Средства измерений и их свойства. Характеристики средств измерений

Лекция № 3 ТЕМА ЛЕКЦИИ Средства измерений и их свойства Цель лекции – ознакомить слушателей с классификацией средств измерений, основными метрологическими и не метрологическими характеристиками, изучить суть класса точности средств измерений. План лекции: 1. Классификация средств измерений 2. Характеристики средств измерений 3. Класс точности. Рекомендуемая литература 1. А.Г. Сергеев, М.В. Латышев, В.В. Терегеря. Метрология, стандартизация и сертификация. Стр. 122-176. 2. А.С. Сигов, В.И. Нефедов. Метрология, стандартизация и технические измерения. Стр. 55-73 Вводная часть В целях повышения психологического настроя студентов на восприятие данной дисциплины в начале каждой лекции целесообразно проводить короткий опрос по материалу предыдущей лекции. Вопросы для контроля: а) Что понимается под косвенным измерением ? б) Приведите примеры косвенных измерений. Требовать от отвечающих студентов представления перед ответом по форме: «Студент Сергеев. Группа ЭП – 1 – 04». Оценки заносить в журнал преподавателя. После опроса объявить тему и цель лекции. Основная часть 1. Классификация средств измерений Средство измерений – техническое средство, предназначенное для измерений, имеющее нормированные метрологические характе­ристики, воспроизводящее и (или) хранящее единицу физической ве­личины, размер которой принимают неизменным (а пределах установ­ленной погрешности) в течение известного интервала времени. Данное определение вскрывает суть средства измерений, заключающую­ся в способности хранить (или воспроизводить) единицу физиче­ской величины, а также в неизменности размера хранимой едини­цы. Эти факторы и обусловливают возможность выполнения из­мерения. По назначению средства измерений разделяют на меры, изме­рительные преобразователи, измерительные приборы, измери­тельные установки и измерительные системы. Мера — средство измерений, предназначенное для воспроизведения и (или) хранения физической величины одного или нескольких заданных размеров, значения которых выражены в установленных еди­ницах и известны с необходимой точностью. Различают следующие разновидности мер: ● однозначная мера — мера воспроизводит физическую величину, одного размера; ● многозначная мера — мера воспроизводит физическую величину разных размеров; ● набор мер — комплект мер разного размера одной и той же фи­зической величины; ● магазин мер ~ набор мер, конструктивно объединенных в еди­ное устройство, в котором имеются приспособления для их соединения в различных комбинациях. Например, магазин электрических сопротивлений обеспечивает ряд дискретных значений сопротив­лений. Некоторые меры воспроизводят одновременно значения двух физических величин. Мера необходима при методе сравнения для выполнения сравнения с ней измеряемой величины и получения ее значения. Измерительный преобразователь — техническое средство с нор­мированными метрологическими характеристиками, служащее для пре­образования измеряемой величины в другую величину или измеритель­ный сигнал, удобный для обработки, хранения, дальнейших преобразо­ваний, индикации или передачи. Принцип его действия основан на различных физических явлениях. Измерительный преобразова­тель преобразует любые физические величины (электрические, не­электрические, магнитные) в электрический сигнал. По характеру преобразования различают аналоговые, аналого-цифровые преобразователи (АЦП), преобразующие непрерыв­ную величину в числовой эквивалент, цифроаналоговые преобра­зователи (ЦАП), выполняющие обратное преобразование. По месту в измерительной цепи преобразователи разделяют на первичный, на который непосредственно воздействует измеряе­мая физическая величина; промежуточный, включенный в изме­рительную цепь после первичного; преобразователи, предназна­ченные для масштабного преобразования, т.