Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Физические основы измерений. Учебное пособие
.pdf
Измерительная система — совокупность средств измерений,
средств вычислительной техники и вспомогательных устройств,
расположенных в разных местах и соединенных между собой
каналами связи, предназначенная для выработки сигналов измерительной информации в форме, удобной для автоматической обработки,
передачи и использования в автоматизированных системах
управления. Все большее распространение получают
информационно-измерительные системы (ИИС), предназначение
для сбора, обработки, передачи, хранения, отображения информации
и воздействия на объект исследования. Для решения сложной
измерительной задачи создается измерительно-вычислительный
комплекс (ИБК) — функционально объединенная совокупность
средств измерений, компьютеров и вспомогательных устройств.
Мера предназначена для воспроизведения и хранения
величины одного или нескольких заданных размеров, значения
которых выражены в установленных единицах и известны с
необходимой точностью. Мера может быть телом, веществом,
устройством и т. д. По конструктивному исполнению все меры можно
разделить на два вида:
• меры, оформленные как самостоятельные
средства измерений;
• встроенные меры, являющиеся частью
измерительных приборов.
Конструктивно самостоятельнее меры бывают
однозначными, воспроизводящими величину одного размера (гиря,
концевая мера длины, конденсатор постоянной емкости), и
многозначными, воспроизводящими дискретный или непрерывный ряд
значений величины (участок шкалы измерений) в заданном диапазоне:
линейка с делениями, вариометр, конденсатор переменной емкости.
Из однородных однозначных мер комплектуют наборы мер, применение
которых позволяет получать заданные значения величин (наборы гирь,
концевых мер длины). Если такой набор конструктивно объединен в
единое устройство, позволяющее объединять меры в различных
комбинациях, его называют магазином мер (магазин электрического
сопротивления). Некоторые однозначные меры применяются исключительно в виде отдельных мер, поскольку реализация операции
61
сложения воспроизводимых ими величин связана с большими
трудностями или вообще неосуществима (меры рефракции,
коэффициента преломления).
К мерам относят также стандартные образцы (СО): образцы
твердости, шероховатости, белой поверхности, состава или свойств
веществ и материалов. Со являются одним из эффективных средств
обеспечения единства измерений во многих областях, в том числе
количественном химическом анализе.
Стандартный образец состава или свойств вещества
(материала) предназначен для воспроизведения и хранения размеров
величин, характеризующих состав (свойства) этого вещества,
значения которых установлены в результате метрологической
аттестации. Обычно они реализуются в виде порции однородного
вещества (материала), причем эта часть является полноценным
носителем воспроизводимой величины, что отражено в требованиях к
их однородности.
Стандартный образец состава обычно аттестуется по
нескольким значениям одноименных величин, характеризующих
массовую долю, массовую или молярную концентрацию веществ и т. д.
Такие СО можно считать комбинированными мерами. Стандартный
образец свойства аттестуется, как правило, по одному значению
хранимой величины; этот СО — однозначная мера. Уральский НИИ
метрологии, являющийся головным органом Государственной службы
стандартных образцов, периодически переиздает каталог утвержденных СО. Структура каталога приведена в Приложении 2.
В качестве особой категории мер выступают чистые природные
вещества и химические элементы. Они используются в качестве
репёрных точек шкал измерений (например, для международной
температурной шкалы МТШ-90).
По определению, любое средство измерений содержит в
себе меру. В метрологической иерархии меры занимают все без
исключения уровни, от международных эталонов (килограмм Архива) до
рабочих СИ. Меры позволяют воспроизводить и хранить все многообразие единиц и шкал измерений, характеризующих как
количественные, так и качественные свойства. Однако эта
в
62
возможность реализована не для всех единиц. Например, отсутствуют
меры секунды, большинства единиц абсолютных шкал.
КОМПОНЕНТЫ СТРУКТУРЫ СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ
Большинство средств измерений состоит из набора модулей
(компонентов), каждый из которых выполняет только одну операцию
измерительной процедуры и поэтому не может быть отнесен к
категории средства измерений. Исключение составляет только мера,
которая может выступать в двух ипостасях - или как самостоятельное
СИ, или как встроенный элемент, т. е. один из компонентов структуры
СИ. Основными структурными компонентами средства измерений
являются: измерительный преобразователь, компаратор, устройство
отображения информации.
