книги из ГПНТБ / Кондрашкова Г.А. Технологические измерения и приборы целлюлозно-бумажной промышленности учеб. пособие

Как известно {43], определение входного импеданса ZBX для электрических преобразователей осуществляется в процессе ана­ лиза электрических цепей. Для неэлектрических преобразователей этот вопрос практически решается методом электромеханических аналогий [50]. Так же находится и выходной импеданс измеритель­

ного устройства.

Аналогия между электрическими и механическими величинами известна давно: с одной стороны, существуют механические мо­ дели электрических явлений, а с другой — современные сложные механические устройства анализируются путем приведения их к хорошо исследованным электрическим цепям. Последнее стано­ вится особенно целесообразным в современных комбинированных электромеханических измерительных устройствах, для которых аналоговые электрические цепи позволяют определить и согласо­ вать характеристики отдельных преобразователей.

Электромеханические аналогии базируются на формальном

стояние электрической системы характеризуется колебательными напряжениями U и токами і, состояние механической системы — соответственно колебательными силами F и скоростями ѵ. Исполь­ зуя наиболее распространенную аналогию дифференциальных уравнений электрических систем

e = L — -\-Rl + — Udt

можно представить механические величины их электрическими ана-

(рис. 2-9).

Соединение механических элементов для точек с одинаковой скоростью объединяется в узел. Электрическим аналогом узла яв­ ляется последовательное соединение электрических элементов, при котором одинаков ток, протекающий по всем элементам (рис. 2-9, а). Соединение механических элементов цепочкой, при котором во всех элементах действует одна и та же сила, представляется параллель­ ным электрическим соединением, в котором напряжение на всех элементах имеет одно и то же значение (рис. 2.9, б). Такое пред­

ставление механического устройства называется электрической аналоговой цепью.

40

Рассмотренная аналогия не единственна. В частности, ток можно считать аналогом силы, а напряжение — аналогом скорости. Это вытекает из аналогии дифференциального уравнения механи­ ческого движения

и выход, при этом его внутренняя электрическая цепь может быть сложной. Затем звенья-четырехполюсники соединяют так, чтобы входные зажимы каждого последующего четырехполюсника под­ ключались к выходным зажимам предыдущего. Такое каскадное соединение четырехполюсников называют цепными схемами. Их расчет подробно рассмотрен в теории электрических цепей в ра­

41

в) эффективность преобразования входной мощности в выход­ ную г-м четырехполюсником в цепной схеме

Последняя характеристика тесно связана с эффективностью преобразования і р. Действительно, эффективность преобразования можно выразить через качество k и степень согласования а четы­

ности при малых k и при наличии нескольких четырехполюсников в цепной схеме.

Согласованием звеньев цепной схемы с сопротивлением источ­ ника э. д. с., согласованием звеньев между собой и согласованием звеньев с сопротивлением нагрузки называют случай, когда одно­ временно имеют место равенства

: их — ] •^2 вх Z вых-- Z

При соединении четырехполюсников по принципу согласования сопротивления нагрузки с характеристическим сопротивлением че­

42

На рис. 2-11 приведена кривая зависимости эффективности пре­ образования ір от модуля качества четырехполюсника k при

М = 1.

До сих пор речь шла об эффективном преобразовании энергии четырехполюсником или цепной схемой. Такое преобразование ха­ рактерно для маломощных первичных, а также последующих пре­ образователей измерительных устройств.

В тех случаях, когда интересуются преобразованием с помощью

(при изменении Z( на бесконечно малое значение dZi). Тогда ана­ логично выражению (2.1) эффективность преобразования опреде­ ляется выражением

l_

k

k

—

a -j- •

Сделанные выводы справедливы и для указанной эффективности преобразования \z-

Таким образом, при расчете заданных (или оптимальных по выбранному критерию) параметров и режимов работы измери­ тельных устройств необходимо руководствоваться следующими со­ ображениями. Во-первых, они изображаются электрическими (со­ вместно с аналоговой для механических элементов) цепями в виде

43

цепных схем четырехполюсников. Во-вторых, полученные цепные схемы анализируются путем расчета каждого четырехполюсника для получения наибольшей величины его качества k (см. рис. 2-10). Последнее зависит от внутренних свойств четырехполюсника и со­ гласования четырехполюсников между собой и с сопротивлением нагрузки.

§ 6. НОРМИРОВАНИЕ МЕТРОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЯ И ИХ ПОВЕРКА

С развитием приборостроения появилась потребность не только определять значение погрешности конкретных измерительных уст­ ройств, но и нормировать их величину, а также устанавливать гра­ дации точности средств измерения, присваивая определенные классы точности измерительным устройствам. Все эти вопросы свя­ заны с необходимостью анализа погрешностей результатов измере­ ний, производимых с помощью конкретного средства измерения.

