Технология измерительного эксперимента. Учебное пособие для студентов направления 12.04.01

которым установлено обязательное применение Международной системы единиц СИ, принятой в 1960 году.

Средства измерений

Все средства измерений делятся на меры, измерительные преобразователи, измерительные приборы, измерительные установки и измерительные системы. В свою очередь, каждое из средств измерений может быть образцовым или рабочим.

Мерой называется средство измерения, предназначенное для воспроизведения физической величины заданного размера (значения). Меры бывают однозначные, многозначные и наборы.

Однозначные меры воспроизводят физическую величину одного размера. Многозначные – ряд одноимённых величин разного разряда (например, конденсатор переменной ёмкости).

Набор мер содержит комплект мер, применяемых как в отдельности, так и в различных сочетаниях. Набор мер, конструктивно объединённый в одно целое с переключающими устройствами для воспроизведения ряда одноимённых величин различного значения (размера), называется магазином (магазин сопротивлений и др.).

Измерительными преобразователями называют средства измере-

ний, предназначенные для выработки сигналов в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки, хранения, но не поддающиеся непосредственному восприятию наблюдателем.

Измерительными приборами называют средства измерений, предназначенные для выработки сигналов, функционально связанных с измеряемыми физическими величинами, в форме, доступной для восприятия наблюдателем.

Измерительной установкой называется совокупность функционально и конструктивно объединённых средств, предназначенных для рациональной организации измерений, позволяет предусмотреть определённый метод измерения и заранее оценить погрешность.

11

11

Измерительная информационная система представляет собой со-

вокупность средств измерений и вспомогательных устройств, предназначенную для автоматического сбора информации от ряда источников с многократным использованием измерительных преобразователей, передачи измерительной информации на те или иные расстояния по каналам связи и представления её в том или ином виде.

Рабочие средства измерений применяются для измерений,

не связанных с поверкой, т. е. передачей размера единиц.

Образцовые средства измерений служат для поверки других средств измерений, т. е. для передачи размера единицы физической величины. По точности образцовые средства измерений делятся на четыре разряда, каждый из которых соответствует одной ступени поверочной схемы.

Среди образцовых средств измерений особое место занимает эталон единицы физической величины. Он представляет комплекс средств измерений, выполненный по особой спецификации и утверждённый Госстандартом страны. Эталон предназначен для воспроизведения и хранения единицы физической величины с целью передачи её размера нижестоящим по поверочной схеме средствам измерений. Для каждой единицы используют семейство эталонов.

Поверочная схема измерительных средств приведена на рис.1.5.

Международный эталон Государственный эталон Эталон свидетель Первичный эталон Вторичный эталон Эталон копия

Рабочий эталон Образцовый прибор первого разряда Образцовый прибор второго разряда Образцовый прибор третьего разряда

Образцовый прибор четвёртого разряда Рабочий прибор

Рис.1.5. Поверочная схема измерительных средств

12

12

Результат измерения Х представляет собой лишь оценку изме-

где Хд – действительное значение измеряемой величины; – абсолютная погрешность измерения.

Часто погрешность выражается в относительных единицах:

Точность измерения – это качество измерения, отражающее близость его результата к истинному значению измеряемой величины. Количественно точность измерения может быть выражена значением,

Высокая точность измерения соответствует малому значению погрешности.

Погрешности косвенных измерений

Пусть результат измерения Х есть функция некоторых величин A, B, C, ..., полученных в результате прямых измерений с погрешно-

стями A, B, C, ...

При этом считаем, что погрешности A, B, C, ... малы и взаим-

Раскладывая уравнение (2.6) в ряд Тейлора, ограничиваясь первыми членами разложения и вычитая из полученного уравнения

14

14

уравнение (2.6), получим выражение для погрешности косвенных измерений в следующем виде:

Коэффициенты df/dA, df/dB, df/dC, ... называют коэффициентами влияния, показывающими степень влияния первичных погрешностейA, B, C, ... на результирующую погрешность Х.

Иногда текущие значения первичных погрешностей A, B, C неизвестны, а известны лишь их предельные значения.

В этом случае погрешность косвенных измерений вычисляют по уравнению (2.8).

X = (df / dA)2 A2 (df / dB)2 B2 (df / dC)2 C2 ... (2.8)

Систематические погрешности

Систематическими называют погрешности, остающиеся постоянными или изменяющиеся по определённому закону при повторных измерениях одной и той же величины.

Они могут быть изучены, результаты измерений могут быть уточнены путём внесения поправок, если числовые значения погрешностей определены, или путём применения таких способов измерений, которые дают возможность исключить влияние систематических погрешностей без их определения.

Случайные погрешности

Случайными называют погрешности, изменяющиеся случайным образом при повторных измерениях одной и той же величины.

Случайные погрешности не могут быть исключены из результатов измерений как систематические погрешности.

Однако при проведении некоторого числа повторных измерений теория вероятностей позволяет уточнить результат, т. е. найти значение измеряемой величины более близкое к истинному, чем результат одного измерения.

15

15

3. ХАРАКТЕРИСТИКИ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ

Классификация средств измерений

Средства измерений можно классифицировать по весьма разнообразным признакам (которые в большинстве случаев взаимно независимы и в каждом средстве измерения могут находиться почти в любых сочетаниях): принцип действия; способ образования показаний; точность; условия применения; степень защищённости от внешних магнитных и электрических полей; прочность и устойчивость против механических воздействий и перегрузок; чувствительность; диапазоны измерений и т. д.

