Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Метрология, стандартизация и сертификация в инфокоммуникациях. Учебное пособие. Курс лекций
.pdf
41
ВОПРОС 2. Метрологические характеристики средств измерений
Для оценки пригодности СИ к измерениям в известном диапазоне с
известной точностью вводят понятие “метрологические характеристики”
(MX) СИ с целью: обеспечения возможности установления точности измерений; достижения взаимозаменяемости СИ, сравнения СИ между собой и выбора нужных СИ по точности и другим характеристикам; определения погрешностей измерительных систем и установок на основе MX
входящих в них СИ; оценки технического состояния СИ при поверке [3,4].
Под метрологическими характеристиками (MX) понимают такие ха-
рактеристики СИ, которые позволяют судить об их пригодности для измерений в известном диапазоне с известной точностью. В отличие от СИ
приборы или вещества, не имеющие нормированных MX, называют индикаторами. СИ – это техническая основа метрологического обеспечения.
По ГОСТ 8.009 – 84 устанавливают перечень MX, способы их нор-
мирования и формы представления. Каждая из видов MX по назначению
может быть представлена более детально с учетом видов самих измерений
и СИ в зависимости от изменений влияющих величин или неинформативных параметров входного сигнала.
Неинформативным называется параметр входного сигнала СИ, не
связанный функционально с измеряемым параметром. Например, частота
переменного тока при измерении его амплитуды.
Нормальные метрологические характеристики (НМХ) устанавлива-
ются документами. MX, определенные документами, считаются действительными. На практике наиболее распространены следующие MX СИ.
Диапазон измерений – область значений измеряемой величины, для
которой нормированы допускаемые пределы погрешности СИ (для преобразователей – это диапазон преобразования).
Предел измерения – наибольшее или наименьшее значение диапазона измерения. Для мер – это номинальное значение воспроизводимой величины.
Например, у шкалы на рисунке 3.2 начальный участок (~20%) сжат,
потому производить отсчеты на нем неудобно. Тогда предел измерения по
шкале составляет 50 ед., а диапазон – 10...50 ед.
42
minmax
/
SSJ =
В
градус
В
мм
А
мм
,,
)//()/(
000
xxyyS ∆∆=
0
10
20
30
40
50
Рисунок 3.2-Неравномерная шкала СИ
Цена деления шкалы – разность значений величин, соответствующих
двум соседним отметкам шкалы. Приборы с равномерной шкалой имеют
постоянную цену деления, а с неравномерной – переменную. В этом случае нормируется минимальная цена деления.
Чувствительность – отношение изменения сигнала Δу на выходе
СИ к вызвавшему это изменение изменению ∆х сигнала на входе
S = ∆y/∆х.
Например, для стрелочного СИ – это отношение перемещения dl
конца стрелки к вызвавшему его изменению dx измеряемой величины
S = dl/dх.
Таким образом, для неравномерных шкал величина S = var, и сте-
пень неравномерности шкалы оценивают через коэффициент
.
Для равномерных шкал S = S
= const и S
cp
= l/xN , где xN - диапазон
cp
измерений.
Поскольку х и у могут быть выражены в различных единицах,
то величина S имеет размерность
и т.д.
Говоря о чувствительности, указывают физическую величину,
например, ток, напряжение и т. д.
Иногда для оперирования безразмерными единицами вводят понятие
относительной чувствительности
где х0, у0 – номинальные (или средние) величины.
Чувствительность нельзя отождествлять с порогом чувствительно-
сти – наименьшим значением измеряемой величины, вызывающим замет-
ное изменение показаний прибора.
,
43
ув
хxH −=
Величину, обратную чувствительности, называют постоянной прибора С = 1/S. Как правило, выходным сигналом СИ является отсчет (по-
казание) в единицах величины. В этом случае постоянная прибора С равна
цене деления. Поэтому для СИ с неравномерной шкалой чувствительность
– величина переменная.
Вариация (гистерезис) – разность между показаниями СИ в данной
точке диапазона измерения при возрастании и убывании измерений величины и неизменных внешних условиях:
,
где xв, xу – значения измерений образцовыми СИ при возрастании и убывании величины х.