В измерительной практике формулируется также обратная за­ дача: как выбрать средство измерения и его метрологические ха­ рактеристики для обеспечения требуемой точности измерения кон­ кретной величины. Этой цели и служит установление градаций точности средств измерения. Градации характеризуются пределами допускаемых погрешностей и другими метрологическими характе­ ристиками в соответствии с назначаемыми классами точности. Они позволяют вычислить погрешности измерений, производимых с по­ мощью выбираемых средств измерений.

В настоящее время разработан и введен в действие с января 1969 г. стандарт на классы точности средств измерения (ГОСТ 13600 — 68). В этом стандарте под классом точности средств изме­ рения понимается обобщенная характеристика средств измерения, определяемая пределами допускаемых основной и дополнительных погрешностей, а также другими свойствами, влияющими на их точ­ ность [63].

Класс точности характеризует определенную сторону качества средств измерения, но не является непосредственной характеристи­ кой точности измерений, выполняемых с помощью этих средств, поскольку точность измерений зависит также от метода измерений и условий их выполнения. Кроме того, класс точности не характе­ ризует точность результата из-за нормирования всех видов погреш­ ности средств измерения в отдельности.

ГОСТ 13600 — 68 предлагает в качестве нормирующего значе­ ния основной и дополнительной погрешностей использовать предел допускаемых основной и дополнительной погрешности, соответ­ ственно определяемый как наибольшая1 основная или дополнитель­

с государственной системой обеспечения единства измерений в стране предпола­ гает использовать для нормирования метрологических характеристик, в частности погрешности и вероятности оценки.

44

рения в нормальных условиях эксплуатации или при изменении влияющей величины может быть допущено к применению.

Из всех возможных способов выражения пределов допускаемых погрешностей наиболее правильным и прогрессивным является нор­ мирование относительного значения погрешности, так как оно лучше других дает представление о том, какой уровень точности измерения может быть достигнут при помощи того или иного уст­ ройства.

На практике часто встречаются постоянное значение абсолют­ ной погрешности, а также изменяющееся значение относительной погрешности. В этом случае допускается стандартом нормирование погрешностей путем установления пределов допускаемых погреш­ ностей в виде абсолютных и приведенных относительных погрешно­

а и b — постоянные величины,

либо в виде таблицы пределов допускаемых погрешностей для раз­ личных измеряемых значений, показаний или сигналов.

где Хх — нормирующее значение. Согласно стандарту оно прини­ мается равным: конечному значению рабочей части шкалы для средств измерений с равномерной или степенной шкалой, если ну­ левая отметка находится на краю или вне шкалы; сумме конечных значений рабочей части шкалы (без учета знаков) для подобных же средств измерений, если нулевая отметка находится внутри шкалы; номинальному значению, если таковые установлены; длине шкалы для средств измерений с логарифмической или гиперболи­ ческой шкалой.

Здесь следует обратить внимание на то, что до сих пор за нор­ мирующее значение для приборов без нулевой отметки на шкале принималась разность конечного и начального значений рабочей части шкалы. За счет этого приведенная погрешность возрастала с сужением диапазона измерений, хотя точность прибора с узким диапазоном фактически выше,-чем с широким, поскольку повыше­ ние точности отсчета требует уменьшения и всех других погреш­ ностей прибора. В стандарте 13600—68 нормирующее значение для приборов без -нулевой отметки на шкале принято равным

45

конечному значению рабочей части шкалы. Это позволяет выбрать для обозначения класса точности прибора число, совпадающее с пределом погрешности, который соответствует конечному значе­ нию рабочей части шкалы.

Относительная погрешность б (%) должна быть представлена

Однако представляется более целесообразным придать пер­ вому члену формулы смысл относительной погрешности, свой­ ственной прибору при Х —-Хк (конечном значении шкалы), а вто­

(2,7). Этим доказывается тождественность рассматриваемых вы­ ражений (2.7) и (2.9).

Чтобы сделать относительную погрешность б возрастающей как при убывании, так и при возрастании X относительно некото­ рого значения Хо, в формулу (2.8) вместо самой разности введен

Стандарт устанавливает, что основная и дополнительные по­ грешности должны нормироваться одним и тем же способом. Однако он допускает и применение разных способов нормирова­ ния. При нормировании дополнительных погрешностей должны

46

указываться расширенные области значений влияющих величин, либо должна указываться функциональная зависимость погреш­ ности от изменения влияющей величины.

В связи с большим разнообразием средств измерений, их осо­ бенностей и уровней точности в общем стандарте на классы точ­ ности сформулированы лишь самые общие правила классифика­ ции средств измерений по точности и принципы деления их на классы точности в соответствии с конкретными значениями преде­ лов допускаемых погрешностей.

