Входной импеданс средства измерения

Основные метрологические характеристики средств измерений

Характеристики средств измерений позволяют оценить свойства средства измерений и возможности его применения в заданных условиях эксплуатации. К ним относятся метрологические и характеристики:

Метрологические характеристики оказывают решающее влияние на результаты и погрешности измерений.

К основным метрологическим характеристикам относят:

· Чувствительность или цена деления шкалы;

· Погрешности средств измерений;

· Цена единицы наименьшего разряда кода приборов с цифровым отсчетом.

Чувствительность – измерительного прибора характеризует реакцию прибора на изменение сигнала на входе и ровняется отношению изменения сигнала на выходе прибора к вызывающему его изменению измеряемой величины ;

Цена деления или постоянная прибора – это величина, обратная чувствительности:

Она равна значению физической величины приходящемуся на одно деление шкалы. Шкалы приборов могут быть равномерными и неравномерными.

Иногда употребляют понятие как порог чувствительности — наименьшее изменение входной величины способное вызывать заметное изменение показаний прибора.

Входной импеданс ( ) определяет влияние средства измерения на исследуемую схему, за счет потребления некоторой мощности средства измерения может изменить режим работы маломощного источника входного сигнала, что приводит к появлению погрешности измерения. Входной импеданс — величина комплексная.

Вариация показаний измерительного прибора — это разница показаний измерительного прибора, составляющая данной точки диапазона измерений при двух направлениях медленного изменения параметра входного сигнала. Причиной вариации показаний является трение в опорах подвижной части измерительного механизма.

Такие характеристики кок входной код, число разрядов кода, относятся к цифровым измерительным приборам.

Динамические характеристики — характеристики инерционных свойств средства измерения. Они определяют зависимость выходного сигнала от меняющихся во времени величин параметров входного сигнала, нагрузки, внешних факторов — и нормируются передаточной функцией, графиками АЧХ и ФЧХ, временем установления показаний или быстродействием.

Время установленных показаний прибора — промежуток времени с момента измерения измеряемой величины до момента установления показаний. Иногда вместо этого термина употребляется «время срабатывания». Время установления показаний зависит от системы прибора и его конструкции. Желательно, чтобы запаздывание между изменением измерительной величины и моментом установления показаний прибора было наименьшим. У приборов прямого преобразования «запаздывание» показаний прибора характеризуется так называемым временем успокоения. Согласно стандарту, время успокоения для большинства типов приборов не должна превышать 4сек.

К динамическим характеристикам относятся также размещающая способность, диапазон измерительных величин, диапазон рабочих частот и диапазон влияющих величин.

Разрешающая способность- минимальная разность двух значений измеряемых однородных величин, которая может быть различима прибором.

В техническом описании прибора указывают параметры, которые определяют область применения, которая характеризуется совокупностью трех групп физических величин:

— диапазон измеряемых величин

— диапазон рабочих частот

— диапазон влияющих частот.

Диапазон измерительных величин— это минимальное и максимальное значение величин которые могут быть измерены с заданной точностью.

Диапазон рабочих частот — полоса частот в пределах которой возможна эксплуатация прибора или измерения производятся с погрешностью не превышающей заданную величину.

Диапазон влияющих величин— это диапазон внешних величин, от которых могут зависеть показания приборов ( , внешних полей, ускорений и т.д.).

При выходе за пределы диапазонов, определяющих область применения средства измерения, измерения становятся невозможными, или с погрешностью превышающей допустимую для данного средства.

Надежность измерительного прибора- количественная характеристика определяющая способность прибора выполнять заданные функции, сохраняя свои эксплуатационные показатели в заданных пределах в течение требуемого промежутка времени или требуемой наработки в определенных режимах и условиях эксплуатации.

Надежность может быть установлена одним из следующих показателей:

— min значением вероятности безотказной работы на заданное время;

— min значением наработки до первого отказа, или min значением наработки на отказ ( не менее 1000 часов)

— min параметром потока отказов

— max значением интенсивности отказов.

Метрологическая надежность — вероятность нахождения основных метрологических характеристик и в первую очередь погрешности в допустимых пределах в течение определенного времени.

Надежность средства измерения характеризуется показателями безотказности, долговечности, ремонтопригодности.

Гарантийный срок эксплуатации не должен быть менее 18 месяцев со дня ввода средства измерения в эксплуатацию.

В зависимости от значений влияющих величин, характеризующих климатические и механические воздействия в рабочих условиях применения, а также предельные условия транспортирования средства измерения делятся на 7 групп. С увеличением номера групп условия применения ужесточаются.

