Методическое пособие 466

Меры – средства измерений, предназначенные для воспроизведения физической величины заданного размера. Различают однозначные и многозначные меры. Однозначные меры воспроизводят одно значение физической величины (например, нормальный элемент – значение ЭДС). Многозначные меры воспроизводят (плавно или дискретно) ряд значений одной и той же физической величины. Широкое применение имеют магазины сопротивлений, обеспечивающих ряд дискретных значений сопротивлений. Некоторые меры одновременно воспроизводят значения двух физических величин. Мера необходима для сравнения с ней измеряемой величины и получения ее значения.

Измерительные преобразователи – средства измерений, предназначенные для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и (или) хранения, но не поддающейся непосредственному восприятию наблюдателем. Принцип их действия основан на различных физических явлениях. Измерительные преобразователи преобразуют любые физические величины Х (электрические, неэлектрические, магнитные) в выходной электрический сигнал f(X).

Различают преобразователи: непрерывной величины в дискретную; первичные преобразователи (датчики), к которым подводится измеряемая величина; промежуточные, включенные в измерительную цепь после первичного; масштабные, предназначенные для изменения значения величины в некоторое число раз; обратные, включенные в цепь обратной связи; передающие; сравнения, предназначенные для сравнения измеряемой величины с мерой; выходные.

К измерительным преобразователям можно отнести преобразователи переменного напряжение в постоянное, делители тока, напряжения, измерительные трансформаторы напряжения и тока, усилители, компараторы, аналого-цифровые преобразователи, цифро-аналоговые преобразователи и др.

Измерительные приборы – средства измерений, предназначенные для выработки сигнала измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем. Измерительные приборы состоят из ряда соединенных между собой определенным образом измерительных преобразователей.

Измерительные установки – совокупность функционально объединенных средств измерений (мер, преобразователей, приборов, измерительных преобразователей) и вспомогательных устройств, предназначенная для выработки сигналов измерительной информации в форме, удобной для непосредственного восприятия наблюдателем, и расположенная в одном месте. Например, измерительная установка для измерения мощности в трехфазных цепях.

Измерительная система – совокупность средств измерений и вспомогательных устройств, соединенных между собой каналами связи, предназначенная для выработки сигналов измерительной информации в форме, удобной для

Измерительную систему, в которой предусмотрена возможность представления информации оператору, называют информационно-измерительной системой (ИИС). Если в состав ИИС входят ЭВМ, то система называется

измерительно-вычислительным комплексом (ИВК).

В зависимости от степени точности и области применения меры подразделяют на эталоны, образцовые и рабочие. Эталон воспроизводит единицу физической величины с наивысшей точностью.

Эталон единицы физической величины – средство измерений (и комплекс средств измерений), обеспечивающее воспроизведение и (или) хранение единицы с целью передачи ее размера нижестоящим по поверочной схеме средствам измерений, выполненное по особой спецификации и официально утвержденное в установленном порядке в качестве эталона.

Образцовое средство измерений – мера, измерительный прибор или измерительный преобразователь, служащие для поверки по ним других средств измерений и утвержденные в качестве образцовых.

Рабочее средство измерений – средство измерений, применяемое для измерений, не связанных с передачей размера единиц.

Поверочная схема – утвержденный в установленном порядке документ, устанавливающий средства, методы и точность передачи размера единицы от эталона или исходного образцового средства измерений рабочим средствам измерений.

Классификация измерительных приборов по обобщенным признакам.

Наиболее распространенными средствами измерений являются измерительные приборы. Они разнообразны вследствие различных измерительных задач и требований, предъявляемых к приборам.

Измерительные приборы представляют собой различное сочетание измерительных преобразователей, выполняющих определенные функции, и отсчетного устройства. Структурная схема измерительного прибора показывает функциональное взаимодействие основных его преобразователей.

По физическим явлениям, на которых основана работа измерительных приборов, их можно разделить на электроизмерительные и электронные приборы.