Рассматривая схемы приборов в виде, представленном на рис. 1.1 1.2, их можно классифицировать по следующим признакам: по воспринимающей способности; по виду сравнивающего элемента (по методу сравнения); по типу задающего элемента.

Воспринимающая способность зависит от характера входной величины. Х(t) может быть следующих видов: 1) Х = const; 2) Х = var: а) среднее значение – медленно меняющаяся величина; б) флуктуации (пульсации); в) переходный процесс.

Приборы, измеряющие постоянные величины, называют приборами статических измерений. Приборы, измеряющие переменные, но средние по значению величины называют приборами квазистатических измерений. Приборы, измеряющие флуктуации и переходный процесс называют приборами динамических измерений.

Выбор вида чувствительного элемента зависит от типа входного воздействия. Кроме того, вид чувствительного элемента определяется областью применения прибора. Приборы для измерений напряжения, давления, температуры и другие имеют разные виды чувствительных элементов.

Метод сравнения – сущность процесса измерения. Поэтому методы сравнения часто называют методами измерений.

16

16

Различают следующие методы измерений.

1). Метод непосредственной оценки – значение измеряемой величины определяется непосредственно по отсчётному устройству одного (прямые измерения) или нескольких (косвенные измерения) приборов, заранее проградуированных в единицах измеряемой величины. Этот метод самый неточный.

2). Приборы метода сравнения: а) дифференциальной реализации, б) нулевой реализации, в) совпадения.

Прибор дифференциальной реализации – это прибор метода сравнения, когда производится неполное уравновешивание и небольшая разность между уравновешиваемыми величинами оценивается прибором непосредственной оценки. Примером могут служить неуравновешенные мосты.

Прибор нулевой реализации – это прибор метода сравнения, когда производится полное уравновешивание двух величин (в пределах чувствительности указателя равновесия). Вместе с тем он называется компенсационным (компенсируем до нуля). Примером могут служить уравновешенные мосты, потенциометры.

Прибор совпадения – это прибор метода сравнения, в котором равномерно нанесённые отметки или периодически следующие сигналы, соответствующие измеряемой величине, сопоставляются с подобными же отметками или сигналами, относящимися к известной величине, и по их совпадению судят о значении измеряемой величины. Здесь примером могут служить нониусные приборы, стробоскопы, электронные осциллографы.

По типу задающего элемента рассматривали для приборов контроля: стабилизированный, программный, следящий контроль.

Эти три элемента (чувствительный, сравнивающий, задающий) дают основу классификации измерительных приборов.

17

17

Любой прибор имеет пределы измерений – наименьшее и наибольшее значения измеряемой величины, которые могут быть измерены данным средством измерения. Абсолютное значение диапазона измерения Xдиап определяется как разность верхнего (Xв) и нижнего (Xн) пределов измерений:

При выходе X за пределы диапазона измерения выходной сигнал У обычно сохраняет постоянное значение благодаря наличию упоров или вследствие насыщения. Диапазон измерения может быть выражен и в единицах выходной величины:

Здесь Ув и Ун – значения У, отвечающие Xв и Xн. Чувствительностью прибора называется предел отношения при-

ращения выходной величины к приращению входной величины, когда

Здесь my и mx – масштабы графика по осям У и X; θ – угол наклона касательной к характеристике в заданной точке.

Средней чувствительностью прибора называется отношение абсолютных величин диапазонов измерений на выходе и на входе:

Здесь θ1 – угол наклона хорды, стягивающей две точки, соответствующие нижнему и верхнему пределам измерений.

У приборов с линейной характеристикой чувствительность в любой точке характеристики совпадает со средней чувствительностью:

Некоторые приборы обладают зоной нечувствительности. В этом случае вводится понятие порога чувствительности, равного минимальному приращению измеряемой величины X, при котором выходной сигнал У начинает изменяться.

19

19

Отсчётное устройство прибора предназначено для наблюдения значений измеряемой величины. У +стрелочных приборов отсчётное устройство состоит из шкалы и указателя.

Шкалой называется совокупность отметок (штрихов), расположенных в определённой последовательности, и проставленных у некоторых из них чисел отсчёта. Расстояние между двумя соседними штрихами называется делением шкалы. Разность значений измеряемой величины, соответствующая двум соседним отметкам, называет-

ся ценой деления.

Цена деления Ц равномерной шкалы равна конечному значению измеряемой величины по шкале Ак, делённому на число делений n:

Цену деления обычно выбирают кратной погрешности прибора:

Вариацией показаний прибора называют наибольшую разность между показаниями, полученными при многократно повторенных измерениях одной и той же величины.

К динамическим характеристикам средств измерений относятся:

дифференциальное уравнение; переходная характеристика; передаточная функция; совокупность амплитудно- и фазо-частотных характеристик; время установления показаний и др.

Входное сопротивление прибора характеризует реакцию входного сигнала на подключение данного прибора к источнику входного сигнала с фиксированным выходным сопротивлением. Входное сопротивление зависит от частоты, на которой производится измерение (Zвх – комплексное сопротивление).

Выходное сопротивление – характеризует реакцию выходного сигнала на подключение к выходным зажимам фиксированной нагрузки. Возникает необходимость согласования выходного сопротивления источника сигнала и входного сопротивления прибора.

20

20