е. для изменения значения величины в некоторое число раз; передающие, обрат­ные для включения в цепь обратной связи и др. К измерительным преобразователям можно отнести преобра­зователи переменного напряжения в постоянное, измерительные трансформаторы напряжения и тока, делители тока, напряже­ния, усилители, компараторы, термопару и др. Измерительные преобразователи входят в состав какого-либо измерительного прибора, измерительной установки, измерительной системы или применяются вместе с каким-либо средством измерений. Измерительный прибор (ИП) — средство измерений, предназна­ченное для получения значений измеряемой физической величины в установленном диапазоне. Приборы бывают показывающие и реги­стрирующие, цифровые и аналоговые. Измерительная установка — совокупность функционально объ­единенных мер, измерительных преобразователей, измерительных при­боров и других устройств. Предназначена для измерений одной или нескольких физических величин и расположена в одном месте, например, установка для измерения характеристик транзистора, установка для измерения мощности в трехфазных цепях и др, Измерительная система — совокупность функционально объ­единенных мер, измерительных приборов, измерительных преобразо­вателей, ЭВМ и других технических средств, размещенных в разных точках контролируемого объекта с целью измерений одной или не­скольких физических величин, свойственных этому объекту, и выра­ботки сигналов в разных целях. В зависимости от назначения измерительные системы разде­ляют на измерительные информационные, контролирующие, технической диагностики и др. Широкое распространение имеют микропроцессорные измерительные системы — управляющие вычислительные системы с микропроцессором (МП) в качестве узла обработки информации. В общем случае в состав МП входят: арифметическо-логическое устройство, блок внутренних регист­ров для временного хранения данных и команд, устройство управления, внутренние магистрали шин, шины ввода – вывода данных для подключения внешних устройств. 2. Характеристики средств измерений Метрологическая характеристика средства измерений — ха­рактеристика одного из свойств средства измерений, влияющая на ре­зультат измерений и на его погрешности. От точности характерис­тик при изготовлении средств измерений, стабильности их в про­цессе эксплуатации зависит точность результатов измерений. Для каждого типа средств измерений устанавливают свои метро­логические характеристики в зависимости от назначения, усло­вий эксплуатации и других факторов. Метрологические характеристики, устанавливаемые нормативно-техническими документами, называются нормируемыми метрологи­ческими характеристиками, а определяемые экспериментально — действительными метрологическими характеристиками. Пред­лагаемые характеристики относятся к приборам, предназначен­ным для осуществления измерений. Градуировочная характеристика — зависимость между значе­ниями величин X на входе и У на выходе средств измерений, полученная экспериментально: У = f(X) Градуировочная характеристика может быть выражена в ви­де формулы, графика или таблицы. Она связывает конструктив­ные параметры прибора с величинами X и У. Номинальная градуировочная характеристика — это характе­ристика при нормальных условиях внешней среды и неизменных или медленно изменяющихся значениях входного сигнала. Чувствительность прибора — свойство, определяемое отноше­нием изменения выходного сигнала прибора к вызывающему его изменению измеряемой величины. Абсолютная чувствительность S = ∆У/∆Х, где ∆У и ∆Х — изменение соответственно сигнала на выходе и измеряемой величины. Относительная чувствительность Sо = ∆У/(∆Х/Х), где ∆Х/Х — относительное изменение измеряемой величины. Пороз чувствительности — характеристика прибора а виде наи­меньшего значения изменения величины, начиная с которого может осуществляться ее измерение данным прибором. Шкала прибора — часть показывающего устройства прибора, представляющая собой упорядоченный ряд отметок вместе со связан­ной с ними нумерацией. Числовая отметка шкалы — число, соответ­ствующее некоторому значению физической величины: С = ∆Х /∆У =1/S. Цена деления школы — разность значений величины, соответст­вующих двум соседним отметкам шкалы прибора. Цена деления и чувствительность — величины именованные. Обычно говорят о чувствительности прибора к какой-то измеряе­мой величине (напряжению, току, сопротивлению и т. д.). На­пример, S = 5 дел. /В; С = 0,2 В/дел. Показание прибора — значение величины или число на показы­вающем устройстве прибора. Вариация показаний прибора — разность показаний прибора в одной и той же точке диапазона измерений при плавном подходе к этой точке со стороны меньших и больших значений измеряемой ве­личины. Диапазон измерений прибора — область значений величины, в пределах которой нормированы допускаемые пределы погрешности прибора. Эта