В нормативно-технической документации содержатся требования к электропитанию, времени установления рабочего режима и продолжительности непрерывной работы, к электронной прочности и сопротивлению изоляции, а также требованиям безопасности.

Принцип действия прибора, область применения, рабочее положение прибора, классы точности, прочность изоляции и др. метрологические и технические характеристики обозначаются на корпусе прибора с помощью специальных обозначений, регламентированных ГОСТ 23217-78.

Источник

Метрологические характеристики средств измерения

При использовании средств измерений важно знать степень соответствия информации измеряемой величине, содержащейся в выходном сигнале, ее истинному значению. С этой целью для каждого средства измерений вводятся и нормируются определенные метрологические характеристики (МХ).

Метрологические характеристики – это характеристики свойств средства измерений, влияющие на результат измерений и на его погрешности.

Для каждого типа средств измерений устанавливают свои метрологические характеристики.

Метрологические характеристики, устанавливаемые нормативно-техническими документами, называют нормируемыми метрологическими характеристиками, а определяемые экспериментально — действительными метрологическими характеристиками. Номенклатура метрологических характеристик, правила выбора комплексов нормируемых метрологических характеристик для средств измерений и способы их нормирования определяются стандартом ГОСТ 8.009-84 ²ГСИ. Нормируемые метрологические характеристики средств измерений².

Метрологические характеристики средств измерений включают: функцию преобразования (градуировочная или статическая характеристика), чувствительность, порог чувствительности, диапазон измерений, область рабочих частот, статические и динамические погрешности, собственную мощность потребления.

Функция преобразования средства измеренийY = F(X) – это функциональная зависимость между информативными параметрами выходного Y и входного X сигналов. Идеальная функция преобразования – линейная зависимость. Эта зависимость может быть представлена в виде формулы, таблицы или графика.

Чувствительность – важная характеристика средства измерений. Она характеризует способность прибора реагировать на изменение входного сигнала.

Чувствительность – свойство средства измерений, определяемое отношением изменения выходного сигнала этого средства к вызывающему его изменению измеряемой величины.

Чувствительность определяется из функции преобразования. Различают абсолютную и относительную чувствительность.

Абсолютную чувствительность определяют по формуле

относительную чувствительность определяютпо формуле

где Dy – изменение сигнала на выходе, х – измеряемая величина, Dx – изменение измеряемой величины.

В общем случае

.

При линейной функции преобразования

При нелинейной функции преобразования чувствительность зависит от измеряемой величины x.

У средств измерения при постоянной чувствительности шкала равномерная, т.е. длина всех делений шкалы одинакова.

Величина равная обратной величине чувствительности является постоянной прибора с = 1/S.

Порог чувствительности средства измерений-характеристика средства измерений в виде наименьшего значения изменения физической величины, начиная с которого может осуществляться ее измерение данным средством.

Если самое незначительное изменение массы, которое вызывает перемещение стрелки весов, составляет 10 мг, то порог чувствительности весов равен 10 мг.

Порог чувствительности не следует путать с чувствительностью средства измерения. Он выражается в единицах входной величины.

Диапазон измерений средства измерений – область значений величины, в пределах которой нормированы допускаемые пределы погрешности средства измерений.

Значения величины, ограничивающие диапазон измерений снизу и сверху (слева и справа), называют соответственно нижним пределом измерений xнили верхним пределом измерений хк.

Различают полный и рабочий диапазон измерений (рис.7.1).

Полный диапазон – диапазон, в котором относительная погрешность средства измерений не превышает 100 %. Он ограничен снизу порогом чувствительности D0, а сверху – верхним пределом измерений xк.

Рабочий диапазон – диапазон, в котором относительная погрешность не превышает заранее заданного значения dзад.

Диапазон измерений может состоять из нескольких поддиапазонов с разными погрешностями.

Диапазон измерений следует отличать от диапазона показаний.

Диапазон показаний средства измерений — область значений шкалы прибора, ограниченная начальным и конечным значениями шкалы.

Показание средства измеренийзначение величины или число на показывающем устройстве средства измерений.

Вариация показаний измерительного 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.

Вариация показаний измерительного прибора приближенно равна удвоенной погрешности от трения в опорах.

Область рабочих частот – полоса частот, в пределах которой погрешность прибора, вызванная изменением частоты, не превышает допустимого предела.

Характеристики, влияющие на собственную мощность потребленияэто характеристики средств измерений, отражающие их способность влиять на инструментальную составляющую погрешности вследствие взаимодействия средства измерений с любым из подключенных к его входу или выходу компонентов, например, объектом измерений и др.