Электроизмерительные приборы являются электромеханическими. Их классификация зависит от способа преобразования электромагнитной энергии в механическую.

Различают следующие виды аналоговых электромеханических измерительных приборов: магнитоэлектрические, электродинамические, электромагнитные, электростатические, комбинированные и логометры. Подробнее об этих приборах см. [3].

Электронные измерительные приборы представляют собой сложные устройства, содержащие большое число преобразователей, выполняющих функции генерирования, усиления, выпрямления, преобразования электрических сигналов определенной формы,54аналогового сигнала в дискретный и наоборот, сравнения и др. Электронные приборы разрабатываются на активных

элементах (электронных лампах, транзисторах, микросхемах) и на пассивных элементах (резисторах, конденсаторах, катушках индуктивности).

По характеру и виду измеряемых величин электронные измерительные приборы подразделяют на 22 подгруппы, которые условно можно объединить в 5 групп:

1)измерительные генераторы – маломощные источники сигналов;

2)специальные элементы измерительных цепей (ослабители сигналов, фазовращатели);

3)приборы, предназначенные для измерения значений физических величин, параметров и характеристик сигналов (электронные осциллографы, вольтметры, частотомеры и др.);

4)приборы, предназначенные для измерения характеристик и параметров компонент, входящих в радиоэлектронные цепи (измерители емкостей конденсаторов, индуктивностей катушек, сопротивлений резисторов, параметров полупроводниковых приборов, цифровых и линейных интегральных схем, амплитудно-частотных характеристик и т.д.);

5)измерительные установки, системы.

Рассмотрим более подробно приборы третей группы.

Электронные приборы данной группы обладают большим динамическим

диапазоном. Если для электромеханических приборов характерны большая мощность потребления, использование в цепях постоянного и переменного тока низких частот (20 – 2500 Гц), для электронных приборов характерны малая мощность потребления и использование их в цепях постоянного тока и переменного тока широкой полосы частот (низких, высоких и сверхвысоких) с различной формой сигнала. Они обладают большим входным сопротивлением, благодаря чему ими можно выполнять измерения в цепях маломощных источников сигнала. Степень влияния включения прибора на режим работы маломощной цепи зависит от значения и характера входного сопротивления. Входное сопротивление электронного прибора Z ВХ при гармоническом сигнале на входе равно отношению напряжения U BX , подаваемого на вход прибора, к току

По виду выдаваемой информации различаются аналоговые и цифровые приборы.

Аналоговый прибор – измерительный прибор, показания которого являются непрерывной функцией изменений измеряемой величины. В этих приборах непрерывная измеряемая величина вызывает подобное ей непрерывное отклонение указателя по шкале, т.е. аналоговая величина представляет собой подобие другой величины. К аналоговым приборам относят приборы, у которых указатель жестко связан с подвижной частью измерительного механизма.

Цифровой прибор – измерительный прибор, автоматически вырабатывающий дискретные сигналы измерительной информации, показания которых представляются в цифровой форме.

По схеме преобразования различают структурные схемы измерительных приборов прямого действия и сравнения.

Структурная схема прибора55прямого действия (рис. 1.13, а)

показывает, что преобразование сигнала измерительной информации происходит только в одном направлении, т.е. без применения обратной связи. Входной сигнал Х последовательно через преобразователи П1, П2,…, Пn преобразуются в выходной сигнал Y, удобный для наблюдения, регистрации или запоминания (Y1, Y2,…, Yn-1- промежуточные величины). Измерительными приборами прямого преобразования являются аналоговые электромеханические приборы.

Рис. 1.13. Структурная схема приборов прямого действия (а) и сравнения (б)

Структурная схема прибора сравнения – уравновешивающего преобразования замкнутого типа (рис. 1.13, б) показывает, что прибор имеет две цепи: прямого преобразования, состоящую из преобразователей П1, П2,…, Пn, и обратного преобразования, состоящую из преобразователей П01, П02,…, П0m. На входе цепи прямого преобразования происходит сравнение (уравновешивание) двух однородных величин противоположного знака: входной измеряемой величины Х с выходной величиной ХY цепи обратного преобразования.

