Метрология, стандартизация и сертификация в инфокоммуникациях

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО СВЯЗИ Северо-Кавказский филиал ордена Трудового Красного Знамени федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Московский технический университет связи и информатики Кафедра «Инфокоммуникационные технологии и системы связи» «МЕТРОЛОГИЯ, СТАНДАРТИЗАЦИЯ И СЕРТИФИКАЦИЯ В ИНФОКОММУНИКАЦИЯХ» УЧЕБНОЕ ПОСОБИЕ КУРС ЛЕКЦИЙ г.Ростов-на-Дону 2019 УДК 621.37.(075) ББК 30.10 Е80 Ершов В.В. «Метрология, стандартизация и сертификация в инфокоммуникациях». Учебное пособие. Курс лекций. - Ростов-на-Дону: Северо-Кавказский филиал МТУСИ, 2019. – 220 с. В пособии излагается теоретическая часть дисциплины «Метрология, стандартизация и сертификация в инфокоммуникациях». Оно предназначено для студентов очной и заочной форм обучения направления подготовки 11.03.02 «Инфокоммуникационные технологии и системы связи» с квалификацией выпускника бакалавр. Пособие обеспечивает самостоятельное освоение студентами теоретической части дисциплины. Рассмотрено и одобрено на заседании кафедры 18.03.2019 г. Протокол №8 Рецензенты: Заместитель начальника научно-технического комплекса ФГУП «Ростовский на Дону научно-исследовательский институт радиосвязи» федеральный научно- производственный центр по науке. Доктор технических наук профессор Д.Д. Габриэльян. Доцент кафедры «Автоматика и телемеханика на железнодорожном транспорте» РГУПС кандидат технических наук доцент Просянников Б.Н. Отв. редактор - Ершов В.В. © СКФ МТУСИ. Ершов В.В. 2019 Издательство СКФ МТУСИ Сдано в набор 08.05.19. Изд. № 301. Подписано в печать 20.05.19. Зак. № 315 Печ. листов 13,75. Учетно-изд.л. 11,0. Печать оперативная. Тир. 25 экз. Отпечатано в Полиграфическом центре СКФ МТУСИ. Серафимовича, 62. 3 Предисловие Современный мир характеризуется бурным развитием науки и техники в самых различных направлениях. Можно с уверенностью утверждать, что основой этого развития во всех сферах научной и практической деятельности человека являются измерения, как процесс получения информации о параметрах объектов окружающего мира и сложных технологических процессах материального производства. Это связано с тем, что практически нет ни одной сферы человеческой деятельности, где бы интенсивно не использовались результаты измерений, испытаний и контроля параметров технологических процессов и эксплуатируемого оборудования. Именно на основании объективных и достоверных результатов измерений обеспечивается возможность принятия важных решений на всех уровнях управления в материальной и социальной областях. В полной мере это относится и к современным устройствам и системам телекоммуникаций. Они в настоящее время прочно вошли во все сферы человеческой деятельности и позволяют успешно решать сложные и масштабные задачи на разных направлениях развития экономики страны. Бесперебойное функционирование систем телекоммуникаций возможно на базе измерений и непрерывного контроля параметров работы систем связи. Основу таких проверок составляют операции по сбору, контролю, анализу сигналов измерительной информации и формированию на основе соответствующих стратегий грамотной эксплуатации систем телекоммуникаций на всем их жизненном цикле. В профессиональной деятельности специалиста по системам телекоммуникаций работа с электроизмерительными приборами занимает важное место. Это требует от него теоретические знание и практические навыки в работе с современными электроизмерительными приборами, обоснования выбора соответствующего метода измерений, умения снятия отсчетных показаний и обработки результатов измерений. Учебное пособие подготовлено в соответствии с учебной программой дисциплины «Метрология, стандартизация и сертификация в инфокоммуникациях» для студентов очной и заочной форм обучения направления подготовки 11.03.02 «Инфокоммуникационные технологии и системы связи» профилей «Сети связи и системы коммутации», «Многоканальные телекоммуникационные системы», «Защищенные системы и сети связи» и «Системы радиосвязи и радиодоступа» с квалификацией выпускника бакалавр. 4 ЛЕКЦИЯ №1 Тема лекции: Метрология и метрологическое обеспечение отрасли «Связь». Виды, принципы и методы измерений Вопросы лекции: 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. Предмет дисциплины. Историческая справка о развитии метрологии Метрология, основные понятия и определения Метрологическое обеспечение, сущность и решаемые задачи Законодательная и нормативная база метрологического обеспечения отрасли «Связь» Виды измерений Принципы и методы измерений Понятие о единстве измерений и единообразии средств измерений Поверка средств измерений Сигналы измерительной информации ВОПРОС 1 Предмет дисциплины. Историческая справка о развитии метрологии Научной основой метрологического обеспечения измерений является дисциплина метрология. Это название происходит от греческих слов metron, что в переводе означает - мера, измерение и logos - учение, наука. Таким образом, это название можно трактовать, как учение о мерах или наука об измерениях. Современная трактовка понятия метрология приводится в [1], «метрология - наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности». Метрология как область практической деятельности по выполнению измерений возникла в древние времена. Основой системы мер в древней Руси служили древнеегипетские единицы измерений, а они в свою очередь были заимствованы из Древней Греции и Рима. Наименования единиц и их размеры соответствовали возможности осуществления измерений "подручными" способами, не прибегая к специальным устройствам. 5 Так, на Руси основными единицами длины были п я д ь и л о к о т ь , причем пядь служила основной древнерусской мерой длины и означала расстояние между концами большого и указательного пальца взрослого человека. Позднее, когда появилась другая единица - аршин - пядь (1/4 аршина) постепенно вышла из употребления. Мера "локоть" пришла из Вавилона и означала расстояние от сгиба локтя до конца среднего пальца руки (иногда - сжатого кулака или большого пальца). С XVIII в. в России стали применяться дюйм, заимствованный из Англии (в переводе с голландского «большой палец»), а также английский фут. Особой русской мерой была сажень, равная трем локтям (около 152 см), и косая сажень (около 248 см). В качестве естественных мер до нас дошли: единица веса драгоценных камней «карат» (0,2 г), в переводе означает семя боба; единица аптекарского веса «гран» (русский - 62,2 мг, английский - 64,8 мг), в переводе означает «зерно». Древнее происхождение имеют и естественные меры времени. Например, на основе астрономических наблюдений древние вавилоняне установили год, месяц, час. Впоследствии 1/86400 часть среднего периода обращения Земли вокруг своей оси получила название секунды. В 1736 г. создается Комиссия весов и мер под руководством директора Монетного двора графа М.Г Головкина. 26 марта 1791 г. Учредительное собрание Франции утвердило предложения Парижской Академии наук о принятии метрической системы мер. В 1842 г. на территории Петропавловской крепости было открыто первое централизованное метрологическое учреждение России - Депо образцовых мер и весов. В нем хранились эталоны, их копии, а также образцы различных иностранных мер. Там же изготовлялись образцовые меры для местных органов, проводилась поверка и сличение образцовых мер с иностранными. Эта деятельность регламентировалась «Положением о мерах и весах» (1842 г.). Данное «Положение» послужило основой государственного подхода к обеспечению единства измерений. Потребность в унификации единиц и желание сделать их независимыми от 6 случайности и от времени привели к разработке метрической системы мер, которая строилась на основе естественной единицы - метра, равной одной сорокамиллионной части земного меридиана, проходящего через Париж. За единицу площади принимался квадратный метр, за единицу объема - кубический метр, за единицу массы - килограмм (масса кубического дециметра чистой воды при температуре +4°С). В Париже 20 мая 1875 г. 17 государств подписали Метрическую конвенцию и было создано Международное бюро мер и весов (МБМВ) с местопребыванием в Севре, близ Парижа. В соответствии с этой конвенцией Россия получила платино-иридиевые эталоны единицы массы № 12 и № 26 и эталоны единицы длины № 11 и № 28, которые хранились в Депо образцовых мер и весов. В настоящее время МБМВ включает представителей более 100 стран и координирует работы по воспроизведению и хранению единиц длины, массы, электрического сопротивления, а с 1986 г. - единиц времени. Особо следует остановиться на деятельности Д. И. Менделеева, сделавшего так много для отечественной метрологии. Период с 1892 г. по 1917 г. называют менделеевским этапом развития метрологии. В 1893 г. для сохранения в государстве единообразия, достоверности и взаимного соответствия мер и весов утверждается на базе Депо образцовых мер и весов Главная палата мер и весов, управляющим которой до последних дней жизни был Д. И. Менделеев. Она стала одним из первых в мире научно-исследовательских учреждений метрологического профиля. С этой же целью в ряде стран были созданы научно-исследовательские институты метрологического характера: физико-технический институт в Германии (1887 г.); Национальная физическая лаборатория в Англии (1899 г.); Национальное бюро эталонов в США (1901 г.). Под руководством Д. И. Менделеева была проведена работа по созданию русской системы эталонов, сличения их с английскими метрическими мерами, создавалась государственная метрологическая служба, реализована обширная научно-исследовательская программа в области метрологии. Однако до 1918 г. метрическая система в России не была обязательной и применялась наряду со старой русской и английской (дюймовой) системами. 7 Серьезные изменения в метрологической деятельности стали возможны с подписанием 14 сентября 1918 г. Советом Народных Комиссаров РСФСР декрета «О введении международной метрической системы мер и весов». Начался переход к государственной метрологической деятельности. Особенное внимание уделялось переходу к метрической системе мер. В 1925 г. принято постановление СНК СССР «О признании заключенной в Париже 20 мая 1875 г. Международной метрической конвенции для обеспечения международного единства и усовершенствования метрической системы, имеющей силу для СССР». В это же время создается нормативно-правовая основа метрологической деятельности - стандартизация. Для организации работ по обеспечению единства измерений в стране была создана Государственная метрологическая служба, входившая в Государственный комитет СССР по управлению качеством продукции и стандартам (Госстандарт СССР) и насчитывавшая в своем составе 15 научно-исследовательских институтов и 250 территориальных органов. Научно-исследовательские институты ведут работу по усовершенствованию систем единиц, по разработке, хранению и исследованию эталонов, по созданию новых методов поверки и поверочной аппаратуры, определению физических констант, по теоретической метрологии и т.д. Проводится также широкая международная деятельность в рамках Международной организации законодательной метрологии (МОЗМ), которая тесно сотрудничает с Международной организацией по стандартизации (ИСО). Так, в 1983 г. было принято новое определение метра: это длина пути, проходимого светом в вакууме за 1/299792458 долю секунды. Это стало возможным после того, как скорость света в вакууме (299792458 м/с) метрологи приняли в качестве физической константы. Интересно отметить, что теперь с точки зрения метрологических правил метр зависит от секунды - единицы, размер которой определяется с наивысшей точностью. 8 На современном этапе технического развития общества из «Метрологии» выделилась «Квалиметрия» (от английского quality - качество и греческого metron - измерять) - наука, занимающаяся измерением параметров качества продукции, процессов, услуг. Постоянная деятельность по совершенствованию эталонов и созданию новых, основанных на высокостабильных квантовых явлениях, привело к появлению новой науки «Квантовой метрологии». ВОПРОС 2 Метрология, основные понятия и определения Выдающийся русский ученый Б.С. Якоби писал: "Искусство измерений является могущественным оружием, созданным человеческим разумом для проникновения в законы природы и подчинения ее сил нашему господству". Согласно [1] измерения - это нахождение значения физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств. Физической величиной называют "свойство, общее в качественном отношении многим физическим объектам (физическим системам, их состояниям и происходящим в них процессам), но в количественном отношении индивидуальное для каждого объекта [1]. Из этого определения следует, что физическая величина является свойством некоторого объекта и это свойство имеет качественную и количественную сторону. Пример. Два резистора разных номиналов. Общее свойство - наличие сопротивления. Индивидуальное - по значениям сопротивлений: 10 и 20 Ом. Значение физической величины - это оценка физической величины в виде некоторого числа принятых для нее единиц [1]. Истинное значение физической величины - значение физической величины, которое идеальным образом отражало бы в качественном и количественном отношениях соответствующее свойство объекта [1]. В строгом смысле "истинное значение" физической величины определить невозможно. Совершенствуя методы измерения и аппаратуру, можно 9 лишь приближаться к "истинному значению", которое, вообще говоря, является физической абстракцией. На практике вместо истинного пользуются действительным значением. Действительное значение физической величины - значение физической величины, найденное экспериментальным путем и настолько приближающееся к истинному значению, что для данной измерительной задачи может быть использовано вместо него [1]. Погрешности измерений - отклонение результата измерений от истинного значения измеряемой величины [1]. Погрешности определяются на основе методов математической статистики и теории вероятности. Единица физической величины - физическая величина, которой по определению присвоено числовое значение, равное единице [1]. Oсновная единица физической величины - единица основной физической величины, выбранная произвольно при построении системы единиц [1]. Рассматривая вопрос о единицах физических величин, следует отметить, что в процессе жизнедеятельности человека возникали и находили применение различные системы единиц. В настоящее время действует практическая международная система единиц (международное сокращенное наименование SI, а в русской транскрипции СИ). Решение о создании практической международной системы единиц было принято в 1948 г. на IX Генеральной конференции по мерам и весам (ГКМВ). В 1960 г. проект Международной системы единиц, основанной на шести основных единицах, был утвержден. В 1971 г. К единицам СИ была добавлена седьмая основная единица – количество вещества - моль [5]. Основными единицами Международной системы являются [2]: − метр - длина пути, проходимая светом в вакууме за интервал времени 1/299792458 доли секунды; − килограмм - единица массы, равная массе международного прототипа килограмма; − секунда - время, равное 9192631770 периодам излучения, соответствующим переходу между двумя сверхтонкими уровнями основного состояния атома Цезия-133; 10 − ампер - сила неизменяющегося тока, который при прохождении по двум параллельным прямолинейным проводникам бесконечной длины и ничтожно малой площади кругового поперечного сечения, расположенным в вакууме на расстоянии 1 м один от другого, вызывал бы на каждом участке проводника длиной 1 м силу взаимодействия, равную 2·10−7 Н; − кельвин - единица термодинамической температуры, равная 1/273,16 части термодинамической температуры тройной точки воды; − кандела - сила света в заданном направлении источника, испускающего монохроматическое излучение частотой 540·1012 Гц, энергетическая сила света которого в этом направлении составляет 1/683 Вт/ср (срстерадиан); − моль - количество вещества системы, содержащей столько же структурных элементов, сколько содержится атомов в углероде -12 массой 0,012 кг. Производная единица физической величины - единица производной физической величины, образованная по определяющему эту единицу уравнению из других единиц данной системы единиц [1]. Производные единицы СИ образуются из основных и ранее образованных производных единиц СИ при помощи уравнений связи между физическими величинами, в которых числовые коэффициенты равны единице. Для этого величины в правой и левой частях уравнения связи принимают равными единицам СИ. Например, для производной единицы скорости, определяемой из уравнения v = L/T записывают уравнение единиц [v] = [L] /[Т], а вместо символов L и Т подставляют их единицы (1 м и 1 с) и получают [V]=1 м/1 с = 1 м/с. Это означает, что единицей скорости СИ является метр в секунду. Производным единицам могут присваиваться наименования в честь известных ученых. Так, уравнение связи между величинами для определения единицы давления p = F/S. Уравнение связи между единицами давления, силы и площади [р]= [F]/[S]. Подставив вместо F и S единицы этих величин в СИ (1 Н и 1 м2), получим [р]=1 Н/ 1 м2 = 1 Н/м2. Этой 11 единице присвоено наименование - Паскаль (Па) по имени французского математика и физика Блеза Паскаля. Система единиц физических величин - совокупность основных и производных единиц, относящаяся к некоторой системе величин и образованная в соответствии с принятыми принципами [1]. Системная единица физической величины – основная или производная единица системы единиц [1]. Внесистемная единица физической величины – единица, не входящая ни в одну из систем единиц [1]. Кратная единица физической величины - единица, в целое число раз большая системной или внесистемной единицы [1]. Дольная единица физической величины - единица, в целое число раз меньшая системной или внесистемной единицы [1]. ВОПРОС 3 Метрологическое обеспечение, сущность и решаемые задачи Под метрологическим обеспечением (МО) понимается установление и применение научных и организационных основ, технических средств, правил и норм, необходимых для достижения единства и требуемой точности измерении. Основной тенденцией в развитии МО является переход от существовавшей ранее сравнительно узкой задачи обеспечения единства и требуемой точности измерений к принципиально новой задаче обеспечения качества измерений. Качество измерений – понятие более широкое, чем точность измерений. Оно характеризует совокупность свойств СИ, обеспечивающих получение в установленный срок результатов измерений с требуемыми точностью (размером допускаемых погрешностей), достоверностью, правильностью, сходимостью и воспроизводимостью. Понятие "метрологическое обеспечение" применяется, как правило, по отношению к измерениям (испытанию, контролю) в целом. В то же время допускают использование термина "метрологическое обеспечение технологического процесса (производства, организации)", подразумевая при этом МО измерений (испытаний или контроля) в данном процессе, производстве, организации. 12 Объектом МО являются все стадии жизненного цикла (ЖЦ) изделия (продукции) или услуги. Под ЖЦ понимается совокупность последовательных взаимосвязанных процессов создания и изменения состояния продукции от формулирования исходных требований к ней до окончания эксплуатации или потребления. Так, на стадии разработки продукции для достижения высокого качества изделия производится выбор контролируемых параметров, норм точности, допусков, средств измерения, контроля и испытания. Так же осуществляется метрологическая экспертиза конструкторской и технологической документации. При разработке МО необходимо использовать системный подход, суть которого состоит в рассмотрении указанного обеспечения как совокупности взаимосвязанных процессов, объединенных одной целью – достижением требуемого качества измерений. Перечислим некоторые из этих процессов: − установление рациональной номенклатуры измеряемых параметров и оптимальных норм точности измерений при контроле качества продукции и управлении процессами; − поверка, метрологическая аттестация и калибровка контрольно измерительного и испытательного оборудования (КИО), применяемого на предприятии; − внедрение международных, государственных и отраслевых стандартов, а также иных нормативных документов Госстандарта; − проведение метрологической экспертизы проектов нормативной, конструкторской и технологической документации; − проведение анализа состояния измерений, разработка на его основе и осуществление мероприятий по совершенствованию МО; Метрологическое обеспечение имеет четыре основы: научную, организационную, нормативную и техническую. Их содержание показано на рисунке 1.1. 13 Метрологическое обеспечение Научные основы Нормативные основы Технические основы Организационные основы Государственная метрологическая служба Ведомственная метрологическая служба Метрология Государственная система обеспечения единства измерений (ГСИ) Системы - государственных эталонов единиц ФВ - передача размеров единиц от эталонов к рабочим СИ - разработки, постановки на производство и выпуска рабочих СИ - государственных испытаний СИ - государственной поверки и калибровки СИ - стандартных образцов состава и свойств вещества и материалов - стандартных справочных данных о физических константах и свойствах вещества и материалов Рисунок 1.1 - Основы метрологического обеспечения Разработка и проведение мероприятий МО возложено на метрологические службы (МС). Метрологическая служба – служба, создаваемая в единства измерений и осуществления метрологического контроля и надзора. ВОПРОС 4 Законодательная и нормативная база метрологического обеспечения отрасли «Связь» Значимость и ответственность измерений и измерительной информации обусловливают необходимость установления в законодательном порядке комплекса правовых и нормативных актов и положений. Схематически это показано на рисунке. 1.2. Вся метрологическая деятельность в Российской Федерации основывается на конституционной норме (ст. 71), которая устанавливает, что в федеральном ведении находятся стандарты, эталоны, метрическая система и исчисление времени, и закрепляет централизованное руководство основными вопросами законодательной метрологии, такими, как единицы ФВ, эталоны и связанные с ними другие метрологические основы. 14 Конституционная норма по вопросам метрологии Законы РФ Об обеспечении единства измерений ” и “О стандартизации” Постановления правительства РФ по отдельным вопросам (направлениям) метрологической деятельности Нормативные документы Госстандарта России: ГОСТ, РД, МИ, ПР, ПМГ Рекомендации государственных научных метрологических центров Госстандарта России: Рисунок 1.2 - Нормативная база обеспечения единства измерений В развитие этой конституционной нормы приняты законы "Об обеспечении единства измерений" и "О стандартизации", детализирующие основы метрологической деятельности. Закон "О стандартизации" устанавливает правовые основы стандартизации в РФ, в том числе функционирования национальной системы стандартизации, и направлен на обеспечение проведения единой государственной политики в сфере стандартизации. Основными целями Закона "Об обеспечении единства измерений", принятого в 2008 г., являются: 1) установление правовых основ обеспечения единства измерений в Российской Федерации; 2) защита прав и законных интересов граждан, общества и государства от отрицательных последствий недостоверных результатов измерений; 3) обеспечение потребности граждан, общества и государства в получении объективных, достоверных и сопоставимых результатов измерений, используемых в целях защиты жизни и здоровья граждан, охраны окружающей среды, животного и растительного мира, обеспечения обороны и безопасности государства, в том числе экономической безопасности; 4) содействие развитию экономики Российской Федерации и научнотехническому прогрессу. Закон закрепляет ряд основных понятий метрологии. Одним из главных является единство измерений – состояние измерений, при кото- 15 ром их результаты выражены в узаконенных единицах величин и погрешности измерений не выходят за установленные границы с заданной вероятностью. Кроме этого, в Законе даны определения таких понятий, как средство измерений, эталон единицы величины, метрологическая служба, метрологический контроль и надзор, поверка и калибровка средства измерений, сертификат об утверждении типа средств измерений, аккредитация на право поверки средств измерений, лицензия на изготовление (ремонт, продажу, прокат) средств измерений, сертификат о калибровке. Приведенные определения соответствуют официальной терминологии Международной организации законодательной метрологии (МОЗМ). Закон устанавливает, что государственное управление деятельностью по обеспечению единства измерений в РФ осуществляет Комитет Российской Федерации по стандартизации, метрологии и сертификации (Госстандарт России), и определяет его цели, задачи, компетенцию, ответственность и полномочия. Закон определяет, что в Российской Федерации допускаются к применению единицы ФВ Международной системы единиц, принятой Генеральной конференцией по мерам и весам, рекомендованные МОЗМ. Государственные эталоны единиц величин используются в качестве исходных для передачи их размеров всем средствам измерений данных величин на территории России. Закон требует, чтобы средства измерений соответствовали условиям эксплуатации и установленным требованиям, разрабатываемым на основе рекомендаций Госстандарта. Решения об отнесении технического устройства к средствам измерений и установлении интервалов между поверками принимает Госстандарт России. Закон определяет Государственную метрологическую службу и иные государственные службы обеспечения единства измерений, метрологические службы государственных органов управления РФ и юридических лиц, их задачи и полномочия. Кроме того, он задает виды, полномочия, зоны ответственности и порядок осуществления государственного метрологического контроля и надзора, осуществляемого 16 Государственной метрологической службой Госстандарта России. В областях, где надзор и контроль не применяются, используются правила и положения, введенные положением Российской системы калибровки. Закон "Об обеспечении единства измерений" укрепляет правовую основу для международного сотрудничества в области метрологии. Положения настоящего Закона были расширены Государственной системой обеспечения единства измерений (ГСИ), представляющей собой комплекс нормативных документов межрегионального и межотраслевого уровней, устанавливающих правила, нормы, требования, направленные на достижение и поддержание единства измерений в стране (при требуемой точности), утверждаемых Госстандартом страны. Основными объектами ГСИ являются: − единицы ФВ; − методы и средства поверки средств измерений СИ; − номенклатура и способы нормирования метрологических характеристик (MX) СИ; − нормы точности измерений; − способы выражения и формы представления результатов и показателей точности измерений; − методики выполнения измерений; − методики оценки достоверности и формы представления данных о свойствах веществ и материалов; − требования к стандартным образцам свойств веществ и материалов; − термины и определения в области метрологии; − организация и порядок проведения государственных испытаний СИ, поверки и метрологической аттестации СИ и испытательного оборудования; калибровки СИ, метрологической экспертизы нормативнотехнической, проектной, конструкторской и технологической документации, а также экспертизы и данных о свойствах материалов и веществ. 17 ВОПРОС 5 Виды измерений Все измерения классифицируются по следующим [2,3,4,5]: 1. По способу получения результата: - прямые; - косвенные; - совокупные; - динамические. 2. По числу наблюдений (измерений): - однократные; - многократные. 3. По точности оценки погрешности: - технические; - лабораторные: а) с точным оцениванием погрешности; б) с приближенным оцениванием погрешности. 4. По условиям измерений: - равноточные; - неравноточные. 5. По характеру результата измерений: - абсолютные; - допусковые (пороговые); - относительные. 6. По степени достаточности измерений: - необходимые; - избыточные. 7. По связи с объектом: - бесконтактные; - контактные. 8. По методу: - непосредственной оценки; - сравнения с мерой; - противопоставления; признакам 18 - дифференциальный; - нулевой; - замещения (совпадений). Прямым называется измерение, когда искомое значение физической величины находят непосредственно из опытных данных [1]. Косвенные - измерения, при которых искомое значение величины находят на основании известной зависимости между этой величиной и величинами, подвергаемыми прямым измерениям [1]. Пример 1. Определение значения сопротивления резистора R= U/I - по измеренным значениям напряжения U и тока I. Совокупные - производимые одновременно измерения нескольких одноименных величин, при которых искомые значения величин находят решением системы уравнений, получаемых при прямых измерениях различных сочетаний этих величин [1]. Пример 2. Найти сопротивления резисторов R 1 , R 2 , R 3 , соединенных "звездой", если доступны для измерений лишь выводы звезды, а точка соединения "0" недоступна (рисунок 2.1). Измеряя сопротивления между выводами "звезды", получим систему уравнений: R1 R2 R3 1 2 3 Рисунок 1.3 - Иллюстрация совокупных измерений R 12 = R 1 + R 2 ; R 13 = R 1 + R 3 ; R 23 = R 2 + R 3 . (1.1) Решив систему (1.1) из 3-х уравнений с 3 неизвестными, найдем R 1 , R 2 , R3. 19 Совместные измерения - производимые одновременно измерения двух или нескольких неодноименных величин для нахождения зависимости между ними [1]. Пример 3. В зависимости сопротивления резистора от температуры R = R 0 (l+αt + βt2) неизвестны величины R 0 , α, β . Их значения требуется определить. Для нахождения трех неизвестных выполняют измерения сопротивления при трех различных температурах –t 1 , t 2 , t 3 записывают систему уравнений: R t1 = R 0 (l+αt 1 + βt 1 2) R t2 = R 0 (l+αt 2 + βt 2 2) (1.2) R t3 = R 0 (l+αt 3 + βt 3 2) Решая (1.2) относительно неизвестных R 0 , α, β , находим искомые величины. Приведенные виды измерений включают различные методы т. е. способы решения измерительной задачи с теоретическим обоснованием и разработкой использования СИ по принятой методике выполнения измерений (МВИ). Методика – это технология выполнения измерений с целью наилучшей реализации метода. Прямые измерения – основа более сложных измерений, и поэтому целесообразно рассмотреть методы прямых измерений [3]. В соответствии с [1] различают: 1. Метод непосредственной оценки - метод измерений, в котором значение величины определяют непосредственно по отсчетному устройству измерительного прибора прямого действия, например, измерение давления пружинным манометром. 2. Метод сравнения с мерой оценки - метод измерений, в котором измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой. Например, измерение массы на рычажных весах с уравновешиванием гирей. 3. Метод дополнения, если значение измеряемой величины дополняется мерой этой же величины с таким расчетом, чтобы на прибор сравнения воздействовала их сумма, равная заранее заданному значению. 4. Дифференциальный метод – метод сравнения с мерой, в котором на измерительный прибор воздействует разность измеряемой величиной и известной величины, воспроизводимой мерой. 20 Пример 4. Измерить длину х стержня, если известна длина l(l < х) меры. Как показано на рисунке 1.4, х = l+ а (а – измеряемая величина) [3]. Действительные значения а Д будут отличаться от измеренного а на величину погрешности Δ: ад = а ± Δ = а ﴾1± Δ ﴿ а Тогда x = ℓ+a ± Δ = (ℓ + a)∙(1 ± Поскольку ℓ >> a, то Δ ). l+a Δ << Δ l+a a Пусть Δ = 0,1 мм; ℓ = 1000 мм; а - 10 мм. Тогда 0 ,1 01 = 0 ,01( 1%). = 0 ,0001( 0.01%) << 10 1010 x ℓ a Рисунок 1.4 - Дифференциальный метод измерения 5. Нулевой метод – метод сравнения с мерой, в котором результирующий эффект воздействия величин на прибор сравнения доводят до нуля. Преимущество метода в том, что мера может быть во много раз меньше измеряемой величины. Совпадение сравниваемых величин регистрируется нуль-индикатором (И). Например, неравноплечие весы (рисунок 1.5,а), где P 1 l 1 = Р 2 ·l 2 . В электротехнике – это мосты для измерения индуктивности, емкости, сопротивления (рисунок 1.5,б). Здесь r 1 r 2 = r X r 3 , откуда r X = r 1 r 2 / r3 Рисунок 1.5 - Нулевой метод измерения: а) - схема механических весов; б) — схема электрического моста 21 6. Метод замещения – метод сравнения с мерой, в котором измеряемую величину замещают известной величиной, воспроизводимой мерой. Например, взвешивание с поочередным помещением измеряемой массы и гирь на одну и ту же чашку весов. ВОПРОС 6 Принципы и методы измерений Принцип измерений - совокупность физических явлений, на которых основаны измерения [l]. Существует множество принципов измерений, что отражает многообразие уже познанных законов природы, которые положены в основу работы средств измерений. Примерами принципов измерений являются: измерение температуры с использованием термоэлектрического эффекта; измерение тока с использованием явления взаимодействия рамки из проводящего материала, по которой протекает измеряемый ток, с полем постоянного магнита; измерение давления с использованием пьезоэффекта. Метод измерений есть "совокупность приемов использования принципов и средств измерений" [1]. Основным признаком, по которому классифицируют методы измерений, является характер применения меры в процессе измерений. По этому признаку различают два метода измерений: -метод непосредственной оценки; -метод сравнения с мерой. Примерами метода непосредственной оценки могут быть измерение напряжения электромеханическим стрелочным вольтметром, измерение тока амперметром и т.п. Из приведенного определения следует, что в методе непосредственной оценки используются приборы, заранее проградуированные по мере. В методе сравнения с мерой могут применяться однозначная или многозначная (регулируемая) меры, воспроизводящие физическую величину того же рода, что и измеряемая. Примеры метода сравнения с мерой: измерение массы на весах с использованием гирь, измерение частоты методом фигур Лиссажу с использованием образцового измерительного генератора, измерение сопротивления резистора при помощи четырехпле- 22 чего моста, в одном из плеч которого включен исследуемый резистор, а в других плечах - образцовые резисторы. Вопрос 7 Понятие о единстве измерений и единообразии средств измерений К числу фундаментальных понятий, относящихся к метрологической службе, относятся понятия о единстве измерений и единообразии средств измерений. Единство измерений есть "состояние измерений, при котором их результаты выражены в узаконенных единицах и погрешности измерений известны с заданной вероятностью". Единообразие средств измерений есть "состояние средств измерений, характеризующееся тем, что они проградуированы в узаконенных единицах и их метрологические свойства соответствуют нормам". Средство измерений – техническое средство, используемое при измерениях и имеющее нормированные метрологические характеристики [1]. Как следует из этих двух определений, понятие о единстве измерений является более общим, поскольку касается в полной мере всего процесса измерений. Более того, это понятие касается как каждого отдельного измерения данной физической величины, так и всех измерений этой физической величины в масштабах учреждения, предприятия, отрасли промышленности. Понятие с единообразии средств изменений касается только материальной базы измерений - средств измерений. Оно распространяется как на каждое отдельное средство измерений, так и на все средства измерений, находящиеся в эксплуатации. Из этого следует, что обеспечение единообразия средств измерений является необходимым условием для достижения единства измерений. Вопрос 8 Поверка средств измерений Задача обеспечения единства измерений и единообразия средств измерений решается Государственной метрологической службой, представ- 23 ляющей собой сеть государственных и ведомственных метрологических органов. Органами Государственной метрологической службы осуществляется надзор за средствами измерений. Одной из задач надзора является периодическая поверка средств измерений. Поверка – операция заключающаяся в установлении пригодности средства измерения к применению на основании экспериментально определяемых метрологических характеристик и контроля их соответствия предъявляемым требованиям [1]. Для осуществления поверки конкретного средства измерений необходимо иметь другое средство измерений, имеющее заведомо меньшую погрешность, чем поверяемое. Руководящим документом для выбора средств измерений при поверках являются поверочные схемы. Поверочная схема - утвержденный в установленном порядке документ, устанавливающий средства, методы и точность передачи размеров единицы от эталона или исходного образцового средства измерений рабочим средствам измерений [I]. Поверочная схема имеет иерархическую структуру, на вершине которой находится эталон единицы физической величины. По своему положению в поверочной схеме вcе средства измерения каждой физической величины подразделяют на следующие виды: - эталоны; - образцовые средства измерений; - рабочие средства измерений. Для каждой физической величины существует своя поверочная схема. На рисунке 1.6 приведена обобщенная поверочная схема, из которой видна соподчиненность указанных средств измерений. Первичный эталон – эталон, обеспечивающий воспроизведение единицы с наивысшей в стране (по сравнению с другими эталонами той же единицы) точностью" [l]. Рабочий эталон – эталон, применяемый для передачи размера единицы образцовым средствам измерения высшей точности, и в отдельных случаях - наиболее точным рабочим средствам измерений" [1]. 24 Первичный Рабочие Наивысшей точности 1-го разряда Высшей точности 2-го разряда Высокой точности 3-го разряда Средней точности 4-го разряда Низшей точности Рабочие средства измерений Образцовые средства измерений Эталоны Образцовое средство измерений - мера, измерительный прибор или измерительный преобразователь, служащие для поверки по ним других средств измерений и утвержденные в качестве образцовых [1]. Образцовые средства подразделяются на р а з р я д ы (1-й, 2-й и т.д.) в зависимости от ступени, которую они занимают в поверочной схеме. По образцовым средствам поверяются рабочие средства. Рисунок 1.6 - Обобщенная поверочная схема средств измерений Рабочее средство измерений - средство измерений, применяемое для измерений, не связанных с передачей размера единиц [1]. Именно к рабочим средствам измерений относятся все измерительные приборы широкого применения. Образцовые же средства сосредоточены в поверочных органах. Итак, при реализации поверочной схемы размер единицы физической величины передается от первичного эталона через рабочие эталоны и образцовые средства измерений к рабочим средствам измерений. Вопрос 9 Сигналы измерительной информации Сигналом называется материальный носитель информации, представляющий собой некоторый физический процесс, один из параметров которого функционально связан с измеряемой физической величиной. Такой параметр называют информативным. 25 Измерительный сигнал – это сигнал, содержащий количественную информацию об измеряемой физической величине Измерительные сигналы чрезвычайно разнообразны. Их классификация по различным признакам приведена на рисунке 1.7 Измерительные сигналы Дискретные Аналоговые Цифровые Постоянные во времени Переменные во времени Непрерывные Импульсные Неслучайные: детерминированные и квазидетерминированные Элементарные Периодические Сложные Непериодические Случайные Стационрные Нестационарные Эргодические Неэргодические Гармонические Почти периодические Полигармонические Переходные Рисунок 1.7 - Классификация измерительных сигналов По характеру измерения информативного и временного параметров измерительные сигналы делятся на аналоговые, дискретные и цифровые. Аналоговый сигнал – это сигнал, описываемый непрерывной, или кусочно-непрерывной функцией Y а (t), причем как сама эта функция, так и ее аргумент t могут принимать любые значения на заданных интервалах Y∈(Y min ; Y max ) и t∈ (t min ; t max ) (рисунок 1.8,а). Дискретный сигнал – это сигнал, изменяющийся дискретно во времени или по уровню. В первом случае он может принимать в дискретные моменты времени nТ, где Т = const – интервал (период) дискретизации, n = 0; 1; 2;... – целое, любые значения Y Д (nT) ∈ (Y min ; Y max ), называемые выборками, или отсчетами. Такие сигналы (рисунок 1.8,б) описываются решетчатыми функциями. Во втором случае значения сигнала Y Д (t) суще- 26 Ya(t) Yц(t) Yд(t) hn Ymax Ymin t t tmin tmax а) T 2T nT б) h2 h1 t T 2T nT в) Рисунок 1.8 - Аналоговый (а), дискретный (по времени) (б) и цифровой (в) измерительные сигналы ствуют в любой момент времени t∈(t min ; t max ), однако они могут принимать ограниченный ряд значений h i = nq, кратных кванту q. Цифровые сигналы – квантованные по уровню и дискретные по времени сигналы Y Ц (nT), которые описываются квантованными решетчатыми функциями (квантованными последовательностями), принимающими в дискретные моменты времени nТ лишь конечный ряд дискретных значений – уровней квантования h 1 , h 2 , ..., h n (рисунок 1.8,в). По характеру изменения во времени сигналы делятся на постоянные, значения которых с течением времени не изменяются, и переменные, значения которых меняются во времени. Постоянные сигналы являются наиболее простым видом измерительных сигналов. Переменные сигналы могут быть непрерывными во времени и импульсными. Непрерывным называется сигнал, параметры которого изменяются непрерывно. Импульсный сигнал – это сигнал конечной энергии, существенно отличный от нуля в течение ограниченного интервала времени, соизмеримого с временем завершения переходного процесса в системе, для воздействия на которую этот сигнал предназначен. По степени наличия априорной информации переменные измерительные сигналы делятся на детерминированные, квазидетерминированные и случайные. Детерминированный сигнал – это сигнал, закон изменения которого известен, а модель не содержит неизвестных параметров. Мгновенные значения детерминированного сигнала известны в любой момент времени. Детерминированными (с известной степенью точности) являются сигналы на выходе мер. Например, выходной сигнал генератора низко- 27 частотного синусоидального сигнала характеризуется значениями амплитуды и частоты, которые установлены на его органах управления. Погрешности установки этих параметров определяются метрологическими характеристиками генератора. Квазидетерминированные сигналы – это сигналы с частично известным характером изменения во времени, т.