Шпаргалки по Метрологии 2курс 2014год / 11-15

12. Статические характеристики средств измерений.

Статические характеристики СИ возникают при статическом режиме его работы. Статический режим работы – это такой режим, при котором СИ воспринимает изменение входной величины и размеры измеряемой величины не изменяются во времени. К статическим характеристикам СИ относятся: диапазон измерений; измеряемая, преобразуемая величина; градуировочная характеристика; чувствительность (коэффициент преобразования измерительного прибора (ИП)); порог чувствительности; потребляемая мощность; входное и выходное сопротивления и др.

Диапазон измерений – это область значений величины, в пределах которой нормированы допускаемые пределы погрешности СИ. Значения величины, ограничивающие диапазон измерений снизу и сверху (слева и справа), называют соответственно нижним пределом измерений и верхним пределом измерений. Нижний предел измерения реально не бывает равным нулю, так как он ограничивается обычно порогом чувствительности, помехами или погрешностями измерений. Диапазон измерений нельзя путать с диапазоном показаний средства измерений.

Измеряемая, преобразуемая величина характеризует назначение ИП для измерения той или иной физ. величины. Для каждого ИП устанавливается естественная входная величина, которая наилучшим образом воспринимается им на фоне помех, и естественная выходная величина, которая определяется подобным образом. Например, естественной входной величиной терморезистивного ИП является температура, а естественной выходной величиной – сопротивление.

Градуировочная характеристика СИ – это зависимость между значениями величин на входе и выходе СИ, полученная экспериментально. Градуированная характеристика может быть выражена в виде формулы, графика или таблицы. Для ИП нормируется номинальная статическая градуировочная характеристика YH = fH(X). Она приписывается СИ на основе анализа совокупности таких средств. При градуировке серии однотипных преобразователей функции преобразования каждого ИП могут отличаться от номинальной, образуя полосу неопределенности. Реальная функция преобразования YP = fP(X) – функция, которую имеет ИП в действительности.

Чувствительность средства измерений – это свойство СИ, определяемое отношением изменения выходного сигнала этого средства к вызывающему его изменению измеряемой величины. Различают абсолютную и относительную чувствительность. В общем случае абсолютную чувствительность определяется как: Эта величина является размерной и зависит от единиц, в которых выражаются X и Y . Например, для терморезистивного ИП размерность абсолютной чувствительности будет Ом/К. На практике пользуются относительной чувствительностью: где X/X — относительное изменение входной величины, выражаемое чаще всего в процентах. Относительная чувствительность S0 имеет размерность выходной величины на 1% изменения входной величины. Применяют также выражение относительной чувствительности в виде выражая числитель и знаменатель чаще всего в процентах (например, 1 % изменения величины Х вызывает изменение Y на n %).

