Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физические основы измерений. Учебное пособие
.pdf
КЛАССИФИКАЦИЯ ПОМЕХ
Измерительные сигналы редко присутствуют в средствах
измерений в чистом виде. Практически всегда на них накладываются
помехи. Под помехой понимается сигнал, однородный с
измерительным и действующий одновременно с ним. Его присутствие
приводит к появлению погрешности измерения. Классификация помех
возможна по ряду признаков.
По месту возникновения помехи делятся на внешние и
внутренние. Причиной возникновения внешних помех являются
природные процессы и работа различных технических устройств.
Последние создают так называемые индустриальные помехи.
Внутренние помехи обусловлены процессами, происходящими при
работе самого средства измерений.
В зависимости от вида включения источников помехи и
измерительного сигнала в эквивалентных схемах средств измерений
различают помехи общего вида (синфазные) и помехи нормального
(последовательные) вида. Источник помехи общего вида включен
между общими точками (корпусами) схем объекта измерений и СИ.
Источник помехи нормального вида включен последовательно во
входную цепь СИ.
По виду частотного спектра помехи делятся на белый и
розовый шумы. Спектральные составляющие белого шума равномерно
распределены по всему частотному диапазону. У розового шума
спектральная мощность, приходящаяся на декаду частоты, постоянна.
По основным свойствам помехи можно разделить на три вида:
флуктуационные, сосредоточенные и импульсные.
Флуктуационные помехи представляют собой хаотическое,
беспорядочное изменение во времени сигнала, однородного с
измеряемым, в каком-либо месте средства измерений. Такие помехи
часто называют шумом.
Различают следующие виды шумов:
епловой (шум Джонсона), по своим свойствам близкий к
• т
белому шуму. Тепловой шум генерируется любым резистором,
находящимся в измерительной цепи. Значение его состоит в том, что
он устанавливает нижнюю границу напряжения шумов любого
51
измерительного преобразователя, имеющего выходное сопротивление;
• дробовый, обусловленный движением электронов —
дискретных носителей электрического тока. Он имеет равномерный
спектр, т. е. является белым;
• фликкер-шум. К. данному виду относят шумы, у которых
спектральная мощность на декаду частоты примерно постоянна, т. е.
розовые шумы, например шум постоянного резистора,
пропорциональный протекающему через него току, шум тока базы
транзистора и др.
Влияние флуктуационной помехи уменьшается при
усреднении суммы измерительного сигнала и помехи. Максимальное
уменьшение влияния флуктуационной помехи на результат измерения
возможно в том случае, когда спектральная плотность помехи
постоянна в пределах полосы пропускания средства измерений, т. е.
помеха имеет характер белого шума.
Сосредоточенными называют помехи, основная часть
мощности которых сосредоточена на отдельных участках диапазона
частот, меньших полосы пропускания СИ. Помехи, наводимые в
измерительных цепях средств измерений от промышленной силовой
сети частотой 50 Гц, являются сосредоточенными. Эффективность их
подавления в значительной мере определяется достоверностью
априорных данных о частотном спектре.
Импульсными помехами называется регулярная или
хаотическая последовательность импульсных сигналов, однородных с
измерительным сигналом. Источниками таких помех являются
цифровые и коммутирующие элементы средства измерения или
работающего рядом с ними устройства. Характерный пример
импульсных помех — помехи от устройств зажигания двигателей
внутреннего сгорания. Импульсные и сосредоточенные помехи часто
называют наводками.
Поскольку основным следствием действия помехи является
появление погрешности измерения, то стараются устранить или, по
крайней мере, ослабить их действие на средства измерений.
Обобщенная блок-схема измерительной системы с учетом
погрешностей. Принципиально каждое измерение осуществляется с
52
погрешностью. Не останавливаясь на природе встречающихся
погрешностей, необходимо в первую очередь классифицировать их по
источникам возникновения и по специфическому воздействию на
измерительную систему. На рис. 10 показана блок-схема
измерительной системы с погрешностью.
Рисунок 10 - Блок-схема измерительной системы с погрешностью: 1
— измеряемая величина; 2 — передаточная характеристика; 3 —
вывод результата; 4 — обратное воздействие приемочного
устройства; 5 — обратное воздействие
Важнейшие блоки измерительной системы и их функции
таковы:
– Восприятие измеряемой величины реализуется через
чувствительный элемент. Основная задача – выработка
измерительного сигнала в форме, удобного для дальнейшего
преобразования.
– Преобразование и усиления сигнала вызвано
необходимостью преобразования сигнала с измеряемой величиной в
другую физическую величину.
– В
ычислительная операция всегда связана с эталоном
(позиция 6) Ею может служить, например, нормирование сигнала,
53
градуировка шкалы и т.д. Эти операции необходимы в том случаи,
когда зависимость между первичной величиной и измеряемой
величиной и указателем нелинейна.
– Обработка измеряемой информации. Эта операция
проводится не только для отображения величин, но и для
установления информации. В эту позицию входят логические и
аналитические операции.