е. с одним или несколькими неизвестными параметрами. Они наиболее интересны с точки зрения метрологии. Подавляющее большинство измерительных сигналов являются квазидетерминированными. Детерминированные и квазидетерминированные сигналы делятся на элементарные, описываемые простейшими математическими формулами, и сложные. К элементарным относятся постоянный и гармонический сигналы, а также сигналы, описываемые единичной и дельта-функцией. К сложным сигналам относятся импульсные и модулированные сигналы. Сигналы могут быть периодическими и непериодическими. Непериодические сигналы делятся на почти периодические и переходные. Почти периодическим называется сигнал, значения которого приближенно повторяются при добавлении к временному аргументу надлежащим образом выбранного числа – почти периода. Периодический сигнал является частным случаем таких сигналов. Почти периодические функции получаются в результате сложения периодических функций с несоизмеримыми периодами, например, Y(t) = sin(ωt) + sin( 2ωt ). Переходные сигналы описывают переходные процессы в физических системах. Периодическим называется сигнал, мгновенные значения которого повторяются через постоянный интервал времени. Период Т сигнала – параметр, равный наименьшему такому интервалу времени. Частота f периодического сигнала – величина, обратная периоду. Периодический сигнал характеризуется спектром. Различают три вида спектра: - комплексный – комплексная функция дискретного аргумента, кратного целому числу значений частоты ω периодического сигнала Y(t), представляющая собой значения коэффициентов комплексного ряда Фурье: +T 2 2 A( kω ) = Y ( t ) ⋅ e − jkωt dt , T −T 2 ∫ (1.3) 28 где k – любое целое число; - амплитудный – функция дискретного аргумента, представляющая собой модуль комплексного спектра периодического сигнала: G(kω) = |A(kω)| = √Re2[A(kω)] + Im2[A(kω)] , (1.4) где Re(z), Im(z) — действительная и мнимая части числа z; - фазовый – функция дискретного аргумента, представляющая cобой аргумент комплексного спектра периодического сигнала: φ( kω ) = arg[ A( kω )] = arctg Im[ A( kω )] . Re[ A( kω )] (1.5) Периодической сигнал содержит ряд гармоник. Гармоника – гармонический сигнал с амплитудой и начальной фазой, равными соответствующим значениям амплитудного и фазового спектра периодического сигнала при некотором значении аргумента. Наличие высших гармоник в спектре периодического сигнала количественно описывается коэффициентом гармоник, характеризующим отличие формы данного периодического сигнала от гармонической (синусоидальной). Он равен отношению среднеквадратического значения сигнала суммы всех его гармоник, кроме первой, к среднеквадратическому значению первой гармоники: ∞ kГ = Yi ∑ = i 2 Y1 , (1.6) где Y i , Y 1 — i-я и первая гармоники сигнала Y(t). Периодические сигналы бывают гармоническими, т.е. содержащими только одну гармонику, и полигармоническими, спектр которых состоит из множества гармонических составляющих. К гармоническим сигналам относятся сигналы, описываемые функцией синуса или косинуса. Все остальные сигналы являются полигармоническими. Случайный сигнал – это изменяющаяся во времени физическая величина, мгновенное значение которой является случайной величиной. Контрольные вопросы 1. Что изучает дисциплина метрология? 2. Дайте определение понятия измерение. 29 3. Дайте определение понятия физическая величина. 4. Дайте определение понятиям истинное и действительное значения физической величины. 5. Назовите основные единицы физических величин СИ. 6. Дайте определение понятиям кратная и дольная единицы физической величины. 7. Дайте определение понятия метрологическое обеспечение. 8. Что является объектом метрологического обеспечения? 9. Перечислите основы метрологического обеспечения. 10. Назовите основные объекты Государственной системы обеспечения единства измерений РФ. 11. Классификация измерений по способу получения результата. 12. Классификация измерений по числу наблюдений. 13. Классификация измерений по точности оценки погрешности. 14. Классификация измерений по условиям измерений. 15. Классификация измерений по характеру результата измерений. 16. Классификация измерений по степени достаточности измерений 17. Классификация измерений по связи с объектом. 18. Классификация измерений по методу. 19. Дать определение понятия метод измерений. 20. Основной признак, по которому классифицируют методы измерений. 21. Дать определение понятия средство измерений. 22. Назначение выполнения операции поверки средств измерений. 30 ЛЕКЦИЯ № 2 Тема лекции: Оценка погрешности прямых и косвенных измерений Вопросы лекции: 1. 2. 3. 4. 5. Погрешности измерений и их классификация. Предел допускаемой погрешности. Класс точности средств измерений. Форма записи результата измерений. Оценка погрешности однократных прямых и косвенных измерений. ВОПРОС 1 Погрешности измерений и их классификация Процедура измерения состоит из следующих основных этапов: принятие модели объекта измерения, выбор метода измерений, выбор средств измерений, проведение эксперимента для получения численного значения результата измерений. Вне зависимости от точности и совершенства средств и методов и тщательности выполнения самих измерений, результат всегда отличается от истинного значения измеряемой величины. Разного рода недостатки, присущие этим этапам, приводят к отличию измеренного значения физической величины (А) от ее истинного значения (X), т.е. имеет место погрешность измерения. Определение понятия “Погрешность измерения” приведено в соответствии с [1] в п. 1.2 Для удобства изучения принято классифицировать погрешности по ряду классификационных признаков [2,3]. По способу математического выражения различают: - абсолютную погрешность; - относительную погрешность; - приведенную погрешность. Абсолютная погрешность есть погрешность измерения, выраженная в единицах измеряемой величины [l]. Ее значение определяется формулой: Δ = А - X, (2.1) 31 где А - значение, полученное при измерении; X - истинное значение измеряемой величины. На практике истинное значение измеряемой величины не известно. Поэтому формула (2.1) используется только при поверках средств измерений. В этом случае за X берется показание образцового средства измерения. Относительная погрешность - отношение абсолютной погрешности измерения к истинному значению измеряемой величины [l]: δ = Δ / x. Так как А и X различаются незначительно, то в эту формулу обычно подставляют А. δ = Δ / A. (2.2) Относительную погрешность часто выражают в процентах. Термины "абсолютная погрешность" и "относительная погрешность" могут применяться как для характеристики измерений, так и для характеристики средств измерений. Термин "приведенная погрешность" применяют только для характеристики средств измерений. Приведенная погрешность измерительного прибора - отношение погрешности измерительного прибора к нормирующему значению [l]: γ = Δ / L. Приведенную погрешность почти всегда выражают в процентах: γ= Δ ⋅ 100 ,%. L (2.3) В формуле (2.3) нормирующее значение L есть "условно принятое значение, могущее быть равным верхнему пределу измерений, диапазону измерений, длине шкалы и др." [1]. Выбор L определяется только видом шкалы измерительного прибора и жестко регламентирован. Нормирующее значение чаще всего принимается равным диапазону измерений, под которым понимается область значений измеряемой величины, для которой нормированы допускаемые погрешности средства измерений. Для примера на рисунке 2.1 приведено несколько типичных шкал измерительных приборов. Для равномерной шкалы с нулевой отметкой в начале шкалы (рисунок 2.1,а) L = I00 единиц; для безнулевой шкалы (рисунок 2.1,б) L = 10 единиц; для шкалы с нулевой отметкой в середине (рисунок 2.1,в) 32 L =10 единиц; для шкалы с нормированной погрешностью в части шкалы (рисунок 2.1,г) L = 40 единиц. Нормирующее значение устанавливается равным длине шкалы (в единицах длины) при резко неравномерной шкале. В таких случаях под L понимается геометрическая длина шкалы (например, в миллиметрах), как показано на рисунке 2.1, д. Значит, в формуле (2.3) числитель тоже выражен в единицах длины. Формулы (2.2), (2.3) позволяют при необходимости выполнять взаимный пересчет величин Δ, δ, γ. Имеется особенность определения Δ по заданному значению γ, состоящая в том, что из формулы (2.3) значение Δ получается в миллиметрах: Δ (мм) = (L (мм) ∙ γ (%)) /100%. а) 20 30 40 50 60 70 80 90 10 б) 47 48 49 50 51 52 55 -3 -2 +1 +2 -4 500 100 50 10 1000 1 +3 +4 +5 -5 г) д) 54 -1 А2 53 46 45 в) А1 100 20 30 40 10 50 L (мм) Δ (мм) Рисунок 2.1- Типичные шкалы измерительных приборов: а – с нулем в начале шкалы; б – с нулем вне шкалы; в - с нулем в середине шкалы; г - с нормированной погрешностью а части шкалы (10…50 единиц); д – с резко неравномерной шкалой. Но, по определению, абсолютная погрешностъ обязательно выражается в единицах измеряемой величины, что обеспечивается применением формулы Δ (ед.измеряемой величины) = К ∙ Δ (мм;), где коэффициент пропорциональности К имеет размерность (ед. изм. вел./мм). На рисунке 2.1,д поясняется его определение 33 А2 − А1  ед.изм.вел.   , мм Δl   где А 1 , А 2 - значения физической величины, соответствующие делениям шкалы, ближайшим к указателю; Δ l - расстояние между этими делениями. По источнику возникновения погрешности различают: - методическую погрешность; - инструментальную погрешность; - внешние погрешности; - субъективные (личные) погрешности. Методическая погрешность объясняется несовершенством метода измерения, не полным соответствием примененной методики идеальному математическому определению измеряемой величины. Обычно такое несоответствие является следствием принятых допущений при обосновании метода идеализации, неполноты знаний и происходящих при измерении процессах, неточности применяемых расчетных формул, не полного учета свойств объекта измерения и т.д. Например, методическая погрешность может быть вызвана неучетом шунтирующего действия прибора при подключении его к исследуемой электрической цепи. Почти всегда возможно уменьшение методической погрешности путем изменения алгоритма, измерений, выбора другого прибора или изменения точек его подключения. Инструментальная погрешность зависит исключительно от погрешностей средств измерений. Причины погрешностей многообразны. Внешние погрешности связаны с условиями производства измерений, т.е. с различными внешними по отношению к измерительному прибору влияниями. Субъективные погрешности являются следствием неумелых действий, небрежности оператора, а также связаны с несовершенством органов чувств человека-оператора, ошибками, которые допускаются при интерполяции и т.п. По условиям применения средств измерений различают: - основную погрешность; - дополнительную погрешность. К= , 34 Основная погрешность есть погрешность средства измерений, используемого в нормальных условиях [1]. Нормальные условия применения средства измерений по окружающей температуре, относительной влажности, атмосферному давлению, частоте, напряжению питания, отдаваемой (получаемой) мощности и т.п. указываются в технических условиях на прибор и всегда приводятся в техническом описании. Дополнительная погрешность связана с отклонением условий эксплуатации от нормальных. В связи с дополнительной погрешностью в метрологии вводится понятие о влияющей физической величине, под которой понимается физическая величина, не являющаяся измеряемой данным средством измерений, но оказывающая влияние на результаты измерения этим средством [l]. По характеру поведения измеряемой величины в процессе измерения различают: - статическую погрешность; - погрешность в динамическом режиме. Статическая погрешность есть погрешность средства измерений, используемого для измерения постоянной величины [l]. Погрешность в динамическом режиме есть погрешность средства измерений, используемого для измерений переменной во времени величины [1]. Кроме того, в метрологии введено понятие о динамической погрешности средства измерений, под которой понимается "разность между погрешностью средства измерений в динамическом режиме и его статической погрешностью, соответствующей значению величины в данный момент времени" [l]. Погрешность измерительного прибора в динамическом режиме возникает вследствие того, что измерительный прибор не успевает отслеживать изменение измеряемой величины. По закономерности проявления различают погрешности: - систематические; - случайные; - грубые. Систематическая погрешность - составляющая погрешности измерения, остающаяся постоянной или закономерно изменяющаяся [1]. 35 Случайная погрешность - составляющая погрешности измерения, изменяющаяся случайным образом [1]. Грубая погрешность измерения - погрешность измерения, существенно превышающая ожидаемую при данных условиях погрешность [1]. Причиной систематической погрешности является отклонение любой влияющей величины от ее значения при нормальных условиях применения средства измерений, для которых нормирована основная погрешность. Кроме того, она может быть следствием неточности изготовления шкалы прибора, старения его элементов, например, противодействующих пружин в стрелочных приборах. Наконец, они могут появляться, из-за неправильных действий оператора при подготовке и проведении измерений (при установке нуля, калибровке и т.д.). Систематические погрешности по характеру проявления делятся на постоянные и переменные. Постоянные систематические погрешности не меняют своего знака и величины в течение всего процесса измерения (например, погрешность от изгиба указателя в электромеханическом приборе). Переменные систематические погрешности могут изменяться во времени (например, с уменьшением напряжения питания прибора) или изменяться с изменением измеряемой величины (например, вследствие неточной расстановки отметок на шкале) и т.п. Систематические погрешности средств измерений наиболее надежно выявляются при поверках по образцовым средствам измерений. Случайные погрешности обусловлены причинами, действие которых заранее непредсказуемо, не повторяется от измерения к измерению, например, дрейф нулевого уровня в усилителях постоянного тока, флуктуационные помехи и т.п. Если систематические погрешности принципиально устранимы, могут быть учтены, то случайные погрешности исключить нельзя. Однако на основе положений теории вероятностей можно оценить случайные погрешности, определить с определенной надежностью пределы, в которых находится истинное значение измеряемой величины. 36 Г р у б ы е погрешности (промахи) являются следствием низкой квалификации оператора, наличием неучтенных или неожиданных внешних воздействий. Их выявляют и обычно исключают из рассмотрения на основе априорной информации о примерном значении измеряемой величины и положений теории вероятности. По виду зависимости погрешности от измеряемой величины различают: - аддитивную погрешность (Δ АДД ); - мультипликативную погрешность (Δ МУЛЬТ); - погрешность нелинейности (Δ НЕЛИН ). Эти понятия введены на основе представления функции Δ(х), которая в общем случае нелинейна, в виде полинома Δ(х) = ± (а + bх + cх2+ dx3+…), где x – истинное значение измеряемой величины; Δ АДД = ± а; Δ МУЛЬТ = ± bх; Δ НЕЛИН = ± (cх2+ dx3+…). Вид функции Δ(х) определяется отклонением реальной функции преобразования А(x) Р от идеальной А(x) ИД . Функция преобразования A(x) средства измерения есть зависимость отсчета А от измеряемой величины x. Идеальное положение функции преобразования в координатах x, А прямая линия, проходящая через начало координат под углом 45° (прямые 1 на рисунке 2.2,а,б,в). Ее уравнение - А = х, поскольку в идеальном случае отсчет совпадает с истинным значением измеряемой величины. На рисунке 2.2,а,б,в поясняется физический смысл величин Δ АДД , Δ МУЛЬТ , Δ НЕЛИН для случаев, когда имеется только аддитивная погрешность (рисунок 2.2,а), только мультипликативная погрешность (рисунок 2.2,б), только погрешность нелинейности (). При проектировании средств измерений стремятся уменьшить погрешность нелинейности до пренебрежимо малого значения. Для уменьшения аддитивной погрешности в приборах предусмотрена установка нуля, а для уменьшения мультипликативной погрешности - операция калибровки 37 А А 1 2 2 x xК Δ А 1 x x Δ x xК Δ=±а а) 1 2 xК x Δ xК Δ = ± bx б) x xК x Δ = ± cx2 + dx3 в) Рисунок 2.2 - Физический смысл составляющих погрешности для случаев, когда имеется только аддитивная (а), только мультипликативная (б) и только погрешность нелинейности (в) Физический смысл этих операций поясняется на рисунке 2.3, где прямая 1 – первоначальное положение функции преобразования, 2 - положение после установки нуля (параллельного смещения функции), 3 положение после калибровки (поворота функции). Операция установки нуля выполняется органом механической коррекции (в электромеханических приборах) и электрической коррекции (в электронных приборах). Операция калибровки производится регулировкой коэффициента передачи измерительного канала до совпадения показания отсчетного устройства со значением образцовой величины (X ОБР ), задаваемой встроенной мерой. Значение X ОБР обычно равно конечному значению шкалы X ОБР = X К . Установку нуля и калибровку в процессе работы с прибором периодически повторяют для поддержания точности. В микропроцессорных приборах эти операции автоматизированы, причем производятся при каждом новом измерении. 38 А 3 1 2 x xОБР = xК Рисунок 2.3 - Физический смысл операции установки нуля и калибровки: 1 - первоначальная функция; 2 - после установки нуля; 3 - после калибровки Функция Δ(х) для электронных приборов чаще всего аппроксимируется выражением Δ = ± (а + bх), (2.4) представленном графически на рисунке 2.4. Δ +а x xК -а Δ = ± (а + bx ) Рисунок 2.4 - Графическое представление выражения Δ = ± (а + bX) Для электромеханических и механических приборов применяется выражение Δ = ± а. (2.5) 39 ВОПРОС 2 Предел допускаемой погрешности Систематическая и случайная составляющие погрешности измерения индивидуальны для каждого экземпляра приборов данного типа. Однако множество однотипных экземпляров в вероятностном смысле может быть охарактеризовано предельным (наибольшим) значением погрешности измерения, которое называется пределом допускаемой погрешности. Предел допускаемой погрешности средства измерений - наибольшая (без учета знака) погрешность средства измерений, при которой оно может быть признано годным и допущено к применению [1]. В технической документации в зависимости от специфики прибора предел допускаемой погрешности задается или для абсолютной (Δ П ), или для относительной (δ П ) или для приведенной (γ П ) погрешности. Вид математических зависимостей для задания предела регламентирован. Предел допускаемой абсолютной погрешности может быть задан таблицей зависимости Δ П от значения измеряемой величины А или одной из следующих формул: Δ П = ± а; (2.6) Δ П = ± (а + bА); (2.7) Δ П = ± (bА + сА К ); (2.8) где а,b,c, - константы; A - значение измеряемой величины; А К - конечное значение шкалы. Форма записи (2.6) применяется в случае, когда мультипликативная составляющая много меньше аддитивной составляющей погрешности (см. рисунок 2.2,а). Форма записи (2.7) применяется в случаях, когда обе составляющие погрешности соизмеримы, и ни одной из них пренебречь нельзя (рисунок 2.3). Формула (2.8) отличается от (2.7) тем, что константа а выражена через конечное значение шкалы (а = сА К ). ). Это позволяет использовать одну формулу для задания Δ П для всех шкал многошкального прибора. Значения Δ П выражаются в единицах измеряемой величины (реже - в делениях шкалы). 40 Предел допускаемой относительной погрешности δ П равен отношению предела допускаемой абсолютной погрешности к измеряемой величине: δ П = Δ П /А. (2.9) Подставив в (2.9) значения Δ П из формул (2.6), (2.7), (2.8), получим выражения для δ П : а (2.10) δП = ± = ± К ; А a а + bA  (2.11) ); δП = ± = ± b + A А  A bA + cAK  (2.12) = ±  b + c K ). δП = ± A А  Обозначив, b = q - с, получим:  A δП = ±  q + c  K − 1  A  ) ]. (2.13) Значение δ П может задаваться по этим формулам в относительных единицах или в процентах. При задании δ П в процентах это специально оговаривается. Чаще всего применяют формулы (2.12), (2.13). Удобно, что константы b,c,q в этих формулах не имеют размерности (константа а в формуле (2.11) имеет размерность измеряемой величины). Дополнительным преимуществом формулы (2.13) является то, что константа q имеет очень важный физический смысл. Из (2.13) видно, что δ П → ∞ при А → 0; δ П → q при А → А К ; δ П = q при А = А К ; (2.14) Значит, константа q есть значение δ П в конечной точке шкалы. При уменьшении А наблюдается увеличение δ П . На рисунке 2.5 показан характер зависимости δ П = φ( А) . Как видно из графика, предел относительной погрешности уменьшается с приближением к пределу шкалы А К . Поэтому необходимо так выбирать приборы (или шкалы в многопредельных приборах), чтобы отсчет проводился в правой половине шкалы (участок 1 на рисунке 2.5). Отсчет в левой половине шкалы (участок 2 на рисунке 2.5) выполняется с гораздо большей относительной погрешностью. 41 Предел допускаемой приведенной погрешности задается формулой: γП = ΔП ⋅ 100 ,%. L (2.15) где L - нормирующее значение (см. п. 2.1). Значение γ П применяется для А δП электромеханических приборов. δП = ± [ q + c  К − 1 ) ]  А Каждый измерительный прибор Уч асток 2 Участок 1 имеет паспорт, в котором заводизготовитель указывает предел допускаемой погрешности для данной серии приборов. А q АК Рисунок 2.5 -Характер зависимости δП = φ( А) ВОПРОС 3 Класс точности средств измерений Класс точности средства измерений - обобщенная характеристика средства измерений, определяемая пределами допускаемых основных и дополнительных погрешностей, а также другими свойствами средств измерений, влияющими на точность, значения которых устанавливаются в стандартах на отдельные виды средств измерений. [l]. Следует подчеркнуть, что класс точности характеризует потенциальные возможности прибора в отношении точности, но не является непосредственным показателем точности. При неправильном применении средства измерении потенциальные точностные характеристики могут оказаться нереализованными. Класс точности может быть задан по формулам (2.10), (2.13), 2.15). Числа, используемые для указания класса точности, выбираются из ряда (1; 1,5; 2; 2,5; 4; 5; 6) 10n, где n = l, 0, - 1, - 2 и т.д. (2.16) 42 Рассмотрим основные варианты условного обозначения класса точности. А. Если задан предел допускаемой относительной погрешности по формуле (2.10), то класс точности - число в окружности. Пример 1. Условное обозначение класса точности 2,5 означает, что δ П = ± 2,5%. Б. Если задан предел допускаемой относительной погрешности по формуле (2.13), то класс точности задается парой чисел, разделенных косой чертой. Пример 2. Обозначение класса точности 0,05/0,01, если применена формула (2.13), означает, что  A δП = ± 0 ,05 + 0 ,01 K − 1  A  ) ] %. В. Если задан предел допускаемой приведенной погрешности, то класс точности указывается одним из чисел ряда (2.16). Пример 3. Условное обозначение класса точности 1,5 означает, что предел допускаемой приведенной погрешности равен 1,5% (рисунок 2.6 для шкал постоянного и переменного напряжения и тока). Пример 4. Условное обозначение класса точности 1,5 обозначает, что предел допускаемой приведенной погрешности равен 1,5% от длины шкалы в единицах длины (см. рисунок 2.6 для шкал сопротивления, емкости, уровня). Случай нормирования погрешности в единицах длины шкалы рассматривался в п. 2.1. Он встречается при резко неравномерной шкале. Для получения предела абсолютной погрешности Δ П необходимо и паспорта прибора выписать длину шкалы, а затем по (2.15) вычислить значение L( мм ) ⋅ γ П (%) , мм 100(%) Далее, как пояснялось в п. 2.1, необходимо определить, какому значению в единицах измеряемой величины соответствует найденное значение Δ П . Классы точности стрелочных электроизмерительных приборов в основном устанавливаются по пределу допускаемой приведенной погрешности ΔП = ± 43 Рисунок 2.6 - Шкала комбинированного прибора Ц4353 (тестера); нанесены классы точности: 1.5 – для измерения постоянного напряжения (тока); 2,5 - для измерения переменного напряжения (тока); 1,5 - для измерения сопротивления; 2,5 - для измерения емкости и уровня напряжения в децибелах относительно опорного 0,775 В Комбинированные приборы могут иметь различные классы точности для разных измеряемых величин и родов тока, как показано на рисунке 2.6. Многопредельные приборы, предназначенные для измерения одной и той же величины, могут иметь различные классы точности для разных пределов. ВОПРОС 4 Формы записи результата измерений Формы представления результатов измерения и показатели точности регламентируются нормативными документами. Согласно [1], результат измерения представляется в виде значения физической величины, полученной из опыта, и показателей точности. Предусмотрены показатели точности различной сложности. Основными из них являются: - интервал, в котором с заданной вероятностью находится суммарная погрешность; 44 - оценки среднего квадратического значения случайной составляющей погрешности; - плотность распределения случайной погрешности. Имеется ограничение на число значащих разрядов при записи погрешности: применяется одна или максимум две значащих цифры. Значащими считаются все цифры числа за исключением: -нулей спереди (указывающих положение запятой); -нулей в конце числа, если они поставлены вместо неизвестных цифр. В показательной форме число значащих цифр определяется по мантиссе. Например, в числах 35; 7,4; 0,054; 1,5·103; 0,82·103; 8,7·103 имеются две значащие цифры. Нельзя произвольно использовать нули в конце числа для замены неизвестных цифр, а также опускать нуль, если он фактически прочитан. Пример 5. Если цифровой вольтметр позволяет прочитать значения, в которых вес младшего разряда 10-1 В. то нельзя писать 245200 мВ (вместо 245,2 В), 5100 мВ (вместо 5,1 В), 220 В (вместо 220,0 В) и т.д. Необходимо, чтобы вес младшего разряда значения измеряемой величины совпадал с весом младшего разряда погрешности. При необходимости применяют округление. При однократных измерениях результат записывают в форме x = А ± ΔП, (2.17) где А - значение физической величины; Δ П - предел допускаемой абсолютной погрешности, вычисленный по паспортным данным прибора. Например, U = (3,42 ± 0,01) В. Доверительная вероятность Р здесь не указывается. Предполагается ее значение Р = 0,9973 (с такой вероятностью при нормальном распределении значение погрешности находится в интервале от - 3σ до + 3σ, где σ среднее квадратическое отклонение). Отсчетные устройства средств измерений выполняют так, чтобы последняя значащая цифра показаний была одного порядка с погрешностью. Результат измерений с многократными наблюдениями при нормальном распределении погрешностей записывают в форме x = x ,ΔотΔ Н доΔ В , Р , (2.18) 45 где x - среднее значение (оценка измеряемой величины); Δ Н , Δ В - соответственно нижняя и верхняя границы погрешности (доверительные интервалы); Р - доверительная вероятность, с которой истинное значение измеряемой величины находится в пределах от ( x - А Н ) до ( x + А B ) или (что то же самое) вероятность, с которой погрешность находится в пределах от - Δ Н до + Δ В . Чаще всего границы симметричны (т.е. Δ Н = | Δ Н | = | Δ В | ). Тогда допустима форма x = x ± Δ ,( Р = ...), (2.19) Например, U = 4,546 В; Δ от - 0,015 В до + 0,015 В; Р = 0,95; U =(4,546 ± 0,015) В, (Р = 0,95). ВОПРОС 5 Оценка погрешности однократных прямых и косвенных измерений При эксплуатации систем связи преобладают однократные прямые измерения, выполняемые в нормальных условиях штатными измерительными приборами. Для оценки погрешности следует воспользоваться формулой для предела допускаемой погрешности в том виде, как она приведена в техническом описании (или в справочниках) для данного прибора. Если при измерении используется электроизмерительный прибор, для которого известен класс точности (например, нанесен на шкале прибора), то следует воспользоваться формулой, по которой задается класс точности. По указанным формулам находят предел допускаемой абсолютной погрешности Δ П , после чего результат записывается в форме (2.17). Рассмотрим несколько примеров. Пример 6. Вольтметр с равномерной шкалой (0...30) В, имеющий класс точности 1,0 при измерении дал показание 25,0 В. Записать результат в форме (2.17). 46 Решение. Воспользуемся формулой (2.15) по которой установлен класс точности: Δ γ П = ± П ⋅ 100 ,% L отсюда 30 ⋅ 1 L ⋅ γП =± = ±0 ,3 В. ΔП = ± 100 100 Значит результат измерения в форме (2.17) имеет вид: U =(25,0 ± 0,3); В. Пример 7. Цифровой электронный вольтметр на пределе (0…1000) В при нормальных условиях имеет показание 220,1 В. В техническом описании указано, что предел допускаемой относительной погрешности вольтметра задан формулой:  U δП = ± 0 ,5 + 0 ,02 К − 1 ) ], %. U  Оценить погрешность.   1000  δП = ± 0 ,5 + 0 ,02 − 1 ]⋅0 ,01 = ±0 ,006 ;  220 ,1   Δ П = ±U ⋅ δП = ±220 ,1 ⋅ 0 ,006 = ±1,3 В . Ответ: U = (220,1 ± 1,3) В. Результат косвенных измерений вычисляется как функция от величин а 1 , а 2 ,..., а n , измеряемых прямым методом: y = φ (а 1 , а 2 ,..., а n ). Пусть погрешности измерения величин а i известны и равны Δ(a i ). Рассмотрим, как найти погрешность определения величины y по результатам прямых измерений величин а i . Так как обычно Δ(a i ) / a i << 1, то справедливо разложение в ряд Тейлора с учетом только первых степеней слагаемых: y + Δ(y) = φ (a 1 , a 2 , … ,a n ) + n ∂φ ∑ ∂a Δ( a ). i i =1 i (2.20) 47 Отсюда получим погрешность косвенно измеряемой величины: Δ( y ) = ∂φ Δ( ai ). ∂ a i i =1 n ∑ (2.21) Примем Δ(а i ) = Δ П (a i ) , что возможно ввиду малости предела допускаемой абсолютной погрешности прибора, которым измеряют величину a i . Тогда искомая погрешность не превысит значения n ∂ϕ ( a1 , a2 ,..., an ) ∆ П ( y) = ∑ ⋅ ∆ П ( ai ) = ∑ Ai , ∂ a i i =1 i =1 n Ai = (2.22) где - частная погрешность, определяющая вклад по∂φ ⋅ Δ П ( аi ) грешности измерения величины a в погрешность i ∂ai косвенно измеряемой величины у. Частные производные в (2.22) называются функциями влияния. Из (2.22) находим предел относительной погрешности δ П (y) = Δ П (y) /y. (2.23) Пример 8. При косвенном измерении мощности в цепи постоянного тока (по формуле Р =I2 ∙ R) были получены отсчеты I = 50 А, R = 25 Ом. Пределы допускаемой абсолютной погрешности амперметра и омметра, найденные по их классам точности, составляют: Δ П (I)= 0.5 А; Δ П (R) = 2 Ом. Найти Р, Δ П (Р), δ П (Р). Решение: P = I2∙R = 502 ∙25 = 6,25 ∙ 104 Вт = 62,5 кВт. ∂P Δ П ( I ) = 2∙I∙R∙Δ(I) = 2∙50∙25∙0,5 =1250 Вт = 1,25 кВт; A1 = ∂I ∂P A2 = Δ П ( R ) = I2∙Δ П (R) = 502∙2 = 5000 Вт = 5 кВт; ∂R Δ П (P) = A1 + A2 = 1,25 + 5 = 6,25 кВт ≈ 6 кВт. Ответ: P = (63 ± 6) кВт; δ П (P) = 6 / 63 ≈ 0,1. Если погрешности измерения величин a i независимы, то формула. (2.22) дает завышенный результат (пессимистическую оценку). В этом случае суммируют под знаком корня квадраты частных погрешностей 48 ΔП ( y ) = n ∑A 2 i . (2.24) i =1 Контрольные вопросы 1. Классификация погрешностей по способу математического выражения. 2. Пояснить смысл параметров, входящих в выражение приведенной погрешности. 3. Классификация погрешностей по источнику возникновения. 4. Классификация погрешностей по условиям применения средств измерений. 5. Классификация погрешностей по закономерности проявления. 6. Классификация погрешностей по виду зависимости от измеряемой величины. 7. Пояснить смысл понятия функция преобразования средства измерения. 8. Что в идеале представляет собой функция преобразования средства измерения? 9. Пояснить физический смысл аддитивной, мультипликативной и погрешности нелинейности. 10. Пояснить смысл и последовательность выполнения операций «установка нуля» и «калибровка». 11. Дать определение понятия предел допускаемой погрешности средства измерений. 12. Как правильно следует выбирать приборы для выполнения измерений? 13. Дать определение понятия класс точности средства измерений. 14. Что представляет собой результат косвенных измерений? 15. Что представляет собой абсолютная погрешность результата косвенных измерений? 49 ЛЕКЦИЯ № 3 Тема лекции: Средства измерений и их характеристики Вопросы лекции: 1. Классификация средств измерений. 2. Метрологические характеристики средств измерений. 3. Нормирование метрологических характеристик средств измерений. 4. Автоматизация процессов измерений. ВОПРОС 1 Классификация средств измерений Определение понятия “средство измерений” приведено в п.7 лекции №1. Средства измерений, используемые в различных областях науки и техники, чрезвычайно многообразны. В этом множестве можно выделить некоторые общие признаки, присущие всем СИ независимо от области применения. Эти признаки положены в основу различных классификаций СИ, которые рассмотрены далее [3,5]. По роли, выполняемой в системе обеспечения единства измерений, СИ делятся на: - метрологические, предназначенные для метрологических целей – воспроизведения единицы и (или) ее хранения или передачи размера единицы рабочим СИ; - рабочие, применяемые для измерений, не связанных с передачей размера единиц. Подавляющее большинство используемых на практике СИ принадлежат ко второй группе. Метрологические средства измерений весьма немногочисленны. Они разрабатываются, производятся и эксплуатируются в специализированных научно-исследовательских центрах. По уровню автоматизации все СИ делятся на три группы: - неавтоматические; - автоматизированные, производящие в автоматическом режиме одну или часть измерительной операции; 50 - автоматические, производящие в автоматическом режиме измерения и все операции, связанные с обработкой их результатов, регистрацией, передачей данных или выработкой управляющих сигналов. В настоящее время все большее распространение получают автоматизированные и автоматические СИ. Это связано с широким использованием в СИ электронной и микропроцессорной техники. По уровню стандартизации средства измерений подразделяются на: - стандартизованные, изготовленные в соответствии с требованиями государственного или отраслевого стандарта; - нестандартизованные (уникальные), предназначенные для решения специальной измерительной задачи, в стандартизации требований к которым нет необходимости. Основная масса СИ являются стандартизованными. Они серийно выпускаются промышленными предприятиями и в обязательном порядке подвергаются государственным испытаниям. Нестандартизованные средства измерений разрабатываются специализированными научноисследовательскими организациями и выпускаются единичными экземплярами. Они не проходят государственных испытаний, их характеристики определяются при метрологической аттестации. По отношению к измеряемой физической величине средства измерений делятся на: - основные – это СИ той физической величины, значение которой необходимо получить в соответствии с измерительной задачей» - вспомогательные — это СИ той физической величины, влияние которой на основное средство измерений или объект измерения необходимо учесть для получения результатов измерения требуемой точности. Классификация по роли в процессе измерения и выполняемым функциям является основной. Она представлена на рисунке 3.1. Кратко рассмотрим средства измерений третьего уровня приведенной классификации [3]. Меры – это СИ, воспроизводящие или хранящие физическую величину заданного размера. Меры могут быть однозначными, воспроизводящими одно значение физической величины (гиря, калибр на заданный 51 Средства измерений Элементарные Меры Устройства сравнения (компараторы) Комплексные Измерительные преобразователи Измерительные приборы Измерительные установки Однозначные Первичные Аналоговые Многозначные Промежуточные Цифровые Наборы мер Масштабные Регистрирующие Магазины мер Аналоговые Показывающие Установочные Аналого-цифровые Встроенные Цифроаналоговые Измерительные системы Информационноизмерительные системы Измерительновычислительные комплексы Компьютерноизмерительные системы Рисунок 3.1 - Классификация средств измерений по их роли в процессе измерения и выполняемым функциям размер, образцы твердости, шероховатости, катушка сопротивления, нормальный элемент, воспроизводящий значение ЭДС), и многозначными – для воспроизведения плавно или дискретно ряда значений одной и той же физической величины (измерительный конденсатор переменной емкости, набор конечных мер, магазин емкостей, индуктивности и сопротивления, измерительные линейки). Измерения методом сравнения с мерой выполняют с помощью специальных технических средств – компараторов (равноплечие весы, измерительный мост и т. д.). Иногда в качестве компаратора выступает человек, например, при измерении длины линейкой. Измерительные преобразователи – СИ, предназначенные для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и хранения, но не доступной для непосредственного восприятия наблюдателем. Это термопары, измерительные трансформаторы и усилители, преобразователи давления. 52 По месту, занимаемому в измерительной цепи, они делятся на первичные, промежуточные и т. п. Конструктивно они выполняются либо отдельными блоками, либо составной частью СИ. Измерительный прибор – СИ, предназначенное для переработки сигнала измерительной информации в другие, доступные для непосредственного восприятия наблюдателем формы. Различают приборы прямого действия (амперметры, вольтметры, манометры) и приборы сравнения (компараторы). По способу отсчета измеряемой величины СИ делятся на показывающие (аналоговые, цифровые), регистрирующие (на бумажную или магнитную ленту) и т. п. Измерительная установка – совокупность функционально объединенных СИ и вспомогательных устройств, предназначенная для выработки сигналов измерительной информации в форме, удобной для непосредственного восприятия наблюдателем, и расположенная в одном месте. Измерительная система – это комплекс СИ и вспомогательных устройств, соединенных между собой каналами связи, предназначенная для выработки сигналов измерительной информации в удобной для автоматической обработки форме, её передачи и использования в различных системах управления. Частными случаями измерительной системы являются информационно-измерительные системы (ИИС), информационновычислительные комплексы (ИВК), компьютерно-измерительные системы. Информационно -измерительные системы – это совокупность функционально объединенных СИ, средств вычислительной техники и вспомогательных устройств, соединенных между собой каналами связи, предназначенных для выработки сигналов измерительной информации о физических величинах, свойственных данному объекту, в форме, удобной для автоматической обработки, передачи и (или) использования в автоматических системах управления. К информационно-измерительным системам можно отнести системы автоматического контроля, системы технического диагностирования, системы распознавания образов. 53 Информационно-вычислительные комплексы представляют собой совокупность средств измерений и компьютеров, объединенных с помощью устройств сопряжения и предназначенных для измерений, научных исследований и расчетов. Компьютерно-измерительная система (виртуальный прибор) состоит из стандартного или специализированного компьютера со встроенной в него платой (модулем) сбора данных. 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. Под метрологическими характеристиками (MX) понимают такие характеристики СИ, которые позволяют судить об их пригодности для измерений в известном диапазоне с известной точностью [2,3,5]. 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 нормирования 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. 54 Нормальные метрологические характеристики (НМХ) устанавливаются 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. 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. 30 20 40 10 50 Рисунок 3.2 - Неравномерная шкала СИ Чувствительность – отношение изменения сигнала Δy 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 степень неравномерности шкалы оценивают через коэффициент J = S max / S min . 55 Для равномерных шкал S = S cp = const и S cp = ℓ/x N , где x N - диапазон измерений. Поскольку х и у могут быть выражены в различных единицах,  мм   мм   градус  то величина S имеет размерность  ,  ,  и т.д.  А   В   В  Говоря о чувствительности, указывают физическую величину, например, ток, напряжение и т. д. Иногда для оперирования безразмерными единицами вводят понятие относительной чувствительности S 0 = (∆y / y0 ) /( ∆x / x0 ) , где х 0 , у 0 – номинальные (или средние) величины. Чувствительность нельзя отождествлять с порогом чувствительности – наименьшим значением измеряемой величины, вызывающим заметное изменение показаний прибора. Величину, обратную чувствительности, называют постоянной прибора С = 1/S. Как правило, выходным сигналом СИ является отсчет (показание) 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: H = xв − х у , где x в , x у – 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 56 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. Классификация погрешностей СИ приведена на рисунке 3.3 [2,3]. 