Порог чувствительности средства измерений – это характеристика СИ в виде наименьшего значения изменения физ. величины, начиная с которого может осуществляться ее измерение данным средством. Введение этого параметра вызвано тем, что не всякое малое изменение измеряемой величины вызывает изменение результата измерения. Порог чувствительности равен абсолютной погрешности средства измерений, т. е. ∆ПОР = ∆X. Например, если самое незначительное изменение массы, которое вызывает перемещение стрелки весов, составляет 10 мг, то порог чувствительности весов равен 10 мг. Потребляемая мощность – мощность, которая потребляется от объекта измерения. Измеряемый объект и СИ связаны и взаимодействуют между собой. Такое взаимодействие необходимо для проведения измерения. Для приведения в действие первичного измерительного преобразователя необходима энергия, которая потребляется от объекта измерения. Естественно, эта энергия должна быть небольшой, чтобы измерительный прибор не вносил заметного искажения в измеряемый процесс. Сравните между собой измерение ртутным термометром температуры моря и жидкости в пробирке. Во втором случае термометр может существенно нагреть или охладить жидкость в пробирке. Поскольку мощность, потребляемая входной цепью прибора, конечна, ее значение является важным показателем средства измерения. У средств измерений электрических величин потребляемая мощность определяется входным сопротивлением прибора. Для приборов, реагирующих на напряжение (включаемых параллельно участку цепи), входное сопротивление должно быть большим, тогда входная мощность Р = U2/R будет невелика. У приборов, чувствительных к току (включаемых последовательно в электрическую цепь), входное сопротивление, наоборот, должно быть минимальным (по крайней мере, намного меньшим, чем сопротивление участка цепи). Понятие входного сопротивления применяется не только к измерению электрических величин, но и к измерению механических, тепловых и другого рода величин. В связи с этим нашло применение более общее понятие: обобщенное входное сопротивление, определяемое как отношение обобщенной силы к обобщенной скорости. Например, под механическим сопротивлением понимают отношение силы к вызванной ею скорости равномерного движения. Однако не для всех видов энергии понятие сопротивления соответствует общему определению. Выходное сопротивление измерительного преобразователя характеризует реакцию его выходного сигнала на подключение к его выходу фиксированной нагрузки. Преобразователь с выходной стороны бывает нагружен входным сопротивлением последующего измерительного преобразователя. Для наиболее эффективного использования преобразователей необходимо согласование выходного сопротивления данного преобразователя с входным сопротивлением последующего преобразователя. Чем меньше выходное сопротивление предшествующего преобразователя по отношению к входному сопротивлению следующего преобразователя, тем меньше потребляемая последующим преобразователем мощность и тем меньше взаимная зависимость характеристик преобразователей.

11. Классификация погрешностей измерения по причине возникновения и полноте охвата измерительной задачи.

По причине возникновения погрешности делятся на погрешности применения, методические, инструментальные, субъективные и погрешности передачи размера единицы.

Погрешности применения – погрешность влияния прибора на объект.

Методическая погрешность обусловлена несовершенством метода измерений или упрощениями, допущенными при измерениях. Так, она возникает из-за использования приближенных формул при расчете результата или неправильной методики измерений. Выбор ошибочной методики возможен из-за несоответствия (неадекватности) измеряемой физической величины и ее модели.

Причиной методической погрешности может быть не учитываемое взаимное влияние объекта измерений и измерительных приборов или недостаточная точность такого учета. Например, методическая погрешность возникает при измерениях падения напряжения на участке цепи с помощью вольтметра, так как из-за шунтирующего действия вольтметра измеряемое напряжение уменьшается.

Инструментальная погрешность обусловлена несовершенством применяемых средств измерений. Причинами ее возникновения являются неточности, допущенные при изготовлении и регулировке приборов, изменение параметров элементов конструкции и схемы вследствие старения. В высокочувствительных приборах могут сильно проявляться их внутренние шумы.

Инструментальные делятся на основные (при нормальных условиях), дополнительные (при отклонении от нормальных условий) и в рабочих условиях (в нормированных условиях).

Субъективная – погрешность наблюдателя.

Погр. передачи размера единицы – погрешность передачи единицы от гос. эталона до прибора.

По полноте охвата измерительной задачи погрешности делятся на частные и полные.

Частная погр. – вызванная одной причиной или неполной совокупностью причин.

Полная погр. – вызванная всеми причинами сразу.

14. Вероятностные характеристики результатов многократных измерений.

Многократные измерении производят для подавления случайных погрешностей.

Функция распределения – функция, значение которой в каждой точке ∆ равно вероятности того, что δ≤∆. F(∆)=P(δ≤∆).

(вид характеристики)

Производная от этой функции – плотность распределения. p=dF/dδ

(вид характеристики)

σ – среднее отклонение случайной погрешности δ.

( 3 вида характеристики)

Доверительный интервал - интервал значений J, в котором погрешность находится с заданной долей вероятности.

∆g=kσ,

где k – квантильный множитель, коэффициент обхвата. k=1,96

σ – стандартная неопределенность

g - расширенная неопределенность

Если погрешность больше 3σ, то это грубая ошибка, промах.