– Отображение информации. Отображение измеренной
информации предполагает использование цифровых и аналоговых
устройств (например, измерение температуры в производственных
условиях предполагает вывод информации на дисплей монитора или
табло самопишущего прибора).
Обратное воздействие означает, что чувствительный элемент
оказывает большее или меньшее влияние на процесс (измерение
температуры).
На измерительное устройство наряду с измеряемой величиной
воздействуют также и другие величины. Эти нежелательные
влияющие величины — помехи — являются источниками
погрешности. Очень часто встречаются аддитивные (налагающиеся)
внешние помехи. Они характеризуются тем, что их действие
накладывается на измерительный сигнал и соответственно на
показание. При этом погрешность не зависит от значения измеряемой
физической величины. Примерами аддитивных помех могут служить
наложения на измерительный сигнал напряжения, наведенного
переменным магнитным полем. Другими примерами являются
температурная зависимость электролитической проводимости при
измерении концентраций и смещение нуля прибора.
Мультипликативной или деформирующей называется помеха
(например, статическое давление, температура окружающей среды,
поле тяготения или подобные величины), если она влияет на
передаточную характеристику или изменяет ее. При
мультипликативных помехах результирующая погрешность зависит
от измеряемой величины. В зависимости от характера влияния помехи
на передаточную характеристику погрешность может зависеть как от
измеряемого значения, так и от скорости изменения его во времени.
54
В качестве примера мультипликативной внешней помехи
можно назвать односторонний нагрев рычажных весов солнечными
лучами. В результате теплового удлинения одного плеча рычага
соотношение плеч рычагов изменяется. При этом величина
погрешности измерения зависит от веса, подлежащего определению.
Внутренними называют помехи, которые независимо от внешних явлений возникают из-за внутриприборных эффектов. Сюда
можно причислить, например, люфт при механическом
преобразовании, трение опор и т. д. Эти и подобные эффекты
приводят, как правило, к нелинейностям и, как следствие, к
погрешностям измерения.
Погрешности, вызванные аддитивными и
мультипликативными внешними помехами, в равной мере
определяются условиями применения измерительного устройства.
При мультипликативных внешних помехах результирующая
погрешность определяется не только такими влияющими величинами,
как температура, давление, влажность, электромагнитные поля и т. д.,
но и самой измеряемой величиной.
На любой чувствительный элемент выдаётся специальное
предписание, устанавливающее ограничение на его использование.
Ограничение устанавливается на основе допускаемой погрешности.
Функциональную зависимость между поступающей на вход
чувствительного элемента физической величиной и выдаваемым им
сигналом называют его статической характеристикой.
Чувствительный элемент, характеристика которого представляет
собой прямую линию, называют линейным чувствительным
элементом. Для такого элемента математическая зависимость между
входной величиной Е и выходной величиной А описывается
уравнением
А = А0 + К
Е
Для большинства чувствительных элементов А0 = 0, т. е.
выходной сигнал А пропорционален входному сигналу Е, и уравнение
имеет вид А = КЕ. Постоянный множитель К называют
коэффициентом передачи, чувствительностью или крутизной
характеристики чувствительного элемента. Если характеристика
отличается от линейной, то чувствительный элемент называют
55
нелинейным. Такой элемент обладает в разных точках диапазона
измерения разной чувствительностью (или крутизной характеристики
S, рис. 5), значение которой в точке Р определяется зависимостью:
dA
Sp = (
dE
)E = Ep
Рисунок 11 - Нелинейная характеристика чувствительного элемента
Ожидаемая зависимость между поступающей на вход
чувствительного элемента величиной и величиной, выдаваемой им на
выходе, называется номинальной характеристикой. Истинная
характеристика, определяемая в процессе измерений, в большей или
меньшей степени отличается от номинальной. Это расхождение
является систематической погрешностью измерения.
Абсолютные погрешности находят по разности истинной и
номинальной характеристик чувствительного элемента. Абсолютная
погрешность чувствительных элементов, обладающих линейной
номинальной характеристикой, называется погрешностью
нелинейности (отклонением от линейности). Часто наблюдают
необратимые изменения свойств чувствительного элемента, также
обусловливающие возникновение погрешностей измерения. Такие
изменения могут быть вызваны, например, старением, структурными
изменениями, термической или механической перегрузкой, а также
56
химическими превращениями. Это следует учитывать при выборе
вида чувствительного элемента, особенно высокочувствительного. В
отдельных случаях следует прибегать к иному методу измерения,
обеспечивающему лучшую воспроизводимость результатов. При
измерениях температур часто используют чувствительный элемент,
преобразующий температуру в перемещение (за счет температурного
удлинения), измеряемое затем электрически. В качестве примера
могут быть названы биметаллические и манометрические
температурочувствительные элементы.
СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ
Средство измерения (СИ) — это техническое средство (или их
комплекс), предназначенное для измерений, имеющее нормированные
метрологические характеристики, воспроизводящее и (или) хранящее
единицу физической величины, размер которой принимается
неизменным (в пределах установленной погрешности) в течение
известного интервала времени (РМГ 29-99). Средство измерения
является обобщенным понятием, объединяющим разнообразные
конструктивно законченные устройства, которые реализуют одну из
двух функций:
оспроизводят величину заданного (известного) размера,
• в
например гиря — заданную массу, магазин сопротивлений — ряд
дискретных значений сопротивления;
• вырабатывают сигнал (показание), несущий информацию о
значении измеряемой величины. Показания СИ либо непосредственно
воспринимаются органами чувств человека (например, показания
стрелочного или цифрового приборов), либо они недоступны восприятию человеком и используются для преобразования другими СИ.
Последняя функция, являющаяся основной, может быть
реализована только посредством измерения. Очевидно, что СИ
должны содержать устройства (блоки, модули), которые выполняют
эти элементарные операции. Такие устройства называются
элементарными средствами измерений. В их число входят
измерительные преобразователи, меры и устройства сравнения
(компараторы).
57
КЛАССИФИКАЦИЯ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ
Средство измерений (СИ) — обобщающее понятие,
охватывающее объекты предназначенные для выполнения измерений,
имеющие нормированные метрологические характеристики,
воспроизводящие и хранящие участок шкалы или единицу величины,
размер которой принимается неизменным (в пределах установленной погрешности) в течение известного интервала времени.
Средство измерений реализует одну из двух функций: воспроизводит
величину заданного размера или вырабатывает сигнал, несущий
информацию о значении измеряемой величины.
Всем средствам измерений независимо от области применения
присущи некоторые общие признаки, которые положены в основу
различных классификаций СИ.
По роли, выполняемой в системе обеспечения единства
измерений, СИ делят на эталонные, предназначенные для
воспроизведения, хранения и передачи участка шкалы или размера
единицы рабочим СИ, и рабочие, применяемые для измерений, не
связанных с передачей размера.
По уровню автоматизации средства измерений делят на
неавтоматические (ручные), автоматизированные и автоматические, по
уровню стандартизации — на стандартизированные и уникальные.
Средства измерений могут работать в статическом или
динамическом режиме. В статическом режиме изменением
измеряемой величины за время, требуемое для проведения одного
измерения, можно пренебречь, В динамическом режиме такое
пренебрежение недопустимо, поскольку указанное изменение, как
правило, превышает допустимую погрешность.
Классификация СИ по их роли в процессе измерения и
выполняемым функциям представлена на рис. 10.1. Измерительные
приборы, установки и системы предназначены для реализации всей
процедуры измерения, включая выработку сигнала измерительной
информации в форме, доступной восприятию оператором (наблюдателем).
Самыми распространенными средствами измерений являются
измерительные приборы, предназначенные для получения значений
измеряемой величины в установленном диапазоне ее изменения и
58
выработки сигнала измерительной информации. Практически
каждый измерительный прибор содержит измерительный
преобразователь, меру, компарирующую ячейку и устройство
отображения информации.
По форме представления показаний приборы делят на
аналоговые и цифровые. По форме индикации измеряемой величины
различают показывающие, регистрирующие и комбинированные
измерительные приборы.
Показывающий прибор допускают только считывание
показаний измеряемой величины. Отсчетное устройство преобразует
измерительный сигнал в форму, доступную восприятию органами
чувств оператора.
Регистрирующий прибор производит регистрацию показаний
на носителе информации, выдавая документ долговременного
пользования.
Комбинированный прибор имеет в своем составе и
показывающее, и записывающее устройства. Например,
профилограф-профилометр позволяет увидеть на цифровом табло
результат измерения параметра шероховатости поверхности или
получить запись про-филограммы участка поверхности на бумажном
носителе.
Простейшие измерительные приборы иногда называют
измерительными инструментами (измерительная линейка,
штангенциркуль, микрометр}.
Измерительная установка — совокупность функционально
объединенных средств измерений и вспомогательных устройств,
предназначенная для выработки сигналов измерительной информации
в форме, удобной для непосредственного восприятия наблюдателем, и
расположенная в одном месте. Примерами измерительных
установок могут служить испытательный стенд, поверочная
установка, измерительная машина.
59
приборы
установки
системы
ИВК
преобразователи
информации
СРЕДСТВА
ИЗМЕРЕНИЙ
Измерительные
Аналоговый
Цифровой
Показывающий
Регистрирующий
Меры
Однозначная
Многозначная
Встроенная
Набор мер
Магазин мер
Стандартный
образец
Измерительные
Испытательный
стенд
Поверочная
установка
Измерительная
машина
Измерительные
Первичный
Промежуточный
Передающий
Аналоговый
АЦП
ЦАП
Измерительные
ИИС
Компараторы
«Классический»
Встроенный
Биологическая
система
Компарирующий
фактор
Структурные
компоненты
Устройства
отображенич
Индикаторное
Регистрирующее
Аналоговое
цифровое
60
Рисунок 11 –
классификация средств измерений по роли
в процессе измерения и выполняемым функциям
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]