Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Методы и средства измерений. Учебное пособие для поверителей средств теплотехнических и физико-химических измерений
.pdf
Первичным преобразователем называется измерительный
По характеру
преобразования
По местоположению
в измерительной цепи
ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
По виду входных
и выходных величин
Линейные
Нелинейные
Масштабные
Аналоговые
Цифро-аналоговые
Аналого-цифровые
Первичные
Промежуточные
(Передающие)
преобразователь, непосредственно воспринимающий измеряемую величину.
Рис. 4.11. Классификация измерительных преобразователей
Промежуточным или передающим преобразователем называется измерительный преобразователь, расположенный непосредственно за первичным. Он формирует сигнал в форме, удобной
для дистанционной передачи или регистрации. Как правило, передающий преобразователь конструктивно является единым измерительным устройством с первичным преобразователем.
На рис. 4.12 приведен общий вид измерительного преобразователя давления типа «Сапфир-22», в котором в единой конструкции объединены первичный преобразователь — металлическая мембрана и передающий преобразователь — тензорезисторный преобразователь.
Рис. 4.12. Аналоговый измерительный преобразователь давления
типа «Сапфир-22»
Преобразуемая физическая величина называется входной величиной. В выходной цепи преобразователя формируется выходной сигнал.
Соотношение между выходной и входной величинами задается функцией преобразования или статической характеристикой.
По виду входных и выходных величин измерительные преобразователи бывают аналоговыми, цифро-аналоговыми, аналого-цифровыми.
В аналоговом преобразователе происходит преобразование
одной аналоговой величины в другую аналоговую величину. Например, в преобразователе давления «Метран» аналоговая величина — давление преобразуется в аналоговую величину — постоянный ток.
В аналого-цифровом преобразователе аналоговая величина
преобразуется в цифровой код.
В цифроаналоговом преобразователе цифровой код преобразуется в аналоговую величину.
По характеру преобразования измерительные преобразователи могут быть линейными, масштабными и нелинейными.
Линейный преобразователь обеспечивает линейную зависимость между входной величиной и выходным сигналом. В линейном преобразователе входная и выходная величины могут
иметь различный вид. Например, в преобразователе давления
«Сапфир-22» входная величина — давление преобразуется в выходной параметр — постоянный ток. Характер преобразования
линейный.
Масштабный преобразователь является разновидностью линейного преобразователя. Он предназначен для увеличения или
уменьшения входной величины в заданное число раз. В масштабном преобразователе входная и выходная величины являются однородными. В качестве примера масштабного преобразователя
можно привести делитель напряжения, в котором электрическое
напряжение одного размера преобразуется в электрическое напряжение другого размера.
В нелинейном преобразователе зависимость между выходной
и входной величинами нелинейная.
4.2.4. Измерительные установки
Меры, измерительные приборы, измерительные преобразователи и другие устройства, расположенные в одном месте и вы-
полняющие общую измерительную задачу, составляют
измерительную установку.
Рис. 4.13. Общий вид поверочной установки УТТ-6В
1 — нулевой термостат; 2 — паровой термостат;
3 — трубчатые печи; 4 — измерительный пульт
В строгом определении измерительная установка не является
средством измерений, а представляет собой совокупность средств
измерений и других устройств. Измерительные установки предназначены для измерения одной или нескольких физических величин.
Если измерительная установка используется для поверки
средств измерений, ее называют поверочной установкой, например, установка УТТ-6В для поверки термоэлектрических преобразователей и термопреобразователей сопротивления — рис. 4.13.
Измерительную установку, входящую в состав эталона, называют эталонной установкой.
4.2.5. Измерительные системы
Измерительная система — это совокупность функционально
объединенных мер, измерительных приборов, измерительных
преобразователей, а также связующих и вычислительных компонентов, образующих измерительные каналы, и вспомогательных
устройств, размещенных в разных местах и функционирующих
как единое целое.
Измерительные системы являются разновидностью средства
измерений и на них распространяются все общие требования
к средствам измерений.
Измерительная система применяется для:
– получения информации о состоянии объекта с помощью
измерительных преобразований в общем случае множества изме-
няющихся во времени и распределенных в пространстве величин,
характеризующих это состояние;
– машинной обработки результатов измерений;
– индикации результатов измерений и результатов их машинной обработки;
– преобразования этих данных в выходные сигналы системы
в разных целях.
Глава 5. МЕТРОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ
СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ
5.1. Основной перечень метрологических характеристик
В соответствии с ГОСТ 8.009–84 метрологическими характеристиками средства измерений называют характеристики свойств
средства измерений, оказывающих влияние на результаты и погрешности измерений, предназначенные для оценки технического
уровня и качества средства измерений и расчетной оценки характеристик инструментальной составляющей погрешности измерений.
К характеристикам, предназначенным для определения результатов измерений, относят:
– функцию преобразования измерительного преобразователя — зависимость информативного параметра выходного сигнала измерительного преобразователя от информативного параметра его входного сигнала;
– функцию преобразования измерительного прибора, имеющего неименованную (условную) шкалу или шкалу в единицах,
отличающихся от единиц измеряемой величины;
– цену деления шкалы измерительного прибора;
– число разрядов и цену деления наименьшего разряда цифрового кода цифровых приборов.
