книги из ГПНТБ / Электрические измерения. Общий курс учебник

В качестве примера укажем классы точности, предусмотренные ГОСТ 1845—59. Этот ГОСТ охватывает обширную группу показывающих н са­

Согласно ГОСТ 1845—59 по точности прпборы делятся на 8 классов: 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5 и 4,0. Класс точности прибора означает в частности, что основная приведенная погрешность прибора (положительная или отрица­ тельная) в рабочем диапазоне ш к а л ы , выраженная в процентах, не превышает значения, соответствующего классу прибора. ГОСТ 1845—59 нормирует н до­ полнительные погрешности приборов.

ГОСТ 8.009—721 нормирует вероятностные характеристики средств измерений. Для отдельных групп измерений установлены комплексы нормируемых метрологических характеристик. В частности для группы средств измерений, которые не должны использоваться со­ вместно с другими средствами измерений (автономные электроизме­ рительные приборы), предусматривается нормирование систематической'Составляющей ее допускаемым пределом, математическим ожи­ данием и средним квадратическим отклонением. Случайная состав­ ляющая также должна нормироваться комплексом своих характе­ ристик: пределом допускаемого среднего квадратического отклоне­ ния и автокорреляционной функцией или спектральной плотностью случайной составляющей. ГОСТ 8009—72 предусматривает нормиро­ вание и других характеристик приборов.

Вариацией показаний прибора называется наибольшая возмож­ ная разность между его отдельными повторными показаниями, со­ ответствующими одному и тому же действительному значению измеря­ емой величины, при неизменных внешних условиях.

По ГОСТ 1845—59 вариация показаний определяется как раз­ ность показаний прибора (при одном и том же значении измеряемой величины) при плавном подходе указателя к испытуемой отметке сначала со стороны начальной, а затем конечной отметки шкалы. Причиной возникновения вариации может служить, например, тре­ ние в опорах подвижной части.

Чувствительностью S электроизмерительного прибора к измеряе­ мой величине х называется производная от положения указателя по измеряемой величине х. У обширной группы электроизмеритель­ ных приборов используется угловое перемещение указателя. Для этих приборов чувствительность определяется как производная от угла отклонения а подвижной части по величине х, т. е.

20

равномерную шкалу, то чувствительность равна отношению изме­ нения положения указателя к изменению измеряемой величины и, в частности, отношению полного отклонения П О Д В И Ж Н О Й части к пре­ дельному значению измеряемой прибором величины. Величина, обрат­ ная чувствительности, называется постоянной прибора.

Это определение чувствительности не распространяется на инте­ грирующие приборы (счетчики) и на цифровые приборы.

Чувствительность прибора, как следует из определения, имеет размерность, зависящую от характера измеряемой величины. По­ этому, когда пользуются термином «чувствительность», говорят «чувствительность прибора к току» или «чувствительность прибора к напряжению» и т. д. Если чувствительность прибора непостоянна, т. е. прибор имеет неравномерную шкалу, то для такого прибора

прибора. Понятие порога чувствительности в отличие от понятия чувствительности распространяется также и на цифровые приборы.

Понятие чувствительности прибора дает возможность представить погрешность прибора двучленной формулой. Если произвести по­ верку прибора, т. е. определить его эксплуатационную погрешность в ряде точек шкалы, и построить зависимость абсолютной погреш­ ности от показаний прибора, то эта зависимость может иметь двоякий характер. Все значения погрешности могут оказаться в пределах прямых 1 (см. рис. 3), параллельных оси Ох \х — показания прибора). Второй случай — погрешности закономерно изменяются, например, как показано на рис. 3, в пределах прямых 2.

В рассматриваемом случае погрешность прибора Л может быть

где Л0 называется погрешностью нуля или аддитивной (лат. aridilivus — придаточный); вторая составляющая погрешности

носит название погрешности чувствительности или мультипликатив­ ной (лат. multiplicato — умножение); ys — относительная погреш­ ность чувствительности прибора.

Погрешность нуля, определяемая нестабильностью во времени (дрейфом) нуля, шумами и помехами, является одним из показателей

21

качества прибора. От погрешности нуля зависит наименьшее значе­ ние величины, которое может быть измерено прибором.

Двучленная формула нормирования погрешности принята в ряде ГОСТ.

При включении электроизмерительного прибора в цепь, находя­ щуюся под напряжением, прибор потребляет от этой цепи некоторую мощность. При измерениях в маломощных цепях потребление при­ борами мощности может изменить режим, что приведет к увеличению погрешности измерения. Поэтому малое потребление мощности от цепи, в которой осуществляется измерение, является достоинством прибора. Как будет выяснено ниже, это потребление мощности зависит от системы и конструкции прибора. *~

После включения электроизмерительного прибора в цепь измеряе­ мой величины или после изменения последней до момента установле­ ния показаний прибора, когда можно произвести отсчет, проходит некоторый промежуток времени (время переходного процесса), зави­ сящий от системы прибора и его конструкции. Желательно, чтобы это «запаздывание» показаний прибора было наименьшим. У приборов непрерывного действия «запаздывание» показаний прибора харак­ теризуется так называемым временем успокоения.