Следует иметь в виду, что, хотя вариация показаний СИ вызывается
случайными факторами, сама она – не случайная величина. Зависимость
между выходным и входным сигналом СИ, полученную экспериментально, называют градуировочной характеристикой, которая может быть
представлена аналитически, графически или в виде таблицы.
Градуировочная характеристика может изменяться под воздействием
внешних и внутренних причин. Например, при быстром изменении тока
подвижная часть СИ, вследствие инерции, не успевает "следить" за изменением тока. Градуировочная характеристика в этом случае должна выражаться дифференциальным уравнением.
ВОПРОС 3. Нормирование метрологических характеристик
средств измерений
Основная MX СИ – погрешность СИ – есть разность между показаниями СИ и истинными (действительными) значениями ФВ.
Все погрешности СИ в зависимости от внешних условий делятся на
основные и дополнительные.
Основная погрешность – это погрешность СИ при нормальных
условиях эксплуатации. Как правило, нормальными условиями эксплуатации являются: температура 293±5 К или 20±5°С, относительная влажность
воздуха 65±15% при 20°С, напряжение в сети питания 220 В±10% с частотой 50 Гц±1%, атмосферное давление от 96 до 104 кПа, отсутствие элек-
44
∑
=
Σ
∆+∆=∆
n
ii2
2
0
трических и магнитных полей (наводок).
В рабочих условиях, зачастую отличающихся от нормальных более
широким диапазоном влияющих величин, при необходимости нормируется дополнительная погрешность СИ.
Существуют три способа нормирования основной погрешности СИ:
- нормирование пределов допускаемой абсолютной (±∆) или приве-
денной (±γ) погрешностей, постоянных во всем диапазоне измерения;
- нормирование пределов допускаемой абсолютной (±∆) или относи-
тельной (±δ) погрешностей в функции измеряемой величины;
- нормирование постоянных пределов допускаемой основной погреш-
ности, различных для всего диапазона измерений одного или нескольких
участков.
В качестве предела допускаемой погрешности выступает наибольшая погрешность, вызываемая изменением влияющей величины, при которой СИ по техническим требованиям может быть допущено к применению. То же самое относится и к дополнительным погрешностям. При
этом исходят из следующих положений:
1) дополнительная погрешность имеет такой же вид, что и основная
(абсолютная, относительная и приведенная);
2) дополнительные погрешности, вызванные различными влияющи-
ми факторами, должны нормироваться раздельно.
В общем виде суммарная абсолютная погрешность СИ при влияющих факторах
где ∆0 – основная погрешность СИ; ∆i, – дополнительная погрешность, вызванная изменением i-го влияющего фактора.
Иногда дополнительную погрешность нормируют в виде коэффициента,
указывающего, "на сколько" или "во сколько" изменяется погрешность
при отклонении номинального значения. Например, указание, что температурная погрешность вольтметра составляет ±1% на 10°С, означает, что
при изменении среды на каждые 10°С добавляется дополнительная погрешность 1%.
Вследствие сложности разделения дополнительных и основных по-
45
грешностей поверку СИ выполняют только при нормальных условиях (т.
е. дополнительные погрешности исключены).
Систематическая погрешность СИ – это составляющая общей по-
грешности, которая остается постоянной или закономерно изменяется при
многократных измерениях одной и той же величины.
ВОПРОС 4. Автоматизация процессов измерений
Усложнение современного производства, развитие научных исследо-
ваний привело к необходимости измерять и контролировать одновременно
сотни и тысячи различных физических величин [2]. Естественная физиологическая ограниченность возможностей человека в восприятии и обработке больших объемов информации стала одной из причин построения
измерительных систем с автоматизацией процесса измерений.
Как правило эта задача решается в рамках измерительно-
вычислительного комплекса (ИВК) или информационно-измерительной
системы (ИИС). Основными признаками принадлежности средства измерений к ИВК являются: наличие процессора или компьютера; программ-
ное управление средствами измерений; наличие нормированных метроло-
гических характеристик; блочно-модульная структура, состоящая из технической (аппаратной) и программной (алгоритмической) подсистем.