Потребление энергии средством измерений от объекта измерения или от предвключенного прибора приводит к изменению значения измеряемой величины и, следовательно, к появлению соответствующей составляющей погрешности.

Для оценки влияния средства измерения на режим работы объекта измерений указывают входное полное сопротивление или входной импеданс Zвх.. Входное сопротивление влияет на мощность, потребляемую от объекта измерения средством измерения.

Для оценки допустимой нагрузки на средство измерения указывают выходное полное сопротивление или выходной импеданс Zвых.. Чем меньше Zвых., тем больше допускаемая нагрузка на средство измерения.

Нормирование метрологических характеристик. КЛАССЫ точности средств измерений

Источник

Метрологические характеристики средств измерения

При использовании средств измерений важно знать степень соответствия информации о измеряемой величине, содержащейся в выходном сигнале, ее истинному значению. С этой целью для каждого средства измерений вводятся и нормируются определенные метрологические характеристики (МХ).

Метрологические характеристики – это характеристики свойств средства измерений, влияющие на результат измерений и на его погрешности.

Для каждого типа средств измерений устанавливают свои метрологические характеристики.

Метрологические характеристики, устанавливаемые нормативно-техническими документами, называют нормируемыми метрологическими характеристиками, а определяемые экспериментально — действительными метрологическими характеристиками. Номенклатура метрологических характеристик, правила выбора комплексов нормируемых метрологических характеристик для средств измерений и способы их нормирования определяются стандартом ГОСТ 8.009-84 ²ГСИ. Нормируемые метрологи-ческие характеристики средств измерений².

Метрологические характеристики средств измерений включают: функцию преобразования (градуировочная или статическая характеристика), чувствительность, порог чувствительности, диапазон измерений, область рабочих частот, статические и динамические погрешности, собственную мощность потребления.

Функция преобразования средства измеренийY=F(X) – это функциональная зависимость между информативными параметрами выходного Y и входного X сигналов. Идеальная функция преобразования – линейная зависимость. Эта зависимость может быть представлена в виде формулы, таблицы или графика.

Чувствительность – важная характеристика средства измерений. Она характеризует способность прибора реагировать на изменение входного сигнала.

Чувствительность – свойство средства измерений, определяемое отношением изменения выходного сигнала этого средства к вызывающему его изменению измеряемой величины.

Чувствительность определяется из функции преобразования. Различают абсолютнуюи относительную чувствительность.

Абсолютную чувствительностьопределяют по формуле

относительную чувствительностьопределяютпо формуле

где Dy — изменение сигнала на выходе, х — измеряемая величина, Dx — изменение измеряемой величины.

В общем случае

.

При линейной функции преобразования

.

При нелинейной функции преобразования чувствительность зависит от измеряемой величины x.

У средств измерения при постоянной чувствительности шкала равномерная, т.е. длина всех делений шкалы одинакова.

Величина равная обратной величине чувствительности является постоянной прибора с = 1/S.

Порог чувствительности средства измерений-характеристика средства измерений в виде наименьшего значения изменения физической величины, начиная с которого может осуществляться ее измерение данным средством.

Если самое незначительное изменение массы, которое вызывает перемещение стрелки весов, составляет 10 мг, то порог чувствительности весов равен 10 мг.

Порог чувствительности не следует путать с чувствительностью средства измерения. Он выражается в единицах входной величины.

Диапазон измерений средства измерений — область значений величины, в пределах которой нормированы допускаемые пределы погрешности средства измерений.

Значения величины, ограничивающие диапазон измерений снизу и сверху (слева и справа), называют соответственно нижним пределом измерений xнили верхним пределом измерений хк.

Различают полный и рабочий диапазон измерений (рис.7.1).

Полный диапазон – диапазон, в котором относительная погрешность средства измерений не превышает 100 %. Он ограничен снизу порогом чувствительности D0, а сверху – верхним пределом измерений xк.

Рабочий диапазон – диапазон, в котором относительная погрешность не превышает заранее заданного значения dзад.

Диапазон измерений может состоять из нескольких поддиапазонов с разными погрешностями.

Диапазон измерений следует отличать от диапазона показаний.

Диапазон показаний средства измерений — область значений шкалы прибора, ограниченная начальным и конечным значениями шкалы.

Показание средства измерений —значение величины или число на показывающем устройстве средства измерений.

Вариация показаний измерительного 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.

Вариация показаний измерительного прибора приближенно равна удвоенной погрешности от трения в опорах.

Область рабочих частот – полоса частот, в пределах которой погрешность прибора, вызванная изменением частоты, не превышает допустимого предела.