Строго говоря, под временем успокоения следовало бы понимать тот промежуток времени, который проходит с момента изменения из­ меряемой величины до момента, когда указатель займет положение, соответствующее новому значению измеряемой величины.

Однако если учесть, что всем приборам присуща некоторая по­ грешность, время, которое занимает перемещение указателя в пре­ делах допустимой погрешности-прибора, не представляет интереса. ГОСТ 1845—59 называет временем успокоения электроизмеритель­ ного прибора промежуток времени, прошедший с момента изменения измеряемой величины до момента, когда указатель прибора не удаля­ ется от окончательного положения более чем на 1 % длины шкалы.

ГОСТ 1845—59 устанавливает методику определения времени успокоения для конкретных приборов.

Изменение измеряемой величины должно быть таким, чтобы при ее включении указатель прибора отклонился приблизительно на геометрическую середину шкалы. Учитывается разнообразие при­ боров и шкал (безнулевые шкалы,,двусторонние и др.).

Согласно ГОСТ 1845—59 время успокоения для большинства ти­ пов приборов не должно превышать 4 с.

Переходный процесс в приборе с цифровым отсчетом после вклю­ чения его в цепь измеряемой величины или изменения последней может быть охарактеризован временем установления показания, под которым следует понимать промежуток времени с момента изме­ нения измеряемой величины до момента установления показаний. Характеристикой переходного процесса в приборах, имеющих по­ движную часть, является отношение первого отброса указателя к его установившемуся положению. Приближенно можно считать, что чем меньше это отношение, тем меньшее время будет иметь переход­ ный процесс при внезапном изменении измеряемой величины. Осо-

22

их сохранить заданные характеристики при определенных условиях работы в те­ чение заданного времени. Количественной мерой надежности является минималь­ ная вероятность безотказной работы прибора в заданных условиях работы и промежутка времени. Когда говорят о безотказной работе прибора, имеется в виду, что отказ может быть «полным», при котором прибор перестает действовать, или «неполным», когда какая - либо характеристика прибора выходит из задан­ ных предельных значений, например погрешность начинает превышать допус­ тимую. Так же ка к и другие характеристики прибора, его надежность может

для испытаний и условия их проведения, а также показатели надежности опре­ деляются соответствующими стандартами и нормалями.

Помимо рассмотренных количественных характеристик приборов, уровень их качества определяется технологичностью, степенью стандартизации и унификации, а также удобством в обращении и эсте­ тическими свойствами.

Характеристики измерительных преобразователей. Кроме указан­ ных в § 1 классификаций преобразователей по назначению, все пре­ образователи могут быть разделены на две группы в зависимости от наличия нормированной характеристики преобразователя, т. е. соотношения между значениями величины на выходе и входе преоб­ разователя, составленного в виде таблицы, графика, формулы или ином виде. Суть заключается в том, что в ряде случаев преобразова­ тель встраивается в прибор или иное средство измерений и произво­ дится их градуировка совместно с преобразователем. Примером та­ кого рода приборов с преобразователями могут быть электромехани­ ческие приборы с внутренними шунтами или добавочными сопротив­ лениями, усилителями и т. д. -

Ко второй группе преобразователей могут быть отнесены преобра­ зователи, имеющие нормированные (градуировочные) характери­ стики. Примерами могут служит'ь наружные шунты, на которых ука­ зывают номинальные значения тока и падения напряжения, термо­ пары стандартных типов и др. Для таких преобразователей применимы общие положения государственной системы обеспечения единства измерений (ГОСТ 13600-68).

Абсолютной погрешностью измерительного преобразователя по выходу называется разность между действительным значением вели­ чины на выходе преобразователя, определяемым по истинному зна­ чению величины на его входе, и значением величины на выходе, опре­ деляемой с помощью нормированной характеристики.

Абсолютная погрешность А измерительного преобразователя может быть также представлена двучленной формулой (5).

Среди измерительных преобразователей довольно часто встречаются пре­ образователи, имеющие принципиально нелинейную характеристику у = f (х),

23

преобразований с целью получения нужного выходного сигнала. Каждое преобразование сигнала, несущего информацию об измеряе­ мой величине, можно представить себе происходящим как бы в от­ дельном узле, носящем название «звено». Соединение этих узловзвеньев в определенную цепь преобразований носит название струк­ турной схемы.