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 электрических и магнитных полей (наводок). В рабочих условиях, зачастую отличающихся от нормальных более широким диапазоном влияющих величин, при необходимости нормируется дополнительная погрешность СИ. Погрешности средств измерений По форме количественного выражения: абсолютная относительная По способу выявления По отношению к внешним воздействиям: основная дополнительная Случайная По характеру режима измерений Статическая Динамическая Систематическая Методическая Инструментальная ПостоянПериодическая Рисунок 3.3- Классификация погрешностей СИ 57 Существуют три способа нормирования основной погрешности СИ: - нормирование пределов допускаемой абсолютной (±∆) или приведенной (±γ) погрешностей, постоянных во всем диапазоне измерения; - нормирование пределов допускаемой абсолютной (±∆) или относительной (±δ) погрешностей в функции измеряемой величины; - нормирование постоянных пределов допускаемой основной погрешности, 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 влияющими факторами, должны нормироваться раздельно. В общем виде суммарная абсолютная погрешность СИ при влияющих факторах ∆Σ = ∆0 + n ∑ ∆2i i =2 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 погрешностей поверку СИ выполняют только при нормальных условиях (т. е. дополнительные погрешности исключены). 58 Систематическая погрешность СИ – это составляющая общей погрешности, которая остается постоянной или закономерно изменяется при многократных измерениях одной и той же величины. ВОПРОС 4 Автоматизация процессов измерений Усложнение современного производства, развитие научных исследований привело к необходимости измерять и контролировать одновременно сотни и тысячи различных физических величин [2,3,4]. 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 измерительновычислительного комплекса (ИВК) или информационно-измерительной системы (ИИС). Основными признаками принадлежности средства измерений к ИВК являются: наличие процессора или компьютера; программное управление средствами измерений; наличие нормированных метрологических характеристик; блочно-модульная структура, состоящая из технической (аппаратной) и программной (алгоритмической) подсистем. Техническая подсистема должна содержать СИ электрических величин (измерительные компоненты), средства вычислительной техники (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 прикладное 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, реализующих: 59 − типовые алгоритмы эффективного представления и обработки измерительной информации, планирования эксперимента и других измерительных процедур; − архивирование данных измерений; − метрологические функции ИВК (аттестация, поверка, экспериментальное определение метрологических характеристик и т.п.). Большое значение имеет эффективное и наглядное построение экранных форм и управляющих элементов, называемых интерфейсом пользователя, 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 измерений физических величин; − управление процессом измерений и воздействием на объект измерений; − 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 компонентами, входящими в состав ИВК; − выработку нормированных сигналов, являющихся входными для средств воздействия на объект; − оценку метрологических характеристик и представление результатов измерений в установленной форме. 60 Основными составными частями комплекса являются (рисунок 3.4): − компьютер с периферийными устройствами, подключенными к нему, 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 компьютером; − формирователь испытательных сигналов, которыми воздействуют на объект измерения с целью получения измерительных сигналов. Каждый такой сигнал (например, на рисунке 3.4 это i-й сигнал) вырабатывается с помощью последовательно соединенных ЦАП i , 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 от решаемой задачи. Однако практически в любом случае каждый из них содержит аналоговый измерительный (АИП) и аналого-цифровой (АЦП) преобразователи. При обработке нескольких измерительных сигналов одним АЦП в состав комплекса включается коммутатор, предназначенный для поочередного подключения сигналов к входу АЦП. Коммутатор может включаться как после АИП (ИК1 на рисунке 3.4), так и перед ним (ИК N). 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 3.4) 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 использо- 61 вать только один АИП (рисунок 3.4 – ИК N). Он последовательно во времени проводит преобразование измерительного сигнала и последующее его масштабирование. Периферийные устройства (принтер, плоттер, компьютерная сеть) Управление Обмен данными Данные /Адрес Компьютер Программное обеспечение Управление Данные /Адрес Интерфейс 1 ИК1 1 ЦАПi ПНИСi i Формирователь испытательных сигналов АИП Объект измере- К Измерит. сигналы ния 1 М Испытательные сигналы Коммутатор АЦП ИК N Коммутатор АИП АЦП L Рисунок 3.4 - Структурная схема измерительно-вычислительного комплекса АЦП преобразует сигнал в цифровой код и передает его через интерфейс в компьютер. Работой всей аппаратной части ИВК управляет компьютер. Это осуществляется посредством: − подачи управляющих сигналов различного рода; − считывания и передачи по требуемым адресам цифровой информации (сигналы «Данные» и «Адрес» на рисунке 3.4). 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 рассчи- 62 тывает 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 3.4 не показаны). Оттуда эти коды последовательно во времени циклически поступают на вход каждого из ЦАП. Формируемые на их выходах напряжения с помощью ПНИС преобразуются 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. Контрольные вопросы 1. Классификация средств измерений. 2. Классификация средств измерений по роли, выполняемой в системе обеспечения единства. 3. Классификация средств измерений по уровню автоматизации. 4. Классификация средств измерений по уровню стандартизации. 5. Классификация средств измерений по отношению к измеряемой физической величине. 6. Классификация средств измерений по роли в процессе измерения и выполняемым функциям. 7. Дать определение понятия измерительная установка. 8. Дать определение понятия измерительная система. 9. Дать определение понятия информационно –измерительная система. 10. Дать определение понятия информационно-вычислительный комплекс. 11. Дать определение понятия компьютерно-измерительная система. 63 12. С какой целью введено понятие “метрологические характеристики”? 13. Что понимают под метрологическими характеристиками. 14. Дать определение понятий «диапазон измерений» и «предел измерения». 15. Дать определение понятий «цена деления шкалы» и «чувствительность». 16. Основные признаками принадлежности средства измерений к ИВК. 64 ЛЕКЦИЯ № 4 Тема лекции: Аналоговые электроизмерительные приборы Вопросы лекции: 1. Обобщенная структурная схема аналоговых электроизмерительных приборов. 2. Принцип действия электромеханических измерительных приборов. 3. Магнитоэлектрические измерительные приборы. 4. Электромагнитные измерительные приборы. 5. Электродинамические измерительные приборы. 6. Понятие о логометрических измерительных механизмах. 7. Электронные аналоговые электроизмерительные механизмы. ВОПРОС 1 Обобщенная структурная схема аналоговых электроизмерительных приборов 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 [2,3]. К числу важнейших из них относятся: 1) метрологическое назначение; 2) метод определения измеряемой величины; 3) элементная база; 4) способ образования показаний; 5) принцип действия; 65 6) точность: 7) условия применения; 8) степень защищенности от внешних полей; 9) устойчивость к механическим воздействиям. По второму классификационному признаку электроизмерительные приборы подразделяют на две группы: приборы непосредственной оценки (прямого действия) и приборы компарирующие. К приборам непосредственной оценки относятся приборы, показывающие значения измеряемой величины на отсчетном устройстве. Такие приборы градуируют и поверяют, используя образцовые меры и образцовые измерительные приборы. В процессе измерения ни образцовая мера, ни образцовый измерительный прибор участия не принимают. В основу работы компарирующих приборов положен метод измерения, предполагающий сравнение с мерой, т.е. в приборах сравнения выполняется непосредственное сравнение измеряемой величины с одноименной или неодноименной величиной, воспроизводимой мерой. Компарирующий прибор имеет в своем составе меру и измерительный преобразователь сравнения (сравнивающее устройство). Это отличительный признак приборов этой группы. На pиcунке 4.1 приведена обобщенная структурная схема прибора прямого действия x ИП1 ИП2 ИПn ОУ Рисунок 4.1 - Обобщенная структурная схема измерительного прибора прямого действия Прибор содержит цепочку включенных последовательно измерительных преобразователей ИП 1 , ИП 2 , …, ИП n . С последним измерительным преобразователем связано отсчетное устройство (ОУ), по которому отсчитывается значение измеряемой величины. Количество измерительных преобразователей в приборах прямого действия может быть различным. Обширная группа приборов прямого действия содержит всего один измерительный преобразователь электромеханического типа. Это так 66 называемые электромеханические измерительные приборы: амперметры, вольтметры, ваттметры и т.п. Электромеханические измерительные преобразователя преобразуют сигнал измерительной информации в угловое или линейное перемещение указателя отсчетного устройства. Часто такие преобразователи называют измерительными механизмами (ИМ). Любой аналоговый электроизмерительный прибор в своем составе имеет измерительную схему, измерительный механизм и отсчетное устройство (ОУ). Структурная схема такого прибора показана на рисунке 4.2. x Измерительная схема x′ Измерительный механизм α Отсчетное устройство N(x) Рисунок 4.2- Структурная схема аналогового электроизмерительного прибора Измерительная схема осуществляет количественное или качественное преобразование входной величины х в электрическую величину х′, на которую реагирует измерительный механизм. Последний, в свою очередь преобразует электрическую величину х′ в механическое угловое или линейное перемещение α, значение которого отражается по шкале отсчетного устройства, проградуированной в единицах измеряемой величины N(x). ВОПРОС 2 Принцип действия электромеханических измерительных приборов Измерительные механизмы основаны на преобразовании энергии электрического или магнитного поля в механическую энергию. В зависимости от принципа действия измерительного механизма аналоговые электроизмерительные приборы принято делить на следующие системы: - магнитоэлектрическая, в которой принцип действия ИМ основан на взаимодействии поля постоянного магнита с одной или несколькими рамками с током; 67 - электромагнитная, в которой принцип действия ИМ основан на взаимодействии поля неподвижной катушки с подвижным сердечником из магнитомягкого материала; - электродинамическая, в которой принцип действия ИМ основан на взаимодействии подвижной и неподвижной катушек с током; - электростатическая, в которой принцип действия ИМ основан на взаимодействии подвижного и неподвижного электрически заряженных тел; - индукционная, в которой принцип действия ИМ основан на взаимодействии переменных магнитных потоков с индуктированными ими в металлических подвижных частях электрическими токами; - тепловая, в которой принцип действия ИМ основан на измерении геометрических размеров тела (рычага, тяги и т.п.) при нагревании его электрическим током. По способу создания противодействующего момента ИМ делятся на две группы: - измерительные механизмы, в которых противодействующий момент создается пружиной; - измерительные механизмы, в которых противодействующий момент создается другим измерительным механизмом. ИМ первой группы измеряют физическую величину, ИМ второй группы измеряют отношение двух физических величин и поэтому называются логометрами (от греческого слова «лог» - отношение или пропорция). ИМ состоит из подвижной и неподвижной частей. Подвижная часть под действием вращающего момента М, пропорционального значению измеряемой вeличины, совершает угловое перемещение. Чтобы угол поворота α был пропорционален вращающему моменту, необходим противодействующий момент М ПР , пропорциональный углу поворота подвижной части. Иначе, без противодействующего момента, при любом отличном от нуля значении М подвижная часть будет всегда поворачиваться до упора. Противодействующий момент создается упругими элементами, например, пружинками или растяжками. Для упругих элементов подобно- 68 го типа М ПР = М УД ∙ α, где М УД - удельный противодействующий момент, зависящий только от свойств упругого элемента. Очевидно, что при действии двух моментов М и М ПР подвижная часть будет неподвижна при условии: М = М ПР = М УД ∙ α (4.3) откуда получим значение угла поворота: α = М / М УД (4.2) Так как М определяется измеряемой величиной, то шкала может быть проградуирована в единицах этой величины. Вращающий момент для любого измерительного механизма может быть определен из уравнения Лагранжа: M= ∂W , ∂α (4.3) где W - электрокинетическая энергия, т.е. запас энергии электрического и магнитного полей в измерительном механизме. Из (4.2) и (4.3) находим более конкретное выражение для угла поворота подвижной части: 1 ∂W 1 ⋅ = α= М УД ∂α M УД  k  ∂  Wi  ⋅  i =1  . ∂α ∑ (4.4) Здесь учтено, что электрокинетическая энергия в общем случае может состоять из нескольких компонентов. Такими компонентами, в зависимости от системы ИМ, могут быть: - энергия взаимодействия между полем постоянного магнита и контуром (рамкой) с током; - электромагнитная энергия, запасенная в контуре (рамке) с током; - энергия постоянного магнита; - энергия взаимодействия между электрически заряженными телами (стержнями, пластинами и т.п.); - электромагнитная энергия взаимодействия между контурами (рамками) с током. 69 ВОПРОС 3 Магнитоэлектрические измерительные приборы Принцип действия магнитоэлектрического ИМ рассмотрим по его упрощенному изображению, приведенному на рисунке 4.3. ИМ состоит из неподвижной и подвижной частей. Подвижная часть укреплена на оси, которая может свободно поворачиваться в упорах. С осью связаны указатель (стрелка) и рамка (очень легкая катушка, намотанная на немагнитном каркасе или вообще не имеющая каркаса). N S Рисунок 4.3 Устройство магнитоэлектрического Рамка не имеет электрического контакта с осью. Два конца обмотки рамки выведены к клеммам ИМ через две спиральные пружины, предназначенные для создания противодействующего момента. Пружинки механически закреплены на неподвижной части ИМ. С осью также связаны противовесы, служащие для балансировки подвижной чаS N сти. Кроме того, подвижная часть может включать успокоитель для демпфирования колебаний подвижной части после подачи измеряемого тока (напряжения). Рисунок. 4.4 - Образование равномерного радиального Неподвижная часть содержит постоянмагнитного поля в зазоре ный магнит, между полюсными наконечнимежду сердечником и поками которого находится рамка и упоры для люсами магнита оси подвижной части. 70 Для уяснения принципа действия ИМ магнитоэлектрической системы очень важно обратить внимание на то, что рамка перемещается в радиальном магнитном поле, напряженность которого одинакова для любого положения рамки. Это достигнуто специальной формой полюсов магнита (рисунок 4.4) и помещением внутри рамки сердечника цилиндрической формы, выполненного из магнитомягкого материала (см. рисунки 4.3 и 4.4). В результате силовые линии магнитного поля искривляются. В зазоре между полюсами магнита и цилиндрическим сердечником силовые линии имеют строго радиальное направление, а напряженность поля не зависит от угла поворота рамки. Из курса физики известно, что в этом случае потокосцепление рамки линейно зависит от угла поворота: Ψ = B ∙ n ∙ S ∙ α, (4.5) где В - индукция магнитного поля в зазоре магнитной системы; n, S - соответственно количество витков рамки и ее площадь; α - угол поворота рамки от положения, при котором она не пронизывается ни одной силовой линией. Известно, что энергия взаимодействия поля постоянного магнита и рамки с током определяется соотношением: WM − P = ψ ⋅ I . (4.6) W M-P = B ∙ n ∙ S ∙ α ∙I. (4.7) Значит, Запас электрокинетической энергии измерительного механизма состоит из двух компонентов W = W K + W M-P , (4.8) где W K = L ∙ I2 / 2 - энергия, запасенная в контуре; W M-P - энергия взаимодействия поля магнита и рамки. Так как первое слагаемое в формуле (4.8) от угла поворота рамки не зависит, то из выражения (4.4) с учетом (4.7), (4.8) можно записать: α= 1 ∂W B ⋅ n ⋅ S ⋅ = ⋅ I. М УД ∂α M УД (4.9) 71 Производная от угла поворота по измеряемой величине называется чувствительностью ИМ (см. п. 2 лекции №3). В данном случае чувствительность находим дифференцированием (4.9) по току: SI = ∂α B ⋅ n ⋅ S . = M УД ∂I (4.10) Из анализа (4.9), (4.10) можно сделать следующие выводы: 1. Зависимость α = φ (I) для магнитоэлектрического ИМ линейна, что определяет линейность шкалы прибора магнитоэлектрической системы. 2. При перемене направления тока (полярности приложенного к рамке напряжения) отклонение подвижной части меняется на обратное, что требует соблюдения определенной полярности подключения прибора магнитоэлектрической системы к исследуемой цепи. 3. Для высокой чувствительности ИМ необходимо иметь магнит с очень большой магнитной индукцией в зазоре. 4. При переменном токе подвижная система из-за своей инерционности может следовать за изменением тока только в случае, если период его колебаний больше постоянной времени подвижной части ИМ. Это предопределяет соответствие показания прибора магнитоэлектрической системы среднему значению тока в рамке. В частном случае гapмонического тока показание прибора будет равно нулю (при достаточно большой частоте). В специальных случаях, когда подвижная часть магнитоэлектрического ИМ очень легкая, выполнена на растяжках и имеет световой указатель, возможна регистрация высокочастотных (до 10-12 кГц;) процессов. Однако при этом процесс вначале записывается на быстро движущуюся светочувствительную ленту (пленку, бумагу), а потом анализируется оператором. Указанный принцип реализован в светолучевых (шлейфовых) осциллографах. Подвижная часть ИМ в таких приборах должна быть как можно более легкой, так как именно от этого зависит верхний частотный предел прибора. Достоинствами магнитоэлектрических ИМ являются: -высокая чувствительность (известны микроамперметры с током полного отклонения 0,01 мкА); 72 -возможность создания на их основе приборов высокой точности (классов до 0,05); -равномерность шкалы; -независимость показаний от внешних магнитных полей, так как в рабочем зазоре ИМ имеется очень сильное собственное магнитное поле; -малое собственное потребление энергии (до 10-5...10-6 мкВт). Недостатками магнитоэлектрического ИМ являются: -сложность и высокая стоимость; -применимость только при постоянном токе; -опасность перегрузок (при перегрузках обычно перегорают противодействующие пружины - они же токоподводы). Применяются магнитоэлектрические ИМ исключительно широко. Их используют в цепях постоянного тока. В сочетании с дополнительными измерительными преобразователями их применяют также в цепях переменного тока. Практически все аналоговые электронные электрорадиоизмерительные приборы содержат в качестве регистрирующего устройства ИМ магнитоэлектрической системы. ВОПРОС 4 Электромагнитные измерительные приборы Электромагнитные ИМ содержат неподвижную катушку, по которой протекает измеряемый ток, и подвижную часть (рисунок 4.5). Подвижная часть содержит закрепленную в упорах IX ось, с которой связаны указатель, фигурная пластина и противодействующие пружины. Важно отметить, что подвижная часть ИМ не имеет токоподводов, что упрощает конструкцию. Фигурная пластина выполнена из магнитомягкого материала и может втягиваться внутрь катушки, поворачивая Рисунок 4.5- Устройство при этом ось на угол, зависящий от тоэлектромагнитного ИМ ка в катушке. 73 Для рассмотренной системы запас энергии определяется только индуктивностью катушки и током: W = L ∙ I2 / 2. (4.11) Подставив W в выражение (4.4), получим: 1 ∂W 1 ∂L 2 α= ⋅ = ⋅ ⋅I . (4.12) М УД ∂α 2 ⋅ M УД ∂α то есть угол поворота подвижной части пропорционален квадрату тока. Отсюда найдем также чувствительность ИМ по току: ∂α 1 ∂L SI = = ⋅ ⋅I. (4.13) ∂I M УД ∂α Из выражений (4.12), (4.13) видно, что электромагнитный ИМ нечувствителен к полярности тока в катушке, т.е. пригоден в цепях переменного и постоянного тока. Чувствительность ИМ по току зависит от тока и угла поворота. Если ∂L = const , то прибор имеет квадратическую шкалу. ∂α Поскольку реально L = φ (α), то появляется возможность несколько линеаризовать шкалу. При конструировании приборов стремятся так выбрать форму фигурной пластины, чтобы иметь ∂L ⋅ I = const . При этом ∂α чувствительность прибора в небольших пределах может быть не зависящей от значений I и α, как это имеет место в магнитоэлектрическом ИМ. Чаще всего приборы электромагнитной системы имеют резко выраженную нелинейность в начале шкалы и удовлетворительную линейность в ее средней и правой части. Начальный участок шкалы по точности не нормирован, и им нельзя пользоваться при измерениях (этот участок на шкале отделен точкой). Ввиду инерционности электромагнитный измерительный механизм не успевает отслеживать квадрат тока i 2 ( t ) , и поэтому на переменном токе отклонение пропорционально среднему значению квадрата тока в катушке. 74 С повышением частоты выше 50 Гц быстро увеличивается дополнительная погрешность, связанная с зависимостью индуктивности катушки от частоты. Поэтому электромагнитные ИМ применяют в приборах для измерения тока и напряжения в основном на частоте 50 Гц. К достоинствам приборов электромагнитной системы относятся: простота конструкции, низкая стоимость, применимость в цепях постоянного и переменного токов, устойчивость к перегрузкам. К недостаткам относятся: нелинейность шкалы и невысокая точность (класс точности лучших приборов 0,5). ВОПРОС 5 Электродинамические измерительные механизмы Электродинамические ИМ содержат две катушки (рисунок 4.6), из которых одна неподвижна, а вторая расположена на подвижной оси внутри первой катушки. Ось находится в упорах и имеет противодействующие пружины, используемые в качестве токоподводов к подвижной катушке. С осью связан указатель, а также магнитный успокоитель. Для такого ИМ полная злектрокинетическая энергия состоит из трех компонентов: W = W А + W В + W А-В , (4.14) где - W А , W В - соответственно энергия, запасенная в катушках А и В; W А-В - энергия взаимодействия между обеими катушками. Известно, что W А = L А ∙ I2 А / 2; W В = L В ∙ I2 В / 2; W А-В = М А-В ∙ I A ∙ I B , где L A , L B - индуктивность катушек соответственно А и В; I A , I B - ток в катушке соответственно A и В; М А-В - взаимная индуктивность катушек. Подставим (4.14) в выражение (4.4), имея в виду, что от угла поворота подвижкой части ИМ зависит только взаимная индуктивность. 1 ∂W 1 ∂М А− В α= ⋅ = ⋅ ⋅ I A ⋅ IB . (4.15) М УД ∂α M УД ∂α Отсюда видно, что электродинамический ИМ обладает cвойством перемножать токи. Это свойство делает его очень универсальным в применении. 75 Рисунок 4.6 - Устройство электродинамического ИМ Например, если в цепи постоянного тока одну из катушек подключить параллельно, а другую - последовательно с нагрузкой, то отклонение подвижной части будет пропорционально потребляемой мощности, что следует из выражения Р = U ∙ I. На таком включении ИМ основаны электродинамические ваттметры. Если катушки включить последовательно, то I A = I B = I, и поэтому выражение (4.15) примет вид 1 ∂М А− В 2 α= ⋅ ⋅I . (4.16) M УД ∂α Отсюда видно, что электродинамический ИМ пригоден для применения на постоянном и переменном токе. На основе электродинамического ИМ созданы приборы для измерения тока, напряжения и мощности. Приборы электродинамической системы обладают высокой точностью (классы точности до 0,1) и чувствительностью. Выбором формы катушек удается добиться хорошей линейности шкалы таких приборов. ВОПРОС 6 Понятие о логометрических измерительных механизмах Логометры (измерители отношения) отличаются от рассмотренных ИМ способом создания противодействующего момента - он создается не пружиной, а вторым ИМ. 76 В логометре любого типа можно найти два ИМ, подвижные части которых находятся на одной оси и жестко скреплены друг с другом. Рассмотрим в качестве примера магнитоэлектрический логометр (рисунок 4.7). Два ИМ М1 М2 этого логометра имеют общий постоянный магнит. Рамки перN S вого и второго ИМ расположены под углом и находятся на одной оси. Особенностью магI2 I1 нитной системы логометра по I1 I2 сравнению с магнитной систеРисунок 4.7 - Устройство магнитомой магнитоэлектрического электрического логометра ИМ, рассмотренного ранее, является эллиптичность сердечника, находящегося внутри рамок. В результате магнитная индукция в зазоре является функцией угла поворота. При отсутствии токов в рамках подвижная часть логометра находится в безразличном состоянии, так как в системе нет противодействующих пружин. При подаче токов в катушке возникнут два момента М 1 и М 2 , и система придет в движение. Состоянию равновесия соответствует равенство моментов обеих рамок: М 1 = М 2 . Из выражений (4.3), (4.5), (4.6) можно записать: М 1 (α) = B 1 (α) ∙ n 1 ∙ S 1 ∙ I 1 ; М 2 (α) = B 2 (α) ∙ n 2 ∙ S 2 ∙ I 2 . Приравняв моменты, получим I 1 B2 ( α ) ⋅ n2 ⋅ S 2 = = φ(α). I 2 B1 ( α ) ⋅ n1 ⋅ S1 (4.17) Разрешив это уравнение относительно α, найдем зависимость угла поворота подвижной системы от токов в рамках: α = φ (I 1 / I 2 ). (4.18) Как видно, угол поворота подвижной части зависит от отношения токов, а не от токов в отдельности. На этом уникальном свойстве основаны 77 логометрические частотомеры, фазометры, мегаомметры. Одним из основных преимуществ логометрических приборов является независимость показаний от напряжения питания измерительной цепи. ВОПРОС 7 Электронные аналоговые измерительные механизмы Электронные аналоговые приборы и преобразователи представляют собой средства измерений, в которых преобразование сигналов измерительной информации осуществляется с помощью электронных устройств. Выходной сигнал таких средств является непрерывной функцией измеряемой величины. В настоящее время широкое признание получили такие электронные приборы, как электронно-лучевые осциллографы, электронные вольтметры, омметры, анализаторы спектра и др. Электронные вольтметры представляют собой устройства, в которых измеряемое напряжение преобразуется с помощью аналоговых электронных устройств в постоянный ток, который подается на магнитоэлектрический измерительный механизм со шкалой, градуированной в единицах напряжения. В настоящее время выпускается множество различных типов электронных вольтметров. По своему назначению и принципу действия наиболее распространенные типы электронных вольтметров могут быть подразделены на вольтметры постоянного напряжения, переменного, напряжения, универсальные, импульсные и селективные. Структурная схема электронного вольтметра постоянного напряжения может быть представлена в виде, изображенном на рисунке 4.8, UX ВД УПТ ИМ Рисунок 4.8 - Структурная схема электронного вольтметра где ВД - входной делитель напряжения; УПТ - усилитель постоянного тока; ИМ - магнитоэлектрический измерительный механизм. Угол отклонения указателя ИМ определяется из следующего соотношения: α = кВ ∙ кУ ∙ S ∙ UX = KV ∙ UX, (4.19) 78 где к В , к У , - коэффициенты преобразования (усиления) входного делителя и усилителя постоянного тока, S - чувствительность ИМ; К V - коэффициент преобразования электронного вольтметра; U X - измеряемое напряжение. Последовательное соединение входного делителя и усилителя является характерной особенностью всех электронных вольтметров. Такая структура позволяет делать электронные вольтметры высокочувствительными и многопредельными за счет изменения коэффициента преобразования К V . На характеристики электронного вольтметра, схема которого представлена на рисунке 4.8, существенное влияние оказывает нестабильность работы УПТ, т.е. изменения коэффициента к У в процессе измерений, а также дрейф нуля усилителя. Поэтому в таких вольтметрах, как правило, к Y = 1, а основное назначение УПТ - обеспечить большое входное сопротивление прибора. Для создания высокочувствительных вольтметров постоянного напряжения (микровольтметров) применяют усилители постоянного тока, построенныее по схеме "модулятор - демодулятор" (М-ДМ), показанной на рисунке 4.9,а, где Г - генератор; У ⁓ - усилитель переменного тока; ИМ магнитоэлектрический измерительный механизм. На рисунке 4.9 показана упрощенная временная диаграмма напряжений на выходе отдельных блоков. Среднее значение напряжения выходного сигнала пропорционально входному напряжению, т.е. U СР = к ∙ U Х . Такая схема усилителя практически не имеет дрейфа нуля и имеет стабильный коэффициент усиления, который у некоторых современных электронных вольтметров достигает величины к = 3,3 ∙ 105 . Вследствие этого у микровольтметров верхний предел измерений при наивысшей чувствительности может составлять единицы мкВ при основной приведенной погрешности ±.(0,5...6)%. Электронные вольтметры постоянного напряжения состоят из преобразователя переменного напряжения в постоянное, усилителя и магнитоэлектрического ИМ. Возможны две обобщенные структурные схемы вольтметров переменного тока (рисунок 4.10), различающиеся своими харак- 79 М UX uM У~ ДМ uY uВЫХ ИМ а) Г UX б) t uM t uY t uВЫХ t Рисунок 4.9 - Структурная схема высокочувствительного электронного вольтметра теристиками. В вольтметрах по схеме рисунке 4.10,а измеряемое напряжение U X сначала преобразуется в постоянное напряжение, которое затем подается на УПТ и ИМ, являющиеся, по существу, вольтметром постоянного тока. UX Пр УПТ ИМ Пр ИМ а) UX У~ б) Рисунок 4.10 - Структурные схемы вольтметров переменного напряжения Преобразователь Пр представляет собой малоинерционное нелинейное звено, поэтому вольтметры с такой структурой могут работать в широком частотном диапазоне до 10 МГц. Однако указанные выше недостатки УПТ не позволяют делать такие вольтметры высокочувствительными. 80 В вольтметрах, выполненных по схеме (рисунок 4.10,б), благодаря предварительному усилению удается повысить чувствительность. Однако создание усилителей переменного тока с большим коэффициентом усиления, работающих в широком диапазоне частот, - достаточно трудная техническая задача. Поэтому такие вольтметры имеют достаточно низкий частотный диапазон (10 МГц); верхний предел измерений при максимальной чувствительности составляет десятки или сотни микровольт. В зависимости от вида преобразователя переменного напряжения в постоянное отклонения подвижной части ИМ могут быть пропорциональны амплитудному (пиковому), среднему (средневыпрямленному) или действующему значениям измеряемого напряжения. В связи с этим электронные вольтметры называют соответственно вольтметрами амплитудного, среднего или действующего значения. Однако независимо от вида преобразователя шкалу вольтметров, как правило, градуируют в действующих значениях напряжения синусоидальной формы. Вольтметры амплитудного значения имеют преобразователи амплитудных значений (пиковые детекторы) с открытым (рисунок 4.11,а) или закрытым (рисунок 4.12,а) входами, где u ВХ и u ВЫХ – входное и выходное напряжения преобразователя. VD U С UВХ UВЫХ UВХ R UВЫХ t Θ а) б) Рисунок 4.11 - Вольтметр амплитудного значения с открытым входом В амплитудных Пр с открытым входом конденсатор заряжается практически до максимального положительного (при данном включении диода) значения входного напряжения u Xmax . При этом среднее значение выходного напряжения u СР ≈ u Xmax , следовательно, угол отклонения указателя ИМ α = к V ∙ u Xmax , где к V - коэффициент преобразования вольтметра. 81 Временная диаграмма работы Пр с открытым входом представлена на рисунке 4.11,б. Особенностью преобразователей этого типа является то, что они пропускают постоянную составляющую входного сигнала, т.е. u СР =U 0 +U m . u С RФ uВХ VD СФ R UВХ t UВЫХ uR а) б) Рисунок 4.12 - Вольтметр амплитудного значения с закрытым входом В преобразователях с закрытым входом (рисунок 4.12,б) в установившемся режиме на резисторе R независимо от наличия постоянной составляющей входного сигнала имеется пульсирующее напряжение u R , изменяющееся от 0 до 2U m , где U m - амплитуда переменной составляющей входного напряжения. Среднее значение этого напряжения практически равно U m . Таким образом, показание вольтметра в этом случае определяется только амплитудным значением переменной составляющей входного напряжения. Вольтметры среднего значения имеют преобразователи переменного напряжения в постоянное, аналогичные преобразователям, используемым в выпрямительных приборах. Такие вольтметры обычно имеют структуру, показанную на рисунке 4.10,б. В этом случае на выпрямительный преобразователь подается предварительно усиленное напряжение u X , что повышает чувствительность вольтметров и уменьшает влияние нелинейности диодов. Угол отклонения подвижной части ИМ у таких вольтметров пропорционален средневыпрямленному значению измеряемого напряжения, т.е. 1 α = кV ⋅ T t =T ∫ u ( t ) dt = к x V ⋅ U XСР . (4.20) 82 Шкала таких вольтметров градуируется в действующих значениях синусоидального напряжения. При измерении напряжения несинусоидальной формы среднее значение этого напряжения определяется с учетом коэффициента формы кривой измеряемого напряжения. Контрольные вопросы 1. Классификация аналоговых электроизмерительных приборов. 2. Метод, лежащий в основе принципа действия компарирующих приборов. 3. Структурная схема аналогового электроизмерительного прибора. 4. Классификация аналоговых электроизмерительных приборов в зависимости от принципа действия измерительного механизма. 5. Классификация измерительных механизмов по способу создания противодействующего момента. 6. Основные составные части магнитоэлектрического измерительного механизма. 7. Принцип действия магнитоэлектрического измерительного механизма. 8. Достоинства магнитоэлектрических измерительных механизмов. 9. Недостатки магнитоэлектрических измерительных механизмов. 10. Принцип действия электромагнитных измерительных механизмов. 11. Достоинства приборов электромагнитной системы. 12. Недостатки приборов электромагнитной системы. 13. Принцип действия электродинамических измерительных механизмов. 14. Принцип действия и преимущества логометрических приборов. 15. Структурная схема электронного вольтметра постоянного напряжения 83 ЛЕКЦИЯ № 5 Тема лекции: Цифровые электроизмерительные приборы. Цифровые средства измерения частотно-временных характеристик параметров сигналов измерительной информации Вопросы лекции: 1. 2. 3. 4. 5. 6. Структурная схема цифрового электроизмерительного прибора. Методы преобразования аналоговых электрических величин в цифровой код. Цифровые вольтметры время-импульсного преобразования. Основные характеристики цифровых измерительных приборов. Принципы построения цифровых частотомеров – периодомеров. Принципы построения цифровых измерителей фаз. ВОПРОС 1 Структурная схема цифрового электроизмерительных приборов Цифровой измерительный прибор (ЦИП) - измерительный прибор, автоматически вырабатывающий дискретные сигналы измерительной информации, показания которого представлены в цифровой форме [1]. Из определения следует, что главное отличие этого типа приборов от приборов аналоговых заключается в цифровой форме представления результата. Структурная схема цифрового электроизмерительного прибора представлена на рисунке 5.1 [2,3,4]. В таком приборе измеряемая величина х подается на входное устройство (ВУ), предназначенное для выделения её из помех и масштабного преобразования. Аналого-цифровой преобразователь (АЦП) преобразует величину х′ в код N, который подается на цифровое отсчетное устройства (ЦОУ), где он отображается в виде ряда десятичных цифр. Цифровые коды могут также подаваться на внешние устройства, например, на компьютер для обработки или хранения. 84 N x ВУ x′ АЦП Код ЦОУ УУ Рисунок. 5.1- Структурная схема цифрового электроизмерительного прибора Управляет работой ЦИП устройство управления (УУ) посредством формирования последовательности сигналов в функциональные узлы прибора. Проводя аналогию между двумя классами приборов, можно утверждать, что аналого-цифровой преобразователь является главным звеном любого цифрового прибора и классификация ЦИП по принципу действия АЦП является определяющей. Основное назначение АЦП выработать код, наиболее полно характеризующий изменение непрерывной величины x(t) как в области собственных значений, так и во времени. Существенным отличием величины N от α является ее дискретность т.е. для образования кода измеряемая величина x(t) дискретизируется во времени и квантуется по уровню. Дискретизацией непрерывной величины во времени называется операция ее преобразования в дискретную во времени, т.е. величину, значения которой отличны от нуля и совпадают с соответствующими значениями x(t) только в определенные моменты времени. Промежуток между соседними моментами времени дискретизации называется шагом дискретизации, или дискретой, которые могут быть постоянными (рисунок 5.2,а) и переменными (рисунок 5.2,б). x x t T0 2T0 3T0 а) t б) Рисунок 5.2- Дискретизация непрерывной величины с постоянным (а) и переменным (б) шагами 85 Квантованием по уровню величины х(t) называют операцию ее преобразования в квантованную величину x К (t). Фиксированные значения квантованной величины называют уровнями квантования, а разность между двумя ближайшими уровнями квантования называют или ступенью квантования, или шагом квантования, или просто квантом. Квантование по уровню может быть с постоянным квантом (рисунок 5.3,а) или с переменным квантом (рисунок 5.3,б). x xК x t t а) б) Рисунок 5.3 - Квантование по уровню с постоянным (а) и с переменным (б) шагом квантования Из рисунков видно, что чем меньше шаг дискретизации и шаг квантования, тем точнее величины х(кТ) и х К (t) представляют значения непрерывной величины x(t). Таким образом, в результате операций квантования по уровню и дискретизации становится возможным формирование кода. Преобразование х в код К (кодирование) производится по определенному правилу, например, с использованием системы счисления. В привычной для нас десятичной системе счисления любое целое число N может быть представлено в виде: N= n ∑ k ⋅ 10 i i −1 , (5.1) i =1 где п - число разрядов; k i = 0,1,2,3,...9. Например, число 502 = 5 ∙ I02 + 0 ∙ 101 + 2 ∙ 100 для упрощения записи используется лишь последовательность коэффициентов, в которой “вес” каждого коэффициента определяется его местонахождением в комбинации. 86 В двоичной системе счисления используется следующая формула: N= n ∑ ki ⋅ 2 i − 1 , (5.2) i =1 где п - число разрядов; К i = 0 или 1. В этой системе счисления число 502 представляется кодом 111110110. Для двоично – десятичной системы справедлива запись числа 502 в виде 101 000 010 5 2. Кроме указанных систем счисления, в ЦИП используется единичная система, единично-десятичная, тетрадно – десятичная и другие системы счисления. Чаще всего числовой эквивалент измеряемой величины представлен в ЦИП двоичным кодом. ВОПРОС 2 Методы преобразования аналоговых электрических величин в цифровой код В подавляющем большинстве случаев электрические величины преобразуются сначала в напряжение, а затем в цифровой код. Время-импульсное преобразование представляет собой последовательность двух основных операций: преобразование электрической величины (мощности, энергии, сопротивления и т.д.) в постоянное напряжение; преобразование постоянного напряжения во временной интервал, пропорциональный этому напряжению, с последующим формированием цифрового кода. Преобразование измеряемых величин в постоянное напряжение, как правило, осуществляется электронными преобразователями. Зависимость постоянного напряжения на выходе таких преобразователей от измеряемой величины, как правило, линейная. Преобразование постоянного напряжения, пропорционального измеряемой величине, в цифровой код осуществляется при использовании метода времяимпульсного преобразования в два этапа: 87 1) постоянное напряжение преобразуется во временной интервал, пропорциональный величине этого напряжения; 2) временной интервал преобразуется в цифровой код. Такой порядок преобразования измеряемой величины в код определяет вид обобщенной структурной схемы время-импульсного преобразователя, которая представлена на рисунке 5.4 6.4. x ПП UX ПНВ Δt k ПВК Рисунок 5.4 - Структурная схема времяимпульсного преобразователя Время-импульсный преобразователь (ВИП), в общем случае, включает в свой состав: первичный преобразователь (ПП), который формирует постоянное напряжение на своем выходе; преобразователь “напряжение временной интервал” (ПНВ) и преобразователь “временной интервал – код” (ПВК). На выходе ПП формируется напряжение, которое может быть определено по формуле U X = К ПП ∙ х . (5.3) На выходе ПНВ формируется временной интервал, пропорциональный напряжению U X , т.е. справедливо Δ t = К ПНВ ∙ U X = К ПНВ ∙ К ПП ∙ x. (5.4) На выходе ПВК формируется код К, который обычно представляет собой некоторое число импульсов опорной неизменной частоты, т.