Характеристики, влияющие на собственную мощность потребленияэто характеристики средств измерений, отражающие их способность влиять на инструментальную составляющую погрешности вследствие взаимодействия средства измерений с любым из подключенных к его входу или выходу компонентов, например объектом измерений и др.

Потребление энергии средством измерений от объекта измерения или от предвключенного прибора приводит к изменению значения измеряемой величины, и, следовательно, к появлению соответствующей составляющей погрешности.

Для оценки влияния средства измерения на режим работы объекта измерений указывают входное полное сопротивление или входной импеданс Zвх.. Входное сопротивление влияет на мощность, потребляемую от объекта измерения средством измерения.

Для оценки допустимой нагрузки на средство измерения указывают выходное полное сопротивление или выходной импеданс Zвых.. Чем меньше Zвых., тем больше допускаемая нагрузка на средство измерения.

Нормирование метрологических характеристик. КЛАССЫ точности средств измерений

Источник

КЛАССИФИКАЦИЯ И ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ

Средствами измерений называют технические средства, предназ­наченные для использования при измерениях и имеющие нормиро­ванные метрологические характеристики. Метрологическими харак­теристиками СИ называют те характеристики, от которых за­висит точность результатов измерений, выполняемых с помощью этих средств. Нормирование метрологических характеристик за­ключается в законодательном регламентировании их состава и норм значений.

По назначению или объему выполняемых операций преобразо­вания сигналов и реализации процедуры измерения СИ можно под­разделять на элементарные и комплексные (рис. 3.3).

Элементарные средства измерений в от­дельности не могут обеспечить реализацию всего процесса измере­ния и обеспечивают лишь выполнение основных операций преобра­зования. К ним относятся меры и измерительные преобразователи.

Мера — средство измерений, предназначенное для воспроизве­дения физической величины заданного размера. Мера, которая вос­производит физическую величину одного размера, называется одно­значной, а мера, предназначенная для воспроизведения физической величины ряда различных размеров,— многозначной. Например, гиря — однозначная мера массы; измерительный резистор — одно­значная мера электрического сопротивления; линейка с делениями — многозначная мера длины; конденсатор переменной емкости с градуи­рованной шкалой — многозначная мера электрической емкости.

Специально подобранный комплекс конструктивно обособлен­ных мер, применяемых не только по отдельности, но и в различных сочетаниях, называется набором мер (например, набор измеритель­ных резисторов, набор гирь и т. д.).

Набор мер, конструктивно объединенных в одно целое с устрой­ствами для включения их в различных комбинациях, называется магазином мер (например, магазин сопротивления, магазин индуктив­ности, магазин емкости).

Измерительные преобразователи — это средства измерений, предназначенные для преобразования входного измерительного сиг­нала в выходной сигнал, более удобный для дальнейшего преобра­зования, передачи, обработки вычислительными устройствами или хранения, нонепригодный для непосредственного восприятия на­блюдателем. ИП в зависимости от вида функции преобразования разделяют на три группы: масштабные, функциональные, опера­ционные. В зависимости от вида выходного сигнала ИП делятся на генераторные и параметрические. В генераторных преобразователях выходные сигналы обладают энергетическими свойствами, например электрический ток, механическая сила, давление и др. В параметри­ческих измерительных преобразователях изменение входного сигна­ла приводит к изменению их определенных параметров: сопротив­ления, емкости, упругости и др. Для получения выходного сигнала в виде энергии в этом случае требуется дополнительный источник энергии.

Существует довольно большое число признаков классификации ИП: по физическим закономерностям, положенным в основу прин­ципа действия; по месту в структурной схеме СИ; в зависимости от рода входной и выходной величин и т. д. Более подробно эти вопро­сы рассмотрены в п. 3.3.

ИП в общем случае может состоять из нескольких преобразова­тельных элементов, реализующих элементарные операции преобра­зования измерительного сигнала.

Различие между ИП и преобразовательным элементом заключа­ется в том, что ИП как средство измерений имеет нормированные метрологические характеристики и выполняется в виде отдельного устройства, а преобразовательный элемент сам по себе не имеет нормированных метрологических характеристик, однако они опре­деляются ИП, в состав которого он входит.

, Совокупностьпреобразовательных элементов средства измере­ний, которые обеспечивают все необходимые операции преобразова­ния сигнала, называют измерительной цепьюсредства измерений.

Комплексные средства измерений — средства измерений, в которых процесс измерений завершается полностью. К ним относятся (рис. 3.3) измерительные приборы, измерительные установки и измерительные информационные системы.