15. Масштабирующие измерительные преобразователи: шунты, делители напряжения, измерительные трансформаторы

Шунты

Шунт – преобразователь тока при включении по закону Ома.

(схемка)

Имеет множество погрешностей.

Основные:

1) Нестабильность во времени

2) Неравность сопротивления с ном. значением

3) Неравномерное распределение тока

4) Можно сдвинуть контакт потенциальн. выводов.

5) «Паразитные» ЭДС

6) Линейность

Дополнительные: 7) частотная (при пер. токе)

Для устранения погрешностей:

- гибкие подводы (для 1)

- охлаждение (для 1)

- местное уменьшение токоподводов (2)

- применение перех. блоков из медн. пластин (2)

В целом, применяя все это, погрешность шунта можно уменьшить до 0,01 %.

Делители напряжения.

Когда нужно преобразовать большое напряжение в маленькое.

Если U очень высокое, делители должны сделать так, чтобы не было пробоев. Цепочка сопр. в изоляции и с маслом. Этот делитель будет потреблять много мощности. Изменим место шунтов – сократим потери мощности.

(рисунок цепочки сопротивлений)

Измерительные трансформаторы

Измерительный трансформатор — электрический трансформатор для контроля U, тока или фазы  сигнала первичной цепи. Измерительный трансформатор рассчитывается таким образом, чтобы оказывать минимальное влияние на измеряемую (первичную) цепь; минимизировать искажения пропорции и фазы измеряемого сигнала в измерительной (вторичной) цепи.

По виду измеряемого значения:

- трансформаторы напряжения;

- трансформаторы тока (переменного и пост.);

По количеству коэффициентов трансформации:

- одно- и много диапазонные;

По способу установки:

- внутренней и наружной установки;

- встроенные;

- накладные;

- переносные.

По материалу диэлектрика:

масляные;

газонаполненные;

сухие.

Основные нормируемые характеристики:

- Номинальный коэффициент трансформации

- Класс точности

- Диапазон рабочих частот

- Угловая погрешность

- Наибольший рабочий первичный I (для тр-ра I)

- Предельная мощность (для тр-ра U)

13. Динамические характеристики средств измерений.

Динамические характеристики ИП возникают при динамическом режиме его работы. Динамический режим работы – это такой режим, при котором средство ИП воспринимает изменение входной величины, и размеры измеряемой величины изменяются во времени. Динамическими характеристиками являются: операторная чувствительность, комплексная чувствительность, переходная характеристика, амплитудно-частотная и фазочастотная характеристики (АЧХ и ФЧХ) и др.

Динамические характеристики ИП описывают его инерционные свойства и определяют зависимость выходного сигнала ИП от меняющихся во времени величин: входного сигнала, нагрузки, влияющих величин. Средства измерения и измерительные преобразователи в частности при любом изменении входной величины можно характеризовать операторной чувствительностью, определяемой как отношение операторного изображения информативного параметра изменения выходной величины Y(p) к операторному изображению преобразуемой (измеряемой) величины X(p): где р — оператор Лапласа. В случае гармонического изменения входной величины используется комплексная чувствительность: где A и B – вещественная и мнимая части комплексной чувствительности. Для измерительных преобразователей динамические характеристики обычно выражают в виде переходных или амплитудно- и фазочастотных характеристик. Модуль комплексной чувствительности называется амплитудно-частотной характеристикой: а аргумент – фазочастотной характеристикой: При ступенчатом изменении входной величины Х = Х0 = const средства измерения описываются переходной характеристикой: Для измерительных приборов обычно указывается время установления показания: промежуток времени с момента начала измерения до момента установления показаний (т. е. когда п/п закончился). Величина, обратная времени измерения - быстродействие средства измерения. Быстродействие выражается числом, равным максимальному числу измерений, сделанных с помощью данного прибора, в секунду. Высокое быстродействие дает возможность измерять мгновенные значения быстроменяющихся величин. При использовании средств измерений в реальных условиях необходимо учитывать характеристики среды, в которой это средство измерений находится при эксплуатации.