е. значение непрерывной переменной Δt представляется дискретным значением в виде числа импульсов, “вместившихся” в сформированный интервал времени. Тогда можно записать, что Δ t = N X ∙ T O = К ПНВ ∙ К ПП ∙ x. (5.5) где N X - число импульсов опорной частоты, полученное в результате преобразования; Т O - период следования импульсов. С учетом (5.4) и (5.5) можно выразить зависимость измеряемой величины от числа импульсов в виде выражения: 88 x= где С= T0 ⋅ NX = C ⋅ N X , К ПНВ ⋅ К ПП (5.6) T0 -коэффициент пропорциональности. К ПНВ ⋅ К ПП Обычно коэффициент С выбирают таким, чтобы выражение (5.6) имело вид x = 10n ∙ N X . (5.7) Значит, операция умножения выполняется в ВИП переносом запятой в зависимости от значения n, влево или вправо на соответствующее количество разрядов. Анализ выражения (5.6) позволяет выявить те величины времяимпульсного преобразователя, которые непосредственно влияют на точность преобразования, а именно: коэффициенты К ПНВ и К ПП , а также период следования импульсов опорной частоты. Кроме того, на результат влияет точность фиксирования имеющихся равенств. Очевидно, что для преобразования постоянного напряжения в пропорциональный отрезок времени необходимо использование генераторов линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН). Тогда погрешность преобразования ВИП зависит от стабильности коэффициента первичного преобразователя, коэффициента передачи ГЛИН, периода следования импульсов и точности сравнивающих устройств, используемых в преобразователе. Частотно – импульсное преобразование так же, как и время – импульсное, реализуется в АЦП прямого действия. В основу метода положено свойство некоторых генераторов вырабатывать последовательность импульсов с частотой, пропорциональной значению постоянного напряжения, поданного на вход преобразователя. Структура частотно-импульсного преобразователя показана на рисунке 5.5. ЧИП представляет собой последовательное соединение первичного преобразователя (ПП), который преобразует измеряемую величину в постоянное напряжение U X преобразователя “напряжение – частота” (ПНЧ), который осуществляет преобразование постоянного напряжения в импульсы с частотой, пропорциональ- 89 x ПП UX ПНЧ fX ПЧК k Рисунок 5.5 - Структурная схема частотноимпульсного преобразователя. ной значению напряжения преобразователя “частота – код” (ПЧК). Числоимпульсные и амплитудно-импульсные АЦП прямого действия реализуются аналогично. ВОПРОС 3 Цифровые вольтметры время-импульсного преобразования Цифровые вольтметры время-импульсного преобразования (времяимпульсные вольтметры) представляют собой цифровые приборы, предназначенные для измерения постоянных напряжений методом времяимпульсного преобразования. Время-импульсные вольтметры делятся на вольтметры развертывающего временного преобразования (ЦВР) и интегрирующие цифровые вольтметры (ИЦВ). В цифровых вольтметрах развертывающего преобразования измеряемое напряжение U X сравнивается с изменяющимся по линейному закону напряжением развертки u P (t), которое формируется генератором линейно изменяющегося напряжения (ГЛИН). Интервал времени от начала процесса развертки до момента равенства напряжений U X и u P пропорционален напряжению U X . Структурная схема ЦВР и его временные диаграммы приведены на рисунке 5.6, где ГИ-генератор импульсов; ДЧ - делитель частоты; СИ - счетчик импульсов; К - ключ; УС - устройство сравнения; Ттриггер. Задним фронтом импульсов запуска u 3 (t), вырабатываемых ГИ и ДЧ, триггер Т устанавливается в единичное состояние и одновременно запускается ГЛИН, который формирует напряжение развертки u P (t) = V P ∙ t, (5.8) 90 где VP = U pm TР - скорость изменения пилообразного напряжения; U РМ - максимальное напряжение развертки; T Р - время развертки. В момент равенства напряжений U X и u P устройство сравнения УС вырабатывает импульс, возвращающий триггер в нулевое состояние. На выходе Т формируется импульс длительностью U (5.9) TX = X , VP в течение которого открыт ключ К и импульсы u N образцовой частоты поступают на вход счетчика СИ. Количество этих импульсов N = TX ⋅ f0 = U X ⋅ f0 , VP (5.10) пропорционально измеряемому напряжению. Полученный в счетчике импульсов результат передается в цифровое отсчетное устройство ЦОУ и индицируется им. uЗ UX УС Т UР UТ К uРm UN СИ ГЛИН uX ДЧ UЗ t ЦОУ ГИ uТ uN t ТР t ТX t а) б) Рисунок 5.6 - Структурная схема цифрового вольтметра развертывающего преобразования (а) и его временные диаграммы (б) 91 Время-импульсные вольтметры получили широкое распространение благодаря простоте реализации алгоритма преобразования и относительно высокому быстродействию, достигающему десятков тысяч преобразований в секунду. Кроме погрешности квантования временного интервала основными источниками погрешности являются нестабильность порога сравнения УС, нестабильность угла наклона и нелинейность сигнала развертки, а также смещенность начального уровня развертывающего напряжения. Метод развертывающего временного преобразования применяется в простых и недорогих вольтметрах низкой и средней точности, погрешности которых составляют 0,05. ..0,2%. ВОПРОС 4 Основные характеристики цифровых измерительных приборов Статическая характеристика преобразования идеального ЦИП показана на рисунке 5.7, где х - измеряемая величина; N - выходной код; х к1 , х к2 , х к3 ,… х кn , -уровни квантования; Δх К - шаг квантования. Под идеальным ЦИП понимают устройство, осуществляющее отождествление измеряемой величины с ближайшим уровнем квантования, имеющее идеальное расположение уровней квантования и идеальное сравнивающее устройство, точно устанавливающее момент равенства измеряемой x и образцовой величин. NΔXK, XK 5ΔXK XK5 XK4 4ΔXK 3ΔXK XK3 XK2 2ΔXK ΔXK XK1 X ΔXK 3ΔXK 5ΔXK Рисунок 5.7- Статическая характеристика преобразования идеального цифрового измерительного прибора 92 Идеальный цифровой измерительный прибор имеет только погрешность дискретности. Очевидно, что при использовании реальных цифровых измерительных приборов ни один из них не может рассматриваться как идеальный, т.е. их статическая характеристика отличается от идеальной, и имеют место различного рода погрешности. Статические погрешности, входящие в состав основной погрешности ЦИП, складываются из следующих четырех составляющих: -погрешность дискретности; -погрешность реализации уровней квантования; -погрешность от наличия порога чувствительности сравнивающего устройства; -погрешность от действия помех. Погрешность дискретности обусловлена неточностью отождествления измеряемой величины с уровнем квантования, принимаемым за результат измерения. Очевидно, что при уменьшении цифрового кода на величину меньшего кванта после фиксации момента равенства (округление в меньшую сторону) эта погрешность отрицательна, а при округлении кода в большую сторону Δx Д положительна. Реальное значение погрешности дискретности зависит от значения измеряемой величины, но в любом случае она не превышает значение (х кn ) . В общем случае погрешность дискретности следует считать случайной, так как никогда невозможно заранее знать ее точное значение. Погрешность дискретности, как и все случайные погрешности, распределяется по определенному закону, который определяется законом распределения измеряемой величины х. Однако вследствие практически равной вероятности появления размера величины в пределах одного кванта закон распределения погрешности дискретности принимают равномерным. При этом законе дисперсия погрешности, среднее квадратическое отклонение и математическое ожидание Δx Д определяются соответственно из выражений: ΔX k2 D [ ΔX д ] = , 12 (5.11) 93 σ [ ΔX д ] = M [ ∆X д ] = ΔX k , 2⋅ 3 ∆X k , 2 (5.12) (5.13) Погрешность реализации уровней квантования обусловлена неточностью реализации принятых для данного ЦИП уровней квантования в конкретной технической схеме. Это может быть смещение уровней, которое может проявляться случайным образом (под воздействием внешних факторов) или систематически (смещение, характерное для избранной схемы ЦИП). Погрешность от наличия порога чувствительности сравнивающего устройства ЦИП обусловлена тем, что в реальных ЦИП незначительные изменения измеряемой величины могут не восприниматься сравнивающим устройством, т.е. с изменениями измеряемой величины изменения результата измерений в некоторых пределах может не наблюдаться. Кроме основной погрешности, ЦИП имеют дополнительные погрешности, обусловленные изменением внешних факторов (температуры, напряжения и частоты источника питания и т.п.). Показатели надежности ЦИП определяются аналогичными характеристиками, используемыми при оценке качества аналоговых приборов. Входное сопротивление влияет на потребление от исследуемого объекта мощности и в конечном итоге на результат измерения. Чтобы влияние было минимальным, например, у вольтметров, входное сопротивление делают по возможности большим. Если δ -допускаемая относительная погрешность измерения ЦИП, то соотношение между входным сопротивлением R ВX и внутренним сопротивлением источника сигнала R И должно быть R ВX / R И ≥ δ. У современных цифровых вольтметров постоянного тока на некоторых поддиапазонах входное сопротивление достигает 1010 Ом и более, а при использовании входного делителя 106...107 Ом. Помехозащищенность прибора характеризуется его свойствами устранять влияние на результат измерения влияние помех нормального и общего вида. 94 Помехи нормального вида возникают от различного рода наводок. Помехи общего вида возникают под действием разности потенциалов между источником измеряемого напряжения и точкой заземления прибора. Для уменьшения влияния помех нормального вида в виде напряжения (главным образом частотой 50 Гц) применяют фильтры или ЦИП, основанные на интегрировании входного сигнала. Для борьбы с помехами общего вида схему прибора и его конструкцию выбирают так, чтобы сопротивление контура для тока помехи через R BX было максимальным. Это достигается изолированием входной цепи прибора от корпуса прибора. Ослабление действия помех в цифровых вольтметрах постоянного тока характеризуют коэффициентом подавления помехи (в децибелах), который определяется следующим образом: U  K = 20 lg П ,  ∆U  (5.14) где U П – напряжение источника помехи нормального или общего вида; ΔU - изменение показаний прибора под воздействием помехи нормального вида или падение напряжения на входном резисторе R BX от действия помехи общего вида. Динамические характеристики ЦИП характеризуют свойства цифрового прибора как автоматической системы управления. Для цифровых приборов, время реакции которых превышает интервал времени между двумя измерениями, выполненными на максимально возможной частоте (скорости), указывают полные динамические характеристики аналоговой части и частные динамические характеристики: максимальная частота измерений и погрешность датирования отсчета. Если время реакции ЦИП не превышает интервал времени между двумя измерениями, устанавливают частные динамические характеристики: время реакции, частоту измерений и погрешность датирования отсчета. Погрешность датирования отсчета ЦИП - это интервал времени, начинающийся в момент начала цикла преобразования (запуска) ЦИП и заканчивающийся в момент, когда значение изменяющейся измеряемой величины и значение выходного цифрового сигнала данного ЦИП в данном цикле преобразования оказались равными. 95 Динамические погрешности определяются динамическими свойствами цифровых приборов. Различают динамические погрешности первого и второго рода. Динамические погрешности первого рода, так же как и в аналоговых средствах измерений, обусловлены инерционностью элементов измерительной части цифрового прибора. Динамические погрешности второго рода в ЦИП циклического действия возникают из-за того, что измерение производится в один момент времени, предположим t 2 (рисунок 5.8), а результат измерения приписывают либо началу цикла t 1 , либо концу цикла преобразования t 3 . Это приводит к погрешности Δх 1 или Δх 2 . Максимальная приведенная динамическая погрешность второго рода определяется соотношением: γ=± Δxi x ′ ⋅ TЦ , i = 1, 2, = xm xm (5.15) где Δx - максимальное изменение измеряемой величины за цикл (Т Ц ); x ′ - скорость изменения измеряемой величины; x m - максимальное значение измеряемой величины. X ΔX2 ΔX1 TЦ x(t) t t1 t2 t3 Рисунок 5.8- К вопросу о динамических погрешностях второго рода в ЦИП циклического действия Для исключения динамических погрешностей второго рода в быстродействующих АЦП применяется аналоговое запоминающее устройство, которое в течение всего цикла Т Ц поддерживает на входе АЦП напряжение, равное измеряемому на момент цикла. Полученный код также относят к началу цикла преобразования. 96 Аналого-цифровые преобразователи различных физических величин получили широкое применение не только в цифровых измерительных приборах, которые обычно используются для измерения каких-то одних и вполне определенных величин, но и в измерительно-информационных системах, когда несколько АЦП, измеряющих различные по характеру величины, имеют общее устройство обработки различной измерительной информации. ВОПРОС 5 Принципы построения цифровых частотомеров – периодомеров Цифровые частотомеры (ЦЧ) предназначены для измерения среднего или мгновенного значения частоты периодического сигнала, а также абсолютного или относительного отклонения частоты от номинального значения. Принцип действия ЦЧ среднего значения заключается в подсчете числа периодов Т X неизвестной частоты f X за образцовый интервал времени Т О , формируемый прибором. Результат измерения получается в виде T N = 0 = T0 ⋅ f X . (5.16) TX Структурная схема цифрового частотомера среднего значения изображена на рисунке 5.9,а. Временные диаграммы его работы представлены на рисунке 5.9,б. Генератор образцового интервала времени ГОИВ, состоящий из генератора импульсов ГИ и формирователя временного интервала ФВИ, вырабатывает прямоугольный импульс u Т0 длительностью Т О , в течение которого открыт ключ К, и импульсы u N (t) измеряемой частоты f X , сформированные из входного напряжения u X (t) усилителемформирователем УФ, поступают в счетчик СИ. Количество импульсов N f , подсчитанное счетчиком, пропорционально измеряемой частоте. Результат измерения индицируется в ЦОУ. Из рисунке 5.9,б видно, что отсутствие совпадения импульсов u H (t) измеряемой частоты f Х с началом и концом образцового интервала времени Т О приводит к появлению погрешности квантования, максимальное значение которой 97 δ =± fX УФ К 1 1 = ± ⋅ fX . Nf T0 СИ Nf ЦОУ (5.17) uX t uТО ФВИ t ТО uN ГИ ГОИВ t u‫׀‬ТО Δt1 ‫׀‬ ТО Δt2 t u‫׀‬N Δt2 u‫׀׀‬ТО а) ‫׀׀‬ Т О t t б) Рисунок 5.9 - Структурная схема цифрового частотомера среднего значения (а) и его временные диаграммы (б) Абсолютная погрешность квантования включает в себя два слагаемых: Δt 1 и Δt 2 . Погрешность Δt 1 можно устранить, осуществляя запуск ГОИВ от фронта входного сигнала (интервал времени Т′ О на рисунке 5.9,б). Тогда Δt 1 = 0, а максимальная относительная погрешность квантования определяется из соотношения 1 ⋅ fX . δ'КВ = TO Погрешность квантования можно также уменьшить, если запуск ГОИВ осуществить в момент, соответствующий середине периода измеряемой частоты (интервал времени Т″ на рисунке 5.9,б). В этом случае погрешность квантования уменьшается вдвое. При заданной погрешности измерения максимальное значение образцового интервала времени Т O обратно пропорционально нижней частоте f X min диапазона измерений. Поэтому ЦЧ средних значений нецелесообразно применять при измерении сигналов низких частот, так как время измерения при этом значительно возрастает. 98 ВОПРОС 6 Принципы построения цифровых измерителей фаз Цифровые фазометры (ЦФ) применяются для исследования импульсных устройств, точных измерений малых углов поворота, снятия фазочастотных характеристик различных звеньев. Цифровые фазометры можно разбить на две группы: -ЦФ для измерения мгновенного значения сдвига фаз; -ЦФ для измерения среднего значения сдвига фаз. Принцип действия цифровых фазометров для измерения мгновенного значения сдвига фаз (ЦФМ) заключается в преобразовании измеряемого сдвига между двумя синусоидальными или импульсными напряжениями во временной интервал и в измерении последнего цифровым способом. Фазовый сдвиг гармонических колебаний может быть выражен как φ = ω X ∙ τ X . В свою очередь ω X = 2π / T X . В окончательном виде получаем 2π ⋅ τ X (5.18) φ= , TX где TX = 1 - период колебаний, fX τ X - временной сдвиг между колебаниями. Типовая структурная схема ЦФМ изображена на рисунке 5.10,а. Временные диаграммы его работы - на рисунке 5.10,б. Исследуемые сигналы поступают на формирователи Ф1 и Ф2, которые вырабатывают импульсы u Ф1 и u Ф2 , соответствующие моментам перехода сигналов через нуль. Эти импульсы перебрасывают триггер Т, на выходе которого образуется импульс u T(t) длительностью τ X , открывающий ключ К на интервал времени τ X , определяемый фазовым сдвигом (рисунок 5.10,б). Количество импульсов сигнала u N (t) опорной частоты f О с генератора импульсов ГИ, поступившее за это время в счетчик СИ, определяется соотношением Nφ = τX · fО. (5.19) Искомое значение фазы φ X определяется в соответствии с (5.18) с учетом τ X = N φ / f О из (5.18) в виде 99 φX = 2 ⋅ π ⋅ f X ⋅ Nφ f0 = k ⋅ Nφ . (5.20) Из (5.20) видно, что для измерения фазового сдвига необходимо: - или обеспечить постоянство частоты f X , т.е. использовать ЦФМ на фиксированной частоте, - или обеспечить постоянство отношения частот f X / f 0 ; - или измерять значение частоты (периода) N T = f 0 ∙ T X с последующим вычислением φ X = 2 ∙ π ∙ N φ / N T . ЦОУ u1 u2 Ф1 Ф2 uФ1 uФ2 Т uТ К uN Nφ СИ u1 u2 t uФ1 t uФ2 ГИ t uТ t uN τX t б) а) Рисунок 5.10 - Структурная схема цифрового фазометра для измерения мгновенного значения сдвига фаз (а) и его временные диаграммы (б) В настоящее время имеется большое число схем фазометров, использующих все три приведенных принципа. Максимальная погрешность квантования при измерении фазы Δ КВ = ±2 ⋅ π ⋅ fX f0 и пропорциональна частоте исследуемого сигнала, Основным недостатком ЦФ для измерения мгновенного значения фазы является ограниченность частотного диапазона со стороны верхних частот. 100 Для измерения параметров высокочастотных сигналов применяются ЦФ среднего значения сдвига фаз. Структурная схема и временная диаграмма работы ЦФС представлены на рисунке 5.11,а,б. Формирователь импульса заданной длительности (ФИЗД) выдает управляющий импульс длительностью t И = к ∙ Т О . За время t И (рисунок 5.11,б) на вход пересчетного устройства ПУ проходит t И / Т X пачек квантующих импульсов частотой f О . В каждой из пачек содержится τ X / Т О импульсов. Следовательно, отсчетное устройство ЦОУ зафиксирует число Nφ = τ X ⋅ tи k = ⋅ φX. TO ⋅ TX 2π (5.21) u1 u2 t u1 u2 Ф1 Ф2 u Ф1 uФ2 Т uТ К2 К1 uN ПУ uФ1 t uФ2 f0 ГИ t ФИЗД ЦОУ uТ uN t tX t uФИЗД uПУ t tИ t а) б) Рисунок 5.11 - Структурная схема цифрового фазометра для измерения среднего значения сдвига фаз (а) и его временные диаграммы (б) Составляющие погрешности прибора: 1) погрешность квантования интервала t X квантующими импульсами частотой f O ; 2) погрешность квантования интервала t И пачками импульсов длительностью Т X ; 3) погрешности от неточности формирования и передачи временных интервалов t X и t И . Цифровые фазометры для измерения среднего значения сдвига фаз имеют частотный диапазон от сотен Гц до сотен кГц и обеспечивают погрешность измерения около 0,01%. Сравнение структурных схем измерителей временного интервала и фазометров показывает, что они содержат одинаковые узлы: счетчики, 101 ключи, генераторы импульсов, триггеры и др. Поэтому эти цифровые измерительные устройства часто включаются в состав одного цифрового измерительного прибора, предназначенного для измерения периодов, временных интервалов и сдвига фаз. В последнее время в состав таких универсальных цифровых приборов включаются и цифровые частотомеры. Контрольные вопросы 1. Главное отличие цифровых измерительных приборов от приборов аналоговых. 2. Структурная схема цифрового электроизмерительного прибора. 3. Сущность время-импульсного преобразования. 4. Структурная схема цифрового время-импульсного преобразователя. 5. Сущность частотно-импульсного преобразования. 6. Структурная схема цифрового частотно-импульсного преобразователя. 7. Классификация время-импульсных вольтметров. 8. Принцип действия цифровых вольтметров развертывающего преобразования. 9. Структурная схема цифрового вольтметра развертывающего преобразования. 10. Перечислить основные характеристики цифровых измерительных 11. Принцип действия цифрового частотомера среднего значения. 12. Структурная схема цифрового частотомера среднего значения. 13. Классификация цифровых фазометров. 14. Принцип действия цифровых фазометров для измерения мгновенного значения сдвига фаз. 15. Структурная схема цифрового фазометра для измерения мгновенного значения сдвига фаз. 16. Назначение цифрового фазометра среднего значения сдвига фаз. 102 17. Структурная схема цифрового фазометра среднего значения сдвига фаз. 18. Какой параметр существенно влияет на метрологические свойства цифрового прибора? 19. Отличия функции преобразования идеального и реального цифровых приборов. 103 ЛЕКЦИЯ№ 6 Тема лекции: Средства наблюдения и измерения параметров сигналов измерительной информации Вопросы лекции: 1. Классификация средств наблюдения и измерения параметров сигналов измерительной информации. 2. Принципы построения осциллографов. 3. Принципы построения спектроанализаторов. 4. Оценка погрешностей измерения амплитуды сигналов и временных интервалов при измерениях с помощью осциллографа. ВОПРОС 1 Классификация средств наблюдения и измерения параметров сигналов измерительной информации Класс приборов, позволяющих исследовать форму сигнала, очень обширен. К ним могут быть отнесены и электромеханические осциллографы (так называемые «шлейфовые») и разного рода самописцы и большая группа приборов с электронно-лучевой трубкой – электроннолучевые осциллографы (ЭЛО). Рассмотрению последних и посвящена настоящая лекция. Электронно-лучевой осциллограф - один из наиболее универсальных измерительных приборов для визуального наблюдения электрических сигналов и измерения их параметров. Разработаны и используются различные типы электронно-лучевых осциллографов: универсальные, скоростные, стробоскопические, запоминающие и специальные. Возможность наблюдения формы исследуемого сигнала и одновременное измерение его параметров выдвигают электронно-лучевой осциллограф в разряд универсальных приборов. На основе совершенствования первоначальной схемы универсального осциллографа (его обозначение С1 –..) создан целый ряд специализированных приборов: 104 - С7 –... скоростные стробоскопические; - С8 –...запоминающие; - С9 –... специальные, в том числе цифровые. Иногда эти разновидности бывают объединены в одном приборе. Выбор маркировки зависит от разработчика. Самые распространенные универсальные осциллографы позволяют исследовать разнообразные электрические сигналы с длительностью от единиц наносекунд до нескольких секунд в диапазоне от долей милливольт до сотен вольт. Полоса пропускания лучших универсальных осциллографов составляет 300...400 МГц. Изображение сигнала на экране индицируется практически одновременно с появлением сигнала на входе, поэтому такие приборы называют осциллографами реального времени. Часто универсальные осциллографы выполняют со сменными блоками, расширяющими их функциональные возможности. Для исследования быстро протекающих процессов (нано- и пикосекундной длительности) предназначены скоростные осциллографы, в которых используется специальная электронно-лучевая трубка бегущей волны. Предварительного усиления входного сигнала в скоростных осциллографах обычно не производят, поэтому чувствительность их невелика. Эти приборы являются осциллографами реального времени и позволяют наблюдать и фотографировать одиночные и периодические сигналы. Повторяющиеся кратковременные процессы исследуют с помощью стробоскопических осциллографов. По принципу действия стробоскопические осциллографы относятся к приборам с преобразованием временного масштаба и отличаются высокой чувствительностью и широкой (до 25 ГГц) рабочей полосой. Запоминающие осциллографы, имеющие специальные электроннолучевые трубки, обладают свойством сохранять и воспроизводить изображение сигнала в течение длительного времени после исчезновения его на входе. Основное назначение запоминающих осциллографов – исследование однократных и редко повторяющихся процессов. Запоминающие осциллографы имеют почти те же характеристики, что и универсальные, однако отличаются расширенными функциональными возможностями. 105 Специальные осциллографы оснащены дополнительными блоками целевого назначения. К ним относятся и телевизионные осциллографы, позволяющие выделять видеосигнал заданной строки изображения, и цифровые, дающие возможность не только наблюдать сигнал, но и передать его в цифровом виде на компьютер для дальнейшей обработки. Специальные осциллографы снабжаются блоками измерения напряжений, токов и сопротивлений (мультиметрами), а также устройствами для исследования вольт-амперных характеристик полупроводниковых приборов. По числу одновременно наблюдаемых на экране сигналов различают одноканалъные и многоканальные осциллографы. Совмещение на экране изображений нескольких входных сигналов реализуют или использованием специальной многолучевой трубки, или путем периодического переключения осциллографа на разные входы с помощью электронного коммутатора. ВОПРОС 2 Принципы построения осциллографов Универсальным осциллографом называется измерительный прибор, в котором исследуемый электрический сигнал подается через канал вертикального отклонения на вертикально отклоняющую систему электроннолучевой трубки (ЭЛТ), а горизонтальное отклонение электронного луча трубки осуществляется напряжением горизонтальной развертки. Упрощенная структурная схема универсального осциллографа [2,3] изображена на рисунке 6.1. В осциллографе кроме ЭЛТ и каналов вертикального и горизонтального отклонений можно выделить следующие функциональные блоки: устройство синхронизации и запуска развертки, канал модуляции луча, вспомогательные устройства, источник питания. В стеклянном баллоне ЭЛТ расположены подогревный катод К, модулятор (сетка) М, фокусирующий анод А1, ускоряющий анод А 2 и две пары, взаимно перпендикулярных отклоняющих пластин: X – горизонтальные, Y – вертикальные. Канал вертикального отклонения луча. На рисунке 6.1 показан канал вертикального отклонения луча, состоящий из аттенюатора, линии задержки и усилителя. Канал Y служит для передачи на пластины Y исследуемого сигнала u c (t), подводимого ко входу Y. Аттенюатор канала поз - 106 Канал Y вертикального отклонения Вход Y Аттенюатор Линия задержки Усилитель -Y Вход внешней внутр. Канал X горизонтального отклонения 1 П1 синхрониГенератор 1 П2 УсилиСхема развертки синхронизации тель -X зации 2 2 Вход X Вход Z КМ А1 А2 А3 Аттенюатор Канал Z управления яркостью Аттенюатор Схема изменения полярности Усилитель-Z Выход Калибратор Рисунок 6.1 - Упрощенная структурная схема универсального осциллографа воляет ослабить сигнал u с (t) в определенное число раз, а линия задержки (она регулируемая) обеспечить его подачу на пластины Y с задержкой относительно начала горизонтально развертывающего напряжения U x . Усилитель обеспечивает амплитуду сигнала на пластинах Y, достаточную для значительного отклонения луча на экране даже малым исследуемым сигналом u c (t). В свою очередь, усилитель Y канала вертикального отклонения включает следующие звенья (на рисунке 6.1 не показаны): входной усилитель с изменяемым коэффициентом усиления К ус , линию задержки и парафазный (с противофазными выходными сигналами) усилитель, обеспечивающий положение светового пятна в центре экрана при отсутствии исследуемых сигналов. В канал вертикального отклонения луча может также входить калибратор амплитуды (на рисунке 6.1 не показан). Сигнал от калибратора поступает на вход первого усилителя для установки заданного коэффициента усиления К ус . При этом цена деления (В/дел) масштабной сетки на экране осциллографа определится формулой m= UK , KУС 1 ⋅ nK (6.1) где U К – напряжение калибратора; К ус1 – коэффициент усиления усилителя при одном положении регулировки; п к – число делений сетки, занятое изображением калибровочного сигнала. 107 Основные характеристики канала вертикального отклонения – верхняя граничная частота порядка 100 МГц и чувствительность S y = k Д K yc S mp ; при k д = 1 чувствительность около 1 мм/мВ. Канал горизонтального отклонения луча – канал X – служит для создания горизонтально отклоняющего – развертывающего – напряжения U х с помощью напряжения генератора развертки или для передачи (через аттенюатор и усилитель) на пластины X исследуемого сигнала, подводимого ко входу X осциллографа. Схема синхронизации вырабатывает сигнал синхронизации, поступающий на генератор развертки (для получения четкой неподвижной осциллограммы). Усилитель канала X усиливает и преобразует сигнал развертки U p в U x . Канал горизонтального отклонения характеризуется чувствительностью и полосой пропускания, которые раза в два меньше, чем в канале вертикального отклонения. Основной блок в канале – генератор развертки, работающий в непрерывном или ждущем режиме. К форме пилообразного напряжения генератора предъявляется ряд требований: - время обратного хода луча должно быть много меньше времени прямого хода T обр << T пр . В противном случае часть изображения сигнала будет отсутствовать; - для того чтобы изображение на экране было неподвижным, осциллограмма должна начинаться всегда с одной и той же точки экрана и фазы сигнала. Это достигается синхронизацией напряжения развертки с напряжением сигнала, поэтому период развертки должен быть равен или кратен периоду исследуемого сигнала: T РАЗВ = пТ с , где п = 1, 2, 3, 4...; - напряжение развертки при прямом ходе луча должно быть линейным, иначе луч будет двигаться по экрану с различной скоростью и нарушится равномерность временного масштаба по оси X. Это может привести к искажению сигнала. Канал Z (канал управления яркости) осциллографа служит для передачи со входа Z на управляющий вход ЭЛТ сигнала, модулирующего ток ее луча и, следовательно, яркость свечения люминофора. В схему этого канала входят: аттенюатор, схема изменения напряженности и усилитель Z. 108 Калибратор – устройство формирующее периодический импульсный сигнал с известными амплитудой, длительностью и частотой для калибровки осциллографа, т.е. для обеспечения правильных измерений параметров исследуемого сигнала. ВОПРОС 3 Принципы построения спектроанализаторов Очень часто математическое описание даже несложных по структуре детерминированных сигналов является весьма трудной задачей [2,6]. Поэтому в теории электрических цепей и радиоэлектронике используется оригинальный прием, при котором реальные сигналы заменяют (аппроксимируют, представляют, декомпозируют) набором идеализированных математических моделей, описываемых простыми функциями. Это дает важный инструмент для анализа прохождения сигналов через радиотехнические цепи. Подобным образом можно также упростить задачу синтеза сложных сигналов из совокупности простых сигналов. В начале XIХ в. французскому физику и математику Ж. Фурье удалось доказать оригинальную теорему, которая в буквальном смысле ошеломила его скептически настроенных оппонентов. Он показал, что любое изменение во времеu ни некоторой периодической t функции можно представить (ап- а) 0 проксимировать) в виде конечной u1 или бесконечной суммы ряда гар- б) t монических колебаний с разными u1 t амплитудами, частотами и началь- в) 0 ными фазами. В радиоэлектронике этой функцией может быть, в Рисунок 6.2 - К анализу Фурье: частности, ток или напряжение в а – сложное колебание; б, в – первый и второй суммируемые сигналы некоторой электрической цепи. Столь простое представление сложного изменения во времени какойлибо физической величины в виде суммы ряда простейших гармоничес- 109 ких колебаний могло показаться на первый взгляд лишь математическим трюком. Но это не трюк. Несложный пример доказательства рассуждений Фурье показан на рисунке 6.2. Периодическая, достаточно сложная по форме кривая напряжения u(t) (рисунок 6.2,а) – это сумма двух синусоид равной амплитуды, но разных частот и начальных фаз (рисунок 6.2,б): основной u(t) (первой гармоники) и удвоенной u 2 (t) по отношению к ней частоты (рисунок 6.2,в) Для детерминированных периодических функций (сигналов) Фурье ввел разложение по различным видам рядов – тригонометрическим, комплексным и т.д. Фурье также доказал, что непериодические (импульсные) сигналы можно описать с помощью двух его преобразований – прямого и обратного. Итак, периодический электрический сигнал любой сложной формы можно представить в виде суммы гармонических составляющих, амплитуды и частоты которых могут быть определены с помощью прямого преобразования Фурье. Этот спектр гармонических составляющих можно изобразить графически, если по оси абсцисс откладывать обозначение частот, а по оси ординат – величины амплитуд гармоник. Автоматическое представление спектра осуществляется специальными приборами – анализаторами спектра. Анализаторы спектра электрических сигналов можно классифицировать по ряду специфических признаков: - по способу анализа – последовательные, одновременные и смешанные; - по типу индикаторного устройства – осциллографические, с самописцем; - по диапазону частот – низкочастотные, высокочастотные, сверхвысокочастотные, широкодиапазонные. Большинство анализаторов имеет обозначение С4 –.... Основными метрологическими характеристиками анализаторов являются: разрешающая способность, время анализа и погрешности измерения частоты и амплитуды. Сущность этих понятий будет объяснена дальше. Отметим лишь, что метрологические характеристики анализатора определяются его схемой. 110 Для спектрального анализа непериодических сигналов (функций) используют аппарат интегрального преобразования Фурье. При этом применяется известная формула прямого преобразования Фурье, характеризующая спектральную плотность непериодического (импульсного) сигнала: x ∫ S ( jω ) = S ( ω ) = u( t ) ⋅ e − jωt dt . (6.2) −x Однако есть одно обстоятельство, общее для всех схем анализаторов, ограничивающее точность анализа спектра сигнала: теоретически прямое преобразование Фурье должно производиться во временном диапазоне от - ∞ до +∞, тогда как реальный анализ производится в течение ограниченного времени Т А . Иными словами, текущая спектральная плотность зависит от времени анализа: T ∫0 S ( jω,TA ) = S ( ω,TA ) = u( t ) ⋅ e − jωt dt . (6.3) Отличие текущего спектра от спектра закончившегося процесса зависит от того, проявились ли за время наблюдения Т А все характерные особенности сигнала. Если исследуемый анализатором сигнал периодический с периодом следования Т, то необходимо, чтобы Т А >> Т. Практически во всех анализаторах аналогового типа выделение гармонических составляющих сигнала производится узкополосными фильтрами. Этот метод реализуется способами параллельного (одновременного) или последовательного анализа сигнала. ВОПРОС 4 Оценка погрешностей измерения амплитуды сигналов и временных интервалов при измерениях с помощью осциллографа При оценке погрешностей измерений, проводимых с помощью осциллографа, учитывают следующие метрологические характеристики и параметры: ширину линии луча, погрешность коэффициента отклонения, погрешность измерения напряжения, погрешность коэффициента развертки, погрешность измерения временных интервалов, параметры переход- 111 ной характеристики, амплитудно-частотную характеристику. Переходная и амплитудно-частотные характеристики являются нормируемыми динамическими характеристиками осциллографа. Необходимые данные для расчета погрешностей могут быть получены из технического описания осциллографа конкретного типа. Некоторые составляющие погрешности можно исключить при обработке результатов наблюдений. К ним относятся систематические погрешности, связанные с неравномерностью АЧХ канала вертикального отклонения, конечное время нарастания переходной характеристики канала вертикального отклонения. О близости АЧХ к оптимальной можно судить по времени нарастания переходной характеристики и размере выброса. В многокаскадных усилителях, построенных из условий получения минимального времени нарастания переходной характеристики и минимального выброса (2...3%), спад АЧХ в области верхней граничной частоты весьма приближается к кривой Гаусса, представленной на рисунок 8.3. Здесь по вертикальной оси отложено относительное значение спада АЧХ, а по горизонтальной оси – относительная частота f/f B . По определению граничной частоты f B ей должен соответствовать спад АЧХ, равный 0,7. Поэтому на рисунке 6.3 спад 0,7 (т. е. А 30%) соответствует f/f B =1. 0,8 Таким образом, при измере0,6 нии напряжения синусои0,4 0,2 дального сигнала из-за спа0 да АЧХ канала вертикально0,05 0,1 0,2 0,5 1,0 2,0 f / fВ го отклонения возможна сиРисунок 6.3 - К вопросу о неравномерности АЧХ канала вертикального стематическая погрешность отклонения измерения до 30%, что значительно превышает погрешность измерения, связанную с другими факторами. Исключить эту погрешность можно, используя поправочный множитель или соответствующий график (рисунок 6.4). Размер поправочного множителя определяется соотношением ξ = 1/А, где А – значение спада АЧХ, соответствующее частоте измеряемого колебания. 112 При измерении длительности А,δ % фронта и среза импульсов, соизмеримых с длительностью нарас0,9 10 тания переходной характеристики канала Y, возникает погрешность, 0,8 20 связанная с конечным временем нарастания и спада переходной 30 0,7 характеристики канала верти0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9f / fВ кального отклонения осциллоРисунок 6.4 - К определению разграфа. Введение поправки позвомера поправочного множителя ляет устранить этот вид систематической погрешности. При этом длительность фронта исследуемого импульса определяют с помощью формулы τ Ф = 2 2 τФ .0 − τ Н , где τ Ф.0 – дли- тельность фронта импульса, определенная по изображению на экране осциллографа, τ Н – время нарастания переходной характеристики осциллографа. Кроме погрешностей, определяемых характеристиками осциллографа и связанных с его внутренними цепями, возможно возникновение систематических погрешностей, обусловленных подключением прибора в измеряемую цепь. При этом значения погрешностей определяются полным входным сопротивлением осциллографа. Расчет систематических погрешностей такого типа аналогичен расчетам погрешностей, связанных с подключением вольтметров. Помимо систематических погрешностей, поддающихся учету и устранению, осциллографическим измерениям свойственны неучтенные систематические погрешности, связанные с погрешностями коэффициента отклонения, коэффициента развертки, неравномерностью переходной характеристики. При съеме показаний возникает случайная визуальная погрешность, состоящая из погрешности совмещения линий осциллограммы с рисками шкалы и погрешностей отсчета положения линии относительно делений шкалы. Методика расчета погрешности содержится в ГОСТ на электронно - лучевые осциллографы. Считается, что визуальная погрешность совмещения составляет 1/5, а погрешность отсчета 1/3 шири- 113 ны луча b. При измерении амплитуды импульсов относительная визуальная погрешность 2 2 0 ,4 ⋅ b   b/ 3 b/ 5 ⋅ 100%, δВИЗ .U =  ⋅ 100  ≈ ⋅ 100  +  h h h     где b и h размер изображения – в миллиметрах. Кроме визуальной погрешности, при измерении амплитуды импульсов учитывается погрешность δ Н , связанная с неравномерностью переходной характеристики, и δ К.О – погрешность коэффициента отклонения. Суммарная погрешность определяется соотношением ΔU = 2 2 δ К2 .О + δН + δВИЗ .U . Если в описании осциллографа приведены данные о статической погрешности измерения напряжения, обозначаемой δ U , то суммарную погрешность можно рассчитать по формуле ΔU = 2 δU2 + δН . Однако значение δ U задается обычно для определенного диапазона размеров осциллограмм, например от 2,4 до 6 см. Погрешность измерения длительности импульсов прямоугольной формы оценивают путем учета: - погрешности, вызванной неточностью определения уровня 0,5 амплитуды; - визуальной погрешности: 2 δВИЗt = 2 0 ,4 ⋅ b  b/3 b/5  ⋅ 100%, ⋅ 100  ≈ ⋅ 100  +   h       где δ ВИЗ t – визуальная погрешность определения временного интервала в процентах, b – ширина линии в миллиметрах,  – размер изображения в миллиметрах по уровню 0,5. Погрешность измерения длительности импульса прямоугольной формы рассчитывается по формуле 2 Δt = δК2 .Р + δ02,5U + δВИЗ .t . где δ К.Р – погрешность коэффициента развертки. 