Измерительным прибором называют средство измерений, пред­назначенное для выработки сигнала в форме, доступной для непо­средственного восприятия измерительной информации наблюдателем, благодаря наличию отсчетного устройства (шкала с указателем, цифровое табло). Например, вакуумметр, термометр и т. д.

Измерительные преобразователи (ИП) и приборы (П) объединя­ют общим названием — измерительные устройства (И У).

(Измерительной установкой называют совокупность функцио­нально объединенных средств измерений (мер, ИП и П) и вспомо­гательных устройств (стабилизирующих, переключающих и др.), предназначенных для выработки сигнала в форме, удобной для не­посредственного восприятия измерительной информации наблюда­телем, и расположенных в одном месте (например, установка для испытаний ферромагнитных материалов, установка для испытаний термопар).

Измерительная система — совокупность средств измерений и вспомогательных устройств, соединенных между собой каналами связи, предназначенных для автоматического сбора измерительной информации и выработки сигналов в форме, удобной для автомати­ческой обработки, передачи и (или) использования измерительной информации в автоматизированных системах управления.

Измерительные системы являются разновидностью информацион­но-измерительных систем (ИИС), к которым относятся также сис­темы автоматического контроля, системы технической диагностики и системы опознавания образов. ИИС могут входить в состав авто­матизированных систем управления.

Классификацияизмерительных приборов. Измерительные сис­темы разнообразны по назначению, принципу действия, метрологи­ческим и эксплуатационным характеристикам. Поэтому классифи­кационных признаков существует очень много. Учтем наиболее об­щие из них.

Соответственно форме измерительной информации, содержащей­ся в выходных сигналах измерительных приборов, их подразделя­ют на аналоговые и цифровые.

Аналоговым называется прибор, информативный параметр вы­ходного сигнала которого является физическим аналогом измеряе­мой величины (информативного параметра входного сигнала). На­пример, перемещение подвижной части пружинного манометра — аналог измеряемого давления.

Цифровымназывается прибор, у которого выходной сигнал яв­ляется цифровым, то есть содержит информацию о значении изме­ряемой величины, закодированную в цифровом коде. Показания аналоговых приборов также цифровые, но их аналоговые выходные сигналы квантует и кодирует в цифровом коде сам наблюдатель в процессе считывания показаний по шкале, тогда как в цифровом приборе эти операции осуществляются автоматически.

Измерительный прибор, допускающий только считывание пока­заний, называется показывающим, а прибор, в котором предусмот­рена автоматическая фиксация измерительной информации,— ре­гистрирующим.

В зависимости от формы регистрации регистрирующие приборы подразделяют на самопишущие и печатающие. Самопишущий при­бор (самописец) записывает измерительную информацию в аналого­вой форме в виде диаграммы, а печатающий — осуществляет печа­тание измерительной информации в цифровой форме.

В зависимости от вида значений входного сигнала, то есть его информативного параметра, который является измеряемой величи­ной, различают приборы мгновенных или интегральных (действую­щее, среднее, среднее по модулю) значений, а также интегрирующие и суммирующие. Интегрирующий прибор интегрирует входную ве­личину по времени или по другой независимой переменной. Напри­мер, счетчик электрической энергии интегрирует мощность во вре­мени.

Суммирующимназывается прибор, показания которого функцио­нально связаны с суммой двух или нескольких величин, подводи­мых к нему по различным каналам; например, расходомер, предна­значенный для измерения суммарного расхода газа нескольких тру­бопроводов (потребителей).

Классификационный признак, которым является измеряемая величина, отражается в наименовании измерительного прибора (например, влагомер или гигрометр, высотомер или альтиметр, частотомер, манометр, калориметр, гигрометр, амперметр, вольт­метр и т. д.), то есть в наименовании отражена единица измеряемой величины.

По используемым методам измерительных преобразований из­мерительные приборы можно разделить на приборы прямого пре­образования и уравновешивания.

Измерительные цепи приборов прямого преобразованиясостоят из преобразователей, соединенных последовательно (рис. 3.1) или параллельно. Измерительные цепи приборов уравновешивающего преобразования имеют (рис. 3.2) цепь обратной связи (уравновеши­вания) и делятся на цепи со статическим, астатическим и разверты­вающим уравновешиванием.

Измерительные приборы по способу сравнения измеряемой ве­личины с мерой делятся на приборы непосредственной оценки и приборы сравнения. Приборы непосредственной оценки, как правило, градуируются заранее в единицах измеряемой величины. Следова­тельно, мера участвует в процессе градуировки, а не при измерении. В приборах сравнения мера является неотъемлемой частью каждо­го процесса измерения. В измерительных цепях приборов непо­средственной оценки могут быть использованы метод прямого пре­образования или смешанного, то есть сочетание прямого и уравно­вешивающего преобразований. В измерительных цепях приборов сравнения используется метод уравновешивающего преобразо­вания.