По способу выдачи измерительной ин формации измерительные приборы делятся на показывающие и регистрирующие.

Показывающий прибор – измерительный прибор, допускающий отсчитывание показания, регистрирующий прибор – прибор, в котором предусмотрена регистрация показаний и их запись в форме диаграммы, называют самопишущим, а при печати в цифровой форме – печатающим. Приборы могут либо выдавать информацию о текущем значении измеряемой величины, либо измеряемую величину игнорировать во времени или по другой независимой переменной (интегрирующие приборы), либо суммировать показания двух или нескольких величин, подводимых к ним по различным каналам (суммирующие приборы).

По характеру установки на месте применения измерительные приборы могут быть стационарные и переносные; по степени защищенности – обыкновенные, пыле -, водо- и брызгозащищенные, герметические и др.

Обозначение измерительных приборов. В зависимости от характера измерений и вида измеряемых величин электронные измерительные приборы обозначают буквами (например, для измерений силы тока – буквой А; для измерения напряжений – буквой В и56т.д.).

Приборы каждой группы классифицируются по признаком основной выполняемой функции на виды, к которым присваиваются буквенно-цифровые обозначения, состоящие из обозначения подгруппы и номера вида (например, универсальные вольтметры В7). Внутри каждого вида приборы подразделяют по совокупности характеристик и очередности разработок на типы, которым присваивают порядковый номер модели. Таким образом, полное обозначение прибора составляется из буквы (подгруппа), цифры (вид) и числа (через дефис), указывающего тип прибора (например, В7-35). Для модернизированных приборов в конце обозначения ставятся в алфавитном порядке буквы, соответствующие очередной модернизации.

Обозначение прибора, имеющего несколько параметров, составляется из обозначения вида, к которому прибор относится по основной выполняемой функции. Если в подгруппе вида отсутствуют универсальные приборы, то к обозначению вида допускается добавлять букву К.

Электромеханические электроизмерительные приборы классифицируют по принципу действия: магнитоэлектрические – М; электродинамические – Д; электромагнитные – Э; электростатические – С; приборы с термопреобразователями – Т.

1.9.2.Метрологические характеристики средств измерений

иих нормирование.

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

Устанавливаемые нормативно-технической документацией (НТД) МХ называются нормируемыми. В зависимости от вида, назначения, условий применения средств измерений нормируется определенный комплекс МХ (ГОСТ

8.009 - 84).

Функция преобразования измерительного прибора (градуировочная характеристика, уравнение преобразования) – зависимость между выходным сигналом измерительного прибора Y и его входным сигналом X:

Y = (X).

Функция преобразования, которую должен иметь измерительный прибор, при определенных (нормальных) условиях внешней среды и неизменных или медленно меняющихся значениях входного сигнала называется номинальной статической характеристикой преобразования. Эта функция может быть представлена аналитически, графически или в виде таблицы. Идеальная функция преобразования представляет линейную зависимость, но под действием тех или иных причин она может изменять свой вид.

Чувствительность измерительного прибора характеризует способность прибора реагировать на изменения входного сигнала. Чувствительность определяется из уравнения57преобразования и представляет собой отношение изменения сигнала Y на выходе прибора к вызывающему его

изменению сигнала X на входе прибора:

S = Y/ X.

При линейном уравнении преобразования S = Y/X. Относительная чувствительность

S = Y/( X/Х),

где - X/Х – относительное изменение входного сигнала.

Цена деления шкалы аналогового измерительного прибора (или постоянная прибора) – разность значений величин, соответствующих двум соседним отметкам шкалы. Она связана с чувствительностью зависимостью

С = 1/ S = X/ Y.

Чувствительность и цена деления – величины именованные. Обычно говорят о чувствительности прибора к какой-то величине (напряжению, току, сопротивлению и т.д.). Например, S= 5 дел/В; С=0,2 В/дел.