Стандарт устанавливает два вида классов точности. Первый относится к средствам измерений, для которых нормируются аб­ солютные погрешности. Здесь классам точности присваиваются порядковые номера и обозначение класса точности не связано со значением предела допускаемой погрешности, т. е. носит совер­ шенно условный характер.

Второй, наоборот, предусматривает связь между обозначением класса и конкретным значением предела погрешности. Он отно­ сится к средствам измерений, нормируемым по приведенным или относительным погрешностям.

Стандарт устанавливает следующий ряд чисел, определяющий

того же значения п разрешается устанавливать не более пяти классов точности.

В случаях, когда пределы погрешности определяются по одно­ членным формулам, т. е. по формулам (2.5) или (2.6), имеется непосредственная связь между обозначением класса точности и пределом погрешности. В случаях назначения пределов допускае­ мых погрешностей по формулам (2.7) или (2.8) стандарт преду­ сматривает выбор значений величин с и d из того же ряда чисел, но класс точности определяется совокупностью значений с н d и связан с пределами погрешностей более сложной зависимостью, которая может быть расшифрована по его обозначению.

В стандарте указывается, что конкретные ряды классов точ­ ности и связанные с ними пределы приведенных или относитель­ ных погрешностей должны устанавливаться стандартами на от­ дельные виды средств измерений. При вычислении предела погрешности по формулам (2.1) и (2.2) или (2.8) он должен округляться не более чем до двух значащих цифр, а погрешность округления не должна превышать 5% от вычисленного значения.

Обозначение и маркировка классов точности отражают пра­ вила, принятые в приборостроении, с некоторыми добавлениями. В частности, в отличие от принятых правил в стандарте сделано различие между обозначениями классов точности, подлежащими применению в документации (стандартах, технических условиях, описаниях и т. п.), и обозначениями непосредственно на самих средствах измерений, поскольку некоторые значки, уместные в

47

г

условных обозначениях, помещенных на приборах, неудобны для применения в тексте. Обозначения, установленные стандартом, иллюстрируются в табл. 2-1. В ней приведены примеры обозна­ чений для некоторых частных случаев.

Таблица 2-1

Примеры обозначения классов точности

по формулам с двумя коэффициентами. Эти обозначения состоят из двух чисел, соответствующих коэффициентам, разделенных косой чертой. При применении формулы (2.8) для указания на то, что должен быть взят модуль второго члена, второе число обозна­ чения класса точности помещается между вертикальными чер­ тами.

Способ указания нормального значения или нормальной об­ ласти значений влияющей величины, а также расширенной ее об­ ласти иллюстрируются табл. 2-2, в которой приводятся примеры обозначений для некоторых частных случаев.

Таким образом, внедрение ГОСТ 13600— 68 позволяет стан­ дартизировать одну из метрологических характеристик (классы точности) разнообразных средств измерения и перейти в даль­ нейшем к более полной унификации указанной характеристики.

Развитием этого направления явился ГОСТ 8009—72, который рассматривает номенклатуру нормируемых метрологических ха-

48

рактеристик, дает правила их определения и способы представле­ ния. В § 4 главы 1 приведен перечень метрологических характери­ стик средств измерения и некоторые правила их нормирования в соответствии с ГОСТ 8009—72 (подробнее см. [12]).

Рассмотренные общесоюзные ГОСТ дополняются и уточняются системой ведомственных стандартов и руководящих технических условий (РТУ) на отдельные группы и виды средств измерений. В них устанавливаются требования на метрологические и техни­ ческие характеристики конкретных изделий.

Для обеспечения единства и правильности измерений необ­ ходимой задачей метрологической службы страны, отрасли, пред­ приятия является государственный и ведомственный надзор (Госнадзор) за производством, состоянием и применением средств измерений. Одной из наиболее актуальных задач метрологических служб является проверка соответствия метрологических характе­ ристик средств измерения установленным нормам, которая в от­ личие от общетехнической проверки получила название поверки.

Поверке подлежат типовые и рабочие поверочные схемы, эта­ лоны, меры, образцовые измерительные установки, контрольные и технические средства измерения. Законодательная метрология регламентирует сроки и правила осуществления поверок средств измерения и разрабатывает научно-методическое руководство внедрения этих правил в народное хозяйство.

Например «Правила 12—58 организации и проведения по­ верки мер и измерительных приборов»1, утвержденные Государ­ ственным комитетом стандартов при Совете Министров СССР

(Госстандарт СССР) устанавливают общий порядок и периодич­ ность поверки, выдачи свидетельств (или клеймения) для прибо­ ров или мер, прошедших поверку, и т. д.

На все конкретные виды средств измерений Госстандартом

СССР выпускаются уточняющие правила, устанавливающие по­

1 «Правила 12—58 организации и проведения поверки мер и измерительных приборов». М., Издательство стандартов, 1958.