Рабочие и образцовые средства измерений. Принято считать, что результаты измерений должны выражаться в узаконенных единицах и иметь требуемую точность, которая при прочих равных условиях определяется характеристиками используемых средств измере­ний. Поэтому все СИ подлежат государственной и ведомственной поверке, которая заключается в контроле их характеристик, глав­ным образом метрологических, на соответствие требованиям НТД и в определении их пригодности к применению по назначению.

СИ, используемые для выполнения различных измерений, но не служащие для поверки других СИ, называются рабочими средствами измерений.

Образцовыминазываются СИ, служащие для поверки других СИ и официально утвержденные в качестве образцовых (например, образцовая мера, образцовый измерительный прибор, преобразо­ватель). К образцовым СИ относятся также образцовое вещество и стандартный образец.

Образцовое вещество — образцовая мера в виде вещества с из­вестными свойствами, воспроизводимыми при соблюдении условий приготовления, указанных в утвержденной спецификации. Напри­мер, чистая вода, чистые газы (водород, кислород), чистые металлы (цинк, серебро, золото, платина), неметаллы, соединения.

Стандартный образец — мера для воспроизведения единиц величин, характеризующих свойства или состав веществ и мате­риалов (например, стандартный образец свойств ферромагнитных материалов, легированной стали с аттестованным содержанием хи­мических элементов).

Образцовые СИ аттестуются и поверяются с помощью других, более точных образцовых СИ соответствующего разряда. Так осу­ществляется передача размеров единиц физических величин от эта­лона образцовым и в итоге — рабочим СИ. Эталон (эталон едини­цы) — СИ (или комплекс СИ), обеспечивающее воспроизведение и (или) хранение единицы с целью передачи ее размера нижестоящим по поверочной схеме СИ и официально утвержденное в установлен­ном порядке в качестве эталона (например, комплекс СИ для вос­произведения метра через длину световой волны, утвержденный в качестве Государственного эталона метра).

Рабочие СИ нельзя применять для поверки других СИ, если они даже точнее образцовых средств, так как они не утверждены офи­циально как образцовые. С другой стороны, образцовые СИ не раз­решается использовать в качестве рабочих средств для выполнения практических измерений.

Сравнительная оценка средств измерений. Практические изме­рения в любой отрасли промышленности, равно как и измерения в научных исследованиях, охватывают весьма широкий круг физи­ческих величин, к числу которых, прежде всего, следует отнести из­мерения линейных угловых размеров, давлений, расходов, темпера­туры, влажности твердых и газообразных веществ, концентраций жидкой и газовой сред, перемещений, скоростей, ускорений, цвета, различных электрических величин.

Измерение всех этих величин можно осуществить различными методами и приемами с использованием механических, пневматиче­ских или электрических схем измерения или их комбинаций.

Для современного состояния СИ характерным является широкое применение электрических методов и электроизмерительных прибо­ров, что в значительной мере объясняется теми достоинствами, ко­торыми обладают эти приборы. К числу таких достоинств можно отнести:

1. Высокую точность и чувствительность. Чтобы обеспечить эти характеристики, измерительная цепь должна обладать достаточной мощностью для перемещения отсчетного или регистрирующего уст­ройства, причем эта мощность не должна заметным образом отби­раться от измеряемого объекта.

Электрические измерительные схемы в противоположность ме­ханическим позволяют легко осуществить усиление мощности до необходимого значения, не нарушая состояния объекта измерения.

  1. Возможность непрерывного измерения с записью измеряемой величины на носитель информации.
  2. Возможность дистанционного и часто бесконтактного процес­са измерения.
  3. Широкий диапазон измерений как по амплитуде, так и по час­тоте измеряемого параметра, что объясняется прежде всего возмож­ностью уменьшения в этих схемах масс подвижных элементов при­боров.
  4. Возможность непосредственного ввода результатов измерения в электронные вычислительные машины.

Некоторыми из перечисленных достоинств обладают и пневма­тические измерительные приборы. Однако дальность передачи ин­формации в пневматических измерительных системах редко дости­гает 300 м, тогда как при электрических методах с использованием проводных и радиоканалов связи результаты измерения могут быть переданы на любое расстояние. Пневматические приборы, кроме то­го, обладают значительной инерционностью и для их нормальной ра­боты необходима пневматическая сеть с определенным стабиль­ным давлением. Однако далеко не все предприятия страны в нас­тоящее время располагают пневмосистемами, тогда как каждое из них обеспечено централизованным электроснабжением, вполне пригодным для электрических схем измерения.