Порог чувствительности – изменение входного сигнала, вызывающее наименьшее изменение входного сигнала, которое может быть обнаружено наблюдателем с помощью данного прибора без дополнительных устройств. Порог чувствительности определяет фактическую разрешающую способность измерительного прибора.

Диапазон измерений - область значения измеряемой величины, для которой нормированы допускаемые погрешности средств измерений. Эта область ограничена пределами измерений – наибольшими и наименьшими значениями диапазона измерений. Диапазон измерений может состоять из нескольких поддиапазонов с различными погрешностями.

Показание – значение величины, определяемое по отсчетному устройству прибора и выраженное в принятых единицах этой величины.

Вариация показаний – возможная наибольшая разность между отдельными повторными показаниями прибора, соответствующими одному и тому же действительному значению измеряемой величины при неизменных внешних условиях. Вариация характеризует устойчивость показаний прибора.

Входные и выходные характеристики (входной и выходной импеданс)

соответственно определяют воздействия измерительного прибора на объект исследования. При подключении средств измерений к объекту измерения вследствие их взаимного влияния могут возникнуть погрешности. В частности, средства измерения потребляют некоторую мощность от объекта измерения (источника входного сигнала), что приводит к изменению режима работы объекта измерения, если объект маломощный. Малое потребление мощности от источника входного сигнала является достоинством средств измерения, которым обладают электронные приборы. Входные характеристики определяют реакцию выходного сигнала на подключение нагрузки.

Вид входного кода – число разрядов кода и цена единицы наименьшего разряда кода измерительного прибора (при выдаче результатов в цифровом виде).

Область рабочих частот – полоса частот, в пределах которой погрешность прибора, вызванная изменением частоты, не превышает допускаемого предела.

показаний (временем успокоения) – промежутком времени с момента изменения измеряемой величины до момента установления показаний прибора. Для цифровых приборов быстродействие В определяется как отношение числа измерений n за некоторый промежуток времени ∆t к этому промежутку времени:

В = n /∆t.

Быстродействие цифровых приборов составляет от одного до десятков тысяч измерений в секунду и более.

Кроме метрологических характеристик при эксплуатации важно знать: Надежность средств измерений – способность приборов сохранять

эксплутационные параметры в установленных пределах в течение заданного времени. Основные критерии надежности, по Государственной системе приборов (ГСП), - вероятность безотказной работы в течение заданного времени, интенсивность отказов, среднее время безотказной работы. Оценка надежности производится в процессе разработки прибора;

Экономичность средств измерения – простота конструкций в обращении и оправданная экономическая стоимость.

1.9.3. Погрешности средств измерений (СИ)

Составляющая погрешности измерений, обусловленная свойствами применяемых СИ, называется инструментальной погрешностью измерений. Эта погрешность является важнейшей метрологической характеристикой СИ и определяет, насколько действительные свойства средств измерений близки к номинальным.

Согласно ГОСТ 8.009-84, следует различать четыре составляющие погрешности средств измерений: основную; дополнительную; обусловленную взаимодействием средств и объекта измерений; динамическую.

Основная погрешность. Она обусловлена неидеальностью собственных свойств средств измерений и показывает отличие действительной функции преобразования средств измерений в нормальных условиях от номинальной функции преобразования.

По способу числового выражения основной погрешности различают абсолютную, относительную и приведенную погрешности.

Абсолютная погрешность измерительного прибора — разность между показанием прибора x и истинным значением A измеряемой величины. Абсолютная погрешность, взятая с обратным знаком, называется поправкой

= – .

Относительная погрешность измерительного прибора (%) – отношение абсолютной погрешности к истинному значению измеряемой величины

δ=[(x-A)/A]100.

Относительная погрешность обычно существенно изменяется вдоль шкалы

отношение абсолютной погрешности к нормируемому значению ХN:

γ=[ (x-A)/ХN ] 100.