Измерительный преобразователь (ИП) - техническое
средство, предназначенное для преобразования информации об
измеряемой величине в сигнал измерительной информации, удобный
для обработки, хранения, дальнейшего преобразования, индикации
или передачи (по не поддающийся непосредственному восприятию)
и имеющий нормированные метрологические характеристики.
Преобразуемая величина называется входной, а результат
преобразования — выходной величиной. Соотношение между ними
задается функцией преобразования ИП (его статической характеристикой). Выходная величина, как правило, недоступна для
непосредственного восприятия наблюдателем. К измерительным
преобразователям относят термопары, измерительные
трансформаторы тока, измерительные усилители и другие
устройства.
По местоположению в измерительной цепи ИП делят на
первичные, промежуточные и передающие. На первичный
преобразователь непосредственно воздействует объект измерения, т.
е. он является первым элементом измерительной цепи.
Конструктивно обособленный первичный ИП называют датчиком.
Промежуточные (вторичные) измерительные преобразователи
располагаются в измерительной цепи после первичного. На выходе
передающих ИП образуются сигналы в форме, удобной для их
регистрации и передачи на расстояние.
63
По характеру преобразования сигнала измерительные
преобразователи делят на линейные и нелинейные Функция
преобразования идеального измерительного преобразователя
линейна, безынерционна, стабильна и проходит через начало
координат.
По виду входных и выходных сигналов ИП делят на:
• аналоговые, преобразующие один аналоговый сигнал в
другой аналоговый сигнал;
• аналого-цифровые (АЦП), предназначенные для
преобразования аналогового измерительного сигнала в
цифровой код;
• цифро-аналоговые (ЦАП), которые преобразуют цифровой
код в аналоговый сигнал.
Компаратор (устройство сравнения) дает возможность
выполнять сравнение мер однородных величин или показаний
измерительных приборов, а также сравнивать участки (точки) шкал
измерений. Компаратором может быть как техническое устройство, так
и естественная или специально созданная среда. Можно выделить
следующие типы компараторов:
• «классический» компаратор, не содержащий меру
(равноплечие рычажные весы, фотометрическая головка);
• соответствующий функциональный узел измерительного
прибора — встроенная компарирующая ячейка (например, в
стрелочном гальванометре это узел рамки, где сравниваются
два крутящих момента: активный, возникающий от
взаимодействия магнитных полей рамки и магнита, и
возвращающий, создаваемый пружинкой);
•
естественная биологическая система:
органы
чувств
человека (например, зрение, слух);
• компарирующий фактор (среда, устройство, процесс,
явление), от которого требуется лишь стабильность во времени и
однородность в объеме (гравитационное поле Земли при
сличении мер массы и силы, температурное поле термостата
при сравнении показаний термометров, генерируемое
техническими устройствами электромагнитное поле
присличении электроизмерительных приборов,
64
градуировочная жидкость для сличения показаний об-
разцового и рабочего ареометров).
Степень совершенства компаратора определяется минимально
возможным порогом чувствительности л быстродействием
(временем переключения из одного состояния в другое), которые у
идеального компаратору равны нулю.
Устройство отображения информации предназначено для
наблюдения воспроизводимого средством измерений значения
измеряемой величины, Эти устройства можно разделить на две
группы. Отсчетное (показывающее, индикаторное) устройство дает
текущую визуальную информацию об измеряемой величине.
Записывающее (регистрирующее) устройство записывает выходной
сигнал СИ в течение определенного интервала; в системах
мониторинга регистраторы работают непрерывно. И то, и другое
устройства могут быть аналоговыми или цифровыми.
Традиционным аналоговым средством отображения
медленно изменяющейся величины является отсчетная шкала СИ с
указателем. Один из этих элементов неподвижен, другой —
перемещается. Для визуального изображения переменной величины
наиболее подходящим средством служит экран электронно-лучевого
осциллографа.
Цифровой сигнал в виде конечного числового значения
измеряемой величины может отображаться разнообразными цифровыми
индикаторами: ламповым цифровым устройством (например, лампа с
тлеющим разрядом и десятью проволочными катодами в форме цифр
от 0 до 9), алфавитно-цифровым дисплеем (жидкокристаллическим или на
основе светоизлучающих диодов).