Электрические схемы измерения не лишены недостатков: элек­трические приборы более дорогие и менее надежные, чем механи­ческие, требуют для своего обслуживания высококвалифицирован­ных работников, а также специального исполнения и особых мер предосторожности при их эксплуатации в специфических условиях (например, во взрыво- и пожароопасных помещениях).

Из сказанного выше следует, что использовать те или иные из­мерительные системы — электрические, пневматические, механиче­ские — следует с учетом конкретных условий процесса измерения, необходимой точности и экономической эффективности.

Основные характеристики средств измерений. Основные норми­руемые метрологические характеристики средств измерений, способы нормирования и формы их выражения установлены ГОСТ 8.009— 84, ГОСТ 8.001—80 и ГОСТ 8.256—77.

Основной характеристикой измерительного прибора или преоб­разователя является уравнение, а в общем случае — математиче­ская модель, связывающая информативные параметры входного и выходного сигналов, которая с учетом влияющих факторов может быть записана [12] как

(3.3)

где — вектор возмущений (неинформативных параметров); q — вектор параметров прибора; — вектор внутренних помех, возни­кающих в приборе (моменты трения, паразитные ЭДС и др.); — вектор помех, действующих на параметры прибора q.

В зависимости от соотношения скорости собственного движения, связанной с внутренними динамическими процессами в приборе, и скорости изменения измеряемой величины различают статический и динамический режимы измерения. Если скорости сравнимы, то режим измерения называется динамическим. Если скорость измене­ния измеряемой величины значительно меньше (не менее одного порядка) скорости собственных движений, то режим измерения на­зывается статическим, то есть в этом случае можно положить X (t) = const для выполнения одного измерения.

В соответствии с этим характеристики приборов также можно разделить на статические и динамические.

К основным статическим характеристикам приборов и преобразователей относятся: статическая характерис­тика, которая может быть задана в виде уравнения, графика или таблицы; чувствительность; порог чувствительности; диапазон измерений; показание; статические погрешности.

Статическая характеристика, или уравнение измерительного преобразователя (прибора) — это зависимость между информатив­ными параметрами выходного Y и входного X сигналов. На основа­нии (3.3) при X = const

(3.4)

Для линейного измерительного прибора или преобразователя уравнение преобразования

где k — постоянная величина.

Отношение информативного параметра выходного сигнала к ин­формативному параметру входного сигнала называется коэффициен­том преобразования прибора или преобразователя:

Чувствительностьюприбора называют отношение изменения выходного сигнала на выходе прибора к вызвавшему его изменению входного сигна­ла на входе прибора. Она определяется из уравнения преоб­разования прибора:

(3.7)

Порог чувствительности — изменение входного сигнала, вы­зывающее наименьшее изменение выходного сигнала, которое мо­жет быть зарегистрировано или обнаружено данным прибором без дополнительных устройств.

Диапазон измерений — область значений измеряемого сигнала, ограниченная пределами измеряемой величины и имеющая норми­рованные допускаемые погрешности. Диапазон измерений может состоять из поддиапазонов с разными погрешностями. Показание значение измеряемой величины, определяемое по отсчетному уст­ройству прибора и выраженное в единицах этой величины.

Важными характеристиками средств измерений являются вход­ной и выходной импедансы. Входной импеданс — изменение вход­ного сигнала при подключении измерительного преобразователя к источнику входного сигнала, а выходной импеданс— изменение выходного си гнала преобразователя при подключении к его выходу последующего преобразователя.

Погрешность средства измерений является случайной функцией и не может быть охарактеризована одним числом. Наиболее полной характеристикой является условная плотность вероятности погрешности, отражающая ее изменение вдоль шкалы. Однако определение условной плотности вероятности погрешности — про­цесс трудоемкий и дорогостоящий. Поэтому для оценки качества средств измерений используются погрешности, классифицируемые по различным признакам: по способу выражения, по зависимости от значения измеряемой величины, по характеру изменения погреш­ности, по причине и условиям возникновения, по режиму измерения и др.

Классификация и общие вопросы теории погрешностей рассмот­рены в гл. 6.

Статическая погрешность возникает при измерении значений постоянной во времени величины.

Погрешностью в динамическом режиме называется погрешность, возникающая при измерении переменной во времени величины. При этом динамическая погрешность определяется как разность между погрешностью прибора в динамическом режиме и его стати­ческой погрешностью, соответствующей значению величины в дан­ный момент времени.