114 Если задана погрешность измерения временных интервалов то расчет суммарной погрешности можно производить по следующей формуле: Δt = δt2 + δ02,5U . Основные технические и метрологические характеристики анализаторов спектра. К числу основных технических характеристик анализаторов спектра последовательного действия относят: диапазон частот, полосу обзора, чувствительность, разрешающую способность, скорость анализа. К метрологическим характеристикам относят: основную погрешность измерения частоты входного синусоидального сигнала, погрешность измерения отношения уровней синусоидальных сигналов, неравномерность АЧХ. Первые два параметра нормируются ГОСТ. Значение неравномерности АЧХ указываются в нормативно-технической документации на конкретный тип анализатора спектра. Неравномерность АЧХ не нормируют в том случае, если она не учитывается в качестве составляющей погрешности измерения уровней. АЧХ является динамической характеристикой анализатора спектра. В нормативно-технической документации устанавливаются параметры входа: волновое сопротивление, коэффициент стоячей волны по напряжению или активное входное сопротивление и шунтирующая емкость. Диапазон частот определяет граничные частоты диапазона, в пределах которого работает данный прибор. Например, анализатор спектра С4-46 работает в диапазоне частот 0,1...270 МГц. Иногда рабочий диапазон разбивается на поддиапазоны. Полоса обзора определяет полосу анализируемых частот за один цикл перестройки генератора качающейся частоты. В зависимости от типа применяемого прибора и его диапазона частот полоса обзора может изменяться от сотен герц до десятков мегагерц. Перестройка полосы обзора осуществляется изменением девиации частот гетеродина. Чувствительность определяется минимальной ЭДС, при которой обеспечиваются нормальные условия работы анализатора спектра, т. е. необходимое выходное напряжение для получения удобного размера изображения спектра на экране ЭЛТ, превышения сигналом уровня собственных шумов и т. п. 115 Разрешающая способность характеризует способность анализатора разделить две соседние частотные составляющие спектра. Так как в основе принципа построения анализаторов спектра лежит явление резонанса, то их разрешающая способность в первую очередь определяется свойствами резонансной системы. При последовательном анализе на резонансную систему воздействует сигнал с плавно изменяющейся частотой. Если частота меняется медленно, переходные процессы в колебательной системе не проявляются и анализатор измеряет частотную характеристику цепи. Огибающая колебаний, возникающих на выходе контура, повторяет форму частотной характеристики резонансной цепи. На рисунке 6.5,а,б,в показаны: направление изменения частоты, частотная характеристика S uK а) ω t K в) б) ω ωi Рисунок 6.5 - Формирование спектральной линии на экране ЭЛТ колебательного контура и напряжение на его выходе. Именно такой сигнал после детектирования и усиления образует на экране ЭЛТ одну спектральную линию. На рисунке 6.6 показано воздействие двух плавно перестраиваемых гармонических составляющих на колебательный контур. В этом случае в резонансном контуре возникнут биения с разностной частотой. Огибающая колебаний (рисунок 6.6,в) имеет два максимума, характеризующие спектральные линии. 116 S 1 2 uK а) ωω t K б) ω в) ωi Рисунок 6.6 - Воздействие двух плавно перестраиваемых гармонических составляющих на колебательный контур Контрольные вопросы 1. Назначение электронно-лучевых осциллографов. 2. Назначение скоростных осциллографов. 3. Назначение стробоскопических осциллографов. 4. Назначение запоминающих осциллографов. 5. Упрощенная структурная схема универсального осциллографа. 6. Назначение канала вертикального отклонения луча универсального осциллографа. 7. Назначение канала горизонтального отклонения луча универсального осциллографа. 8. Принципы построения спектроанализаторов. 9. Классификация анализаторов спектра электрических сигналов. 10. Оценка погрешности измерения с помощью осциллографа длительности импульсов прямоугольной формы. 11. Основные технические и метрологические характеристики анализаторов спектра. 117 ЛЕКЦИЯ № 7 Тема лекции: Измерение напряжения, тока и электрической мощности Вопросы лекции: 1. 2. 3. 4. 5. Измерение величины постоянного и переменного напряжения Измерение величины постоянного и переменного тока Измерение мощности в цепях постоянного тока. Измерение мощности в цепях переменного тока. Измерение мощности сигналов ВЧ и СВЧ диапазонов. ВОПРОС 1 Измерение величины постоянного и переменного напряжения В цепях постоянного тока наиболее употребительны приборы магнитоэлектрической системы. Из предыдущего известно, что угол поворота ИМ этой системы пропорционален току в рамке α = к ∙ I. (7.1) На его основе построены приборы для измерения постоянного напряжения и тока. ИМ этой системы характеризуются: 1) сопротивлением -R ИМ , 2) током полного отклонения - I ИМ , 3) напряжением полного отклонения U ИМ = I ИМ ∙ R ИМ . (7.2) Значениям I ИМ и U ИМ соответствует поворот указателя до конечного деления шкалы, как показано на рисунке 7.1. Без дополнительных IИМ устройств ИМ этих приборов может быть только микроамперметром, т.к. UИМ I ИМ – порядка микроампер, R ИМ – едиРисунок 7.1 - Поворот указаниц или долей Ома. Поэтому увеличетеля до конечного деления ние тока сверх допустимого I ИМ приводит к перегоранию токоподводов. 118 Измерение напряжения в цепи постоянного тока проводится вольтметром, включенным параллельно в цепь. Среди цифровых приборов для этой цели наиболее приемлемы цифровые вольтметры постоянного тока или универсальные цифровые вольтметры. Если измеряемая величина находится в пределах измерения используемого средства, то вольтметр включается в цепь так, как это показано на рисунке 7.2. Вольтметр должен обладать при этом как можно большим внутренним сопротивлением R В . Это необходимо для того, чтобы его включение не оказывало заметного шунтирующего действия и не снижало значения измеряемого напряжения. Чем выше значение измеряемого напряжения, тем выше должно быть внутреннее сопротивление вольтметра. При измерении малых напряжений в пределах 0,1...0,5 В прибор включается в цепь непосредственно (рисунок 7.2,а). При измерении более высоких напряжений последовательно с катушкой прибора включается добавочный резистор с сопротивлением R Д (рисунок 7.2,б). Добавочные резисторы располагаются внутри прибора в вольтметрах с верхним пределом измерения 600...1000 В, либо размещаются вне его в вольтметрах с пределом измерения 1000 В и выше. Для измерения напряжения в цепях переменного тока промышленной частоты используются аналоговые или цифровые вольтметры переменного тока. Среди аналоговых приборов наиболее предпочтительными являются вольтметры с измерительными механизмами электромагнитной, электродинамической и электростатической систем. Вольтметры магнитоэлектрической системы с выпрямительными или термоэлектрическими преобразователями применяются реже, обычно на более высоких частотах. RД UД U U RВ V а) RН RН RВ V б) UВ Рисунок 7.2 - Прямое включение вольтметра (а) и включение с добавочным сопротивлением (б) 119 Во всех случаях последовательно измерительному механизму электромагнитной и электродинамической систем подключается добавочный резистор (рисунок 7.2,б). Так как электростатический измерительный механизм имеет высокое внутреннее сопротивление, то при его использовании добавочного резистора не требуется, и прибор включается в цепь переменного тока непосредственно (рисунок 7.2,а). Расширение пределов измерения вольтметров в цепях переменного тока осуществляется с помощью измерительных трансформаторов напряжения ИТН. Схема включения вольтметра с ИТН показана на рисунке 7.3,а (для однофазной цепи переменного тока) и на рисунке 7.3,б (для трехфазной цепи переменного тока). Зажимы первичных обмоток ИТН включаются непосредственно в цепь через плавкие предохранители. К зажимам вторичных обмоток подключаются вольтметры. Важным правилом эксплуатации ИТН является обязательное надежное заземление одного из зажимов его вторичной обмотки, что обеспечивает невозможность подключения непосредственно к сети приборов, подключенных к вторичной обмотке, при нарушении изоляции между первичной и вторичной цепями ИТН. При симметричной нагрузке в трехфазных цепях можно пользоваться одним вольтметром и схемой (рисунок 7.2,б). В этом случае ограничиваются одним измерением фазного напряжения. Схема, представленная на рисунке 7.3,б, используется при асимметрии нагрузки трехфазной цепи переменного тока. Для подключения приборов в этом случае достаточно двух измерительных трансформаторов напряжения. ZН A B C A X a x V X X A a V1 x x U'BC A a V2 U'AB V3 UB U'CA а) б) Рисунок 7.3- Включение вольтметра с измерительными трансформаторами напряжения: а) - для однофазной цепи; б) - для трехфазной цепи 120 ВОПРОС 2 Измерение величины постоянного и переменного тока Измерение тока приборами прямого действия, как правило, производится амперметрами, включенными непосредственно в цепь последовательно с нагрузкой. В цепях постоянного тока для этой цели применяются в основном приборы магнитоэлектрической системы. Приборы других систем применяются реже. Амперметр включается по схеме, изображенной на рисунке 7.4,а. Для измерения переменного тока используются преимущественно амперметры электромагнитной системы и др. I RН А U U а) RШ Т IА П IШ А Т П RН б) Рисунок 7.4 - Включение амперметра: а) непосредственно в цепь; б) с применением шунта Катушка магнитоэлектрического амперметра выполняется на величину тока в пределах до 0,1 А. Для измерения тока больше 0,1 А в цепях постоянного тока применяются шунты. Схема подключения шунта к амперметру приведена на рисунке 7.4,б. Шунты для расширения пределов измерения электромагнитных амперметров применять нецелесообразно. Для этой цели следует использовать измерительные трансформаторы тока ИТТ. Схема включения амперметра переменного тока с ИТТ в цепь показана на рисунке 7.5. Значение тока в нагрузке Z Н определяется путем умножения показаний амперметра на коэффициент трансформации ИТТ. Предельное значение рабочей частоты переменных токов для амперметров электромагнитной и электродинамической систем составляет несколько килогерц. С повышением частоты резко увеличиваются дополнительные погрешности. 121 I ~U ZН ИТТ Л1 Л2 И1 И2 IА А Рисунок 7.5 - Включение амперметра переменного тока с измерительным трансформатором тока В трехфазных цепях при симметричной нагрузке ограничиваются измерением одного из линейных токов, причем измерения производят так же, как и в однофазных цепях. При симметричной нагрузке в трехфазных трехпроводных цепях для измерения трех линейных токов с применением ИТТ достаточно иметь два одинаковых трансформатора. Подключение приборов производится по схеме, изображенной на рисунке 7.6. Геометрическая сумма токов в трехфазной симметричной цепи равна нулю, что позволяет считать I С = - (I a + I в ). Амперметр A3 (см. рисунок 7.6) измеряет модуль тока I′с = (- I′a + I′в ), где I′a = I a / к I; I′в = I в / к I; к I – коэффициент трансформации ИТТ. A Л2 Л1 И1 B IA И2 Л 1 Л2 И1 И2 IB IC C А1 I′a А2 I′b А3 I′c Рисунок 7.6 - Включение амперметров переменного тока для измерения трех линейных токов с применением измерительных трансформаторов тока 122 ВОПРОС 3 Измерение мощности постоянного тока Электрическая мощность определяется работой, совершаемой источником электромагнитного поля в единицу времени. Размерность электрической мощности записывается следующим образом: джоуль/сек = ватт. Мощность измеряют в пределах от 10-18 до 108 Вт во всем частотном диапазоне от постоянного тока до миллиметровых и более коротких длин волн. В процессе эксплуатации телекоммуникационных систем достаточно часто возникает задача измерения мощности постоянного тока, активной мощности и энергии однофазного и трехфазного переменного тока и т.д. Измерение мощности в цепях постоянного тока предполагает использование косвенных и прямых измерений. Косвенные измерения мощности основываются на использовании известного соотношения для цепи постоянного тока P=U·I, т.е. для определения мощности Р достаточно иметь вольтметр и амперметр. По этой причине такое измерение называют «методом вольтметра-амперметра», хотя, строго говоря, слово «метод», применяемое в ряде литературных источников, не может рассматриваться как метод измерений, под которым принято понимать один из методов, рассмотренных в лекции №1. На рисунке 7.7 приведены две возможные схемы включения вольтметра и амперметра. Значение мощности, получаемое в обоих случаях как произведение показаний приборов, будет отличаться от действительного значения мощности, потребляемой нагрузкой. Это обусловлено потреблением мощности самими приборами и, следовательно, неизбежна погрешность измерения, зависящая от сопротивлений приборов и схемы их включения. При использовании схемы, изображенной на рисунке 7.7,а значение мощности определяется соотношением IА=I А + U - I + IН V а) RН UН А I U - V б) IН RН UН=UВ Рисунок 7.7 - Измерение мощности: а) - с включением вольтметра перед амперметром; б) - с включением вольтметра после амперметра 123 P 1 = U В ∙ I А = (U А +U H ) ∙ I А = U А ∙ I А + U H ∙ I А = Р А + P H , (7.3) где Р А - мощность, потребляемая амперметром; Р Н - мощность, потребляемая нагрузкой. Как видно из данного выражения, значение мощности P 1 будет больше истинного значения мощности Р Н , потребляемой нагрузкой на величину Р А , т.е. на значение мощности, потребляемой амперметром. При использовании схемы, изображенной на рисунке 7.7,б значение мощности определяется выражением P 2 = I А ∙ U В = (I В + I H ) ∙ U В = I В ∙ U В + I H ∙ U В = Р В + P H , (7.4) где P В - мощность, потребляемая вольтметром; Р Н - мощность, потребляемая нагрузкой. В этом случае значение мощности Р 2 будет больше истинного значения мощности, потребляемой нагрузкой, на величину Р В , т.е. на мощность, потребляемую вольтметром. Относительные погрешности для рассмотренных вариантов включения приборов определяются соответственно выражениями: P2 − PН ∆ P U R δ1 = ⋅ 100% = ⋅ 100% = А ⋅ 100% = А ⋅ 100% = А ⋅ 100%, (7.5) PН PН PН UН RН δ2 = P1 − PН ∆ P I R ⋅ 100% = ⋅ 100% = В ⋅ 100% = В ⋅ 100% = Н ⋅ 100%. PН PН PН IН RВ (7.6) Следовательно, для уменьшения погрешностей схему (рисунок 7.7,а) применяют при значении сопротивления нагрузки большем по сравнению со значением сопротивления амперметра. Схему (рисунок 7.7,б) используют при сопротивлении нагрузки меньшем, чем сопротивление вольтметра. Если в цепи переменного тока реактивное сопротивление равно нулю, то на промышленной частоте измерение активной мощности в однофазной цепи также может быть проведено путем использования приведенных схем. При прямых измерениях мощности в цепях постоянного тока используются электродинамические ваттметры. Направление отклонения стрелки ваттметра зависит от направления токов в обеих обмотках измери- 124 тельного механизма. Поэтому зажимы последовательной и параллельной обмоток ваттметров всегда имеют разметку: зажимы, которые должны быть включены в линию со стороны генератора называются генераторными и обозначаются звездочками. В зависимости от значения сопротивления нагрузки генераторный зажим параллельной обмотки электродинамического ваттметра присоединяется к последовательной цепи либо по схеме, изображенной на рисунке 7.8,а либо по схеме, изображенной на рисунке 7.8,б. Схему (рисунок 7.8,а) целесообразно использовать в тех случаях, когда значение сопротивления нагрузки больше значения сопротивления последовательной обмотки ваттметра, так как относительная погрешность измерения невысока (выражение 7.5). *PW I * U I RД а) * I * RН U I RД RН б) Рисунок 7.8 - Включение ваттметра: а) – при значении сопротивления нагрузки больше значения сопротивления последовательной обмотки ваттметра; б) – при значении сопротивления нагрузки меньше значения сопротивления параллельной обмотки ваттметра Схема (рисунок 7.8,б) аналогична схеме (рисунок 7.7,б), т.е. ее применение целесообразно в тех случаях, когда значение сопротивления нагрузки меньше значения сопротивления параллельной обмотки ваттметра, так как относительная погрешность измерения определяется выражением (7.6). При высокоточных измерениях мощности, как правило, используют измерение тока и напряжения с помощью компенсаторов, так как погрешность в этом случае оказывается незначительной. Кроме указанных средств, широкое применение для измерения мощности цепи постоянного тока получили электронные ваттметры, которые представляют собой последовательное соединение электронного преобразователя (множительного устройства) и магнитоэлектрического измерительного механизма. 125 ВОПРОС 4 Измерение мощности в цепях переменного тока. В диапазоне низких, средних и высоких частот используют косвенные методы измерения мощности, т.е. определяют токи, напряжения, фазовые сдвиги и затем вычисляют мощность. Активная (поглощаемая электрической цепью) мощность однофазного переменного тока P = U· I· cos φ , (7.7) где U, I — действующие значения напряжения и тока; φ – сдвиг фазы между ними. Если нагрузка R H в цепи чисто активная (φ = 0), то мощность переменного тока Р = U · I = I2·R H = U2 / R H . (7.8) В случае периодического сигнала произвольной формы оценить электрическую мощность можно с помощью ряда Фурье: Р = U 0 ∙I 0 + U 1 ∙I 1 ∙cosφ 1 + U 2 ∙I 2 ∙cosφ 2 +…+ U n ∙I n ∙cosφ n , (7.9) где U 0 , I 0 – постоянные составляющие; U n , I n – действующие значения гармоник напряжения и тока; φ n – фазовый сдвиг между гармониками напряжения U n и тока I n . Электрическую мощность переменного тока можно измерять непосредственно с помощью специальных приборов – ваттметров, или косвенно путем измерения величин, входящих в приведенные соотношения. Принцип действия ваттметров основан на реализации операции умножения. Применяют устройства прямого и косвенного перемножения. Примерами устройств прямого перемножения являются измерительные механизмы ваттметров электродинамической системы. Прямое перемножение напряжения и тока можно обеспечить с помощью преобразователей Холла, аналоговых интегральных перемножителей и т.д. В устройствах косвенного перемножения произведение величин находят в результате использования таких математических операций, как сложение (вычитание), возведение в степень, логарифмирование, интегрирование и пр. Современные ваттметры на частоты до 1 МГц строятся на основе интегральных перемножителей с использованием термопреобразователей. 126 Электродинамические ваттметры. При прямых измерениях в диапазонах до нескольких килогерц (1...5 кГц) могут иногда использоваться электродинамические ваттметры. Принцип действия такого ваттметра основан на том, что угол поворота α рамки (со стрелкой) электродинамического прибора пропорционален произведению токов, умноженному на косинус угла φ между ними: (7.10) α = k ∙ I 1 ∙ I 2 ∙ cosφ, где k – постоянный для данного прибора коэффициент. Пусть требуется измерить активную мощность, потребляемую некоторой нагрузкой Z H , к которой приложено действующее значение напряжения U H и через нее протекает ток с действующим значением I H и сдвинутый по фазе на угол φ по отношению к напряжению. Схема включения катушек ваттметра показана на рисунке 7.9 где R Д – добавочное сопротивление. Если параметры ваттметра выбраны так, что R Д >> Z H , то ток в подвижной катушке I 1 ≈ I Н , а в неподвижной – I 2 ≈U Н /R Д . Подвижная катушка I1=I U Неподвижная катушка I RД UН ZН Рисунок 7.9 - Схема электродинамического ваттметра Поэтому угол отклонения стрелки ваттметра с учетом (7.10) будет пропорционален активной мощности в нагрузке Р: α = (k ∙ I Н ∙ U Н /R Д ) ∙ cosφ = k ∙ P. Более высокую точность измерения мощности по методу прямого умножения двух сигналов обеспечивает операция интегрирования, которую применяют в прецизионных измерительных преобразователях активной мощности промышленной частоты. 127 По уровню измеряемых электрических мощностей все измерители мощности делятся на ваттметры малой мощности (до 10 мВт), средней мощности (10 мВт ... 10 Вт) и большой мощности (свыше 10 Вт). ВОПРОС 5 Измерение мощности СВЧ-колебаний Большое практическое значение имеет измерение мощности на СВЧ. Косвенные методы, изложенные выше, не находят применения, так как токи и напряжения различны в разных сечениях линии передач (стоячие волны) и подключение измерительного прибора меняет режим работы измерительной цепи. Поэтому в СВЧ-диапазоне используются методы преобразования электромагнитной энергии в другие виды, например в тепловую, и последующее измерение мощности преобразованной энергии. Различают два основных метода измерения мощности СВЧколебаний. 1. Измерение мощности источника электромагнитных колебаний (генератора). Согласно общепринятому определению, под мощностью генератора понимают мощность, отдаваемую в согласованную нагрузку (рисунок 7.10,а). В этом случае измеряемая мощность полностью рассеивается на некотором измерительном эквиваленте нагрузки с последующим измерением мощности теплового процесса. Такие измерители мощности называются ваттметрами поглощающего типа. Так как нагрузка должна полностью поглощать измеряемую мощность, то использование прибора возможно лишь при отключенном потребителе. Результат измерения будет наиболее точным, если входное сопротивление прибора полностью согласовано с выходным сопротивлением исследуемого генератора или волновым сопротивлением линии передачи. 2. Измерение электрической мощности, выделяемой в нагрузке, полное сопротивление которой может быть произвольно. В этом случае между генератором и нагрузкой включается устройство, преобразующее в другую форму лишь незначительную часть передаваемой по линии энергии и не нарушающие процесса передачи (рисунок 7.10 10.4,б). 128 Нагрузка ГенераГенера- Нагрузка – измеритель поглощаемой мощности а) Измеритель проходящей мощности б) Рисунок 7.10 - Способы измерения мощности ваттметром: а) - поглощающей мощности; б) – проходящей мощности Измерение мощности с помощью терморезисторов. Основным методом измерения малых мощностей, на котором построены промышленные ваттметры, является метод измерения проводимости терморезистора при рассеянии в нем электромагнитной энергии. В качестве терморезисторов применяются термисторы и болометры. Термистор – полупроводниковый прибор, сопротивление которого зависит от температуры, а, следовательно, от рассеиваемой на нем мощности. Температурная характеристика термистора – отрицательная. Чувствительность высокая – от 10 до 100 Ом/мВт. Болометр – проволочный или пленочный терморезистор с положительной температурной характеристикой. Болометры менее чувствительны, чем терморезисторы, но имеют более стабильные, не зависящие от температуры окружающей среды характеристики. Термистор или болометр помещают внутрь измерительной головки, состоящей из отрезка волновода или коаксиальной линии. Изменение величины сопротивления терморезистора измеряется обычно с помощью различных мостовых схем. Схема неуравновешенного моста представлена на рисунке 7.11. Исходное уравновешивание моста (при отсутствии измеряемой мощности СВЧ) обеспечивают схемой температурной компенсации, состоящей из потенциометра R плавной регулировки и вспомогательного генератора Г с частотой выходных колебаний 50... 100 кГц. При равновесии моста ток в 129 измерительной диагонали и показания гальванометра равны нулю. Измеряемую мощность СВЧ Р ВХ подают на термистор. Если схема измерителя согласована с генератором, то мощность полностью рассеивается на ЕПИТ R1 R2 L PВХ С Rt Г R3 ~ R Рисунок 7.11 - Схема неуравновешенного моста термисторе. В результате его сопротивление понизится и через гальванометр начнет протекать ток. Шкалу гальванометра градуируют в единицах мощности, используя калиброванный источник постоянного тока Е ПИТ . К преимуществу измерителей электрической мощности с неуравновешенными мостами относится наглядность индикации результата измерений, а к недостатку – сравнительно малая точность. Последнее объясняется двумя основными причинами. Во-первых, неизбежное при измерении мощности СВЧ изменение сопротивления термистора влечет за собой нарушение согласования сопротивлений термисторной камеры и линии передачи электромагнитных колебаний. Вследствие этого возникает частичное отражение электромагнитной волны от камеры, а значит, неполное рассеяние измеряемой мощности на термисторе. Кроме того, по мере естественного изменения характеристик термистора (или при его замене) нарушается установленное при градуировке соответствие между показаниями прибора и величиной рассеиваемой мощности. Более высокую точность измерений обеспечивают уравновешенные мосты, в которых измеряемую мощность СВЧ сравнивают с калиброванной мощностью постоянного тока. Пример одной из схем измерительного уравновешенного моста с терморезистором представлен на рисунке 7.12. 130 Г ~ С R1 IМ IО R2 R4 R7 R5 IШ PВХ Rt R3 + -Е R6 Рисунок 7.12 - Схема уравновешенного моста Терморезистор R t , находящийся в головке, включают в одно из плеч моста. Остальными плечами моста являются резисторы R 1 , R 2 , R 3 , равные по величине R t0 – сопротивлению терморезистора в рабочей точке. Напряжение питания на мост подается через резистор R 4 , сопротивление которого велико. Параллельно мосту включен делитель из сопротивлений R 5 , R 6 . Резистор R 6 представляет собой реостат, с движком которого связана отсчетная шкала. От сопротивления R6 зависит ток через терморезистор, поскольку ток питания моста I М = I 0 - I Ш , а ток через данный резистор, когда мост уравновешен, I Rt = 0,5 ∙ I М . До подачи мощности СВЧ мост сбалансирован за счет двух источников питания: постоянного тока и переменного тока генератора Г. При этом положение движка резистора R 6 такое, чтобы сопротивление R 6 было максимальным, если используется термистор, или минимальным, если используется болометр. При подаче сигнала СВЧ баланс моста нарушается, и его восстанавливают, изменяя ток питания моста (а следовательно, и терморезистора) с помощью сопротивления R 6 источника Е. Для термисторов нужно увеличивать шунтирующее действие, т.е. уменьшать R 6 , а для болометров – наоборот. Шкала движка R 6 градуируется в ваттах. Начальная балансировка моста переменным напряжением генератора Г позволяет исключить влияние температуры окружающей среды и сохранить градуировку при старении терморезисторов и их замене. 131 Промышленные терморезисторные ваттметры имеют общую погрешность порядка 4... 10 %. Погрешности измерения определяются в основном степенью согласованности нагрузки и качеством измерительной головки. Контрольные вопросы 1. Приборы какой системы применяются наиболее широко для измерения напряжения в цепях постоянного тока? 2. Как включается вольтметр в цепь постоянного тока? 3. Приборы каких систем применяются наиболее широко для измерения в цепях переменного тока? 4. Зачем при измерении напряжения последовательно измерительному механизму подключается добавочный резистор? 5. Чем достигается расширение пределов измерения вольтметров в цепях переменного тока? 6. Схема включения вольтметра с измерительным трансформатором напряжения. 7. С какой целью один из зажимов вторичной обмотки измерительного трансформатора напряжения заземляется. 8. Как включается амперметр в цепь постоянного тока? 9. Чем достигается расширение пределов измерения в цепях переменного тока? 10. Какие виды измерений используются при измерении мощности в цепях постоянного тока? 11. Какие ваттметры используются при прямых измерениях мощности в цепях постоянного тока? 12. Назначение разметки генераторных зажимов обмоток электродинамических ваттметров. 13. Какие приборы используются при высокоточных измерениях мощности? 14. Почему в СВЧ-диапазоне не находят применения косвенные методы измерения мощности? 132 15. Какие методы применяются для измерения мощности в СВЧдиапазоне? 16. Основной метод измерения малых мощностей в СВЧ-диапазоне, на котором построены промышленные ваттметры. 133 ЛЕКЦИЯ 8 Тема лекции: Измерение пассивных физических величин Вопросы лекции: 1. Измерение сопротивлений. 2. Измерение емкостей и индуктивностей. 3.Принцип действия омметров с логометрическим измерительным механизмом. ВОПРОС 1 Измерение сопротивлений Измерение сопротивления проводится самыми разнообразными средствами измерений, позволяющими прямо или косвенно находить неизвестные значения этой величины. Диапазон измеряемых в настоящее время сопротивлений достаточно широк - от 10-8 до 1017 Ом. В самых различных областях техники имеется тенденция к еще большему расширению указанного диапазона. При измерениях сопротивления значительное число способов основывается на использовании закона Ома. При отсутствии необходимости в очень точных результатах измерения сопротивление может быть измерено косвенно либо с помощью одного вольтметра, либо с помощью одного амперметра. Погрешность в обоих случаях в основном определяется погрешностью применяемого прибора. Если значение измеряемого сопротивления имеет один порядок с сопротивлением вольтметра, то целесообразно использовать схему, представленную на рисунке 8.1. В положении "1" переключателя SA1 вольтметр измеряет напряжение источника питания U, а в положении "2" SA1 2 V U U1 1 rХ U–U1 Рисунок 8.1 - Косвенное измерение сопротивления с помощью вольтметра 134 вольтметр оказывается включенным последовательно с измеряемым сопротивлением r Х , что дает право считать справедливым соотношение U1 r = В , U − U 1 rX (8.1) где U 1 - падение напряжения на вольтметре. Значение искомого сопротивления определяется по формуле U rX = rB  − 1 ), (8.2)  U1 где r В - внутреннее сопротивление вольтметра, значение которого всегда указывается на циферблате прибора. Если же оператору необходимо выяснить соответствие сопротивления вольтметра значению, указанному на приборе, то, имея образцовый резистор r 0 , это можно сделать, используя соотношение величин r Х и r В согласно выражению (8.2) U ⋅r (8.3) rB = 1 0 . U − U1 Если значение измеряемого сопротивления не одного порядка с внутренним сопротивлением вольтметра, то необходимо использовать схему, изображенную на рисунке 8.2. По шкале амперметра определяют токи rO IO rХ IХ 2 1 U SA1 А Рисунок 8.2 - Косвенное измерение сопротивления с помощью амперметра I 0 и I X , изменяя соответствующим образом положение переключателя SA1. Получив результаты измерений, можно записать 135 I X U rX r = = 0 , I0 U r0 rX (8.4) откуда значение измеряемого сопротивления выражается следующим образом: rX = r0 ⋅ I0 . IX (8.5) В случаях, если отсутствует прибор непосредственной оценки (омметр) и значение измеряемого сопротивления не известно с точностью до порядка, необходимо воспользоваться и амперметром и вольтметром. В основу вычислений следует положить закон Ома для участка цепи. Этот способ может быть применен в диапазоне измерения сопротивления от 10-6 до 1013 Ом. Схемы включения приборов показаны на рисунке 8.3а,б. И в том, и в другом варианте включения справедливо rX = UB . IA (8.6) где U B и I A - показания прибора. UА IА А U V UВ а) А rХ U V IВ rХ б) Рисунок 8.3 - Схемы измерения сопротивлений: а) больших значений; б) малых значений Схема (см. рисунок 8.3,a) предпочтительней для измерения больших сопротивлений, когда r A << r X , так как методическая погрешность выражается следующим образом: r (8.7) δ = A ⋅ 100(%) rX и будет значительной при невыполнении приведенного условия. 136 Схема, представленная на рисунке 8.3,б оказывается предпочтительней при измерениях сопротивлений с малым значением, т.е. r X << r B , так как методическая погрешность измерения вычисляется по формуле δ= 1 ⋅100(%). rB 1+ rX (8.8) Метод прямых измерений сопротивления осуществляется приборами непосредственной оценки, а именно: магнитоэлектрическими и электронными омметрами. Эти приборы позволяют измерять сопротивление в диапазоне от единиц Ом до десятков мегаом. Аналогичные измерения могут проводиться комбинированными приборами типа Ц4312, и т.п. Наиболее точные из приборов непосредственной оценки имеют класс точности 1,0...1,5. Следует иметь в виду, что такие омметры часто имеют неравномерную шкалу с диапазоном показаний 0...∞, Ом. Погрешности в таких приборах устанавливаются в процентах от длины шкалы. Измерение сопротивления методом сравнения производится при помощи одинарных и двойных мостов, а также цифровыми приборами. Измерительные мосты могут быть аналоговыми и цифровыми, а также с автоматическим и ручным уравновешиванием. Для измерения с высокой точностью применяют мосты постоянного тока, которые в диапазоне 1...106 Ом позволяют измерять сопротивление с точностью ± 0,005%. Такие мосты имеют ручное уравновешивание и требуют использования внешних источников питания и высокоточных нуль – индикаторов (НИ). Измерительные мосты постоянного тока с автоматическим уравновешиванием применяются в основном для измерений сопротивления терморезисторов. Схема одинарного моста постоянного тока приведена на рисунке 8.4. Такой мост питается от источника постоянного напряжения, а его три плеча (R 1 , R 2 , R 3 ) образуются резисторами высокой точности. Условие баланса моста представляется в виде известного выражения R1 ∙ R3 = R2 ∙ RX, (8.9) 137 а R1 R2 НИ R4 (RX) U RН R3 b Рисунок 8.4 - Схема одинарного моста постоянного тока откуда при R 4 = R X измеряемое сопротивление вычисляется по формуле RX = R1 ⋅ R3 . R2 (8.10) В качестве нуль-индикатора (НИ) используется магнитоэлектрический гальванометр. Классы точности одинарных мостов лежат в пределах от 0,05 до 0,1. Измерение малых сопротивлений одинарными мостами возможно, если значение сопротивления 10-4 Ом и выше, так как при меньших значениях погрешность измерения значительно увеличивается. При измерении малых сопротивлений существенное влияние на результат измерения оказывают сопротивления контактов и проводящих соединительных проводов, а также контактная термо-ЭДС. Наиболее целесообразно при измерении малых сопротивлений применять двойные мосты постоянного тока. Схема двойного моста представлена на рисунке 8.5. Пределы измерения сопротивления для этих приборов составляют от I02 до 10-8 Ом. На схеме R 1 , R 2 , R 3 , R 4 - сопротивления плеч моста; r 1 , r 2 , r 3 , r 4 - сопротивления соединительных проводов и контактов; RN сопротивление образцовой меры; R 5 - сопротивление соединительного проводника перемычки. Условие равновесия моста представляется следующим образом: 138 I1 R1 I3 + R3 r 3 RХ r 4 r1 r2 НИ R4 I4 RN R5 U - I2 R2 R6 А Рисунок 8.5 - Схема двойного моста I 1 = I 2 ; I 3 = I 4 или R 1 / R 2 = R 3 / R 4 , измеряемое сопротивление вычисляется по формуле R X = RN ⋅ R1 . R2 (8.11) Для выполнения условий равновесия сопротивление R 5 выбирают по возможности наименьшим, а сопротивления R 1 , R 2 , R 3 , R 4 обычно имеют значения не меньше 10 Ом. Недостатком двойных мостов является необходимость пропускать большие токи через исследуемый резистор. Так, при измерении сопротивлений порядка 10-8...10-6 Ом питание моста осуществляется током до 200 А. Это ограничивает применение моста на еще более меньших диапазонах сопротивлений. В измерительных мостах с автоматическим уравновешиванием имеется следящий контур, который по сигналу ошибки (разбаланса моста) изменяет сопротивление R 3 до значения, обеспечивающего уравновешивание. ВОПРОС 2 Измерение емкостей и индуктивностей. Измерение емкости, индуктивности, взаимной индуктивности и тангенса угла потерь проводится измерительными мостами переменного тока. Обобщенная схема измерительного моста переменного тока представлена на рисунке 8.6 Условие равновесия такого моста определяется выражением 139 а Z1 Z2 НИ Z4 (ZX) Z3 b UВХ Рисунок 8.6 - Обобщенная схема измерительного моста переменного тока Z 1 ⋅ Z 3 = Z 2 ⋅ Z 4 = z1 ⋅ z3 ⋅ e j( φ1 + φ3 ) = z2 ⋅ z4 ⋅ e j( φ2 + φ4 ) , (8.12) из которого вытекают условия равенства модулей сопротивлений и их фаз, так как под Z i понимается комплексное сопротивление цепи переменного тока, т.е.  z1 ⋅ z3 = z2 ⋅ z4 ;  φ1 + φ3 = φ2 + φ4 . (8.13) Из условия (8.13) следует, что для достижения равновесия моста переменного тока необходимо регулирование не менее двух параметров схемы. На рисунке 8.7 приведена схема для измерения емкости и тангенса угла потерь. а CX R2 R(C) НИ R4 R3 C4 b ~ Рисунок 8.7- Измерение параметров последовательной схемы замещения конденсатора 140 Применительно к схеме, изображенной на рисунке 8.7, cправедливы следующие выражения, используемые при измерении: R R (8.14) C X = C4 3 ; R X = R4 2 ; tgδ X = ω ⋅ R4 ⋅ C4 . R2 R3 Для измерения индуктивностей на практике часто используют схемы сравнения неизвестной индуктивности с известной емкостью. Для измерения индуктивности используется схема, изображенная на рисунке 8.8. Для этой схемы выражения, определяющие значения искомых величин, имеют вид: LX = C3 ⋅ R2 ⋅ R4 ; R X = LХ R 2 ⋅ R4 R3 ;Q X = ω ⋅ C3 ⋅ R3 . (8.15) а R2 R(L) НИ C3 R4 R3 b ~U Рисунок 8.8 - Измерение индуктивности Перечисленные средства измерения емкости и индуктивности обеспечивают измерение параметров в диапазонах 10-8..104 мкФ и 10-7...103 Гн. Мосты переменного тока имеют классы точности 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 2,0 и 5,0. Наибольшую сложность на практике представляет измерение малых индуктивностей и емкостей. Погрешность лучших образцов мостов (например, Е82) не превышает ±0,25%. Наибольшую точность измерения мосты имеют на частоте измерения 1 кГц. При отсутствии жестких требований к точности измерений емкость можно измерять комбинированными приборами с магнитоэлектрическим измерительным механизмом, имеющими класс точности 2,5 или 4. 141 ВОПРОС 3 Принцип действия омметров с логометрическим измерительным механизмом Важным преимуществом омметров с логометрическим измерительным механизмом является практическая независимость показаний от колебаний питающего напряжения. Поэтому омметры логометрического типа снабжаются источником питания в виде генератора с ручным приводом. Генератор вырабатывает напряжение в несколько сотен вольт (а в некоторых приборах - несколько тысяч вольт), что позволяет измерять сопротивления до десятков и даже тысяч мегаом. Такие приборы называют мегаомметрами (иногда употребляется не вполне правильное наименование - "мегомметр"). Различают две схемы мегаомметров в зависимости от подключения измеряемого резистора R Х no отношению к рамке логометра: последовательную и параллельную. Рассмотрим последовательную схему (рисунок 8.9). Токи через первую и вторую рамки логометра равны соответственно I1 = I2 = U ; r1 + R Х + R1 U ; r2 + R2 (8.16) (8.17) где r 1 , r 2 - сопротивления первой и второй рамок. Как известно, угол поворота подвижной системы логометра есть функция отношения токов: I   r2 + R2   = φ( R X ). α = φ 1  = φ (8.18) + + I r R R  2  1 1 X  Отсюда видно, что действительно угол поворота рамки не зависит от напряжения источника. Последовательная схема используется для измерения больших сопротивлений по причинам, изложенным выше (обычно при R более мегаома). 142 O МОм R1 I2 R2 Г RX r1 I1 r2 Рисунок 8.9 - Логометрический омметр (последовательная схема) В параллельной схеме (рисунок 8.10) резистор R X включен параллельно одной из рамок. В этом случае шкала прибора получается неравномерной с "нулем" слева (с ростом R X угол α увеличивается). Так как резистор R x включается параллельно рамке, то его шунтирующее действие наиболее сильно при небольших сопротивлениях. Часто обе схемы - последовательная и параллельная - объединены в одном приборе, и специальным переключателем может быть включена любая из них. Примером логометрического омметра является мегаомметр типа M1101M. В качестве измерительного механизма применен магнитоэлектрический логометр. Прибор имеет переключатель на два положения "кОМ-МОм". В положении "кОм" включается параллельная O кОм R3 R2 I2 Г RX R1 I1 r1 r2 Рисунок 8.10- Логометрический омметр (параллельная схема) 143 схема, и следует пользоваться шкалой с нулем слева. В положении "МОм" включается последовательная схема, и следует пользоваться шкалой с нулем справа. Логометрические омметры не требуют предварительной калибровки. Мегаомметры относятся к наиболее распространенным измерительным приборам. Их применяют для измерения сопротивления резисторов и сопротивления изоляции (кабелей, монтажа электросхем и радиосхем, электрических машин, установок и т.п.). Как было установлено выше, показание мегаомметра не зависит от напряжения генератора. Но при измерении сопротивления изоляции важно обеспечить паспортное для мегаомметра напряжение на выходе генератора. Это напряжение вырабатывается при определенной частоте вращения рукоятки привода (обычно 120 оборотов в минуту). Логометрические омметры из-за нелинейности шкалы и нестабильности сопротивления резисторов, включенных в цепях рамок, не обеспечивают высокой точности измерения. Промышленность выпускает логометрические омметры классов точности 1,5; 2,5; 4, Следует заметить, что класс точности для них, как и для рассмотренных выше электромеханических однорамочных омметров, указан в процентах от длины шкалы. Поэтому абсолютная погрешность в пределах рабочей части шкалы не одинакова и увеличивается по мере приближения к пределу "бесконечность". Линейную шкалу удается получить в электронных омметрах. Контрольные вопросы 1. Диапазон измеряемых в настоящее время сопротивлений. 2. Какой закон лежит в основе измерений сопротивления? 3. Какими типами приборов реализуется метод прямых измерений сопротивления? 4. Какие приборы применяются для измерения сопротивлений с высокой точностью? 5. Условие баланса моста постоянного тока. 144 6. Какие факторы являются наиболее существенными при измерении малых сопротивлений? 7. Какими приборами осуществляется измерение емкости, индуктивности, взаимной индуктивности и тангенса угла потерь? 8. Условие равновесия моста переменного тока. 145 ЛЕКЦИЯ № 9 Тема лекции: Осциллографические измерения параметров сигналов измерительной информации Вопросы лекции: 1. Измерение напряжения осциллографами. 2. Измерение временных интервалов осциллографическими методами. 3. Измерение частоты осциллографами. 4.Измерение сдвига фаз двух сигналов. ВОПРОС 1 Измерение напряжения осциллографами Важным преимуществом осциллографического метода измерения напряжения является возможность детального исследования изменения уровня сигнала во времени [2,3,4]. Например, при наблюдении осциллограммы импульсов (рисунок 9.1) можно измерить уровень в любой характерной точке. Следует подчеркнуть, что вольтметры такой возможности не обеспечивают. Ни один прибор, кроме осциллографа, не позволяет измерить напряжение или временной интервал между произвольными точками осциллограммы. Отсчет напряжения выполняется по измерительной шкале с делениями: основными (крупными) и мелкими. На шкале обычно нанесены две пунктирные линии на уровнях 0,1 и 0,9 от полного размера шкалы по вертикали. Они облегчают исследование параметров импульсов, например, длительности фронтов (см. рисунок 9.1). Перед измерением выполняют калибровку усиления по каналу Y. При калибровке на вход канала Y подают напряжение от калибратора напряжения, который играет роль однозначной меры. Затем плавной регулировкой усиления канала Y устанавливают размер изображения калибрационного напряжения, указанный в техническом описании. На этом калибровка закончена, и после калибровки положение ручки плавной регулировки усиления изменять нельзя. 