В качестве примеров регистрирующих устройств
отображения измерительной информации назовем диаграммный
самописец, в котором перо или луч перемещается относительно
равномерно движущейся бумаги (обычной, термочувствительной или
фотобумаги), устройство записи на магнитной ленте, монитор
(устройство отображения, в состав которого входит запоминающая
электронно-лучевая трубка), цифровое печатающее устройство,
матричный принтер, телетайп (служит для регистрации данных,
передаваемых по каналам связи).
65
Характеристики точности средства измерений
определяются соответствующими параметрами его составных
частей. Поэтому все необходимые параметры компонентов СИ
должны иметь установленные пределы для своих отклонений от
паспортных значений. Другими словами, каждый компонент СИ
должен иметь собственные метрологические характеристики.
Обобщенная структурная схема СИ показана на рис. 12.
Входным сигналом является измерительный сигнал, один из
параметров которого однозначно связан с измеряемой ФВ:
X = X {а0[Ψ(t)] а1 а2,.. аn},
где а0 — информативный параметр входного сигнала; Ψ(t) —
измеряемая ФВ; а1 а2,.. аn — неинформативные параметры входного
сигнала. Неинформативным параметром входного сигнала СИ
называется его параметр, неиспользуемый для передачи значения
измеряемой величины. Входной сигнал преобразуется измерительным
преобразователем (рис. 12) в пропорциональный ему сигнал X1.
ледует отметить, что преобразователь может отсутствовать, тогда
С
входной сигнал будет подаваться непосредственно на один из входов
устройства сравнения.
Рисунок 12 - Обобщенная структурная схема средства измерения
66
Сигнал с выхода измерительного преобразователя поступает
на первый вход устройства сравнения, на второй вход которого
подается известный сигнал с выхода многозначной меры. Роль меры
могут выполнять самые разные устройства. Например, при
взвешивании на весах мерой являются гири с известным весом. Во
многих простых СИ роль меры выполняют отсчетные шкалы, предварительно проградуированные в единицах измеряемой величины. К
таким средствам измерений относятся линейка, термометр,
электромеханические вольтметры и др. Значение выходной величины
многозначной меры изменяется в зависимости от величины цифрового
кода N, который условно считается ее входным сигналом. Изменение
кода осуществляется оператором (например, при взвешивании на
весах) или автоматически. Так как цифровой код — величина
дискретная, то и выходной сигнал меры изменяется ступенями —
квантами, кратными единице сравниваемых величин.
Сравнение измеряемой и известной величин осуществляется
при помощи устройства сравнения. Роль последнего в простейших
СИ, имеющих отсчетные шкалы, выполняет человек. Например, при
измерении длины тела он сопоставляет ее с многозначной мерой —
линейкой и находит количество N квантов меры, равное с точностью
до кванта измеряемой длине. Устройство сравнения дает
информацию, о том, какое значение выходного сигнала многозначной
меры должно быть установлено автоматически или при участии
оператора. Процесс изменения прекращается при достижении
равенства между величинами X1 и Хм с
точностью до кванта [Q].
Выходным сигналом может служить один из трех сигналов: Y1,
Y2 и Y3. Если выходной сигнал предназначен для непосредственного
восприятия человеком, то его роль выполняет сигнал Y1 = N. В
данном случае код N является привычным для человека десятичным
кодом. Если же выходной сигнал СИ предназначен для применения в
других средствах измерения, то в качестве него может быть
использован любой из трех сигналов: Y1, Y2 и Y3. Первый их них при
этом является цифровым, как правило, двоичным кодом, который
«понимают» входные цифровые устройства последующих СИ.
Аналоговый сигнал Y
квантован п
2
о уровню и представляет собой
эквивалент цифрового кода N, а СИ в этом случае предназначено для
67
воспроизведения ФВ заданного размера и состоит только из одного
блока — многозначной меры. Сигнал Y3 представляет собой
измерительное преобразование входного сигнала X, СИ при этом
используется только как измерительный преобразователь, а остальные
его блоки отсутствуют.
Таким образом, структурная схема, показанная на рис. 6,
описывает три возможных варианта:
• СИ включает все блоки и вырабатывает сигнал Y
доступный
1
восприятию органами чувств человека. Возможно формирование
выходных сигналов Y2 и Y3, предназначенных только для
преобразования другими СИ;
• СИ состоит только из измерительного преобразователя,
выходной сигнал которого равен Y3;
• СИ содержит только меру, выходной сигнал которой равен
Y2.