К основным характеристикам приборов предъявляются следую­щие требования: минимальное влияние на информативный пара­метр выходного сигнала неинформативных параметров входного сигнала и помех, действующих на параметры прибора и возникаю­щих в самом приборе; минимальное число влияющих величин и параметров; уравнение преобразователя должно наиболее точно от­ражать зависимость между входным х и выходным у сигналами; линейная зависимость между х и у.

Как указывалось в гл. 1, большинство измеряемых величин в настоящее время переменны во времени. При этом измеряемая ве­личина X изменяется в широких диапазонах, то есть кроме стати­ческих характеристик и погрешностей необходимо учитывать ха­рактеристики и погрешности, возникающие в реальных звеньях измерительной цепи, и вызванные внутренними динамическими про­цессами преобразования энергии сигнала этими звеньями.

Основные динамические характеристики средств измерений уста­новлены ГОСТ 8.256—77 «ГСИ. Нормирование и определение дина­мических характеристик аналоговых средств измерений. Основные положения». Стандарт распространяется на линейные средства из­мерений. Динамические характеристики раз­деляются на полные и частные.

Полная динамическая характеристика однозначно определяет изменение выходного сигнала средства измерений при любых изме­нениях информативного параметра входного сигнала и влияющих величин.

Частные динамические характеристики — отдельные функции или параметры полной динамической характеристики, а также ха­рактеристики, которые лишь частично характеризуют динамиче­ские свойства средств измерений.

К полным динамическим характеристикам относятся: диффе­ренциальное уравнение, переходная функция (характеристика) , импульсная характеристика , передаточная функция К (Р), частотная передаточная функция или совокупность амплитудно-частотных и фазочастотных характеристик.

К основным частным динамическим характеристикам могут быть отнесены, например, постоянная времени, время запаздывания, время установления показаний (выходного сигнала), полоса пропу­скания, затухание и др.

Определения передаточной функции , а также частотной передаточной функции и характеристик , на ос­новании дифференциального уравнения или импульсной характе­ристики рассмотрены в п. 2.6.

Для определения динамических характеристик теоретическим путем или экспериментально на вход СИ подаются такие тестовые сигналы, чтобы по выходному сигналу можно было непосредственно определить искомую динамическую характеристику средства из­мерений.

В качестве тестовых сигналов используются: единичный сту­пенчатый сигнал ; единичный импульс с нормировкой ; гармонические колебания (синусоидальный сигнал) ; белый шум как стохастический сигнал с постоянной спектральной плотностью .

В соответствии с тестовыми сигналами динамические характе­ристики средств измерений могут быть разбиты на три группы: ха­рактеристики с представлением во временной и частотной областях и стохастические характеристики.

Тестовые сигналы и основные динамические характеристики средств измерений приведены в табл. 3.1.

Время установления выходного сигнала — интервал времени от момента подачи на вход средства измерений ступенчатого сигнала до достижения выходным сигналом установившегося значения с допустимой погрешностью, обычно не превышающей класс точнос­ти данного средства измерений.

Полоса пропускания — область частот, в пределах которой по­грешность прибора, вызванная изменением частоты, не превышает допускаемого предела. Граничная частота является предельной частотой полосы пропускания.

Основным уравнением цифрового измерительного прибора яв­ляется [3]

(3.8)

где — числовое значение кода на выходе прибора; — цена ступени квантования.

Если в цифровом измерительном приборе имеется предвключенный аналоговый ИП с выходной величиной у, тогда значение кода на выходе .

В случае линейного аналогового ИП его уравнение преобразо­вания (3.5) и, следовательно, . Тогда уравнение цифрового измерительного прибора

(3.8)

В общем случае, если цифровой измерительный прибор включает в себя аналоговые преобразователи, его динамические свойства должны описываться разностными уравнениями, являющимися аналогами дифференциальных уравнений. Разностные уравнения довольно широко используются в теории импульсных систем [11, 33, 34].

К информационным характеристикам средств измерений относятся: количество информации (1.3) относительно входного сигнала X в процессе, состоящем из истинного значения X и погрешности К; количество информации (1.4) на выходе сред­ства измерений относительно его входного сигнала. Могут опреде­ляться также информационно-энергетический коэффициент полез­ного действия [4], эквивалентное число различаемых значений ве­личины [3] и др.

| следующая лекция ==>
Бесперегрузочные сообщения |

Дата добавления: 2015-10-21 ; просмотров: 2374 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Источник

Поделиться с друзьями
Моя стройка
Adblock
detector