20 Параметры си. Метрологические и неметрологические характеристики си

Средства измерений, независимо от их конкретного исполнения, обладают рядом характеристик, необходимых для выполнения их функционального назначения. Среди всех характеристик СИ можно выделить метрологические и неметрологические характеристики.

Метрологическая характеристика средства измерений - характеристика одного из свойств СИ, влияющая на результат измерений и на его погрешность. Для каждого типа средств измерений устанавливают свои метрологические характеристики. Под типом средств измерений понимается совокупность СИ, имеющих одинаковые назначение, схему, конструкцию, и удовлетворяющих одним и тем же техническим требованиям. Средства измерений одного типа могут иметь различные модификации (например, отличаться по диапазону измерений). Вид средства измерений - совокупность средств измерений, предназначенных для измерений данной физической величины. Вид СИ может включать несколько их типов. Например, амперметры и вольтметры (вообще) являются видами средств измерений, соответственно, силы электрического тока и напряжения.

Метрологические характеристики, устанавливаемые нормативными документами, называют нормируемыми метрологическими характеристиками, а определяемые экспериментально - действительными метрологическими характеристиками.

Основной метрологической характеристикой СИ в статическом режиме является функция (уравнение) преобразования - зависимость информативного параметра выходного сигнала от информативного параметра его входного сигнала.

Функция преобразования, представленная в виде формулы, таблицы или графика, используется в рабочих условиях для определения значений измеряемой СИ величины по известному информативному параметру его входного сигнала. Линейные функции преобразования, проходящие через начало координат, могут задаваться путем определения коэффициента преобразования.

По виду функции преобразования СИ делят на линейные и нелинейные, с положительной и отрицательной характеристиками, а также на средства с релейной (критичной) характеристикой, с гистерезисом и без гистерезиса.

Для использования СИ вид его функции преобразования должен быть однозначно определен. При разработке приборов стремятся к тому, чтобы обеспечить линейную связь между входной и выходной величинами.

В упрощенной форме записи функция преобразования записывается:

Y(t) = KX(t), (49)

где Y(t) – выходная величина; К - коэффициент преобразования; X(t) - входная величина.

Различают три вида функций преобразования F(Х):

- номинальную F(Х), которая указывается в нормативно-технической документации на данный тип СИ (рисунок 11). Она устанавливается для стандартизованных средств измерений массового производства;

- индивидуальную F_И(Х), которая принимается для конкретного экземпляра СИ и устанавливается путем экспериментальных исследований (индивидуальной градуировки) этого экземпляра при определенных значениях влияющих величин;

- действительную F_Д(Х), которая совершенным образом 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 (рисунок 11).

Рисунок 11 – Номинальная и действительная функции преобразования.

Полная суммарная погрешность СИ, для которых нормируется номинальная функция преобразования, определяется _ВЫХ = F(X) - F_Д (Х).

Важной характеристикой СИ является его чувствительность S - свойство, определяемое отношением изменения Y выходного сигнала Y к вызывающему его изменению Х входного сигнала X. Различают абсолютную S = Y / X и относительную S = Y / (X / X) чувствительности.

Чувствительность характеризует степень реагирования СИ на входную величину. У СИ, имеющих линейную функцию преобразования, чувствительность постоянна. Если функция преобразования нелинейна, то чувствительность является функцией входной величины.

Для характеристики нелинейных СИ используются понятие средней чувствительности в диапазоне преобразования:

, (50)

где Y_К, Y_Н , X_К, X_Н - конечный и начальный пределы преобразований выходной и входной величины.

Воздействие влияющих величин на метрологические характеристики СИ описывается функцией влияния - зависимостью изменения характеристик и параметров от изменения влияющей величины или совокупности влияющих величин.

Изменение выходного сигнала измерительных приборов или преобразователей также может быть обусловлено влиянием неинформативного параметра входного сигнала. Поэтому используется понятие чувствительности СИ к неинформативным параметрам. В общем случае полное приращение выходного сигнала с учетом влияющих неинформативных параметров определяется:

, (51)

здесь , ,… чувствительность СИ к соответствующим неинформативным параметрам a, b, ... , m.