Чаще всего за XN принимают верхний предел измерений данного прибора. Основная погрешность прибора –– погрешность при нормальных условиях

использования прибора (см. табл. 1.1). По характеру влияния на функцию преобразования ее можно представить в виде

Суммарная абсолютная погрешность выражается уравнением

= a+bx,

т. е. аддитивная и мультипликативная погрешности присутствуют одновременно (прямая 1 на рис.1.14).

Каддитивной погрешности прибора можно отнести погрешность, вызванную трением в опорах электроизмерительных приборов, которая не зависит от значения входного сигнала, а также помехи, шумы, погрешность дискретности (квантования) в цифровых приборах. Если прибору присуща только аддитивная погрешность или она существенно превышает другие составляющие, то целесообразно нормировать абсолютную погрешность.

Кмультипликативной погрешности можно отнести погрешности

изготовления добавочного резистора в вольтметре или шунта в амперметре, погрешности коэффициента деления делителя и т. д. Мультипликативная составляющая абсолютной погрешности увеличивается с увеличением измеряемой величины, а так как относительная погрешность остается постоянной, то в этом случае целесообразно нормировать погрешность прибора в виде относительной погрешности.

Аддитивная и мультипликативная погрешности могут иметь как систематический, так и случайный характер.

Систематическая погрешность средства измерений — составляющая погрешности средства измерения, остающаяся постоянной или закономерно изменяющаяся при многократных измерениях одной и той же величины. К постоянным систематическим погрешностям относят погрешности градуировки шкалы аналоговых приборов; калибровки цифровых приборов; погрешности, обусловленные неточностью подгонки резисторов, температурными изменениями параметров элементов в приборах и т. д. К переменным систематическим погрешностям относят погрешности, обусловленные нестабильностью напряжения источника питания, влиянием электромагнитных полей и других влияющих ве-

погрешности средства измерений, изменяющаяся случайным образом. Случайные погрешности могут возникнуть из-за нестабильности переходного сопротивления в контактах коммутирующих устройств, трения в опорах подвижной части приборов и т. д.

К случайным погрешностям относятся также погрешности от гистерезиса — вариации показаний выходного сигнала средства измерения.

Таким образом, при определении основной погрешности абсолютная погрешность может быть представлена ее составляющими — систематической и случайной.

Дополнительная погрешность. Дополнительная погрешность обусловлена реакцией средства измерений на изменения внешних влияющих величин и неинформативных параметров входного сигнала.

Неинформативным параметром входного сигнала называется параметр входного сигнала, не используемый для передачи значения измеряемой величины. (Например, при измерении частоты сигнала частотомером указывается уровень входного сигнала.) Дополнительная погрешность зависит от свойств средств измерений и от изменения влияющих величин, отличных от нормальных.

Погрешность, обусловленная взаимодействием средств измерений и объекта измерения. Подключение средства измерений к объекту измерений во многих случаях приводит к изменению значения измеряемой величины относительно того значения, которое она имела до подключения средства измерения к объекту измерений и определение которого является целью измерений. Эта составляющая зависит от свойств средства измерений и объекта измерений.

Электроизмерительный прибор, включенный в измерительную цепь, потребляет из неѐ некоторое количество энергии, называемое собственным потреблением прибора. Эта энергия расходуется на перемещение (вращение) подвижных частей измерительного механизма, нагрев проводов рамки, добавочных резисторов и других вспомогательных элементов. Собственное потребление является важным параметром электроизмерительного прибора, и чем оно больше, тем ―грубее‖ прибор и тем большее влияние он оказывает на режим измеряемой цепи, вызывая большие погрешности измерений.

Динамическая погрешность. Она обусловлена реакцией средства измерения на скорость (частоту) изменения входного сигнала. Эта погрешность зависит от динамических свойств (инерционности) средства измерения, частотного спектра входного сигнала, изменений нагрузки и влияющих величин. На выходной сигнал средства измерений влияют значения входного сигнала и любые изменения его во времени. Различают полную и частную динамические характеристики.

Полная динамическая характеристика — характеристика, полностью описывающая принятую математическую модель динамических свойств средства измерений и однозначно определяющая изменение выходного сигнала средства