область ограничена нижним и верхним пределами изме­рений. Диапазон измерений может состоять из нескольких поддиапазонов с разными погрешностями. Диапазон показаний может не совпадать с диапазоном измерений, под которым понимается область значений, ограниченная начальным и конечным значениями шкалы. Входные и выходные характеристики ИП соответственно оп­ределяют воздействия ИП на объект исследования. При подклю­чении средств измерений к объекту измерения вследствие их вза­имного влияния могут возникнуть погрешности. В частности, средства измерения потребляют некоторую мощность от объекта измерения (источника входного сигнала), что приводит к измене­нию режима работы объекта измерения, если объект маломощ­ный. Малое потребление мощности от источника входного сигна­ла является достоинством средств измерения, которым обладают электронные приборы. Выходные характеристики определяют реакцию выходного сигнала на подключение нагрузки. Вид выходного кода — число разрядов кода (цена единицы на­именьшего разряда кода ИП), предназначенное для выдачи результа­тов в цифровом виде. Область рабочих частот — полоса частот, в пределах которой погрешность прибора, вызванная изменением частоты, не превышает допускаемого предела. Быстродействие — время, затрачиваемое на одно измерение. Для аналоговых приборов быстродействие определяется време­нем установления показаний (временем успокоения), т. е. проме­жутком времени с момента изменения измеряемой величины до момента установления показаний прибора. Для цифровых прибо­ров быстродействие определяется как отношение числа измере­ний за некоторый промежуток времени к этому промежутку вре­мени: В = п/∆t. Быстродействие цифровых приборов составляет от одного до десятков тысяч измерений в секунду и более. Кроме метрологических характеристик при эксплуатации не­обходимо учитывать: ● надежность средств измерений, т. е. способность приборов со­хранять эксплуатационные параметры в установленных пределах в течение заданного времени. К основным критериям надежности относятся вероятность безотказной работы в течение заданного времени, интенсивность отказов, среднее время безотказной рабо­ты. Надежность прибора оценивается в процессе его разработки; ● экономичность средств измерений — простота конструкций в обращении и оправданная экономическая стоимость. 3. Класс точности. Класс точности – обобщенная метрологическая характеристика, определяющая различные свойства средств измерений. Например, у показывающих электроизмерительных приборов класс точности помимо основной погрешности включает также вариацию показаний, а у мер электрических величин – величину нестабильности. Класс точности СИ уже включает систематическую и случайную погрешности, но все-таки не является исчерпывающей характеристикой точности измерений, так как она зависит и от множества других факторов. Чаще всего классом точности определяется приведенная погрешность, самая распространенная МХ в отечественной метрологии. Приведенная погрешность измерения где Хн  нормирующее значение. В качестве нормирующего значения принимается: а) конечное значение диапазона измерения для средств измерений с равномерной или степенной шкалой, если нулевая отметка находится на краю или вне шкалы (рис. 2.1а и 2.1б); б) арифметическая сумма конечных значений диапазона измерений, если нулевая отметка находится внутри диапазона (рис. 2.1в); в) установленное значение для средств измерений с установленным значением (Хн = 50 Гц для частотомера с диапазоном измерений 45-50-55 Гц); г) длина шкалы L для средств измерений с неравномерной шкалой. В этом случае абсолютная погрешность должна выражаться в единицах длины L. а) б) в) Рис. 3.1. Выбор нормирующего значения Хн Приведенная погрешность используется, в частности, для норми­рования допускаемой погрешности ряда средств измерений. Классы точности аналоговых ЭИП: 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5; 4,0. Данные цифры показывают величину приведенной погрешности в %. Для средств измерений с аддитивной и мультипликативной погрешностями (цифровые приборы) нормируется предел допускаемой относительной погрешности. Формула имеет вид: δ = ± [ c + d ( | Xк/x | - 1] где Xк - конечное значение диапазона измерений; x – измеряемая величина; c и d – числа класса точности прибора, например: класс точности 0.5/0.1 означает, что с = 0.5, а d = 0.1.