Техническая подсистема должна содержать СИ электрических вели-
чин (измерительные компоненты), средства вычислительной (вычислительные компоненты), меры текущего времени
и интервалов времени, средства ввода-вывода цифровых и аналоговых
сигналов с нормированными метрологическими характеристиками.
В программную подсистему ИВК входят системное и общее приклад-
ное программное обеспечение (ПО), в совокупности образующие математическое обеспечение ИВК. Системное ПО представляет собой совокупность программного обеспечения компьютера, используемого в ИВК, и
дополнительных программных средств, позволяющих работать в диалоговом режиме; управлять измерительными компонентами; обмениваться информацией внутри подсистем комплекса; проводить диагностику технического состояния. Программное обеспечение представляет собой взаимодополняющую, взаимодействующую совокупность подпрограмм, реализую-
46
щих:
− типовые алгоритмы эффективного представления и обработки изме-
рительной информации, планирования эксперимента и других измерительных процедур;
− архивирование данных измерений;
− метрологические функции ИВК (аттестация, поверка, эксперимен-
тальное определение метрологических характеристик и т.п.).
Большое значение имеет эффективное и наглядное построение экранных форм и управляющих элементов, называемых интерфейсом пользо-
вателя, обеспечивающих взаимодействие оператора с компьютером. Эффективность интерфейса заключается в быстром, насколько это возможно,
развитии у пользователей простой концептуальной модели взаимодействия с комплексом. Другими важными характеристиками интерфейса являются его конкретность и наглядность, что обеспечивается с помощью
последовательно раскрываемых окон, раскрывающихся вложенных меню
и командных строк с указанием функциональных, «горячих» клавиш.
Измерительно-вычислительные комплексы предназначены для выполнения таких функций, как:
− осуществление прямых, косвенных, совместных или совокупных из-
мерений физических величин;
− управление процессом измерений и воздействием на объект измере-
ний;
− представление оператору результатов измерений в требуемом виде.
Для реализации этих функций ИВК должен обеспечивать:
− восприятие, преобразование и обработку электрических сигналов от
первичных измерительных преобразователей;
− управление средствами измерений и другими техническими компо-
нентами, входящими в состав ИВК;
− выработку нормированных сигналов, являющихся входными для
средств воздействия на объект;
− оценку метрологических характеристик и представление результатов
измерений в установленной форме.
Основными составными частями комплекса являются (рисунок 3.3):
− компьютер с периферийными устройствами, подключенными к нему,
47
L
Интерфейс
Периферийные устройства
(принтер, плоттер, компьютерная сеть)
Компьютер
Программное обеспечение
Управление
Данные /Адрес
Обмен
данными
Управление
Данные /Адрес
Формирователь
сигналов
Объект
1
i
М
Измерит.
сигналы
АИП
Коммутатор
АЦП
1
К
Испытательные
сигналы
1
ИК1
АИП
АЦП
Коммутатор
ИК N
Рисунок 3.3-Структурная схема измерительно-вычислительного
комплекса
в том числе и посредством компьютерной сети;
− программное обеспечение, представляющее собой совокупность
взаимосвязанных программ, написанных на алгоритмических языках разного уровня;
− интерфейс, организующий связь технических устройств ИВК с ком-
пьютером;
− формирователь испытательных сигналов, которыми воздействуют на
объект измерения с целью получения измерительных сигналов. Каждый
такой сигнал (например, на рисунке 3.3 это i-й сигнал) вырабатывается с
помощью последовательно соединенных ЦАП, и преобразователя «напряжение — испытательный сигнал» (ПНИСi);
− измерительные каналы (ИК), предназначенные для преобразования в
цифровой код заданного числа сигналов (К – для первого ИК и L – для N-ro
ИК). Структура ИК существенно зависит отрешаемой задачи. Однако практически в любом случае каждый из них содержит аналоговый измерительный (АИП)
и аналого-цифровой (АЦП) преобразователи.
ЦАПi
ПНИСi
измере-
испытательных
ния
48
При обработке нескольких измерительных сигналов одним АЦП в со-
став комплекса включается коммутатор, предназначенный для поочередного подключения сигналов к входу АЦП. Коммутатор может включаться как
после АИП (ИК1 на рисунке 3.3), так и перед ним (ИК N на рисунке 3.3).
