Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Цифровые средства измерений давления и температуры. Учебное пособие
.pdf
81
ИРТ 5922М НСХ Pt100
Измеряемая температура
∆о
∆
∆t = 10
∆
∆t = 20
t = 100 °C
0,25 °С
0,28 °С
0,35 °С
t = 400 °C
0,65 °С
0,73 °С
0,92 °С
Измеряемая температура
∆о
∆
∆t = 10
∆
∆t = 20
t = 800 °C
3,5 °С
4,0 °С
5,0 °С
ИРТ 5922М НСХ K
6. ОСОБЕННОСТИ КАЛИБРОВКИ И ПОВЕРКИ
ЦИФРОВЫХ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ
По определению цифровыми средствами измерений называются такие, в которых по принципу действия происходит квантование измеряемой величины по уровню. При изменении измеряемой величины в пределах шага квантования выходная величина остается неизменной, за счет чего возникает погрешность
квантования.
Если квантование не оказывает существенного влияния на
метрологические характеристики и погрешность квантования
пренебрежимо мала, то при калибровке и поверке отличиями
цифровых средств измерений от аналоговых можно пренебречь.
В противном случае погрешность квантования должна учитываться.
На рис. 6.1 приведен пример реальных зависимостей показаний цифрового выходного сигнала или квантованного выходного
сигнала цифрового средства измерений Y, а также погрешности
Δy от значения измеряемой величины X. На этом рисунке графически изображено определение погрешности по выходу средства
измерений.
Определение погрешности по выходу средства измерений
является основным, наиболее распространенным способом определения погрешности цифровых средств измерений. При таком
способе на вход измерительного прибора или измерительного
преобразователя подается некий сигнал Xi, воспроизводимый
эталонным средством. Фиксируются показания прибора, цифровой выходной сигнал или измеряется квантованный выходной
сигнал преобразователя (ток, напряжение) Yi соответствующими
эталонными средствами.
82
В соответствии с номинальной функцией преобразования
q
Y
Δ
Y
Y = Fн(X) входному сигналу Xi соответствует выходной сигнал
Yiн. Определяется погрешность
Δ = Yi – Yiн. (6.1)
Но при этом, как видно на рисунке, один и тот же результат
измерения Yi может быть получен при разных значениях измеряемой величины X, находящихся в пределах шага квантования qx.
В соответствии с номинальной функцией преобразования
Y = Fн(X) этим значениям соответствуют другие значения Yiн.
Вычисленные значения погрешности будут другими. Эти значения могут отличаться на величину, равную шагу квантования.
Рис. 6.1. Определение погрешности по выходу средства измерений:
― ∙― ·― — номинальная функция преобразования Y = Fн(X)
83
Определенные таким образом значения погрешности могут
быть как меньше, так и больше некой средней погрешности. Но
они практически всегда будет занижены в сравнении с максимально возможным значением погрешности, которое будет в точке, отстоящей от измеряемой величины не далее чем на шаг квантования
qx. В худшем случае эта разница равна шагу квантования. Возни-
кает методическая «погрешность определения погрешности».
При калибровке цифровых средств измерений эта методическая погрешность (неопределенность результата измерения погрешности), вносимая квантованием, может быть учтена. Целями
калибровки могут быть:
определение средних значений погрешности, относительно
которых реальные значения погрешности изменяются в пределах
±0,5q (т.е. «инструментальной» погрешности, см. главу 1).
определение максимальных значений погрешности с учетом
погрешности квантования.
Средние значения погрешности определяются по методике,
описанной выше, — фактически так же, как и у аналоговых
средств измерений.
Как показано ранее, абсолютные значения погрешности, определяемые при пренебрежении квантованием, занижены по
сравнению с максимальными значениями на величину, находящуюся в пределах |0…q|. В среднем значения погрешности будут
меньше на |0,5q|.
При определении максимальных значений погрешности необходимо учесть квантование. Составляющая погрешности ка-
либровки, вызванная квантованием измеряемой величины, Δк
может быть представлена как сумма систематической Δкс, абсо-
лютное значение которой равно 0,5q, и случайной погрешностей
Δq = ±0,5q:
Δ
= 0,5q ± 0,5q. (6.2)
к
Систематическая «погрешность определения погрешности»
цифрового средства измерений (смещение результата определения погрешности) всегда приводит к занижению абсолютного
значения погрешности. Знак систематической погрешности Δкс
всегда совпадает со знаком погрешности средства измерений, определенной при калибровке. Поэтому измеренное значение по-
84
грешности должно быть увеличено по абсолютному значению на
ок
3
1
U
ок
5
1
U
величину |0,5q|.
Значение погрешности вычисляется по формулам
Δ = Yi – Yiн – 0,5q, если Y
– Yэт <0 (6.3)
изм
или
Δ = Yi – Yiн + 0,5q, если Y
– Yэт > 0. (6.3а)
изм
В обоих случаях как при определении средних, так и макси-
мальных значений погрешности калибруемого средства измерений квантование приводит к увеличению погрешности (неопределенности) калибровки.