Наименьшее значение изменения физической величины, начиная с которого может осуществляться ее измерение, называется порогом чувствительности данного СИ. Если самое незначительное изменение массы, которое вызывает перемещение стрелки весов, составляет 10 мг, то порог чувствительности весов равен 10 мг. На практике при оценке чувствительности применяются также термины: реагирование и порог реагирования, подвижность средства измерений и порог подвижности, срабатывание и порог срабатывания. Иногда применяют термин пороговая чувствительность.

Зона нечувствительности средства измерений - диапазон значений измеряемой величины, в пределах которого ее изменения не вызывают выходного сигнала средства измерений. Иногда эту зону называют мертвой. Она наблюдается вблизи некоторых радионавигационных систем или измерительных установок. Например, зона нечувствительности у судовой радиолокационной установки, зависящая от размеров судна и высоты антенны радиолокационной установки над судовыми надстройками.

СИ обладают вариацией (гистерезисом) 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. В высокочувствительных (особенно и электронных) измерительных приборах вариация приобретает иной смысл и может быть раскрыта как колебание его показания около среднего значения (показание «дышит»).

В качестве МХ широко используется диапазон, точность, погрешности измерений, разрешение, класс точности СИ.

Диапазон измерений средства измерений - область значений величины, в пределах которой нормированы допускаемые пределы погрешности средства измерений. Значения величины, ограничивающие диапазон измерений снизу и сверху (слева и справа), называют соответственно нижним пределом измерений и верхним пределом измерений.

Точность измерений – характеристика качества СИ отражающая близость его погрешности к нулю. Количественное выражение точности - погрешность.

Погрешность средства измерений - разность между показанием СИ и истинным (действительным) значением измеряемой физической величины.

Разрешение средства измерений – характеристика, выражаемая наименьшим интервалом времени между отдельными импульсами или наименьшим расстоянием между объектами, которые фиксируются прибором раздельно.

Для СИ отдельно выделяются точностные характеристики - совокупность метрологических характеристик средства измерений, влияющих на погрешность измерения. К ним кроме погрешностей средства измерений, относят стабильность и нестабильность, порог чувствительности, смещение нуля, дрейф показаний и др.

Стабильность средства измерений - качественная характеристика средства измерений, отражающая неизменность во времени его метрологических характеристик. В качестве количественной оценки стабильности служит нестабильность средства измерений.

Нестабильность средства измерений - изменение метрологических характеристик средства измерений за установленный интервал времени. Для ряда средств измерений, особенно некоторых мер, нестабильность является одной из важнейших точностных характеристик, Для нормальных элементов обычно нестабильность устанавливается за год. Нестабильность определяют на основании длительных исследований средства измерении, при этом полезны периодические сличения с более стабильными средствами измерений.

Смещение нуля - показание средства измерений, отличное от нуля, при входном сигнале, равном нулю. Различают смещение механического нуля, наблюдаемое как отклонение указателя от нуля шкалы приборов с механическими указателями, смещение электрического нуля, наблюдаемое как существование выходного сигнала при нулевом входном сигнале приборов.

Дрейф показаний средства измерений - изменение показаний средства измерений во времени, обусловленное изменением влияющих величин или других факторов.

Когда речь идет о СИ, необходимо также рассмотреть такие понятия как метрологическая неисправность, надежность и отказ СИ.

Метрологическая исправность средства измерений - состояние средства измерений, при котором все нормируемые метрологические характеристики соответствуют установленным требованиям.

Метрологическая надежность средства измерений - надежность средства измерений в части сохранения его метрологической исправности.

Метрологический отказ средства измерений - выход метрологической характеристики средства измерений за установленные пределы. Например, если погрешность средства измерений класса точности 0,01 стала превышать 0,01%, то это значит, что произошел метрологический отказ и средство измерений уже не соответствует установленному ранее классу точности. Если не установлены технические неполадки, то средству измерений может быть, присвоен другой, более низкий класс точности.

Существует ряд характеристик и параметров СИ, которые описывают некоторые их свойства безотносительно к режиму работы. К таким относятся импедансные характеристики - характеристики, 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.

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.