К характеристикам погрешностей средств измерений относят:
– характеристику систематической составляющей погрешности средств измерений;
– характеристику случайной составляющей погрешности
средств измерений;
– характеристику вариации выходного сигнала (показаний)
средства измерений;
– характеристику погрешности средств измерений в виде
значения погрешности;
– характеристику погрешности средства измерений в интервале влияющей величины в виде значения погрешности.
К характеристикам средств измерений, зависящим от влияющих величин, относят:
– функцию влияния — зависимость изменения метрологических характеристик средства измерений от изменения влияющей
величины или от изменения совокупности влияющих величин;
– изменение значений метрологических характеристик, обусловленные изменениями влияющих величин в установленных
пределах.
К динамическим характеристикам средств измерений относят:
– полную динамическую характеристику аналогового средства измерений, включающую в себя переходную характеристику;
импульсную переходную характеристику; амплитудно-фазовую
характеристику; амплитудно-частотную характеристику; передаточную функцию;
– частные динамические характеристики аналоговых средств
измерений, например, время реакции, постоянную времени и т.д.
Важное значение имеют метрологические характеристики,
которые отражают способность влиять на инструментальную составляющую погрешности измерений при взаимодействии данного средства измерений с подключенными к его входу или выходу
объектом измерений, других средств измерений и т.д. Метрологические характеристики, учитывающие свойство средства измерений отбирать или отдавать энергию через входные или выходные цепи, часто называют импедансами.
Например, при измерении температуры в термостате с помощью термопреобразователя сопротивления происходит обмен тепловой энергией между объектом измерения и средством измерений. При этом температура в термостате может либо понижаться
(вследствие отбора тепла термопреобразователем сопротивления),
либо повышаться (в случае, когда термопреобразователь имеет
существенный начальный нагрев и способен отдавать энергию
объекту). Аналогичный процесс обмена энергией может происходить при подсоединении других средств измерений к входу или
выходу данного средства измерений или иных устройств.
К метрологическим характеристикам средств измерений также относят неинформативные параметры выходного сигнала
средств измерений — такие параметры, которые не содержат не-
посредственной информации о значении измеряемой величины.
Такие параметры, не являясь, строго говоря, метрологическими
характеристиками, определяют возможность нормальной работы
средства измерений и других устройств, подключаемых к выходу
данного средства измерений.
5.2. Внешние условия измерений
При анализе метрологических характеристик средств измерений необходимо учитывать наличие внешних факторов —
внешних условий, влияющих на свойства и характеристики средства измерений.
К внешним условиям можно отнести:
окружающую температуру, которая может неравномерно
воздействовать и на средство измерений, и на объект измерения;
атмосферное давление, которое может оказать влияние на
точность измерения при использовании в измерительном процессе температуры кипения или затвердевания веществ;
относительную влажность окружающего воздуха, которая
может повлиять на электрическое сопротивление измерительных
и силовых цепей средства измерений, кроме того, влияние влажности может проявиться в связи с гигроскопичностью материалов;
магнитное поле Земли, а также магнитные поля, создаваемые
расположенными вблизи электрическими установками и проводами, которые могут оказать влияние на средство измерений,
принцип действия которого связан с электромагнитными или
магнитными явлениями;
магнитные и электрические поля, действие которых может
быть причиной погрешности вследствие намагничивания отдельных деталей;
влияние на работу прибора различных помех, вызванных
действием электрических и магнитных полей;
нестабильность источников питания;
несогласованность входных и выходных параметров электрических цепей средств измерений;
Принято устанавливать параметры внешних условий, при которых допускается применение средств измерений. Это, например, может быть температура и относительная влажность окружающего воздуха, атмосферное давление, наличие магнитных
и электрических полей, вибрации и т.д.
Различают нормальные и рабочие условия измерений.
Нормальными условиями измерений называют совокуп-
Условия
применения
Класс
точности
манометра
Температура
окружающего
воздуха, °С
Относительная
влажность воздуха,
%
Нормальные
0,02
0,05
20 ± 2
20 ± 5
60 ± 20
Рабочие
0,02
0,05
20 ± 10
изм
X
д
X
ность значений или областей значений влияющих величин, при
которых изменением результатов измерений пренебрегают
вследствие их малости.
Значение влияющей величины, принятое в качестве номинального, называют нормальным. Например, в большинстве случаев измерений нормируется нормальное значение температуры
окружающего воздуха 20 или 23 °С.
Одновременно нормируется нормальная область значений
влияющей величины, в пределах которой изменением результата
измерений под ее воздействием можно пренебречь в соответствии с установленными нормами точности. Например, нормальной
областью значений температуры окружающего воздуха может
быть (20 ± 2) °С.
Рабочими условиями измерений считают значения влияю-
щих величин в пределах рабочей области значений, для которой
нормированы дополнительные погрешности или изменение показаний средств измерений.
