Прямое преобразование характерно тем, что передача измерительной информации осуществляется только в одном направлении – от входа к выходу без обратной связи между ними рис 3.1, а).

Уравновешивающее преобразование заключается в том, что входная величина уравновешивается другой одноименной величиной (рис. 3.2, б).

Комбинированное преобразование осуществляется при охвате отрицательной обратной связью только части цепи прямого преобразования (рис. 3.2., г).

Рис. 3.1 – структурные схемы.

Следует отметить, что в случае прямого преобразования происходит суммирование погрешностей, вносимых отдельными элементами, и это затрудняет построение средств измерений прямого преобразования с высокой точностью. У средств измерения с компенсационным преобразованием в момент компенсации ∆x = 0 (или близко к этому) сигнал на выходе средства измерения пропорционален входному сигналу, т.е. не зависит от преобразования информативного сигнала в цепи прямого преобразования.

3.3 Характеристики средств измерений

Свойства средств измерений описывают характеристиками, среди которых выделяют метрологические и неметрологические характеристики.

Метрологические характеристики. Функция преобразования – функциональная зависимость между информативн6ым параметром выходного и входного сигналов средства измерения:

y = F (x)

Чувствительность средства измерения – отношение приращения выходного сигнала ∆y средства измерений к вызвавшему это приращение изменению входного сигнала ∆x:

При линейной функции преобразования чувствительность постоянна, при нелинейной – зависит от X. У средств измерения с постоянной чувствительностью шкала равномерная, т.е. длина всех делений шкалы одинакова.

Постоянная прибора – величина обратная чувствительности:

с = 1/ S.

Чувствительность и постоянная прибора имеют размерность. Так, например, если S = 10 дел/ ед.изм, то с = 0,1 ед. изм./ дел.

Порог чувствительности – наименьшее изменение входной величины, обнаруживаемое с помощью данного средства измерения. Порог чувствительности выражают в единицах измеряемой величины.

Деление шкалы – разность значений физической величины, соответствующих двум соседним отметкам шкалы (для цифровых средств измерения – цена единицы младшего размера отсчетного устройства).

Входное полное сопротивление Z_ВХ – определяет мощность, потребляемую от объекта исследования средством измерения, чем выше Z_ВХ, тем меньше потребляемая мощность.

Выходное полное сопротивление – Z_ВЫХ определяет допустимую нагрузку на средство измерения, чем меньше выходное сопротивление, тем больше допустимая нагрузка.

Важнейшей характеристикой средства измерений является погрешность.

Погрешность средства измерений может быть выражена в виде абсолютной, относительной или приведенной погрешности.

Здесь и далее мы будем говорить о погрешностях средств измерений – измерительных приборах, как наиболее представительной группы средств измерений, вырабатывающих сигналы измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем.

Абсолютная погрешность измерительного прибора ∆ - разность между показанием прибора x и истинным значением измеряемой величины X

∆ = x – X

Абсолютная величина, взятая с обратным знаком называется поправкой.

С=-

Абсолютную погрешность измерительного прибора определяют при его поверке и при этом вместо истинного значения используют действительное значение измеряемой величины .

Относительная погрешность измерительного прибора δ - отношение абсолютной погрешности измерительного прибора ∆ к истинному значению измеряемой величины Х. Относительная погрешность обычно выражается в процентах

На практике, в большинстве случаев при определении δ относят ∆ к показанию прибора х.

т.к. разница между

величина высшего порядка малости и тем меньше, чем выше точность измерительного прибора.

Приведенная погрешность γ – отношение абсолютной погрешности ∆ к нормирующему значению х_N. Приведенная погрешность выражается в процентах

Нормирующие значение х_N – для измерительных приборов принимается равным:

1. Для средств измерений с равномерной или степенной шкалой, если нулевая отметка находится на краю или вне шкалы, - большему из пределов измерений;

2. Для средств измерений с равномерной, практически равномерной или степенной шкалой и нулевой отметкой внутри диапазона измерений – равной сумме модулей пределов измерений;

3. Для средств измерений с установленным номинальным значением – этому номинальному значению;

4. Для средств измерения с существенно неравномерной шкалой – равным всей длине шкалы в единицах длины или ее части, соответствующей диапазону измерений (в этом случае абсолютную погрешность выражают также в единицах длины).

Для измерительных преобразователей также вводят перечисленные выше три вида погрешностей, для мер – первые два вида. Используют аналогичные формулы, но смысловое содержание величин, входящих в формулы другое, определяемое функциями средств измерения.

Погрешности измерительных приборов зависят от внешних условий (влияющих величин), поэтому их принято делить на основную и дополнительную.

Основная погрешность ₀ – погрешность в условиях, принятых за нормальные для данного средства.

Дополнительная погрешность _д– возникает при отклонении одной или более влияющих величин от нормальных значений или нормальных областей их значения.

В зависимости от характера изменения погрешностей измерительных приборов различают систематические и случайные погрешности.

Систематические погрешности _с - составляющие погрешности, остающиеся постоянными или закономерно изменяющиеся при повторных измерениях одного и того же значения измеряемой величины.

Случайные погрешности , составляющие погрешности, изменяющиеся случайным образом при повторных измерениях одного и того же значения измеряемой величины. Случайные составляющие приводят к неоднозначности показаний измерительных приборов.

Погрешности измерительных приборов в зависимости от изменения измеряемой величины разделяют на аддитивные и мультипликативные. Аддитивные погрешности – не зависят от измеряемой величины. Мультипликативные погрешности - изменяются пропорционально измеряемой величине.

Динамические характеристики - характеристики инерционных свойств измерительных приборов, определяющие зависимость выходного сигнала от меняющихся во времени величин: значения измеряемой величины, внешних влияющих величин, нагрузки. Динамические свойства приборов определяют динамическую погрешность.

Время установления показаний измерительного прибора – время реакции, т.е. время от момента скачкообразного измерения измеряемой величины до момента установления с определенной погрешностью показания, соответствующего установившемуся значению измеряемой величины.

Вариация показаний – разница между показаниями измерительного прибора, соответствующими одному и тому же значению измеряемой величины при двух направлениях медленных изменений измеряемой величины в процессе подхода ее к этому значению.

Диапазон измерений - область значений, для которых нормированы допускаемые погрешности средства измерений. Диапазон измерений ограничивается наибольшим и наименьшим значением измеряемой величины, которую можно измерить данным средством измерения (верхний и нижний пределы измерений).

Диапазон показаний – область значений шкалы, ограниченная начальным и конечным значениями шкалы.