В соответствии с Федеральным законом «Об обеспечении
единства измерений» «Калибровка средств измерений — совокупность операций, выполняемых в целях определения действи-
тельных значений метрологических характеристик средств измерений».
Действительным значением называется такое значение, неоп-
ределенностью которого для данной конкретной задачи можно
пренебречь. В то же время неопределенность калибровки имеет тот
же порядок, что и допускаемая погрешность калибруемого средства измерений. Во многих случаях погрешность (расширенная неопределенность) калибровки составляет 0,2…0,33 предела допускаемой основной погрешности калибруемого средства измерений.
При калибровке производится определение (измерение) по-
грешности. Полная характеристика результата измерения должна
включать в себя неопределенность. В ряде международных нормативных документов по калибровке указывается, что в протоколах калибровки должно приводиться не только значение погрешности, но и неопределенность калибровки.
В большинстве случаев требование к неопределенности (по-
грешности) калибровки или поверки выражается соотношением
или
, (6.4)
где Uк — расширенная неопределенность (погрешность) калибровки; Δо — предел допускаемой основной погрешности калиб-
руемого средства измерений.
При оценке неопределенности калибровки погрешность
квантования калибруемого средства измерений может учиты-
85
ваться как случайная погрешность, распределенная по равномер-
32/q
x
q
ному закону в пределах ±0,5q со стандартным (среднеквадратическим) отклонением, равным
.
Составляющая неопределенности калибровки, вызванная
квантованием измеряемой величины, может считаться пренебрежимо малой, если она составляет менее 1/3 оцененной неопределенности калибровки. В этих случаях учет квантования при оценке неопределенности калибровки приводит к увеличению результата вычислений неопределенности менее чем на 5 %. При неопределенности калибровки, равной 0,33|Δо|, это условие выполня-
ется, если q < 0,2 Δо, при неопределенности калибровки, равной
0,2|Δо|, — если q < 0,12 Δо.
В тех случаях, когда шаг квантования калибруемого средства
измерений не превышает указанных значений, калибровка может
проводиться по методике, аналогичной методике калибровки
аналоговых средств измерений. Но при этом, если требуется определять не средние, а максимальные значения погрешности,
квантование необходимо учитывать при вычислениях погрешности по результатам измерений (формулы 6.3 и 6.3а).
В тех случаях, когда нельзя пренебречь квантованием и недопустимо или нецелесообразно увеличивать неопределенность
калибровки, определение погрешности можно произвести по
входу средства измерений.
Определение погрешности по входу с учетом квантования
возможно в тех случаях, когда имеется возможность относительно
плавного изменения входного сигнала, т.е. тогда, когда дискретность изменения входного сигнала много меньше, чем шаг квантования калибруемого средства измерений. В МИ 1202–86 сформулированы общие требования к поверке цифровых электроизмерительных приборов. В этом документе указывается, что дискретность изменения (ступень регулирования) входного сигнала не
должна превышать 0,25 шага квантования входного сигнала
.
Для случаев определения погрешности средств измерений с
пренебрежимо малой случайной погрешностью средства измерений в технической литературе и нормативно-технической документации описывается следующий способ. Определяется такое
значение входного сигнала Xвх, при котором наблюдается устойчивый переход выходного сигнала от Y
к Yi или наблюдается
–1
i
86
приблизительно равночастотное чередование выходных сигналов
ΔY Δ
Y
Y
и Yi. Значение погрешности вычисляется по формуле
–1
i
где X
Δx = X
— значение входного сигнала, соответствующее по но-
Yi–0,5
Yi – 0,5
– Xвх + 0,5qx, (6.5)
минальной характеристике преобразования значению выходного
сигнала, равному 0,5(Y
+ Yi). Этот способ определения погреш-
–1
i
ности иллюстрируется на рис. 6.2.
Рис. 6.2. Определение погрешности средства измерений
с пренебрежимо малой случайной погрешностью с учетом квантования:
― ∙― ·― — номинальная функция преобразования Y= Fн(X)
Для определения погрешности по выходу средства измере-
ний ΔY по номинальной характеристике преобразования X = Fн(Y)
вычисляется значение выходного сигнала Yи, соответствующее
определенному значению входного сигнала Xвх. После этого вы-
числяется погрешность
87
ΔY = Yi – Yи. (6.6)
i
xY
X
Y
i
X
Y
Для определения погрешности по выходу средства измерений удобно также использовать формулу
. (6.7)
Значение производной
для i-й точки диапазона изме-
рения определяется либо по известной функциональной зависимости, либо по табличным значениям.