АИП предназначен для преобразования измерительного сигнала в
сигнал, однородный с входным сигналом АЦП (т.е. в напряжение), и масштабирования (усиления или ослабления) его до уровня, необходимого
для проведения операции аналого-цифрового преобразования с минимальной погрешностью. При наличии нескольких измерительных сигналов (К сигналов в ИК1 на рисунке 3.3) АИП состоит из К независимых последовательно соединенных первичных преобразователей и управляемых
компьютером масштабируемых усилителей. Если же измерительные сигналы являются однородными физическими величинами и могут быть поочередно выбраны (скоммутированы), то в ИК целесообразно использовать только один АИП (рисунке 3.3 – ИК N). Он последовательно во времени проводит преобразование измерительного сигнала и последующее
его масштабирование.
АЦП преобразует сигнал в цифровой код и передает его через интер-
фейс в компьютер. Работой всей аппаратной части ИВК управляет компьютер. Это осуществляется посредством:
− подачи управляющих сигналов различного рода;
− считывания и передачи по требуемым адресам цифровой информа-
ции (сигналы «Данные» и «Адрес» на рисунке 3.3). Под «Адресом» понимается уникальный цифровой код, присвоенный конкретному блоку ИВК
или его части и позволяющий компьютеру через интерфейс однозначно
идентифицировать данное устройство.
По команде оператора выбирается тот или иной режим работы ИВК
из числа реализованных в программном обеспечении. Компьютер рассчитывает цифровой код, описывающий заданное изменение во времени каждого из М испытательных сигналов, и в виде двоичного цифрового кода
записывает в оперативные запоминающие устройства формирователя испытательных сигналов (на рисунке 3.3 не показаны). Оттуда эти коды последовательно во времени циклически поступают на вход каждого из
ЦАП. Формируемые на их выходах напряжения с помощью ПНИС преоб-
49
разуются в требуемые физические величины, воздействующие на объект
измерения.
Измерительные сигналы, представляющие собой отклик объекта измерения на испытательные воздействия, преобразуются в измерительных
каналах в двоичный цифровой код и считываются компьютером. Полученные коды обрабатываются по заданным алгоритмам, в результате получается искомая измерительная информация.
Более полное изложение вопросов лекции представлено на указанных
страницах перечисленных ниже литературных источников:
Вопрос 1. [3] с. 39-41; [4] с. 58-60; [5] с. 84-88.
Вопрос 2. [2] с. 31 - 34; [3] с. 46 - 47; [4] с. 61 - 65; [5] с. 88 - 92.
Вопрос 3. [3] с. 92 - 93; [4] с. 69-77.
Вопрос 4. [2] с.287-290.
50
ЛЕКЦИЯ № 4
Тема лекции: Аналоговые электроизмерительные приборы
Вопросы лекции:
1. Обобщенная структурная схема аналоговых электроизмерительных
приборов и принцип действия электромеханических измерительных
механизмов.
2. Магнитоэлектрические и электромагнитные измерительные меха-
низмы.
3. Электродинамические и логометрические измерительные механизмы.
4. Структурная схема цифровых электроизмерительных приборов.
5. Цифровые вольтметры время-импульсного преобразования
ВОПРОС 1. Обобщенная структурная схема аналоговых
электроизмерительных приборов и принцип действия
электромеханических измерительных механизмов
Аналоговыми электроизмерительными приборами называют средства
электрических измерений, предназначенные для выработки сигналов измерительной информации, являющихся непрерывными функциями измеряемых величин, в форме, доступной для непосредственного восприятия
наблюдателем. Эти устройства отличаются относительной простотой, дешевизной, высокой надежностью, разнообразием применения и представляют собой важную группу технических средств электрических измерений.
Классификация аналоговых электроизмерительных приборов (АЭП)
проводится по многим признакам. К числу важнейших из них относятся:
1) метрологическое назначение;
2) метод определения измеряемой величины;
3) элементная база;
4) способ образования показаний;
5) принцип действия;
6) точность:
7) условия применения;
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]