Разбивка средства измерения на звенья может быть произведена по различным признакам. При анализе в статическом режиме сред­ ство измерения обычно разбивают на звенья, которые представляют интересующие исследователя функции преобразования. При анализе в динамическом режиме звенья выделяются по их динамическим ха­ рактеристикам (по виду дифференциального уравнения, описываю­ щего их поведение).

Отдельный конструктивный узел измерительного устройства не обязательно совпадает со звеном в структурной схеме. В одном конструктивном узле может осуществляться несколько преобразова­ ний, а следовательно, один конструктивный узел может соответство­ вать нескольким звеньям.

В зависимости от соединения отдельных звеньев различают два основных вида структурных схем: прямого преобразования (действия) и компенсационного преобразования (действия). Последний вид назы­ вают также схемой с отрицательной обратной связью.

Средства измерения прямого преобразования в статическом режиме. Струк­ турная схема средства.измерения прялюго преобразования показана на рис. 4,

Примером электроизмерительного прибора, имеющего структурную схему прямого преобразования, может быть амперметр для измерения больших по­ стоянных токов. В этом приборе измеряемый ток вначале с помощью шунта преобразуется в падение напряжения на шунте, затем в малый ток, который из­ меряется измерительным механизмом, т. е. преобразуется в отклонение ука­ зателя.

Сигнал, несущий информацию об измеряемой величине, может быть не только неизменным во времени (постоянный ток, постоянное напряжение, по­ стоянное усилие и т. д.), но и периодически изменяться во времени (переменный ток, переменное напряжение, периодически изменяющийся механический мо­ мент и т. д.). Поэтому анализ структурных схем следовало бы вести с учетом понятий: комплексный коэффициент преобразования, комплексная чувствитель­ ность, комплексная погрешность. Однако далее для упрощения будем анализи­ ровать структурные схемы только для наиболее часто встречающегося постоян­ ного во времени входного сигнала.

25

Чувствительность (коэффициент преобразования) средства измерения, имею­ щего структурную схему прямого преобразования,

преобразования. С течением времени и под действием внешних факторов коэф­

ной погрешности средств измерения можно найти, введя на структурной схеме

дем) их к входу структурной схемы. Результирующее действие всех дополнитель­ ных сигналов будет равно действию следующего дополнительного сигнала на входе:

Результирующая аддитивная погрешность равна Д^0 . Таким образом, как следует из (7) и (9), в средствах измерения, имеющих структурную схему пря ­ мого преобразования, происходит суммирование погрешностей, вносимых от­ дельными звеньямп, и это затрудняет изготовление средств измерения прямого преобразования с высокой точностью.

1 В этом параграфе будут рассматриваться систематические составляющие изменений коэффициентов преобразований, причем подразумевается, что эти составляющие могут иметь к а к знак плюс, так и минус.

26

«2?

П1 /72

&2 &TL-1

Рис. 6. Структурная схема средства измерения с дополнителышмді сигналами, эквивалентными аддитивным погреш­ ностям звеньев

На входе цепи прямого преобразования происходит сравнение (компенса­ ция) входной измеряемой величины х и выходной величины цепи обратного пре­

Устройства, имеющие такую структурную схему, могут работать как с пол­ ной компенсацией (устройства с астатической характеристикой), т а к н с неполной компенсацией (устройства со статической характеристикой).

При полной компенсации в установившемся режиме

ния предусмотрено интегрирующее звено с функцией преобразования х^

Примером такого звена является электродвигатель, для ко­

торого угол поворота вала определяется интегралом по времени от приложен­ ного напряжения .

27

Таким образом, в момент компенсации сигнал на выходе устройства пропор­ ционален входному сигналу и не зависит от коэффициентов ириооразованпя цепи

ная нестабильностью коэффициентов преобразования звеньев, при достаточно

К а к видно из (14), относительная мультипликативная погрешность обуслов­ лена только относительным изменением коэффициента преобразования цепи об­ ратного преобразования, причем увели-

ной порогом чувствительности звеньев, следует увеличивать коэффициенты пре­ образования ку, кг, кп. Предел увеличения этих коэффициентов обусловлен динамической устойчивостью устройства (см. далее).

28

Измерительные устройства с ручным уравновешиванием можно рассматри­ вать как имеющие структурную схему компенсационного преобразования с пол­ ной компенсацией. Например, для компенсатора постоянного тока с ручным урав­

Зависимость между выходным сигналом и входным, находимая путем решения уравнений (10), (16) и (17),

(18)

1 + Äß

Как видно из (18), при установившемся режиме выходной сигнал пропорцио­ нален входному и зависит от коэффициентов преобразования к а к цепи обрат­

при этом нестабильность коэффициента преобразования цепи прямого преобра­ зования не влияет на работу устройства. Практически чем выше &ß, тем меньше

29