И могут работать в двух режимах: статическом и
С
динамическом. Статический режим — это такой режим работы СИ,
при котором изменением измеряемой величины за время, требуемое
для проведения одного измерения, можно пренебречь. В ди-
намическом режиме такое пренебрежение недопустимо, поскольку
указанное изменение превышает допустимую погрешность.
СТАТИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И ПАРАМЕТРЫ
СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ
Основной характеристикой СИ в статическом режиме является
функция (уравнение) преобразования — зависимость информативного
параметра выходного сигнала от информативного параметра его
входного сигнала.
При разработке СИ стремятся к тому, чтобы обеспечить
линейную связь между входной и выходной величинами:
в упрощенной форме записи Y(t) = KX(t), где К —
коэффициент преобразования.
Функция преобразования, представленная в виде формулы,
таблицы или графика, используется в рабочих условиях для
определения значений измеряемой с помощью СИ величины по
известному информативному параметру его входного сигнала.
68
Линейные функции преобразования, проходящие через начало
координат, могут задаваться путем определения коэффициента преобразования К.
Различают три вида функций преобразования:
• номинальную F, которая указывается в нормативно-
технической документации на данный тип СИ. Она устанавливается
для стандартизованных средств измерений массового производства;
• индивидуальную Fи, которая принимается для конкретного
экземпляра СИ и устанавливается путем экспериментальных
исследований (индивидуальной градуировки) этого экземпляра при
определенных значениях влияющих величин;
• действительную Fд, которая совершенным образом (без
погрешностей) отражает зависимость информативного параметра
выходного сигнала конкретного экземпляра СИ от информативного
параметра его входного сигнала в тех условиях и в тот момент
времени, когда эта зависимость определяется.
Тип средств измерений — это совокупность СИ, основанных
на одном и том же принципе действия, имеющих одинаковую
конструкцию и изготовленных по одной технической документации.
Полная суммарная погрешность СИ, для которых нормируется
номинальная функция преобразования, ∆
=F(Хд)-Fд(Х)
вых
= F(Хд)-Yд .
Она называется погрешностью по выходу СИ, поскольку приведена к
его выходу. Кроме этого используется погрешность по входу (рис. 7)
∆вх = F-1(Yд)-Хд, где Хд — действительное значение информативного
параметра измеряемой (входной) величины; F-1(Yд) — функция,
обратная номинальной функции преобразования СИ, называемая его
градуированной характеристикой.
Некоторые СИ обладают вариацией показаний, под которой
понимается разность показаний прибора в одной и той же точке
диапазона измерений при плавном подходе к ней со стороны меньших
и больших значений измеряемой величины.
Важной характеристикой СИ является его чувствительность
S — свойство, определяемое отношением изменения ∆Y в
ыходного
сигнала Y к вызывающему его изменению ∆Х входного сигнала X.
Различают абсолютную S = ∆Y/∆Х и от
носительную S = ∆Y/(∆Х/Х)
чувствительности.
69
Рисунок 13 - Номинальная и
действительная функции
преобразования
Наименьшее значение изменения физической величины,
начиная с которого может осуществляться ее измерение, называется
порогом чувствительности данного средства измерений.
Существует ряд характеристик и параметров СИ, которые
описывают некоторые их свойства безотносительно к режиму работы.
К таким относятся импедансные характеристики — ха
рактеристики,
описывающие свойства СИ отбирать или отдавать энергию через свои
входные или выходные цепи. Для электрических СИ это прежде всего
входные и выходные сопротивления и емкости.
Воздействие влияющих величин на метрологические
характеристики СИ описывается функцией влияния Ψ(ξ)—
зависимостью изменения характеристик и параметров от изменения
влияющей величины ξ или совокупности влияющих величин ξ1,..., ξn.
Все рассмотренные выше характеристики являются
метрологическими. Кроме них существует большая группа
характеристик, называемых неметрологическими. К ним относятся
показатели надежности, устойчивости к климатическим и
механическим воздействиям, время установления рабочего режима,
напряжение питания, потребляемая мощность и др.
ДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ И ПАРАМЕТРЫ
СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ
В статических режимах выходной сигнал СИ в точности
соответствует входному (при отсутствии статических погрешностей)
и, следовательно, коэффициент преобразования К равен
70
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]