Для конкретных типов средств измерений нормальные и рабочие условия применения устанавливаются нормативными документами на данный тип средства измерений. Количество и виды условий применения зависят от конкретного типа средства
измерений.
В табл. 7 в качестве примера приведены значения нормальных и рабочих условий применения грузопоршневых манометров
избыточного давления, в соответствии с ГОСТ 8291–83.
Таблица 7
5.3. Погрешности средств измерений
Под погрешностью средства измерений понимают разность
между значением физической величины
мощью средства измерений, и действительным значением
, полученным с по-
.
дизм
XX
.
ном
X
д
X
дном
ХХ
изм
X
дизм
ХХ
изм
Х
дизм
ХХ
изм
А
По зависимости от внешних условий погрешности делятся на
основную и дополнительные.
Основной погрешностью средства измерений называют погрешность при применении средства измерений в нормальных
условиях.
Дополнительной погрешностью средства измерений называют
составляющую погрешности средства измерений, которая проявляется дополнительно к основной погрешности в случаях, когда
какая-либо из влияющих величин отклоняется от нормального
значения или выходит за пределы нормальной области значений.
По форме числового выражения погрешности средств измерений могут быть абсолютными, относительными и приведенными.
Абсолютная погрешность средства измерений — это погрешность, выраженная в единицах измеряемой величины.
Абсолютная погрешность меры равна разности между номинальным значением меры
воспроизводимой ею величины
и действительным значением
.
Абсолютная погрешность измерительного прибора — погрешность, выраженная в единицах измеряемой величины. Она
равна разности между показаниями прибора
и действитель-
ным значением измеряемой величины
.
Абсолютная погрешность измерительного преобразователя
по входу есть разность между значением измеряемой величины
на входе
, определяемой с помощью градуировочной харак-
теристики преобразователя (номинальной статической характеристики преобразования), и действительным значением измеряемой величины
.
Абсолютная погрешность измерительного преобразователя
по выходу есть разность между действительным значением выходной величины преобразователя, соответствующей измеряемой
величине
, и расчетным значением величины на выходе
расч
А
, которое определяют по действительному значению вели-
расчизм
АА
изм
X
д
X
%,100
изм
Х
%,100
д
Х
N
X
%,100
N
X
чины на входе с помощью градуировочной характеристики (номинальной статической характеристики преобразования).
.
Абсолютные погрешности делятся на аддитивные, мультипликативные и нелинейные. Для цифровых приборов дополнительно вводят понятие погрешности квантования — см. п.п. 3.1.3
и 3.1.4.
Относительная погрешность средства измерений равна отношению абсолютной погрешности к результату измерений или
к действительному значению измеряемой величины.
Относительную погрешность можно выражать в долях
и
либо в процентах
и
Чаще относительную погрешность выражают в процентах.
Приведенная погрешность средства измерений есть погрешность, выраженная отношением абсолютной погрешности к условно принятому значению измеряемой величины, постоянному
во всем диапазоне измерений или в части диапазона. Такое условно принятое значение физической величины обычно называют «нормирующим» значением
. Приведенную погрешность
выражают в процентах
.
Для средств измерений с практически равномерной шкалой,
а также для измерительных преобразователей, у которых нулевой
значение входного сигнала находится на краю или вне диапазона
измерений, нормирующее значение устанавливают равным
большему из пределов измерений.
Если нулевая отметка находится внутри диапазона измерений, за нормирующее значение обычно принимают сумму преде-
лов измерений. Например, для мановакуумметра с пределами из-
мерений от минус 0,1 до 2,4 МПа нормирующее значение равно
1
X
2
X
21
в XX
%,100
в
в
N
X
2,5 МПа.
В зависимости от характера изменения физической величины, подлежащей измерению, погрешности могут быть статическими и динамическими.
Статическая погрешность — это погрешность средства измерений в случае, когда осуществляется измерение физической величины, принимаемой за неизменяемую.
Динамическая погрешность проявляется при измерении переменной физической величины.
Вариацией называют разность показаний измерительного
прибора или выходного сигнала измерительного преобразователя
при плавном подходе к контролируемой точке диапазона измерений со стороны меньших, а затем — со стороны больших значений (или наоборот).
Вариацию «в» определяют экспериментально при нормальных
условиях как наибольшую по абсолютной величине разность показаний (записи) прибора либо выходных сигналов преобразователя,
полученных при подходе к одной и той же точке диапазона измерений со стороны меньших
и со стороны больших
значений
.
При поверке средства измерений вариацию обычно выражают в процентах от нормирующего значения
.
5.4. Нормирование метрологических характеристик
средств измерений
Как было сказано выше, метрологической характеристикой
средства измерений является характеристика одного из его
свойств, влияющая на результат измерений и на погрешность результата измерений. Для каждого типа средств измерений устанавливают свои метрологические характеристики.
Метрологические характеристики, определяемые экспериментально, называют действительными метрологическими характеристиками.
Нормируемыми метрологическими характеристиками называют характеристики, устанавливаемые нормативными документами.
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]