0,9 b max 0,1 b max b max 146 Рисунок 9.1 - Измерительная шкала осциллографа и пример использования уровней шкалы 0,1; 0,9 при измерении длительности фронта импульса Только после этой операции будет верной оцифровка ступенчатого переключателя усиления канала Y. По его положению прочитывается масштабный коэффициент С Y , называемый к о э ф ф и ц и е н т о м о т к л о нения. Коэффициент отклонения С Y показывает число единиц напряжения, соответствующее одному основному делению шкалы (одной "клетке") и имеет размерность [ед. напряжения/дел.]. Измеряемое напряжение вычисляется по формуле U = С Y ∙ b, где b - размер изображения, соответствующий измеряемому напряжению. Отсюда находим относительную погрешность: δ( U ) = δ( CY )2 + δ( b )2 . Значение δ(С Y ) складывается из погрешности меры (т.е. калибратора) и погрешности преобразования напряжения калибратора в paзмер изображения при калибровке. Значение δ(b) определяется погрешностью преобразования измеряемого напряжения U в размер b. Кроме того, в δ(СY ), δ(b) входят погрешности регистрации соответственно при калибровке и при измерении размера b. 147 Минимальное значение δ(b) достигается при оптимальном размере изображения, составляющем примерно 2/3 от размера экрана ЭЛТ по вертикали. Поэтому необходимо, чтобы измеряемый размер был близок к оптимальному. Тогда погрешность измерения может быть уменьшена в 1,5…2 раза по сравнению с указанной в технических характеристиках. Этот выигрыш получается за счет того, что в технических характеристиках указывается погрешность для неоптимального размера, составляющего 30 % от общего размера экрана по используемой координате (в данном случае - по оси Y). ВОПРОС 2 Измерение временных интервалов осциллографическими методами Наиболее распространены следующие осциллографические методы измерения временных интервалов: -метод калиброванной развертки; -метод калиброванных временных меток. Метод калиброванной развертки сводится к измерению на экране ЭЛТ линейного размера по оси X (рисунок 9.1), соответствующего интересующему интервалу времени. Затем вычисляется искомый интервал времени τ = С X ∙ ℓ, (9.1) где ℓ- линейный размер в числе делений основной сетки ЭЛТ (обычно ℓ деление соответствует 1 см); - коэффициент развертки, определяемый как интер ед.времени  CX   вал времени, за которое луч пробегает одно деле деление  ние основной сетки по оси X. Из (9.1) получим выражение для относительной погрешности δ( τ ) = δ( C X ) 2 + δ( l ) 2 , (9.2) где δ(С X ), δ(ℓ) - относительные погрешности соответственно установки коэффициента развертки и измерения размера. 148 Коэффициент развертки С Х в осциллографах имеет фиксированные значения, точность которых определяется классом точности осциллографа. Для переключения значений С Х имеются соответствующие органы управления. Перед измерением τ осциллограф включается в режим калиброванной развертки, и проверяется соответствие значений С Х паспортным значениям, т.е. выполняется проверка калибровки осциллографа по каналу Х. Операция проверки калибровки состоит в наблюдении на экране сигнала (обычно меандра или синусоиды), вырабатываемого внутренним кварцевым генератором-калибратором длительности. Период калиброванного сигнала известен с высокой точностью. Чаще всего в осциллографах f КВ = 100 кГц. Тогда Т КВ = 10 МКС. Если значения С Х отличаются от требуемых (они нанесены на шкалах переключателей коэффициента С Х ), то проводится корректировка при помощи органа управления, расположенного на боковой стенке осциллографа под крышкой (или в другом месте). Для уменьшения составляющей δ(ℓ) необходимо тщательно фокусировать изображение. Кроме того, необходимо, чтобы размер ℓ составлял не менее 30% шкалы по оси X и находился в центральной части экрана, где гарантирована наиболее высокая точность калибровки. Если размер составляет 80-90% шкалы по оси Х, то погрешность измерения можно уменьшить в 1,5…2 раза по сравнению с паспортным значением. Паспортное значение приводится для наихудшего случая, когда размер ℓ составляет 30% от общего числа делений экрана по используемой координате. Метод к а л и б р о в а н н ы х в р е м е н н ы х м е т о к основан на получении коротких импульсов или яркостных меток на линии развертки. Временное расстояние между этими метками задается высокостабильным генератором-калибратором и известно с высокой точностью. Значение τ по этому методу определяют подсчетом числа меток с применением интерполяции (при несовпадении границ изображения с границами меток). 149 Для повышения точности измерения в специальных случаях увеличивают длительность развертки. Для этого применяют или кадровую развертку (как в телевидении), или спиральную. При измерении больших интервалов дополнительное повышение точности достигается задержкой начала развертки на известное с высокой точностью время. Тогда результат определяется как сумма задержки и значения, измеренного по экрану ЭЛТ. По погрешности метод равноценен с рассмотренным выше. Однако применением задержанной развертки при измерении больших интервалов погрешность можно намного уменьшить. ВОПРОС 3 Измерение частоты осциллографами Существует несколько способов измерения частоты при помощи осциллографа. Основными из них являются: -метод измерения периода; -метод синусоидальной развертки; -метод круговой развертки. Измерение частоты методом измерения п е р и о д а основано на соотношении f = 1/T, (9.3) где Т - период колебания. Из (9.3) можно записать выражение для погрешности измерения частоты δ (f) = δ (T). (9.4) Отсюда следует, что относительная погрешность измерения частоты равна относительной погрешности измерения периода. Практически трудно точно зафиксировать на развертке границы одного периода колебаний из-за малой крутизны в точках перехода осциллограммы через нулевую линию. Поэтому находят размер изображения, занимаемого r периодами. Если r периодов занимают m делений развертки, то Т = (m ∙ С X ) / r, откуда 150 f = r /(m ∙ С X ). (9.5) Обычно выбирают целое число r; значение m, как правило, получается дробным. Измерение частоты методом синусоидальной развертки поясняется схемой, приведенной на рисунке 9.2. Внутренний генератор развертки выключен, на вход X подан синусоидальный сигнал от измерительного генератора, на вход Y - исследуемый сигнал. При равенстве или кратности частот обоих сигналов на экране наблюдается фигура Лиссажу, форма которой зависит от кратности частот и от сдвига фаз между обоими Y f X Измерительный генератор fЭТ Рисунок 9.2 -. Измерение частоты методом синусоидальной развертки колебаниями. На рисунке 9.3 приведены фигуры Лиссажу для ряда кратностей и сдвига фаз. Отсчет получают по шкале измерительного генератора с учетом кратности частот. 0О 90О 180О 270О 360О 2:1 4:1 3:2 Рисунок 9.3 - Примеры фигур Лиссажу для некоторых отношений частот и фазовых сдвигов 151 Проще всего получать на экране неподвижную фигуру в виде круга или эллипса. В этом случае f = f ЭТ (см. рисунок 9.4,г). Если измеряемая частота неизвестна даже приблизительно, то получить устойчивую фигуру малой кратности очень трудно, так как приходится "искать" ее во всем диапазоне перестройки измерительного генератора (ИГ). В этом случае действуют следующим образом. Плавно перестраивают ИГ при наугад взятом значении f ЭТ до получения засветки экрана с явно различимыми вертикальными (рисунок 9.4,а,б,в) или горизонтальными линиями (рисунок 9.4,д,е,ж). а) б) fY > fX в) г) fY = fX д) е) ж) fY < fX Рисунок 9.4 - Определение соотношения частот на входах, каналов X осциллографа по фигурам Лиссажу (для случая в) fY : fX = 4:2 = 2:1; для случая д) fY : fX = 2:4 = 1:2) При преобладании вертикальных линий частота сигнала на входе Y осциллографа f Y больше, чем частота f X на входе X, т.е. f Y > f X . При преобладании горизонтальных линий - наоборот f X > f Y . Это позволяет выяснить требуемое направление перестройки ИГ и целенаправленно "двигаться" к фигуре малой кратности или эллипсу (кругу), по которым легко определить кратность частот. Кратность определяется по количеству точек пересечения горизонтальной и вертикальной прямых, проведенных через фигуру Лиссажу. При этом обе прямые должны или не пересекать ни одного узла фигуры, или проходить только через узлы (если последнее возможно), как показано на рисунке 9.4,в,д. Погрешность метода складывается из погрешности меры, которой в данном случае является измерительный генератор, и погрешности сравнения δ СР : 152 2 δ( f ) = δM2 + δСР . (9.6) Обычно факт неподвижности фигуры фиксируется очень точно. При этом δ СР << δ M и, значит, δ(f) ≈ δ M , где δ M - относительная погрешность установки частоты измерительного генератора. При низкой стабильности сравниваемых частот фигура Лиссажу неустойчива ("вращается"), ее трудно рассмотреть. Например, при f =30 MГц и относительной нестабильности δ(f) = 10-5 применить метод нельзя, так как уходы частоты могут достигать Δf = 30 ∙ 106 ∙ 10-5 = 300 Гц, что не позволит рассмотреть фигуру на экране. Метод используется преимущественно в области низких частот, а на высоких частотах - только для сличения частот генераторов прецизионной стабильности. Большим достоинством метода является высокая наглядность, если кратность частот невелика. С увеличением кратности частот сложность фигур возрастает. Практически метод используют для кратностей порядка 1...5. Метод к р у г о в о й развертки поясняется на рисунке 9.5. Сущность метода состоит в том, что при помощи фазосдвигающей цепи получают круговую развертку, подавая сдвинутые по фазе на 90О напряжения измеряемой частоты f на входы Х,У осциллографа (внутренний генератор развертки при этом выключен). Сигнал образцовой частоты подают на вход Z осциллографа. При этом луч модулируется по яркости. Если отношение f ЭТ/f равно целому числу n, то на экране появляется n "черточек". Сосчитав их число, определяют неизвестную частоту f = f ЭТ / n. В основе метода лежит то обстоятельство, что при круговой (или эллиптической) развертке луч совершает один оборот за период развертывающего колебания. 153 fЭТ Z X Y R C f Рисунок 9.5 - Измерение частоты методом круговой развертки Интерпретация фигур в этом методе проще, чем в методе фигур Лиссажу. Поэтому при достаточной стабильности частот сравниваемых сигналов метод круговой развертки работоспособен при высоких кратностях частот (до 10...20). ВОПРОС 4 Измерение сдвига фаз двух сигналов. Разность фаз сигналов равных частот есть физическая величина, показывающая, какую часть от периода сигнала Т составляет временной сдвиг сигналов Δt 1,2 = t 2 – t 1 (рисунок 9.6): Δt Δt (9.7) Δφ = ⋅ 2π (радиан); Δφ = ⋅ 360 (градусов) T T u u2 t1 t t2 u1 Δt1,2 T Рисунок 9.6 - Измерение разности фаз по осциллограммам исследуемых напряжений 154 Без дополнительных устройств разность фаз при помощи осциллографа измеряют: - по осциллограммам исследуемых напряжений; - по фигурам Лиссажу. Метод измерения по о с ц и л л о г р а м м а м и с с л е д у е м ы х н а п р я ж е н и й основан на одновременном наблюдении осциллограмм исследуемых напряжений (рисунок 9.6). При этом измеряются два линейных размера: размер ℓ, соответствующий интервалу (Δt = t 2 - t 1 ), и размер L, соответствующий периоду Т. Разность фаз вычисляется по следующим формулам: l Δφ1,2 = ⋅ 2π (радиан); L (9.8) l Δφ1,2 = ⋅ 360 (градусов). L Относительная погрешность измерения обусловлена погрешностью определения отношения ℓ / L: δ( Δφ1,2 ) = δ( l )2 + δ( L )2 . (9.9) Источниками погрешности являются: - нелинейность развертки по оси X; - различие аппаратурных задержек сравниваемых сигналов; - погрешности измерений линейных размеров. При измерениях размер L обычно близок к оптимальному для ЭЛТ, а размер ℓ - далёк от оптимального, особенно при небольших значениях Δφ. Поэтому в общем случае δ(ℓ) > δ(L). Уменьшить погрешность измерения малых значений Δφ можно, если значение периода заранее известно (или измерено другим прибором). Тогда по калиброванной развёртке осциллографа при оптимальном размере изображения измеряют непосредственно временной сдвиг (t 2 - t 1 ) в единицах времени, а затем вычисляют Δφ по соотношению (9.7). Для одновpeменного наблюдения осциллограмм двух напряжений в этом методе применяют двухлучевой осциллограф, снабженный коммутатором в канале Y. 155 Методы измерения разности фаз по ф и г у р а м Л и с с а ж у реализуются в режиме синусоидальной развертки. Внутренняя развёртка выключается. Исследуемые сигналы u 1 (t) = U m1 ∙cos ωt; (9.10) u 2 (t) = U m2 ∙cos (ωt + φ) (9.11) подаются соответственно на входы каналов X и Y. Так как частоты обоих сигналов одинаковы, то на экране наблюдается неподвижный эллипс ( в частном случае - круг), описываемый соотношениями: x (t) = X m ∙cos ωt; (9.11) y (t) = Y m ∙cos (ωt + φ) (9.13) где x (t), y (t) - мгновенные отклонения луча по осям X и Y; Xm, Ym - максимальные отклонения (рисунок 9.7). Разность фаз измеряется по положению эллипса с использованием одной из формул: φ = arc sin (а/А); (9.14) φ = arc tg (b/B); (9.15) где величины a, b,A,B зависят от положения эллипса (cм. рисунок 9.7. Измерение с использованием формулы (9.14) проще, так как допускается любое удобное усиление по каналам X, Y. Однако при фигуре, близкой к кругу (φ близко к 90° или к 270°) измерение невозможно из-за большой погрешности. Измерение с использованием соотношения (9.15) этого ограничения не имеет, однако необходима дополнительная операция выравнивания размеров по осям X,Y. Обязательно устанавливается такое усиление, чтобы выполнялось равенство (см. рисунок 9.7,б): 2 ∙ Xm = 2 ∙ Ym. 156 y y Xm=Ym x А а B x 2Ym b 2Xm а) б) Рисунок 9.7 - Измерение разности фаз по фигуре Лиссажу: а - с вычислением по формуле (9.14); б - с вычислением по формуле (9.15) Достоинствами метода являются простота и наглядность. Недостатки состоят в необходимости вычислений, зависимости погрешности от значения измеряемой разности фаз, неоднозначности результата. Наибольшая погрешность метода - не более 10° при использовании соотношения (9.14) и примерно (1-2)° при использовании соотношения (9.15). Неоднозначность измерения может быть раскрыта, если априорно известны примерные значения φ. Контрольные вопросы 1. Главное преимущество осциллографического метода измерения напряжения 2. Назначение и последовательность выполнения калибровки усиления по каналу Y. 3. Условие обеспечения минимального значения относительной погрешности при измерении значения сигнала по каналу Y. 4. Осциллографические методы измерения временных интервалов. 5. Сущность метода калиброванной развертки. 6. Сущность метода калиброванных временных меток. 7. Назначение и последовательность выполнения калибровки усиления по каналу X. 157 8. Способы измерения частоты при помощи осциллографа. 9. Сущность метода измерения периода. 10. Сущность метода синусоидальной развертки. 11. Сущность метода круговой развертки. 12. Методы измерения разности фаз при помощи осциллографа. 158 ЛЕКЦИЯ № 10 Тема лекции: Информационно-измерительные системы Вопросы лекции: 1. Информационно-измерительные системы. 2. Измерительно-вычислительные комплексы. 3. Виртуальные информационно-измерительные системы. 4. Архитектура построения виртуальных приборов. ВОПРОС 1 Информационно-измерительные системы Функциональные возможности традиционных измерительных приборов задаются при производстве и перестроить или сменить число каналов измерения и анализа достаточно проблематично [2,3,4,5]. Измерительные системы (ИС) и виртуальные приборы снимают это ограничение. Современные информационные технологии позволяют разрабатывать информационно-измерительные приборы и системы с широкими возможностями: от измерения параметров до ввода и обработки видеоизображений с передачей результатов посредством телекоммуникаций на большие расстояния. Наиболее бурно в настоящее время разрабатываются и внедряются ИС прямого назначения, основной особенностью которых является возможность перестройки их программным способом для измерения различных физических величин. Измерительные системы прямого назначения условно делят на: 1. инфомационно-измерительные системы (ИИС); 2. измерительно-вычислительные комплексы (ИВК); 3. виртуальные информационно – измерительные приборы (компьютерно-имерительные системы – КИС). Самым широким классом измерительных систем прямого назначения являются ИИС. Назначение ИИС определяют как целенаправленное опти- 159 мальное ведение измерительного процесса и обеспечение смежных систем высшего уровня достоверной информацией. Основные функции ИИС – получение измерительной информации от объекта исследования, ее обработка, передача, представление информации оператору или/ и компьютеру, запоминание, отображение и формирование управляющих воздействий [2,3,5]. ИИС должна управлять измерительным процессом или экспериментом в соответствии с принятым критерием функционирования; выполнять возложенные на нее функции в соответствии с назначением и целью; обладать требуемыми показателями и характеристиками точности, помехоустойчивости, быстродействия, надежности, пропускной способности, адаптивности, сложности; отвечать экономическим требованиям, предъявляемым к способам и форме представления информации, размещения технических средств; быть приспособленной к функционированию с измерительными информационными системами смежных уровней иерархии и другими ИИС. Основной функцией ИИС, как и любой другой технической системы, является целенаправленное преобразование входной информации в выходную. Это преобразование выполняется либо автоматически с помощью аппаратуры технического обеспечения, либо совместно – оперативным персоналом и аппаратурой технического обеспечения в сложных ИИС, ИВК и виртуальных приборах. Применение современных средств цифровой схемотехники коренным образом изменило принципы построения ИИС. Кроме того, методы обоснованного распределения и направления информационных потоков дают возможность уменьшить их избыточность. Это позволяет ставить задачу о возможно максимальном переносе обработки измерительной информации к месту ее формирования, т. е. перейти к конвейерной обработке измерительной информации в распределенной ИИС. В целом такая система состоит из следующих основных частей: системы первичных преобразователей (датчиков), устройств сбора и первичной обработки информации, средств вторичной обработки информации, устройств управления и контроля, устройств связи с другими системами объекта, накопителей информации. 160 По алгоритму функционирования различают следующие виды ИИС: − с заранее заданным алгоритмом работы, правила функционирования которых не меняются, поэтому их можно использовать только для исследования объектов, работающих в постоянном режиме; − программируемые, в которых изменяют алгоритм работы по заданной программе, составляемой в соответствии с условиями функционирования объекта исследования; − адаптивные, алгоритм работы которых, а часто и структура изменяются, приспосабливаясь к изменениям измеряемых величин и условий работы объекта; − интеллектуальные, обладающие способностью к перенастройке в соответствии с изменяющимися условиями функционирования и способные выполнять все функции измерения и контроля в реальном масштабе времени. Математическое, программное и информационное обеспечение входит в состав лишь ИИС с вычислительными комплексами. Математическое обеспечение – аналитические (математические) модели объекта исследования (измерения) и вычислительные алгоритмы. В математическую модель объекта измерения входит описание взаимодействия между переменными входа и выхода для установившегося и переходного состояний, т. е. модели статики и динамики, а также граничные условия и допустимое изменение переменных процесса. Форма записи математической модели может быть различна: алгебраические и трансцендентные уравнения, дифференциальные уравнения и уравнения в частных производных. Могут использоваться переходные и передаточные функции, частотные и спектральные характеристики и пр. Различают три основных метода получения математических моделей исследования ИИС: аналитический, экспериментальный и экспериментально-аналитический. В последние годы при создании ИС наиболее часто используют математическое моделирование, реализующее цепочку: объект – модель – вычислительный алгоритм – программа для компьютера – расчет на компьютере – анализ результатов расчета –управление объектом исследования. 161 Алгоритм измерения может быть представлен программно, словесно, аналитически, графически или сочетанием этих методов. Последовательность действий при этом не произвольна, а реализует тот или иной метод решения задачи. Во всех случаях поставленная задача должна быть настолько точно сформулирована, чтобы не осталось места различным двусмысленностям. Программное обеспечение ИИС включает в себя системное и общее прикладное программное обеспечение, в совокупности образующее математическое обеспечение, которое реализуется программной подсистемой. Системное программное обеспечение – это совокупность программного обеспечения компьютера, используемого в ИИС, и дополнительных программных средств, позволяющих работать в диалоговом режиме; управлять измерительными компонентами; обмениваться информацией внутри подсистем комплекса; автоматически проводить диагностику технического состояния. По существу, программное обеспечение ИИС представляет собой взаимодополняющую, взаимодействующую совокупность подпрограмм, реализующих: − типовые алгоритмы эффективного представления и обработки измерительной информации, планирования эксперимента и других измерительных процедур; − архивирование данных измерений; − метрологические функции комплекса (аттестацию, поверку, экспериментальное определение нормируемых метрологических характеристики т. п.). Информационное обеспечение определяет способы и конкретные формы информационного отображения состояния объекта исследования в виде документов, диаграмм, графиков, сигналов для их представления обслуживающему персоналу и компьютеру для дальнейшего использования в управлении. Всю измерительную систему в целом охватывает метрологическое обеспечение (рисунок 10.1). В структуру технической подсистемы ИИС входят: − блок первичных измерительных преобразователей; 162 − средства вычислений электрических величин (измерительные компоненты); − совокупность цифровых устройств и компьютерной техники (вычислительных компонентов); − меры текущего времени и интервалов времени; − блок вторичных измерительных преобразователей; − устройства ввода-вывода аналоговых и цифровых сигналов с нормированными метрологическими характеристиками; − совокупность элементов сравнения, мер и элементов описания; Организационное обеспечение Входная информация Информационное обеспечение Техническое обеспечение Оперативный персонал Выходная информация Программное обеспечение Метрологическое обеспечение Рисунок 10.1 - Структура обеспечения ИИС − блок преобразователей сигнала, цифровых табло, дисплеев, элементов памяти и пр.; − различные накопители информации. Кроме указанных элементов в подсистемы ИИС может входить ряд устройств согласования со штатными системами исследуемого объекта, телеметрией и пр. Важное значение для эксплуатации ИИС имеет эргономическое, эффективное и наглядное построение форм дисплея и управляющих элементов, называемых интерфейсом пользователя, обеспечивающих взаимодействие оператора с персональным (или специализированным) компьютером. В общем же случае интерфейсом называют устройство сопряжения персонального компьютера со средствами измерений или любыми други- 163 ми внешними техническими системами (иногда в это понятие включают и программное обеспечение измерительной системы). Эффективность работы рассматриваемого интерфейса заключается в быстром, насколько это возможно, развитии у пользователя простой концептуальной модели взаимодействия с ИИС. Другими важными характеристиками интерфейса пользователя являются его наглядность, дизайн и конкретность, что обеспечивают с помощью последовательно раскрываемых окон, раскрывающихся вложенных меню и командных строк с указанием функциональных «горячих» клавиш. В короткой истории развития ИИС можно отметить ряд поколений. Первое поколение характеризуется формированием концепции ИИС и системной организацией совместной работы средств получения, обработки и передачи количественной информации. Это были в основном системы централизованного циклического получения измерительной информации с элементами вычислительной техники. Данный период (конец 50-х – начало 60-х годов прошлого столетия) называют периодом детерминизма, поскольку для исследований в ИИС использовался аппарат аналитической математики. Второе поколение развития и внедрения ИИС связано с использованием адресного сбора информации и ее обработки с помощью встроенных компьютеров. Элементную базу таких систем представляют микроэлектронные схемы малой и средней степени интеграции. Этот период (70-е годы прошлого столетия) характерен решением целого ряда вопросов теории систем в рамках теории случайных процессов и математической статистики, поэтому его принято называть периодом стохастичности. Третье поколение характерно широким введением в информационноизмерительные системы БИС, микропроцессоров, микроЭВМ и промышленных функциональных блоков, совместимых между собой по информационным, метрологическим, конструктивным, энергетическим и эксплуатационным характеристикам, а также созданием распределенных и адаптивных ИИС. Четвертое поколение отличает появление гибких перестраиваемых программируемых ИИС, что связано с развитием вычислительной техни- 164 ки. Гибкие ИИС отличаются прежде всего свободой пользователя в определении функционального назначения системы. Создает и программирует гибкую систему не производитель ее компонентов, а пользователь, в соответствии со своими задачами. В элементной базе гибких ИИС резко возрастает доля микросхем большой и сверхбольшой степени интеграции. Пятое поколение бурно развивается в настоящее время, что обусловлено появлением адаптивных, интеллектуальных и виртуальных ИИС, построенных на базе персональных компьютеров и современного математического и программного обеспечения. ВОПРОС 2 Измерительно-вычислительные комплексы Одной из разновидностей ИИС являются измерительновычислительные комплексы. Основными признаками принадлежности измерительной системы к ИВК служат наличие компьютера, нормированных метрологических характеристик, программного управления средствами измерений, блочно-модульной структуры построения, состоящей из технической (аппаратной) и программной (алгоритмической) подсистем [2,3.5]. По назначению ИВК делятся на типовые, проблемные и специализированные. Типовые ИВК предназначены для решения широкого круга типовых задач автоматизации измерений, испытаний или исследований независимо от области применения. Проблемные ИВК разрабатывают для решения специфичной задачи в конкретной области автоматизации измерений. Специализированные ИВК используют для решения уникальных задач автоматизации измерений, для которых разработка типовых и специализированных комплексов экономически нецелесообразна. ИВК предназначены для следующих задач: − осуществления прямых, косвенных, совместных или совокупных методов измерений физических величин; − представления оператору результатов измерений в нужном виде и управления процессом измерений и воздействия на объект измерений. 165 Чтобы реализовать эти функции, ИВК должен: − эффективно воспринимать, преобразовывать и обрабатывать сигналы от первичных измерительных преобразователей, а также управлять средствами измерений и другими техническими устройствами, входящими в его состав; − вырабатывать нормированные электрические сигналы, являющиеся входными для средств воздействия на объект, оценивать метрологические характеристики и представлять результаты измерений в установленной форме. ВОПРОС 3 Интерфейсы сопряжения средств измерений с ИИС Современные решения в области промышленной автоматизации предполагают отказ от узкоспециализированных решений в пользу широкого использования персональных компьютеров, оснащенных платами АЦП/ЦАП, цифрового ввода-вывода информации, приборных, а также различных последовательных и параллельных устройств сопряжения – интерфейсов. Такие персональные компьютеры, работающие в режиме реального масштаба времени (в режиме real time), могут выполнять все функции специализированного оборудования, сохраняя при этом достоинства компьютера общего назначения, прежде всего – гибкость и перенастраиваемость интерфейса [2,3]. Понятие «виртуальные приборы» (Virtual Instruments) появилось на стыке измерительной, информационной и компьютерной техники. Виртуальный прибор представляет собой комбинацию компьютера, универсальных аппаратных средств ввода-вывода сигналов и специализированного программного обеспечения, которое, собственно, и определяет конфигурацию и функционирование законченной системы. По сути, в руках создателя системы имеется конструктор (набор), из которого даже не искушенный в компьютерных технологиях инженер или исследователь может построить измерительный прибор любой сложности. Теперь скорее требования задачи и соответствующее этому программное обеспечение, а не возможности прибора определяют функциональные характеристики законченного прибора. 166 В простейшем случае виртуальный прибор – это персональный компьютер в комплексе с соответствующим программным обеспечением и специальная плата сбора данных, устанавливаемая в него (в слот ISA или PCI) или внешнее устройство, подключаемое через LPT-порт, а также через современные внешние интерфейсы. Такими интерфейсами могут быть USB, RS-232, FieldBus, FireWire, IrDA, GPIB и т. д. Персональный компьютер имитирует органы управления реального прибора и выполняет его функции, что позволяет инженеру, который умеет работать с этим прибором, продолжить работу с его виртуальным аналогом. Виртуальный прибор может содержать только те индикаторы и органы управления, которые необходимы для решения поставленной задачи. При этом обучение специалистов можно проводить на виртуальных аналогах реального оборудования, сохраняя его ресурс и не подвергая риску выхода его из строя из-за ошибок оператора. К отличительным особенностям виртуальных приборов по сравнению с микропроцессорными приборами относятся: − обширный фонд стандартных прикладных компьютерных программ, доступных для оператора, позволяющий решать широкий круг прикладных задач измерений (исследование и обработка сигналов, сбор данных с датчиков, управление различными промышленными установками и т. д.); − возможность оперативной передачи данных исследований и измерений по локальным и глобальным компьютерным сетям (например, сети Интернет); − высокоразвитый графический интерфейс пользователя, обеспечивающий быстрое освоение взаимодействия с системой; − возможность использования внутренней и внешней памяти большой емкости, а также составления компьютерных программ для решения конкретных измерительных задач; − возможность оперативного использования различных устройств документирования результатов измерений. 167 ВОПРОС 4 Архитектура построения виртуальных приборов Виртуальный прибор можно строить двумя способами: с последовательной или параллельной архитектурой [3]. В виртуальном приборе с последовательной архитектурой (ее иногда называют централизованной системой) части системы, преобразующие анализируемые сигналы, обрабатывают их в последовательном режиме. Поэтому всю соответствующую электронику размещают на слотах компьютера. Виртуальный прибор с параллельной архитектурой содержит ряд параллельных каналов измерения, каждый из которых имеет собственные узлы преобразования анализируемых сигналов и только процессор компьютера работает в режиме мультиплексирования (т. е. объединения сигналов). Подобный принцип построения виртуального прибора позволяет проводить оптимизацию обработки сигналов в каждом канале независимо. В такой системе преобразование сигналов можно выполнять локально в месте расположения источника исследуемого сигнала, что позволяет передавать сигналы от измеряемого объекта в цифровой форме. Обобщенная структурная схема виртуального прибора, отражающая обе архитектуры построения, показана на рисунке 10.2. Взаимодействие между отдельными элементами виртуального прибора осуществляют с помощью внутренней шины компьютера, к которой подключены как его внешние устройства (дисплей, внешняя память, принтер, плоттер), так и измерительная схема, состоящая из коммутатора, АЦП и блока образцовых программно-управляемых мер напряжения и частоты. С помощью ЦАП можно вырабатывать управляющие аналоговые сигналы; интерфейсный модуль ИМ подключает измерительный прибор к магистрали приборного интерфейса. Коммутатор устройства обеспечивает подачу аналоговых напряжений с внешних датчиков на узлы системы. Достаточно простые узлы виртуального прибора можно разместить на одной плате персонального компьютера. Существуют и более сложные структуры виртуальных приборов, в которых в соответствии с решаемой измерительной задачей по установленной программе меняют архитектуру построения системы. 168 Дисплей Компьютер Внешняя память Принтер и плоттер Шина компьютера Коммутатор Блок образцовых программноуправляемых мер напряжения и частоты АЦП ЦАП Управляющие сигналы ИМ К магистрали приборного интерфейса Рисунок 10.2 - Обобщенная структурная схема виртуального прибора Одним из элементов виртуального прибора является блок образцовых программно-управляемых мер напряжения и частоты. В виртуальных приборах предусмотрена возможность определения индивидуальных функций влияния температуры на разные параметры прибора: дрейф нуля УПТ, коэффициенты передачи различных элементов. Непрерывный контроль температуры блоков позволяет автоматически корректировать возникающие погрешности измерения. Основную роль в виртуальных приборах играют платы сбора данных с необходимыми метрологическими характеристиками для данной задачи, такими, как разрядность АЦП, быстродействие и динамические погрешности аналого-цифрового канала. При этом необходимо использовать быстрые и эффективные алгоритмы обработки измеряемой информации, разработать удобную программу сбора и отображения данных под наиболее распространенные операционные системы Windows 2000, NT, XP и т. д. Одна из самых известных среди специалистов разработок виртуальных приборов – системы LabVIEW, BridgeVIEW и LookOut компании National Instruments (США). Кроме того, существует большое количество библиотек виртуальных приборов от независимых сторонних производителей. Программы в LabVIEW именуются виртуальными приборами, так 169 как способ общения с ними напоминает реальные приборы. Виртуальные приборы играют ту же роль, что и функции в обычных языках программирования. Замена текстового представления графическим делает представление измерительных данных и процедур более наглядным, не создает языкового барьера, рисунок выражает смысл информации в более компактных единицах; например, это относится к графическому программному обеспечению LabVIEW. Пакет LabVIEW – графическая альтернатива обычному программированию — предназначен для создания ИС и представляет собой программные средства, которые требуются при работе в области мониторинга, испытаний и измерений. С помощью LabVIEW создают графические программы – виртуальные приборы, вместо написания традиционных программ. Пользователь виртуального прибора включает объект графической панели с помощью клавиатуры, «мыши» или специализированной прикладной программы. Виртуальные приборы сочетают большие вычислительные и графические возможности компьютера с высокой точностью и быстродействием АЦП и ЦАП, применяемых в платах сбора данных. По существу виртуальные приборы выполняют анализ амплитудных, частотных, временных характеристик различных радиотехнических цепей и измеряют параметры сигналов с точностью примененных АЦП и ЦАП, а также формируют сигналы и для процесса собственно измерений, и для автоматизации ИС. Программная часть виртуального прибора может эмулировать (создать) на экране дисплея компьютера виртуальную переднюю управляющую панель стационарного измерительного прибора. Сама управляющая панель с виртуальными кнопками, ручками и переключателями, сформированная на экране дисплея, становится панелью управления виртуального прибора. В отличие от реальной панели управления стационарного измерительного прибора, виртуальная панель может быть многократно перестроена в процессе работы для адаптации к конкретным условиям экспе- 170 римента. В зависимости от платы и программного обеспечения пользователь получает измерительный прибор под ту или иную метрологическую задачу. Контрольные вопросы 1. Классификация измерительных систем прямого назначения. 2. Назначение информационно- измерительных систем. 3. Классификация информационно- измерительных систем по алгоритму функционирования. 4. Классификация информационно-вычислительных комплексов. 5. Предназначение информационно-вычислительных комплексов. 6. Отличительные особенности виртуальных приборов по сравнению с микропроцессорными приборами. 171 ЛЕКЦИЯ № 11 Тема лекции: Обязательные требования к объектам технического регулирования. Цели принятия технических регламентов. Цели, принципы и методы стандартизации. Национальный и международные органы по стандартизации Вопросы лекции: 1. Федеральный закон Российской Федерации «О техническом регулировании». Общие положения. 2. Принципы технического регулирования 3. Технические регламенты. 4. Государственный контроль (надзор) за соблюдением требований технических регламентов. 5. Сущность, цели и принципы стандартизации. 6. Национальный и международные органы по стандартизации. 7. Документы по стандартизации. 8. Система стандартизации Российской Федерации. 