На практике для определения погрешности с учетом квантования более удобным оказывается другой способ. Для каждой калибруемой точки нужно определить действительные значения
измеряемой величины X
и X
1
i
, при которых происходит измене-
2
i
ние выходного сигнала на ступень квантования, соответственно
от Y
до Yi и от Y
–1
i
до Y
i
(см. рис. 6.3).
+1
i
Рис. 6.3. Определение погрешности по входу средства измерений
с учетом квантования:
― ∙― ·― — номинальная функция преобразования Y = Fн(X)
88
Затем вычисляются два значения погрешности Δ
и Δ
1
x
2
x
по
формулам
Δ
Δ
1
x
2
x
= Xi – X
= X
– X
i
; (6.8)
1
i
. (6.9)
2
i
За значение погрешности в данной точке диапазона измере-
ния принимается большее по абсолютному значению из Δ1 и Δ2.
При отсутствии случайной погрешности у средства измерения
разница значений Δ1 и Δ2 равна шагу квантования qx.
Такой способ позволяет определять погрешность и в тех слу-
чаях, когда случайной погрешностью средства измерений пренебречь нельзя (см. рис. 6.4).
Рис. 6.4. Определение погрешности средства измерений
с существенной случайной погрешностью:
― ∙― ·― — номинальная функция преобразования Y = Fн(X)
89
В этих случаях фиксируются значения входного сигнала X
X
, при которых среди нескольких последовательных значений
2
i
и
1
i
выходного сигнала происходит изменение выходного сигнала на
ступень квантования, соответственно от Yi до Y
и от Yi до Y
–1
i
+1
i
Значения погрешности вычисляются по формулам 6.8 и 6.9.
Разница значений Δ1 и Δ2 определяется шагом квантования qx
и случайной погрешностью средства измерений
│Δ1 – Δ2│= qx + 2
. (6.10)
:
Методика определения этих значений может быть различной
и зависит от свойств калибруемого средства измерений и применяемой меры входного сигнала. Например, фиксируются 2 значения входного сигнала:
максимальное X −, при котором показания или выходной сигнал калибруемого средства измерений меньше Yi;
минимальное X +, при котором показания или выходной сигнал калибруемого средства измерений больше Yi.
Затем вычисляются значения
.
X
= X − + 0,5qвх; (6.11)
1i
X
= X + − 0,5qвх, (6.12)
2
i
где qвх — дискретность изменения (ступень регулирования)
входного сигнала при калибровке.
В тех случаях, когда у калибруемого средства имеется вариация (гистерезис), большее значение X
плавном увеличении входного сигнала, меньшее X
должно определяться при
2
i
— при плав-
1
i
ном уменьшении.
В соответствии с Федеральным законом «Об обеспечении
единства измерений»: «Поверка средств измерений — совокупность операций, выполняемых в целях подтверждения соответ-
ствия средств измерений метрологическим требованиям».
При поверке к параметрам поверки предъявляются жесткие
требования, обеспечение которых должно в идеале исключить
или по крайней мере максимально снизить вероятность использования в сферах, подлежащих государственному метрологическому надзору, неисправных средств измерений.
90
Проверка соответствия основной погрешности цифровых
средств измерений допускаемым значениям, так же как и любых
других средств измерений, может проводиться двумя методами.
Этими методами являются:
определение погрешности и сравнение полученных значений
с допускаемым (измерительный контроль);
контроль соответствия погрешности допускаемому значению
(допусковый контроль).
Согласно МИ 187–86 «ГСИ. Средства измерений. Критерии
достоверности и параметры методик поверки», основными критериями достоверности поверки являются:
максимальная вероятность признания годным в действитель-
ности негодного средства измерений P
max
;
максимальное отношение основной погрешности негодного
средства измерений, ошибочно признанного годным, к пределу
допускаемого значения основной погрешности δ
max
.
В МИ 188–86 «ГСИ. Средства измерений. Установление значе-
ний параметров методик поверки» приведено рекомендуемое зна-
чение P
ния годным в действительности негодного средства измерений P
= 0,5. В этом случае максимальная вероятность призна-
max
max
имеет место в том случае, если значение основной погрешности,
определенное при поверке, равно пределу допускаемого значения
основной погрешности и средство измерения признано годным.
Значение δ
определяется исходя из требований к конкрет-
max
ным видам средств измерений и приводится в нормативной документации.
В большинстве методик поверки средств измерений давления
принимается значение P
= 0,2 и δ
max
= 1,25.
max
В большинстве методик поверки средств измерений темпера-
туры принимается значение P
= 0,5 и отношение погрешности
max
поверки Δэ к пределу допускаемой основной погрешности поверяемого средства измерений Δо не более 1/3. Исходя из этого
значение δ
Примечание. Термин «неопределенность поверки» является более коррект-
ным и соответствующим современным международным требованиям. Но так как
во всех российских нормативных документах при оценке достоверности поверки
применяется термин «погрешность поверки», этот термин будет использован далее по тексту.
= 1,33.
max
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]