9. Методы стандартизации ВОПРОС 1 Федеральный закон Российской Федерации техническом регулировании». Общие положения «О Практически во всех экономически развитых странах деятельность по установлению требований к продукции и услугам, процессам их производства и реализации, а также контролю за соблюдением этих требований базируется на системах стандартизации, контроля, подтверждения соответствия и сертификации. Любое изменение по отношению к стандартизации внешних условий вызывает и изменение ее самой. Внешние условия – переход в начале 90-х гг. XX в. экономики РФ к рыночному типу [3,4,5]. Федеральный закон Российской Федерации (ФЗ) «О техническом регулировании» принят Государственной Думой 15 декабря 2002 г. и 172 вступил в действие с 1 июля 2003 г. Со дня вступления в силу данного ФЗ прекратили свое действие законы РФ «О стандартизации» и «О сертификации продукции и услуг». Под этим следует понимать, что ФЗ «О техническом регулировании» подчиняет себе сферы распространения ранее действовавших законов РФ «О стандартизации» и «О сертификации...» и при этом вносит в эти сферы, которые теперь становятся одной сферой технического регулирования, дополнительные изменения. Техническое регулирование – правовое регулирование отношений в области установления, применения и исполнения обязательных требований к продукции, процессам производства, эксплуатации, хранения, перевозки, реализации и утилизации, а также в области установления и применения на добровольной основе требований к продукции, процессам производства, эксплуатации, хранения, перевозки, реализации и утилизации, выполнению работ или оказанию услуг и правовое регулирование отношений в области оценки соответствия. В приведенном определении, взятом из ФЗ «О техническом регулировании», следует выделить три области распространения технического регулирования. Во-первых, это область обязательных требований к продукции, которые до 2003 г. устанавливались, как правило, в государственных стандартах (ГОСТ) и назывались обязательными требованиями ГОСТ. В настоящее время обязательные требования к продукции устанавливаются техническими регламентами. Во-вторых, это область требований к продукции на добровольной основе, которые устанавливаются стандартами (национальными или международными). Ранее «рекомендуемые» требования к продукции также приводились в государственных стандартах (ГОСТ). В-третьих, это регулирование отношений в области оценки соответствия. Понятие «оценка соответствия» имеет более широкий смысл, чем «сертификация продукции и услуг». Сейчас сертификация – одна из форм подтверждения соответствия объектов требованиям технических регламентов, положениям стандартов или условиям договоров. Главная цель Федерального закона «О техническом регулировании» – создание новой основы единой политики в области стандартизации и 173 сертификации [3,5]. Этот закон отменяет действие законов «О стандартизации» и «О сертификации продукции и услуг» и ряда других нормативных актов. Закон влечет внесение изменений и дополнений в значительное количество документов действующего законодательства, включая до 50 Федеральных законов и более 60 тыс. нормативных и правовых актов: приказы, распоряжения и постановления Правительства РФ и министерств и ведомств. Они известны как «ГОСТы», «ОСТы», «СНИПы», «СанПиНы», нормы пожарной и ветеринарной безопасности и т. д. Все они действовали до тех пор, пока их плавно не заменил введенный в действие Федеральным законом нормативный документ – технический регламент. Не менее важной целью принятия закона «О техническом регулировании» являлось приведение российских процедур стандартизации и сертификации в соответствие с требованиями Всемирной торговой организации (ВТО) – World Trade Organization (WTO). Закон противодействует превращению национальных стандартов и различных технических требований к продукции и услугам в инструмент протекционизма по отношению к каким-либо группам товаропроизводителей. Гармонизация национальной системы стандартизации с международной облегчает выход российской высокотехнологичной продукции на мировые рынки, позволяет организовать кооперацию в ее производстве с субподрядчиками из развитых стран. Концепция закона «О техническом регулировании» предусматривает, что все обязательные требования к продукции и услугам устанавливаются только техническими регламентами, которые определяются Федеральными законами и постановлениями Правительства РФ. Согласно Федеральному закону «О техническом регулировании» требования к объектам регулирования бывают [3]: − обязательными, предъявляемыми к продукции, а также к процессам ее производства, эксплуатации, хранения, перевозки, реализации и утилизации (далее — продукции); 174 − выполняемыми на добровольной основе (далее — добровольные), предъявляемыми к продукции, выполнению работ и услуг. Эти требования предъявляются к объектам на стадии разработки, принятия, применения и исполнения (далее – исполнения). Исполнение как обязательных, так и добровольных требований должно контролироваться, т. е. должна осуществляться оценка соответствия. Закон регулирует отношения трех сторон, участвующих в деятельности по исполнению требований и оценке соответствия: первая сторона – изготовитель продукции, исполнитель работ или услуг, продавец, т. е. сторона, заинтересованная в реализации результата деятельности и заявляющая о необходимости проведения оценки соответствия (далее – заявитель – физическое или юридическое лицо, осуществляющее обязательное подтверждение соответствия; см. ст. 2 закона); вторая сторона – лицо, приобретающее продукцию, получающее результат работы или услугу (далее – приобретатель); третья – орган, дающий объективную оценку соответствия продукции, работы, услуги. Этим органом является орган по сертификации. Пользуясь принятыми названиями, отметим, что закон регулирует отношения заявителя, приобретателя и органа по сертификации при исполнении обязательных и добровольных требований к продукции, добровольных требований к работам и услугам и при оценке соответствия. Упрощенно термин «техническое регулирование» можно пояснить так: это обязательные условия нефинансового характера для предпринимательской деятельности, которые устанавливает государство [3]. Очевидно, что характеристики продукции, процессы производства, эксплуатации, хранения, перевозки, реализации и утилизации должны иметь общие требования. То же самое относится к выполнению всевозможных работ и услуг. В понятие «техническое регулирование» входят и оценка соответствия продукции, процессов, работ и услуг установленным нормам, а также контроль за их соблюдением. Кроме обязательных постулатов, этот термин включает в себя функции соблюдения добровольных правил в той сфере деятельности, которой занят предприниматель. Заметным термином является «национальный стандарт», который в соответствии с Федеральным 175 законом «О техническом регулировании», постановлением Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии «О национальных стандартах РФ» заменил прежние понятия – «государственный стандарт» и «межгосударственный стандарт». ВОПРОС 2 Принципы технического регулирования Основной принцип технического регулирования – законодательный уровень всех ограничений, которые существуют в отношении предпринимательской деятельности [3]. 1. Принцип «применение единых правил установления требований» означает, что требования формулируются единообразно, независимо от вида продукции или процесса, формы собственности и юридического статуса разработчика технического регламента или стандарта, предпринимателя, выпускающего продукцию или оказывающего услугу. 2. Принцип «соответствие технического регулирования уровню развития национальной экономики, развития материально-технической базы, а также уровню научно-технического развития» показывает, что требования, закладываемые в технические регламенты и национальные стандарты, должны быть выполнимыми с учетом достигнутого уровня развития отечественной промышленности, обеспеченности нужными свойствами материалами и оборудованием, технологическими процессами, необходимой информацией. 3. Принцип «независимость органов аккредитации и сертификации от изготовителей, продавцов, исполнителей и приобретателей» декларирует, что органы и по аккредитации и сертификации не должны быть связаны ни с изготовителями (продавцами, исполнителями), ни с приобретателями никакими договорными обязательствами за исключением тех, которые предусмотрены действующими правилами. Персонал этих органов должен быть защищен от попыток незаконного давления или других воздействий, которые могли бы повлиять на принимаемые решения. Руководители этих организаций должны разраба- 176 тывать меры, направленные на то, чтобы сотрудники не вступали в незаконные сделки с лицами, заинтересованными в финансовых результатах аккредитации и сертификации. 4. Принцип «единой системы и правил аккредитации» означает, что аккредитация органов по сертификации, испытательных лабораторий и центров должна осуществляться в единой системе, а терминология, правила и процедуры аккредитации, применяемые в этой системе, должны быть основаны на единых принципах с учетом международного опыта, отраженного в руководствах ИСО и МЭК, международных и европейских стандартах. 5. Принцип «единство правил и методов исследований (испытаний) и измерений при проведении процедур обязательной оценки соответствия» устанавливает единство правил, относящихся к организации испытаний и измерений, применяемой документации, общих критериев соответствия оцениваемых объектов установленным требованиям. 6. Принцип «единство применения требований технических регламентов независимо от видов и особенностей сделок» декларирует обязательность их требований технических регламентов независимо от того, на основе каких договорных обязательств поставляется продукция, оказывается услуга или выполняется работа. 7. Принцип о недопустимости ограничения конкуренции при осуществлении аккредитации и сертификации запрещает возможность создания преимуществ отдельным заявителям, искусственного затормаживания решения вопросов или их необоснованного ускорения. 8. Принцип недопустимости совмещения полномочий органа государственного контроля (надзора) и органа по сертификации разграничивает сферы их деятельности. В обязанности этих органов входит контроль за сертифицированной продукцией и другими сертифицированными объектами, однако уровень этого контроля различен: орган по сертификации контролирует выполнение его решений, а орган госнадзора контролирует и деятельность органа по сертификации, проверяет, как точно выполняются решения. 177 9. Принцип недопустимости совмещения одним органом полномочий на аккредитацию и сертификацию вводит запрет на возможность одной и той же организации быть и исполнителем, и контролером своей деятельности. 10. Принцип недопустимости внебюджетного финансирования государственного контроля (надзора) за соблюдением требований технических регламентов отрицает возможность влияния частного капитала на деятельность, являющуюся по закону деятельностью государственного органа. ВОПРОС 3 Технические регламенты Новый для нашей страны нормативный документ – технический регламент, устанавливающий обязательные для применения и исполнения требования к объектам технического регулирования (продукции, в том числе зданиям, строениям и сооружениям, процессам производства, эксплуатации, хранения, перевозки, реализации и утилизации), имеет статус федерального закона, тогда как «обязательные требования ГОСТ», действовавшие до 1 июля 2003 г., утверждались Госстандартом России. Технический регламент может быть принят одним из четырех способов: − международным договором Российской Федерации, ратифицированным в установленном порядке; − федеральным законом; − указом Президента Российской Федерации; − постановлением Правительства РФ. Введение технического регламента в действие указом Президента или постановлением Правительства РФ производится в исключительных случаях при возникновении обстоятельств, приводящих к непосредственной угрозе жизни или здоровью граждан, окружающей среде, жизни или здоровью животных или растений, и в других случаях, когда незамедлительно требуется принятие соответствующего технического регламента. Технический регламент, принятый указом 178 Президента РФ или постановлением Правительства РФ, утрачивает силу после вступления в силу федерального закона о соответствующем техническом регламенте. Технические регламенты принимаются для достижения следующих целей: − защиты жизни или здоровья граждан; − защиты имущества физических или юридических лиц, государственного или муниципального имущества; − охраны окружающей среды, жизни или здоровья животных и растений; − предупреждения действий, вводящих в заблуждение приобретателей. Принятие технических регламентов в иных целях не допускается. Технические регламенты (с учетом степени риска причинения вреда) устанавливают минимально необходимые требования, обеспечивающие: − безопасность всякого рода (безопасность излучения, биологическую безопасность, взрывобезопасность, механическую, пожарную, промышленную, термическую, химическую, электрическую, ядерную и радиационную безопасность); − электромагнитную совместимость (в части обеспечения безопасности работы приборов и оборудования); − единство измерений. Содержание технического регламента должно включать исчерпывающий перечень обязательных требований как к самой продукции, процессам производства, эксплуатации, хранения, перевозки, реализации и утилизации, так и к терминологии, упаковке, маркировке, а также к правилам и формам оценки соответствия. Эти требования имеют прямое действие на всей территории РФ и могут быть изменены только внесением изменений или дополнений в соответствующий технический регламент. Не включенные в технические регламенты требования не могут носить обязательный характер. 179 Действие технических регламентов распространяется на всю продукцию данного рода, имеющую хождение в стране, независимо от страны или места ее происхождения. Для некоторых видов продукции в зависимости от места ее происхождения, учитывая климатические и географические особенности, технические регламенты могут содержать дополнительные специальные требования (карантинные правила, ограничения ввоза, особые процедуры испытания продукции, инспекционный контроль и т. д.). В Российской Федерации действуют: − общие технические регламенты; − специальные технические регламенты. Требования к конкретным видам продукции определяются совокупностью требований общих и специальных технических регламентов. Требования общего технического регламента обязательны для применения и соблюдения в отношении любых видов продукции. Эти требования, относящиеся к любой продукции, включают в себя безопасность всякого рода и электромагнитную совместимость. Специальные технические регламенты учитывают особенности отдельных видов продукции и устанавливают требования, которые не обеспечиваются требованиями общих технических регламентов. Общие технические регламенты, оформляемые как Федеральные законы, должны содержать основные нормы, распространяемые на очень широкий круг объектов [3]. Общие технические регламенты по вопросам безопасной эксплуатации зданий, строений, сооружений и безопасного использования прилегающих к ним территорий обязательны для соблюдения применительно ко всем видам зданий, строений, сооружений и прилегающих к ним территорий. Общие технические регламенты по вопросам безопасной эксплуатации и утилизации машин и оборудования, пожарной безопасности, биологической безопасности, экологической безопасности, ядерной и радиационной безопасности, электромагнитной совместимости обязательны для применения и соблюдения в отношении любых видов продукции. 180 Специальные технические регламенты устанавливают требования к технологическим и иным особенностям отдельных видов продукции, процессов производства, эксплуатации, хранения, перевозки, реализации и утилизации. Сюда относятся виды продукции, для которых необходимо устанавливать требования по безопасности излучений, взрывобезопасности, механической безопасности, промышленной безопасности, термической безопасности, химической безопасности, электрической безопасности, а также по соблюдению единства измерений. Из-за того, что эти требования не устанавливаются в общих технических регламентах, степень риска причинения вреда этих видов продукции выше степени риска причинения вреда продукцией, для которой эти виды опасности не характерны. Специальные технические регламенты предполагается утверждать постановлениями Правительства РФ. По оценке Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии число специальных технических регламентов составит около 1500, что примерно соответствует числу видов предпринимательской деятельности. Общих технических регламентов будет не более 10. На начало 2006 г. на стадии обсуждения находятся около 100 проектов технических регламентов. Таким образом, структура законодательства РФ о технических регламентах имеет вид пирамиды из 1500 нормативных актов о специальных и порядка 10 Федеральных законов об общих технических регламентах, на вершине которой находится Федеральный закон «О техническом регулировании». ВОПРОС 4 Государственный контроль (надзор) за соблюдением требований технических регламентов Государственный контроль (надзор) за соблюдением требований технических регламентов пришел на смену действовавшему до 1 июля 2003 г. государственному контролю и надзору за соблюдением обязательных государственных стандартов и за сертифицированной продукцией. Согласно ФЗ «О техническом регулировании», националь- 181 ные стандарты перешли в область «добровольного многократного использования», и обязательные требования к продукции устанавливаются только техническими регламентами, имеющими статус федерального закона Государственный контроль (надзор) за соблюдением требований технических регламентов осуществляется: − федеральными органами исполнительной власти; − органами исполнительной власти субъектов РФ; − подведомственными им государственными учреждениями, уполномоченными на проведение контроля (надзора). Все эти учреждения и органы исполнительной власти являются органами государственного контроля (надзора). Непосредственно государственный контроль (надзор) осуществляют должностные лица органов государственного контроля (надзора). Государственный контроль (надзор) за соблюдением требований технических регламентов осуществляется исключительно в части соблюдения требований соответствующих технических регламентов и исключительно на стадии обращения продукции. Органы государственного контроля (надзора) имеют право: − требовать от изготовителя (а также продавца или лица, представляющего иностранного изготовителя) предъявления декларации о соответствии или сертификата соответствия или их копий, если применение копий предусмотрено техническим регламентом; − осуществлять мероприятия по государственному контролю (надзору) в соответствии с законодательством РФ; − выдавать предписания об устранении нарушений требований технических регламентов; − принимать решения о запрете передачи продукции, а также о приостановлении производства, эксплуатации, хранения, перевозки, реализации и утилизации, если иными мерами невозможно устранить нарушения требований технических регламентов; − приостановить или прекратить действие декларации о соответствии или сертификата соответствия; 182 − привлекать изготовителя (исполнителя) к ответственности; − принимать иные меры, предусмотренные законодательством РФ, в целях недопущения вреда. Органы государственного контроля (надзора) и их должностные лица несут ответственность за ненадлежащее исполнение своих служебных обязанностей в соответствии с законодательством РФ. Изготовитель (исполнитель, продавец или лицо, представляющее иностранного изготовителя) несет ответственность: − за нарушение требований технических регламентов; − за неисполнение предписаний и решений органа государственного контроля (надзора); − за вред, причиненный другим лицам, их имуществу и окружающей среде. Виновник причиненного вреда обязан возместить причиненный вред и принять меры для недопущения причинения вреда в будущем. Спорные вопросы при невыполнении предписаний или программы мероприятий по предотвращению причинения вреда решаются в судебном порядке. При этом орган государственного контроля (надзора) имеет право требовать в суде принудительного отзыва продукции. ВОПРОС 5 Сущность, цели и принципы стандартизации На современном этапе научно-технического развития стандартизация определяет закономерности, принципы, методы и формы целесообразного, коллективного и оптимального упорядочения всех видов деятельности человека. Ситуации, когда из ряда существующих решений одной и той же задачи выбирается одно оптимальное и узаконивается, встречается в различных областях человеческой деятельности. Стандартизация связана с такими понятиями, как объект стандартизации и область стандартизации [5]. Объект стандартизации – продукция, работа, процесс, услуги, подлежащие или подвергшиеся стандартизации. Стандартизации может подлежать либо объект в целом, либо его отдельные составляющие (характеристики). Область стандартизации – совокупность взаимосвязанных объектов стандартизации. Например, 183 приборостроение является областью стандартизации, а объектами стандартизации могут быть типы приборов, технологические процессы, безопасность в приборостроении и т. д. Разносторонняя деятельность человека привела к необходимости отбора методов, наиболее пригодных для решения той или иной задачи, к закреплению и передаче этих методов другим поколениям. Эта практика легла в основу понятия «стандартизация». Методы стандартизации, возникшие из потребностей социальной жизни, целенаправленно стали применяться в технике. Неупорядоченная, стихийная стандартизация стала превращаться в упорядоченную стандартизацию: в рамках предприятия (организации), государства, в межгосударственном масштабе. Стандартизацию, в свою очередь, можно рассматривать как одну из составных частей более общей науки об управлении – кибернетики, как один из методов переработки информации с целью нахождения оптимального обязательного (рекомендательного) решения на определенный период времени. Основным признаком объекта, на который следует разрабатывать НД по стандартизации, является перспективность его многократного применения. Таким образом, стандартизация – это деятельность, направленная на достижение оптимальной степени упорядочения в определенной области посредством установления положений для всеобщего и многократного использования в отношении реально существующих или потенциальных задач. Работы по стандартизации в России осуществляются на основании федерального закона «О техническом регулировании». В соответствии со ст. 47 этого закона утратил силу закон Российской Федерации от 10 июня 1993 г. № 5154–1 40 стандартизации». Согласно ст. 2 федерального закона «О техническом регулировании», стандартизация – деятельность по установлению правил и характеристик в целях их добровольного и многократного использования, направленная на достижение упорядоченности в сферах производства и обращения продукции и повышение конкурентоспособности продукции, работ, услуг. 184 Обшей целью стандартизации является защита интересов потребителей и государства по вопросам качества продукции, процессов и услуг посредством разработки и применения нормативных документов по стандартизации. В соответствии с этим перед стандартизацией стоит несколько целей. К числу основных целей относятся [5]: - повышение уровня безопасности жизни и здоровья граждан, имущества физических или юридических лиц, государственного или муниципального имущества, экологической безопасности, безопасности жизни или здоровья животных и растений и содействия соблюдению требований технических регламентов; - повышение уровня безопасности объектов с учетом риска возникновения чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера; - обеспечение научно-технического прогресса; - повышение конкурентоспособности продукции, работ, услуг; - рациональное использование ресурсов; - обеспечение технической и информационной совместимости; обеспечение сопоставимости результатов исследований (испытаний) и измерений, технических и экономико-статистических данных; - обеспечение взаимозаменяемости продукции. Стандартизация осуществляется в соответствии с принципами: - добровольного применения стандартов; - максимального учета при разработке стандартов законных интересов заинтересованных лиц; - применения международного стандарта как основы для разработки национального стандарта, за исключением случаев, когда такое применение признано невозможным. Учет законных интересов заинтересованных лиц основывается на сбалансированности интересов сторон, разрабатывающих, изготавливающих, предоставляющих и потребляющих продукцию (услугу). Участники стандартизации, исходя из возможностей изготовителя продукции и исполнителя услуга, с одной стороны, и требо- 185 ваний потребителя – с другой, должны найти консенсус, который понимается как общее согласие, то есть как отсутствие возражений по существенным вопросам у большинства заинтересованных сторон, стремление учесть мнение всех сторон и сблизить несовпадающие точки зрения. Консенсус не предполагает полного единодушия. Стандартизация осуществляется с системных позиций. Принцип системности в стандартизации предполагает рассмотрение каждого объекта как части более сложной системы. Системный подход подразумевает рассмотрение элементов, образующих систему, с учетом взаимосвязей между ними, что позволяет разрабатывать систему взаимно увязанных требований к собственно объекту стандартизации и к основным элементам, составляющим этот объект. Важным моментом при разработке стандартов является комплексность. Комплексность предполагает совместимость всех элементов сложной системы. Комплексами НД по стандартизации объединяют требования к материалам, полуфабрикатам, деталям, комплектующим и изготавливаемым из них сложным изделиям, машинам, приборам. В качестве комплекса изделий можно рассмотреть авиатранспорт, в который входят летательные аппараты, навигационные системы, аэродромные сооружения, системы обеспечения горючесмазочными материалами и многое другое. Известным сложным изделием является автомобиль, НД на который приходится увязывать со стандартами на металлы и сплавы, измерительные приборы, с экологическими нормами, правилами дорожного движения, юридическими нормами и т. д. В задачу комплексной стандартизации входит обеспечение преемственности вновь назначаемых норм со старыми нормами и увязывание разрабатываемых стандартов с действующими. Достижение одной из целей стандартизации – обеспечения научнотехнического прогресса – невозможно без динамичности и опережающего развития стандартов. Научно-технический прогресс вносит изменения в технику и процессы управления, поэтому стандарты должны быть адаптированными к происходящим переменам. Динамичность обеспечивается внесением изменений в стандарты и отменой НД. 186 Опережающее развитие обеспечивается внесением в стандарт перспективных требований и норм, учетом на этапе разработки НД требований международных и региональных стандартов. Применение стандартов должно давать экономический или социальный эффект. Непосредственный экономический эффект дают стандарты, ведущие к экономии ресурсов, повышению надежности, технической и информационной совместимости. Стандарты, направленные на обеспечение безопасности жизни и здоровья людей, окружающей среды, дают социальный эффект. ВОПРОС 6 Национальный стандартизации и международные органы по В рамках содружества независимых государств (СНГ) на межправительственном уровне был создан Межгосударственный совет по стандартизации, метрологии и сертификации (МГС). Членами МГС являются руководители национальных организаций по стандартизации, метрологии и сертификации государств – участников Соглашения (12 государств Содружества). Основной рабочий орган МГС - Бюро стандартов, метрологии и сертификации, расположенное в Минске. Рабочими органами МГС являются межгосударственные технические комитеты по стандартизации (МТК), которые создаются для разработки межгосударственных стандартов и проведения других конкретных работ в области межгосударственной стандартизации [5]. Межгосударственные стандарты и изменения к ним принимаются по решению МГС, заседания которого проходят два раза в год. В качестве проекта ГОСТа национальный орган по стандартизации какого-либо государства может предложить действующий национальный (государственный) стандарт государства – участника Соглашения. В результате деятельности МГС сохранены существовавшие в СССР фонды НД и эталонная база. Учитывая большую работу, проводимую МГС в рамках СНГ, Международная организация по стандартизации (ISO) признала МГС в качестве международной региональной организации по 187 стандартизации. Деятельность МГС в значительной степени способствует ускорению процесса вступления государств – участников Содружества во Всемирную торговую организацию (ВТО) и ISO. Важным условием для успешного осуществления торгового, экономического и научно-технического сотрудничества различных стран является развитие международной стандартизации. В настоящее время значение международной стандартизации трудно переоценить. Основными задачами международного научно-технического сотрудничества в области стандартизации являются: - обеспечение взаимозаменяемости элементов сложной продукции; - сближение уровня качества товаров, производимых в разных странах; - содействие взаимному обмену научно-технической информацией; ускорение научно-технического прогресса участников международных организаций; - содействие международной торговле. Международное сотрудничество осуществляется по линии международных и региональных организаций по стандартизации. Наиболее крупными организациями по стандартизации являются Международная организация по стандартизации и Международная электротехническая комиссия (МЭК). Неправительственная Международная организация по стандартизации начала свою официальную деятельность в 1947 г. ISO занимается вопросами стандартизации во всех областях, кроме электроники, электротехники, связи и приборостроения, которые относятся к компетенции МЭК. Высшим руководящим органом ISO является Генеральная ассамблея, состоящая из официальных лиц и представителей всех категорий членов ISO, созываемая не реже одного раза в три года. Генеральная ассамблея определяет общую политику организации решает основные вопросы ее деятельности. К официальным лицам ISO относятся президент, вице-президент, казначей, генеральный секретарь. В ISO существу три категории членства: комитет-член (полноправный член ISO), член-корреспондент, наблюдатель. Комитетамичленами ISO являются национальные организации по стандартизации, 188 согласные с требованиями Устава и Правил ISО. От каждой страны, независимо от числа действующих в ней организаций по стандартизации, в члены ISO может быть принята только одна национальная организация. Страны, не имеющие национальной организации по стандартизации (чаще всего развивающиеся), относятся к категории членов-корреспондентов. Члены - корреспонденты имеют право на участие в заседаниях технических комитетов (ТК) без регистрации и на получение материалов информационного характера. ISO имеет широкие деловые контакты со специализированными агентствами ООН, работающими в смежных направлениях, и с МЭК. Стандарты ISO не имеют статуса обязательных для всех стран-участниц. Каждая страна мира вправе применять или не применять их. Решение вопроса о применении стандартов ISO в основном связано со степенью участия страны в международном разделении труда и состоянием ее внешней торговли. В российской системе стандартизации нашли применение около половины стандартов ISO. Вопросы применения международных стандартов в отечественной практике рассматриваются далее. Стандарты ISO отличаются тем, что небольшая часть из них включает требования к конкретной продукции. Основное число НД касается вопросов безопасности, взаимозаменяемости, технической совместимости, методов испытаний продукции, общих методических вопросов. Предполагается, что технические требования к продукции устанавливаются в процессе договорных отношений. В период между сессиями Генеральной ассамблеи работой ISO руководит Совет, в который входят представители национальных организаций по стандартизации. При Совете создан ряд специальных комитетов для работы по отдельным направлениям деятельности ISO. Проекты международных стандартов разрабатываются рабочими группами (РГ), действующими в рамках ТК. Количество ТК не ограничено, новый ТК может быть создан по предложению одного комитета-члена при поддержке не менее пяти других комитетов-членов. Если сфера деятельности данного ТК охватывает целую отрасль, в его 189 рамках создаются более узкоспециализированные подкомитеты (ПК). ТК подразделяются на общетехнические и комитеты, работающие в конкретных областях техники В рамках работы комитетов: - оказывается методическая и информационная помощь Совету ISO по принципам и методике разработки международных стандартов, изучаются основополагающие принципы стандартизации, организуются семинары по применению международных стандартов; - проводится подготовка предложений по планированию работы ISO, по организации и координации технических сторон работы, по созданию и роспуску ТК, по определению области стандартизации, которой должны заниматься конкретные ТК; - изучаются вопросы, связанные с подтверждением соответствия продукции, услуг, процессов и систем качества требованиям стандартов. Оказывается содействие взаимному признанию и принятию национальных и региональных систем сертификации, а также использованию международных стандартов в области испытаний и подтверждения соответствия; - проводится работа по вопросам научно-технической информации; - изучаются запросы развивающихся стран в области стандартизации и разрабатываются рекомендации по содействию этим странам в данной области; - изучаются вопросы обеспечения интересов потребителей и возможности содействия этому через стандартизацию, обобщается опыт участия потребителей в создании стандартов и составляются программы по обучению потребителей в области стандартизации и доведению до них необходимой информации о международных стандартах; - разрабатываются руководства по вопросам, касающимся стандартных образцов, координируется деятельность ISO по стандартным образцам с международными метрологическими организациями (в первую очередь с МОЗМ – Международной организацией законодательной метрологии). 190 Международная электротехническая комиссия (МЭК) была создана в 1906 г. на международной конференции, в которой участвовали 13 стран. Разновременность образования и разная направленность МЭК и ISO определили факт параллельного существования этих двух международных организаций. Между МЭК и ISO заключено соглашение, которое, с одной стороны, направлено на разграничение сфер деятельности, а с другой – на координацию технической деятельности. Основная цель МЭК – содействие международному сотрудничеству по стандартизации и смежным с ней проблемам в области электротехники и радиотехники путем разработки международных стандартов и других документов. Международные стандарты МЭК можно разделить на два вида: общетехнические, которые носят межотраслевой характер, и стандарты, содержащие технические требования к конкретной продукции. К первому виду относятся НД на терминологию, стандартные напряжения и частоты, различные виды испытаний и пр. Второй вид стандартов охватывает большой диапазон электроприборов – от бытовых до устройств спутниковой связи. Основные объекты стандартизации МЭК: - материалы для электротехнической промышленности; - электротехническое оборудование; - электроэнергетическое оборудование; - изделия электронной промышленности; - электронное оборудование бытового и производственного назначения; - электроинструменты; - оборудование для спутников связи; - терминология. Придавая большое значение разработке международных стандартов на безопасность ISO совместно с МЭК приняли Руководство ISO МЭК «Общие требования к изложению вопросов безопасности при подготовке стандартов». Главной целью стандартизации в области безопасности является поиск защиты от различных видов опасностей. В сферу деятельности МЭК входят: травмоопасность, опасность поражения током, техническая опасность, пожароопасность, взрывоопасность, химическая 191 опасность, биологическая опасность, опасность излучений оборудования (звуковых, инфракрасных, радиочастотных, ультрафиолетовых, ионизирующих, радиационных и др.). В составе МЭК особый статус имеет Международный комитет по радиопомехам, который занимается стандартизацией методов измерения радиопомех, излучаемых электронными и электротехническими приборами. Допустимые уровни таких помех являются объектами прямого технического законодательства практически всех развитых стран. Высшим руководящим органом МЭК является Совет, в который входят национальные комитеты стран – членов МЭК. Структура технических органов МЭК, непосредственно разрабатывающих международные стандарты, аналогична структуре ISO. Это технические комитеты, подкомитеты и рабочие группы. В работе каждого ТК участвуют 15-25 стран. Наряду со стандартизацией МЭК занимается сертификацией изделий по своему профилю деятельности. Помимо ISO и МЭК в работах по международной стандартизации участвуют и другие организации: - Европейская экономическая комиссия ООН (ЕЭК ООН), известная своей деятельностью в области стандартизации требований безопасности транспортных средств; - Продовольственная и сельскохозяйственная организация ООН (ФАО); - Всемирная организация здравоохранения (ВОЗ), имеющая консультативный статус в ISO и принимающая участие в работе более чем 40 ТК; - международные организации при ООН, участвующие в работах по стандартизации в пределах своей компетентности, – ЮНЕСКО, МАГАТЭ и пр.; - Международная торговая палата (МТП); - комиссия «Кодекс Алиментариус» по разработке стандартов на продовольственные товары, действующая в рамках Объединенного комитета экспертов ФАО/ВОЗ. 192 ВОПРОС 7 Документы по стандартизации Согласно ст. 13 закона «О техническом регулировании», к документам в области стандартизации, используемым на территории Российской Федерации, относятся [5]: - национальные стандарты; - правила стандартизации, нормы и рекомендации в области стандартизации; - применяемые в установленном порядке классификации, общероссийские классификаторы технико-экономической и социальной информации; - стандарты организаций. Согласно ст. 2 упомянутого закона, стандарт – документ, в котором в целях добровольного многократного использования устанавливаются характеристики продукции, правила осуществления и характеристики процессов производства, эксплуатации, хранения, перевозки, реализации и утилизации, выполнения работ или оказания услуг. Стандарт также может содержать требования к терминологии, символике, упаковке, маркировке или этикеткам и правилам их нанесения. Постановление Госстандарта России от 27 июня 2003 г. № 63 признало национальными стандартами действующие государственные и межгосударственные стандарты, введенные в действие до 1 июля 2003 г. для применения в Российской Федерации. В соответствии с этим же постановлением до вступления в силу вновь разработанных соответствующих правил, норм и рекомендаций по стандартизации признано целесообразным сохранить для действующих государственных и межгосударственных стандартов и разрабатываемых национальных стандартов условные обозначения «ГОСТ» и «ГОСТ Р». Таким образом, в течение переходного периода на территории РФ будут функционировать как стандарты, разработанные в рамках старой системы (до вступления в силу закона «О техническом регулировании»), так и стандарты, разработанные в рамках новой системы. Поэтому в настоящее время используются следующие понятия. 193 Нормативный документ – документ, устанавливающий правила, общие принципы или характеристики, касающиеся различных видов деятельности или их результатов. Стандарт научно-технического, инженерного общества (СТО) – стандарт, принятый научно-техническим, инженерным обществом или другим общественным объединением. Правила (ПР) – документ в области стандартизации, устанавливающий обязательные для применения организационнотехнические и/или общетехнические положения, порядки (правила, процедуры), методы (способы, приемы) выполнения работ, а также обязательные требования к оформлению результатов этих работ. Рекомендации (Р) – документ в области стандартизации, содержащий добровольные для применения организационно-технические и/или общетехнические положения, порядки (правила, процедуры), методы (способы, приемы) выполнения работ, а также рекомендуемые правила оформления результатов этих работ. Стандарт отрасли (ОСТ) – стандарт, принятый государственным органом управления в пределах его компетенции. В настоящее время понятие отрасли исчезает в сфере управления экономикой РФ, но в ряде важных сфер деятельности требования ОСТ необходимо учитывать. Стандарт предприятия (СТП) – стандарт, утвержденный предприятием и применяемый (соблюдаемый) в основном на данном предприятии. Стандарты организаций (понятие введено в законе «О техническом регулировании») – стандарты организаций, в том числе коммерческих, общественных, научных организаций, саморегулируемых организаций, объединений юридических лиц, разрабатываемые и утверждаемые ими самостоятельно исходя из необходимости их применения. Комплекс стандартов – совокупность взаимосвязанных стандартов, объединенных общей целевой направленностью и устанавливающих согласованные требования к взаимосвязанным объектам стандартизации. Общероссийский классификатор технико-экономической и социальной информации (ОКТЭСИ) – официальный документ, представ- 194 ляющий собой систематизированный свод наименований и кодов классификационных группировок и/или объектов классификации в области технико-экономической и социальной информации. Согласно ст. 15 федерального закона «О техническом регулировании», ОКТЭСИ – нормативные документы, распределяющие технико-экономическую и социальную информацию в соответствии с ее классификацией (классами, группами, видами и др.) и являющиеся обязательными для применения при создании государственных информационных систем и информационных ресурсов и межведомственном обмене информацией. Для того чтобы выпускаемые изделия обладали необходимыми потребителю свойствами, необходимо нормировать выходные характеристики этих изделий. Назначение норм состоит в наложении некоторых ограничений на параметры изделия. Параметр – величина, характеризующая какое-либо свойство изделия. Параметры определяют техническую характеристику изделий с точки зрения производительности, основных размеров, конструкции. Параметры в стандартах обычно фиксируются в виде параметрических рядов. Параметрический ряд – последовательный ряд числовых значений параметров, построенный на основе принятой системы градации. Закономерное построение параметров стандартизуемых объектов осуществляется на основе предпочтительных чисел и их рядов. В основу параметрических рядов объектов стандартизации могут быть положены их размер, мощность, производительность, грузоподъемность и др. Процесс назначения требований к объектам и их параметрам называют нормированием. В наиболее широком смысле стандартом можно считать любое нормирующее предписание (например, рецепт приготовления салата или пирога). В общепринятом смысле стандарт является НД, который утвержден компетентной организацией в установленном порядке. 195 ВОПРОС 8 Система стандартизации Российской Федерации Национальные стандарты и общероссийские классификаторы технико-экономической и социальной информации, в том числе правила их разработки и применения, представляют собой национальную систему стандартизации. В зависимости от назначения и содержания выделяют следующие виды стандартов [5]: - основополагающие; - на продукцию и услуги; - на работы (процессы); - на методы контроля. Основополагающий стандарт – нормативный документ, имеющий широкую область распространения и содержащий общие положения для определенной области. Основополагающие стандарты в широком смысле охватывают объекты межотраслевого значения: к ним можно отнести систему государственной стандартизации, систему конструкторской документации, термины межотраслевого значения. В узком смысле основополагающий стандарт определяет общие положения в общей цепочке стандартов конкретной системы. Основополагающие стандарты включают основополагающие организационно-методические стандарты и основополагающие общетехнические стандарты. Основополагающие организационнометодические стандарты устанавливают общие организационнометодические положения для определенной области деятельности (например, ГОСТ Р 1.0 «ГСС РФ. Стандарты на продукцию (услугу) устанавливают требования к группам однородной продукции (услуги) или конкретной продукции (услуге). Под однородной продукцией понимается совокупность продукции, характеризующейся общностью назначения, области применения, конструктивно-технологического решения, номенклатуры основных показателей качества (велосипеды, швейные изделия и т.д.) 196 Стандарты на работы (процессы) устанавливают требования к выполнению различного рода работ на отдельных этапах жизненного цикла продукции (ycлуги). Цель разработки подобных стандартов – обеспечение технического единства и оптимальности при разработке, изготовлении, хранении, транспортировании, эксплуатации и утилизации продукции. Объектами стандартов на процессы являются в частности: - методы автоматизированного проектирования продукции и информационного обслуживания; - методы блочно-модульного конструирования; - принципиальные технологические схемы изготовления продукции и др. Стандарты на работы (процессы) должны содержать требования к безопасности для жизни и здоровья населения и охраны окружающей среды при проведении технологических операций. На современном этапе большое значение приобретают стандарты на процессы управления в рамках систем обеспечения качества продукции (услуг): управление документацией, закупками, подготовкой кадров и т. п. Стандарты на методы контроля (испытания, измерений, анализа) в первую очередь предназначены для обеспечения всесторонней проверки всех обязательных требований к качеству продукции (услуги). Устанавливаемые в стандартах методы контроля должны быть объективными, четко сформулированными и должны обеспечивать воспроизводимые результаты. Выполнение этих требований в значительной степени зависит от наличия в стандарте необходимых сведений о точности измерений. С учетом специфики проведения испытаний и контроля в стандартах устанавливаются: средства испытаний (контроля) и вспомогательные устройства; порядок подготовки к проведению испытаний (контроля); порядок проведения испытаний (контроля); правила обработки результатов испытаний (контроля); правила оформления результатов испытаний (контроля); допустимая погрешность испытаний (контроля). 197 В стандартах на методы контроля устанавливаются методы контроля как одного показателя нескольких групп однородной продукции, так и комплекса показателей групп однородной продукции. Статус стандарта, зависящий от сферы действия, называется категорией стандарта. Далее рассмотрены особенности отдельных категорий стандартов. Государственный стандарт Российской Федерации (ГОСТ Р) – стандарт, принятый Государственным комитетом Российской Федерации по стандартизации и метрологии (Госстандартом России). В области строительства ГОСТ Р принимается Госстроем России. Государственные стандарты РФ распространяются на субъекты хозяйственной деятельности независимо от форм собственности и подчиненности, а также на граждан, занимающихся индивидуальной деятельностью. К объектам государственных стандартов РФ относят: - организационно-методические и общетехнические объекты межотраслевого применения; - продукцию, работы и услуги, имеющие межотраслевое значение. Обозначение государственного стандарта состоит из индекса (ГОСТ Р), регистрационного номера и отделенных тире двух последних цифр, обозначающих год принятия (ГОСТ Р хххх—хх). В обозначении государственных стандартов, входящих в комплекс (систему) стандартов, в регистрационном номере первые цифры с точкой определяют шифр комплекса государственных стандартов. Стандарты отраслей (ОСТ) могут разрабатываться и приниматься государственными органами управления в пределах их компетенции применительно к продукции, работам и услугам отраслевого значения. Компетенция указанных органов определяется положениями о них. Например, положением о Министерстве путей сообщения РФ предусмотрено утверждение единых НД, в том числе ОСТ, по технической эксплуатации железных дорог и условиям перевозок, направленных на обеспечение безопасности движения поездов и охраны труда. Стандарты отраслей (как и государственные стандарты) разрабатывают для двух видов объектов: организационно-технических и 198 общетехнических объектов, а также продукции, процессов и услуг. Объекты ОСТ имеют отраслевое значение. Примерами продукции отраслевого значения как объекта ОСТ являются: коробки картонные для рыбной продукции (картонные коробки вообще являются объектами ГОСТ); рабочая обувь для работников мясомолочных предприятий (тогда как обувь кожаная и резиновая является объектом ГОСТ). Обозначение стандарта отрасли состоит из индекса (ОСТ), условного обозначения министерства (ведомства), регистрационного номера и отделенных тире двух последних цифр года утверждения. Стандарты научно-технических, инженерных обществ и других общественных объединений (СТО). Объектами СТО являются: - принципиально новые виды продукции и услуг; - новые, передовые методы испытаний; - нетрадиционные технологии разработки, изготовления, хранения продукции и новые принципы организации и управления производством. Общественные объединения, занимающиеся этими вопросами, преследуют цель распространения через свои стандарты заслуживающих внимания и перспективных результатов мировых научно-технических достижений, фундаментальных и прикладных исследований. Для отечественной стандартизации СТО является новой категорией стандарта, но за рубежом она используется давно. Большое распространение эта категория стандарта получила в США. Наиболее влиятельным инженерным обществом является Американское общество по испытаниям и материалам (ASTM). Разработка принципиально новых видов продукции (услуг), нетрадиционных технологий, методов испытаний – это результат научноисследовательских работ. Разработку соответствующих стандартов раньше (в СССР) организовывали отраслевые министерства. Сейчас эта функция должна перейти к научно-техническим и инженерным обществам. Задачи, связанные с разработкой новых химических методов, будут решать специалисты из Российского химического общества, задачи из области строительства будут решать специалисты Российского научно- 199 технического союза строителей. Обозначение СТО состоит из индекса (СТО), аббревиатуры общества, регистрационного номера и отделенных тире двух цифр, обозначающих год утверждения стандарта. Пример: СТО РОО 10.01-95, где РОО – Российское общество оценщиков. Стандарты предприятий (СТП) разрабатываются на создаваемые и применяемые в основном на данном предприятии продукцию, услуги, процессы. Требования, устанавливаемые в СТП не должны противоречить обязательным требованиям государственных стандартов и стандартов отраслей. Объектами СТП являются: - разрабатываемая на данном предприятии продукция, ее составные части, технологическая оснастка и инструмент; - технологические процессы, общие технологические нормы и требования к ним; - услуги, оказываемые внутри предприятия; - процессы организации и управления производством. Таким образом, основное назначение СТП – решение внутренних задач предприятия. Для решения внутренних задач предназначены и стандарты организаций, которые должны заменить СТП. Технические условия (ТУ) разрабатывают предприятия и другие субъекты хозяйственной деятельности в том случае, когда стандарт создавать нецелесообразно. Объектом ТУ может быть продукция разовой поставки, выпускаемая малыми партиями, а также произведения художественных промыслов и т. п. ТУ имеют двойной статус как документа нормативного и технического. Согласно государственной системе стандартизации (ГСС) РФ, ТУ на поставляемую продукцию используют в роли НД, если на них делаются ссылки в договорах и контрактах, с другой стороны, в соответствии с законом «О стандартизации» ТУ были отнесены к техническим, а не нормативным документам. В ТУ устанавливают требования к конкретной продукции (услуге, процессу). Требования ТУ не должны противоречить обязательным требованиям государственных (национальных) стандартов, ужесточать установленные в них требования. 200 Обозначение «ТУ» предприятие-разработчик присваивает продукции в соответствии с принятым им порядком обозначения ТУ. Разработчик ТУ принимает их без указания срока действия, за исключением особых случаев, когда заинтересованность в ограничении срока действия проявляет заказчик (потребитель) продукции. В качестве нормативного документа может выступать комплекс стандартов, который объединяет взаимосвязанные стандарты, если они имеют общую целевую направленность, устанавливают согласованные требования к взаимосвязанным объектам стандартизации. Подобные комплексы стандартов, согласно общероссийским классификаторам, представляют собой системы стандартов межотраслевого значения. Номер системы обозначается цифрой после аббревиатуры ГОСТ. Примерами межгосударственных и государственных систем стандартов являются: - ГОСТ Р 1 - государственная система стандартизации Российской Федерации; - ГОСТ 2 – единая система конструкторской документации (ЕСКД); - ГОСТ 3 – единая система технологической документации (ЕСТП); - ГОСТ (ГОСТ Р) 8 - государственная система обеспечения единства измерений (ГСИ); - ГОСТ 12 – система стандартов безопасности труда (ССБТ); - ГОСТ 14 –единая система технологической подготовки производства (ЕСТПП). Национальные стандарты утверждаются национальным органом по стандартизации в соответствии с правилами стандартизации, нормами и рекомендациями в этой области. В соответствии с постановлением правительства Российской Федерации от 17 июня 2004 года № 294 функции национального органа РФ по стандартизации возложены на Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии. Ранее эти функции были возложены на Госстандарт России. 201 ВОПРОС 9 Методы стандартизации Для нахождения оптимального решения повторяющихся задач и узаконивания его в качестве норм и правил необходим комплекс соответствующих методов [5]. Метод стандартизации - это прием или совокупность приемов, с помощью которых достигаются цели стандартизации. Основными методами стандартизации являются унификация, типизация, агрегатирование. Унификация. Термин «унификация» происходит от латинских слов unio -единство и facere - делать и обозначает «приводить что-либо к единой норме, к единой форме, к единообразию или системе». В широком смысле унификация – это научно-технический метод определения и регламентации оптимальной и сокращенной номенклатуры объектов одинакового функционального назначения. Унифицированным является изделие (узел, деталь, конструктивный элемент, технологический процесс и т. д.), которое создано на базе некоторого количества ранее существовавших различных исполнений путем приведения их к единому исполнению, заменяющему любое из первичных. На 17-й сессии Совета ISO было принято предложенное французскими стандартизаторами определение термина унификация. «Унификация – вид стандартизации, состоящий в объединении в один документ двух или более технических условий с таким расчетом, чтобы регламентируемые документом изделия были взаимозаменяемыми». Это определение несколько необычно для отечественной практики, но подчеркивает приоритет технической документации и не противоречит приведенному в предыдущем абзаце определению. Часто унификацию пытаются привести к одной простой схеме: унификация – сокращение – число изделий (номенклатура). Подобная процедура определена международным термином «симплификация», под которой понимается элементарный вид унификации, основанный на простом сокращении наименее употребительных элементов, – ограничительная унификация. Тем не менее, проводя унификацию, зачас- 202 тую не сокращают типоразмерный ряд изделий, а увеличивают. В зависимости от целей, задач и конкретных способов реализации следует различать три вида унификации: заимствование, построение рядов, сокращение (симплификация). Унификация заимствованием – это использование в каком-либо изделии при его проектировании ранее разработанных деталей, узлов, элементов конструкций, технологических процессов и т. п. Заимствование может проводиться как из предыдущих моделей данного изделия, так и из изделий другого функционального назначения. Заимствование может происходить нерегламентируемо (стихийно), однако необходимо убедиться в том, что конкретное заимствование не противоречит действующим НД. Унификация построением рядов – это построение оптимальных рядов изделий, которые по своему функциональному назначению заменяют неунифицированные изделия. В этом случае разрабатываются типовые решения для создания новых изделий, процессов или проведения соответствующих работ. Такой вид унификации используется тогда, когда предполагается полная или существенная смена изготавливаемой продукции. Результатом разработки типовых решений будут унифицированные детали, узлы, технологические операции и процессы, агрегаты, базовые конструкции и базовые изделия, ряды изделий, параметров и т. д. Унификация данного типа завершается созданием стандарта или альбомом унифицированных конструкций. Полностью унифицированная деталь – это деталь, изготовленная по унифицированному рабочему чертежу. Деталь в этом случае получает определенное обозначение, которое полностью и однозначно определяет все ее характеристики. Типизация. Под типизацией объектов стандартизации понимается метод стандартизации, заключающийся в установлении типовых объектов для данной совокупности и принимаемых за основу (базу) при создании других объектов, близких по функциональному назначению. Этот метод часто называют методом базовых конструкций, так как в процессе типизации выбирается объект, наиболее характерный для данной совокупности, с оптимальными свойствами, а для получения конкретного 203 объекта (изделия, технологического процесса) выбранный типовой объект может лишь частично изменяться или дорабатываться. Возможность определенных преобразований отобранных объектов отличает типизацию от селекции – деятельности, заключающейся в простом отборе конкретных объектов, которые признаются целесообразными для дальнейшего производства и применения. Агрегатирование. Под термином «агрегатирование» понимается метод создания (компоновки) машин, приборов и оборудования из отдельных стандартных (взаимозаменяемых, унифицированных) узлов, многократно используемых при создании различных изделий. Каждый узел (агрегат) выполняет определенную функцию и представляет собой законченное изделие. Агрегат – это укрупненный унифицированный узел машины или прибора, который обладает следующими свойствами: - отделимостью и полной взаимозаменяемостью; завершенностью в функциональном отношении. Под завершенностью в данном случае понимается возможность самостоятельно выполнять определенную функцию; - завершенностью в конструктивном исполнении (самостоятельное изделие); - наличием стандартных конструктивных, габаритных и присоединительных размеров, допускающих надежную и быструю сборку. Агрегат должен быть отработан технологически и хорошо изучен в эксплуатации. Унификация приводит к уменьшению количества типоразмеров изделий одинакового функционального назначения, а агрегатирование увеличивает число объектов специализированного назначения. Применение метода агрегатирования позволяет не создавать каждый раз новое изделие как оригинальное и единственное в своем роде, а перекомпоновывать уже существующие, освоенные в производстве узлы и агрегаты, с добавлением ограниченного числа новых узлов. В машиностроении и приборостроении широко используется метод базового агрегата, при котором к базовой модели машины (прибора) присоединяется специальное оборудование (блоки). В результате получа- 204 ют ряд машин (приборов) разнообразного назначения. В условиях современного производства, когда осуществляется быстрая смена объектов производства, агрегатирование является одним из наиболее прогрессивных методов конструирования изделий, обеспечивающим ускорение технического прогресса и большой экономический эффект. Продукция определенного назначения, принципа действия и конструкции, то есть продукция определенного типа, характеризуется рядом параметров. Набор установленных значений параметров называется параметрическим рядом. Процесс стандартизации параметрических рядов – параметрическая стандартизация – заключается в выборе и обосновании целесообразной номенклатуры и численного значения параметров. Разработка параметрических рядов требует прежде всего установления единой закономерности в системе стандартизируемых величин, к числу которых относятся геометрические характеристики, мощность, производительность, грузоподъемность, скорость, прочность и другие параметры изделий и их составных частей. Эта задача решается установлением рядов предпочтительных чисел, из которых необходимо выбирать значения параметров, размеров и других характеристик как при разработке стандартов, так и при проектировании, расчетах, составлении различных технических документов. Смысл разработки рядов предпочтительных чисел заключается в выборе лишь тех значений параметров изделий, которые подчиняются строго определенной математической закономерности, а не любых значений, принимаемых в результате расчетов или в порядке волевого решения. Контрольные вопросы 1. Дать определение понятия «техническое регулирование». 2. Области, на которые распространяется понятие «техническое регулирование». 3. Главная цель Федерального закона «О техническом регулировании». 4. Концепция закона «О техническом регулировании». 205 5. Требования к объектам регулирования согласно Федеральному закону «О техническом регулировании». 6. Основной принцип технического регулирования. 7. Способы принятия технических регламентов. 8. Цели принятия технических регламентов. 9. Виды технических регламентов, действующих в Российской Федерации. 10. Различие между общими и специальными техническими регламентами. 11. Назначение государственного контроля (надзора) за соблюдением требований технических регламентов. 12. Ответственность изготовителя (исполнителя, продавца или лица, представляющего иностранного изготовителя). 13. Что является объектом стандартизации? 14. Первопричина возникновения методов стандартизации. 15. Дать определение понятия «стандартизация». 16. Основные цели стандартизации. 17. Принципы стандартизации. 18. Статус Межгосударственного совета по стандартизации, метрологии и сертификации. 19. Основной рабочий орган Межгосударственного совета по стандартизации, метрологии и сертификации. 20. Рабочие органы Межгосударственного совета по стандартизации, метрологии и сертификации. 21. Основные задачи международного научно-технического сотрудничества в области стандартизации. 22. Наиболее крупные мировые организациями по стандартизации. 23. Области деятельности Международной организации по стандартизации. 24. Высший руководящий орган ISO. 25. Официальные лица ISO. 26. Категории членства в ISO. 27. Области деятельности Международной электротехнической комиссии. 28. Основная цель МЭК. 206 29. Главная целью стандартизации в области безопасности. 30. Высший руководящий орган МЭК. 31. Документы в области стандартизации, используемые территории Российской Федерации. 32. Обозначение государственного стандарта. 33. Обозначение стандарта отрасли. 34. Основные методы стандартизации в РФ. на 207 ЛЕКЦИЯ № 12 Тема лекции: Принципы сертификации Вопросы лекции: 1. Цели и принципы подтверждения соответствия. 2. Обязательная и добровольная сертификации. 3. Системы сертификации. Система сертификации ГОСТ Р. ВОПРОС 1 Цели и принципы подтверждения соответствия Подтверждение соответствия продукции и услуг является одной из составляющих механизма оценки их безопасности и применяется на дорыночной стадии обращения продукции [5]. Согласно ФЗ «О техническом регулировании», подтверждением соответствия называют документальное удостоверение соответствия продукции или иных объектов, процессов производства, эксплуатации, хранения, перевозки, реализации и утилизации, выполнения работ и оказания услуг требованиям технических регламентов, положениям стандартов или условиям договоров. Подтверждение соответствия осуществляется в целях: - удостоверения соответствия продукции, работ или услуг техническим регламентам, стандартам, условиям договоров; - содействия приобретателям в компетентном выборе продукции, работ или услуг; - повышения конкурентоспособности продукции, работ или услуг на российском и международном рынках; - создания условий для обеспечения свободного перемещения товаров на территории РФ, а также для осуществления международного экономического, научно-технического сотрудничества и международной торговли. 208 Подтверждение соответствия осуществляется на основе принципов: - доступности информации о порядке подтверждения соответствия заинтересованным лицам; - недопустимости применения обязательного подтверждения соответствия к объектам, в отношении которых не установлены требования технических регламентов. - установления перечня форм и схем обязательного подтверждения соответствия в отношении определенных видов продукции в соответствующем техническом регламенте; - уменьшения сроков обязательного подтверждения соответствия и затрат заявителя; - недопустимости принуждения к добровольному подтверждению соответствия, в том числе в определенной системе добровольной сертификации; - защиты имущественных интересов заявителей, соблюдения коммерческой тайны в отношении сведений, полученных при подтверждении соответствия; - недопустимости подмены обязательного подтверждения соответствия добровольной сертификацией. Подтверждение соответствия применяется ко всей продукции на территории РФ независимо от страны или места ее происхождения. Формы подтверждения соответствия, применяемые в РФ, представлены на рисунке 12.1. Подтверждение соответствия Обязательное подтверждение соответствия Декларирование соответствия Обязательная сертификация Добровольное подтверждение соответствия Добровольная сертификация Рисунок 12.1 - Формы подтверждения соответствия 209 Добровольное подтверждение соответствия возможно только в форме добровольной сертификации и производится по той же схеме, что и ранее проводившаяся добровольная сертификация, предусмотренная законом РФ «О сертификации продукции и услуг». Обязательное подтверждение соответствия проводится только в случаях, установленных соответствующим техническим регламентом, и исключительно на соответствие требованиям технического регламента. Объектом обязательного подтверждения соответствия может быть только продукция, выпускаемая в обращение на территории Российской Федерации. ФЗ «О техническом регулировании» устанавливает две формы обязательного подтверждения соответствия: обязательная сертификация и принятие декларации о соответствии (декларирование соответствия), причем форма и схемы осязательного подтверждения соответствия устанавливаются только техническим регламентом с учетом степени риска не достичь целей технического регулирования. К той продукции, для которой техническим регламентом предусмотрено обязательное подтверждение соответствия в форме декларирования соответствия, уже не может быть применена обязательная сертификация, и наоборот. Основными вопросами, которые надо решать предприятию при подтверждении соответствия выпускаемой им продукции, являются следующие: - подлежит ли производимая предприятием (или поставляемая организацией на рынок) продукция обязательному подтверждению соответствия: - каким обязательным требованиям должна соответствовать эта продукция; - какая форма обязательного подтверждения соответствия должна быть применена; - какие органы по сертификации могут провести оценку и выдать сертификат соответствия или каковы правила и процедуры декларирования соответствия; - требуются ли для подтверждения соответствия документы Минздрава России или других федеральных органов исполнительной власти, осуществляющих контроль и надзор за этой продукцией; 210 - каковы права и обязанности производителя (продавца) продукции подлежащей обязательному подтверждению соответствия. ВОПРОС 2 Обязательная и добровольная сертификации Первыми системами сертификации были морские регистры, появившиеся в морских державах один за другим, в том числе и в России [5]. Морской регистр судоходства в Российской Федерации, как и морские регистры в других странах мира, является старейшей и одной из самых уважаемых систем сертификации, призванной следить за безопасностью на море. В более широком смысле термин «сертификация» в нашей стране стал применяться после введения в действие в 1992 г. закона РФ «О защите прав потребителей» и утверждения Правительством РФ первой номенклатуры товаров, подлежащих обязательной сертификации. Главным требованием к выпускаемой продукции была признана безопасность ее потребления. Следующим шагом в создании и становлении систем сертификации в нашей стране стал закон РФ «О сертификации продукции и услуг» (1993 г.), которым были установлены правовые основы обязательной и добровольной сертификации продукции и услуг, а также права и обязанности участников сертификации. Согласно российскому законодательству, реализация потребителю многих видов товаров стала невозможна без документа, подтверждающего их соответствие обязательным требованиям. Перечень товаров и услуг, подлежащих обязательной сертификации, был утвержден Постановлением Правительства РФ, на основании которого Госстандартом России разработана «Номенклатура продукции и услуг (работ), в отношении которых законодательными актами Российской Федерации предусмотрена их обязательная сертификация». В этом документе вся продукция представлена кодами Общероссийского классификатора продукции и указаны пункты обязательных требований государственных стандартов, которым она должна соответствовать. Номенклатура является официальным справочным документом Госстандарта России. 211 Требования к продукции устанавливались главным образом в государственных (ГОСТ Р) и межгосударственных (ГОСТ) стандартах, а на конкретные виды продукции – в технических условиях, по которым выпускается эта продукция. Закон РФ «О сертификации продукции и услуг», действовавший в течение десяти лет, допускал только две формы подтверждения соответствия – обязательную либо добровольную сертификацию. Многие положения указанного закона перешли в федеральный закон «О техническом регулировании» и действуют в настоящее время. В соответствии с федеральным законом «О техническом регулировании» на продукцию и услуги, успешно прошедшие процедуру сертификации, выдается подтверждающий это документ – сертификат соответствия, а на саму продукцию или в документацию на нее наносится либо знак системы сертификации – знак соответствия (при прохождении процедуры добровольной сертификации), либо знак обращения на рынке (при обязательной сертификации). Сертификат соответствия – это документ, удостоверяющий соответствие объекта требованиям технических регламентов, положениям стандартов или условиям договоров. Знак соответствия – обозначение, информирующее приобретателей о соответствии объекта сертификации требованиям системы добровольной сертификации или национальному стандарту. Знак обращения на рынке – обозначение, информирующее приобретателей о соответствии выпускаемой в обращение продукции требованиям технических регламентов. Добровольная сертификация проводится по инициативе юридических лиц и граждан. Добровольной сертификации может подвергаться продукция, для которой стандартами, системами добровольной сертификации или условиями договоров установлены какие-либо требования, причем эти требования не содержатся в числе обязательных и установленных техническими регламентами. В принципе, добровольную сертификацию вправе осуществлять любое юридическое лицо или индивидуальный предприниматель, создавшие 212 свою систему добровольной сертификации и знак соответствия и установившие перечень объектов и их характеристик, на соответствие которым производится добровольная сертификация. Система добровольной сертификации может быть зарегистрирована федеральным органом исполнительной власти по техническому регулированию. Обязательная сертификация продукции на соответствие требованиям технических регламентов осуществляется аналогично применявшейся до 2003 г. обязательной сертификации продукции на соответствие обязательным требованиям государственных стандартов, но сократилась «Номенклатура продукции и услуг (работ), в отношении которых законодательными актами Российской Федерации предусмотрена их обязательная сертификация». Это объясняется тем, что обязательное подтверждение соответствия части продукции теперь осуществляется в форме декларирования соответствия. Для испытаний продукции органом по сертификации зарегистрированной системы обязательной сертификации привлекаются аккредитованные испытательные лаборатории (центры); по результатам исследований (испытаний) и измерений органом по сертификации выдается сертификат соответствия; продукция маркируется знаком обращения на рынке; сертификат соответствия вносится в реестр органа по сертификации и в единый реестр федерального органа исполнительной власти по техническому регулированию; орган по сертификации контролирует объект сертификации, если такой контроль предусмотрен соответствующей схемой обязательной сертификации. Сертификат соответствия включает в себя: - наименование и местонахождение заявителя; - наименование и местонахождение изготовителя продукции; - наименование и местонахождение органа по сертификации; - информацию об объекте сертификации, позволяющую идентифицировать этот-объект; - наименование технического регламента, на соответствие требованиям которого проводилась сертификация; 213 - информацию о проведенных исследованиях (испытаниях) и измерениях; - срок действия сертификата соответствия. Следует отметить, что средства измерений также следует рассматривать как продукцию, имеющую свои коды по Общероссийскому классификатору продукции (коды ОКП). В соответствии с «Номенклатурой продукции и услуг» некоторые группы средств измерений подлежат обязательной сертификации. В эти группы, например, попали амперметры, вольтметры, счетчики электрической энергии, измерительные генераторы, измерительные трансформаторы и т. д. Процедура сертификации не является подтверждением метрологических характеристик средства измерений, а свидетельствует о том, что оно как продукция главным образом безопасна для людей и в электромагнитном отношении не мешает работать другому оборудованию. Поэтому если на средство измерений выдан сертификат соответствия, то все равно при его использовании в сферах paспространения ГМКиН прибор должен иметь сертификат об утверждении типа, а также поверительное клеймо или свидетельство о поверке. Следует также иметь в виду, что при серийном выпуске средств измерений, эксплуатируемых в сферах распространения ГМКиН, поверке подлежит каждый прибор, сертификат об утверждении типа действителен для всех приборов этого типа на срок до 5 лет, а сертификат соответствия чаще всего выдается на партию средств измерений, включающую определенное количество штук (10, 1000 и т. д.). ВОПРОС 3 Системы сертификации. Система сертификации ГОСТ Р В Российской Федерации деятельность по сертификации осуществляется в системах сертификации [5]. Система сертификации – это совокупность правил выполнения работ по сертификации, ее участников и правил функционирования системы сертификации в целом. Системы сертификации подразделяются на системы обязательной и добровольной сер- 214 тификации, но независимо от этого должны соответствовать следующим общим критериям: - иметь область распространения, определенную наименованиями объектов сертификации и нормативных документов, на соответствие требованиям которых проводятся испытания в данной системе; - иметь организационную структуру и правила взаимодействия участников сертификации; - иметь единые правила и процедуры проведения сертификации; - иметь собственные формы сертификата (сертификатов) соответствия и знака (знаков) соответствия; - иметь реестр сертифицированных объектов и участников системы сертификации. В настоящее время Госстандартом России зарегистрированы 18 систем обязательной сертификации и около 70 – добровольной. Любая система сертификации построена по схеме, приведенной на рисунке 12.2. Центральный орган системы сертификации организует и координирует работу и устанавливает правила в возглавляемой им системе сертификации, а также рассматривает апелляции заявителей по поводу действий органов по сертификации и испытательных лабораторий. Центральный орган системы сертификации Орган по сертификации Испытательный центр (лаборатория) Орган по сертификации Испытательный центр (лаборатория) Испытательный центр (лаборатория) Испытательный центр (лаборатория) Орган по сертификации Испытательный центр (лаборатория) Испытательный центр (лаборатория) Рисунок 12.2 - Структура системы сертификации 215 Орган по сертификации выдает сертификаты и лицензии на применение знака соответствия на основании протокола испытаний, выданного испытательной лабораторией. В права органа по сертификации также входит отмена или приостановление действия выданных им сертификатов. Испытательная лаборатория (центр) в соответствии со своей областью аккредитации проводит испытания конкретной продукции. Порядок проведения сертификации продукции в Российской Федерации приведен в нормативном документе «Порядок проведения сертификации продукции в Российской Федерации», а также в Изменении № 1 к нему. В этом документе описана последовательность проведения работ участниками сертификации, приведены схемы сертификации и рекомендации по их применению. Схема сертификации – это совокупность действий, результаты которых рассматриваются в качестве доказательств соответствия продукции (работ, услуг) установленным требованиям [4,5]. Для проведения обязательной сертификации изготовитель или продавец вправе обратиться в любой орган по сертификации системы обязательной сертификации, аккредитованный на право проведения испытаний конкретной продукции. При сертификации продукции орган по сертификации в общем случае осуществляет следующие операции: - рассматривает заявку с комплектом документов, представленные заявителем, и принимает (по прошествии не более 15 дней с момента поступления документов) решение по заявке; - проводит отбор, идентификацию образцов продукции, направляет образцы на испытания в испытательную лабораторию; - проводит оценку производства (если это предусмотрено выбранной заявителем и согласованной с органом по сертификации схемой сертификации); - проводит анализ полученных результатов и принимает решение о выдаче (отказе в выдаче) сертификата соответствия; - в случае, предусмотренном схемой сертификации, проводит инспекционный контроль сертифицированной продукции; - представляет информацию о результатах сертификации в центральный орган системы сертификации. 216 Федеральный закон «О техническом регулировании» допускает участие в работах по сертификации в стране различных систем сертификации. Необходимым условием при этом является обязательная государственная регистрация систем обязательной сертификации в федеральном органе исполнительной власти по техническому регулированию (Госстандарт России, современное название которого – Федеральное агентство по техническому регулированию и метрологии (Ростехрегулирование)). Система сертификации может создаваться государственными органами управления, предприятиями и организациями и представляет собой совокупность участников сертификации, проводящих сертификацию по правилам, установленным в этой системе. В систему сертификации могут входить юридические лица независимо от форм собственности, а также общественные объединения (например, общества потребителей). При этом различные системы сертификации могут проводить испытания однородной продукции. Примером обязательной системы сертификации может служить система сертификации высоковольтного оборудования – Система сертификации «Энергосерт», в которую входят ряд предприятий и НИИ электроэнергетического комплекса. В указанной системе в целях обеспечения бесперебойного снабжения электроэнергией предприятий и населения проводится сертификация всего комплекса высоковольтного оборудования - от изоляторов и кабелей высокого напряжения до электрогенераторов. Система сертификации «Энергосерт» использует международные и национальные стандарты; аккредитованные испытательные лаборатории, обеспечивающие проведение сертификационных испытаний; нормативнотехническую документацию, регламентирующую правила и процедуры сертификации продукции. В качестве примера добровольной системы сертификации можно привести Систему сертификации средств измерений, проводящую испытания измерительной техники на добровольной основе по договорам с юридическими и физическими лицами. Самой крупной в России системой сертификации как по количеству участников сертификации, так и по объему испытываемой продукции яв- 217 ляется Система сертификации ГОСТ Р, созданная и возглавляемая Госстандартом России. В системе сертификации ГОСТ Р проводится обязательная сертификация товаров и услуг (работ), подпадающих под действие закона РФ «О защите прав потребителей», федерального закона «Об основах охраны труда в Российской Федерации», закона РФ «О ветеринарии», федерального закона «Об оружии» и др. Практически все продукты питания, современные средства измерений, используемые в сферах ГМКиН, продукция производственно-технического назначения и множество других товаров испытаны в этой системе и имеют сертификат соответствия и маркировку знака соответствия этой системы. Система сертификации ГОСТ Р проводит и добровольную сертификацию. Вид знака соответствия системы сертификации ГОСТ Р приведен на рисунке 12.3. Рисунок 12.3 - Знак соответствия системы сертификации ГОСТ Р Нормативную базу сертификации продукции и услуг (работ) в системе сертификации ГОСТ Р составляют государственные стандарты, санитарные правила и нормы, строительные нормы и правила. Основные правила деятельности в системе установлены в «Положении о Системе сертификации ГОСТ Р», зарегистрированном в Минюсте России в 1998 г. В систему сертификации ГОСТ Р в качестве органов по сертификации входят органы Государственной метрологической службы и научные метрологические центры (НИИ Госстандарта России). Они же, как правило, аккредитуются Госстандартом России в качестве испытательных центров (лабораторий). Такое совмещение функций органов и испытательных центров упрощает и ускоряет процедуру сертификации продукции. Если у органа Государственной метрологической службы или научного метрологического центра отсутствует испытательное оборудование для какого-ли- 218 бо вида испытаний, то ими может быть заключен договор с предприятием или организацией, имеющими необходимое оборудование, об аренде этого оборудования, а в необходимых случаях функции испытательного центра (лаборатории) могут быть (после аккредитации Госстандартом России) поручены этому предприятию или организации. Контрольные вопросы 1. Назначение процедуры «подтверждение соответствия». 2. Цели подтверждения соответствия. 3. Принципы подтверждения соответствия. 4. Формы подтверждения соответствия, применяемые в РФ 5. Форма добровольного подтверждения соответствия. 6. Особенность процедуры обязательного подтверждения соответствия. 7. Формы обязательного подтверждения соответствия. 8. Основные вопросы, которые надо решать предприятию при подтверждении соответствия выпускаемой им продукции. 9. Документ, подтверждающий успешное прохождение процедуры сертификации на продукцию и услуги. 10. Кем может быть зарегистрирована система добровольной сертификации? 11. Назначение испытательных лабораторий. 12. Состав сертификата соответствия. 13. Дать определение понятия «система сертификации». 14. Деление систем сертификации. 15. Кем может создаваться система сертификации? 16. Нормативная база сертификации продукции и услуг (работ) в системе сертификации ГОСТ Р. 219 Литература 1. РМГ 29 – 99. Рекомендации по межгосударственной стандартизации ГСИ. Метрология. Основные термины и определения (взамен ГОСТ 16263 – 70). 2. Метрология и электрорадиоизмерения в телекоммуникационных системах. Учебное пособие / Под общей редакцией Б.Н. Тихонова. – 2-е изд., стереотип. – М.: Горячая линия-Телеком, 2012. – 360 с 3. Метрология и радиоизмерения. Под редакцией Нефедова В.И. Учебник для ВУЗов. М. «Высшая школа», 2006 г. 4. Метрология, стандартизация и сертификация: учебник для студ. высш. учеб. заведений / Б.Я.Авдеев, В.В.Алексеев, Е.М.Антонюк и др.; под ред. В.В.Алексеева. – 2-е изд., стер. – М.: Издательский центр “Академия”, 2008. – 384 с. 5. Метрология, стандартизация, сертификация и электроизмерительная техника: Учебное пособие / К.К.Ким, Г.Н.Анисимов, В.Ю.Барбарович, Б.Я.Литвинович. – СПб.:Питер, 2008. – 368 с. 6. Метрология, стандартизация и измерения в технике связи: Учеб. пособие для вузов/ Б.П. Хромой и др. м.: Радио и связь, 1986. – 424 с. 220 СОДЕРЖАНИЕ Предисловие……………………………………………………………………3 Лекция №1. Метрология и метрологическое обеспечение отрасли Связь». Виды, принципы и методы измерений ……………………….4 Лекция №2. Оценка погрешности прямых и косвенных измерений……...30 Лекция №3. Средства измерений и их характеристики……………………49 Лекция №4. Аналоговые электроизмерительные приборы………………..64 Лекция №5. Цифровые электроизмерительные приборы. Цифровые средства измерения частотно-временных характеристик параметров сигналов измерительной ………………………………………………...83 Лекция №6. Средства наблюдения и измерения параметров сигналов измерительной информации……………………….103 Лекция №7. Измерение напряжения, тока и электрической мощности….117 Лекция №8. Измерение пассивных физических величин…………………133 Лекция №9. Осциллографические измерения параметров сигналов измерительной информации………………………………..145 Лекция №10. Информационно-измерительные системы…………………158 Лекция №11. Обязательные требования к объектам технического регулирования. Цели принятия технических регламентов. Цели, принципы и методы стандартизации. Национальный и международные органы по стандартизации ……………….171 Лекция №18. Принципы сертификации…………………………………….207 Литература……………………………………………………………………219