Характеристики средств измерений электрических величин
Для оценки свойств СИ и определения возможности их применения в тех или иных условиях служат характеристики СИ, весь комплекс которых можно разбить на технические, позволяющие, как и для других технических средств, установить назначение СИ и область применения, а также оценить его эксплуатационные возможности, и метрологические, оказывающие влияние на результаты и погрешности измерений. Рассмотрим общие технические и метрологические характеристики СИ электрических величин, называемые часто в нормативно-технической документации параметрами СИ. Комплекс общих параметров регламентируется ГОСТ 22261—82 и ГОСТ 8.009—84.
Назначение СИ — качественная характеристика, показывающая, для измерения каких величин оно предназначено. Эта характеристика, как указывалось в § 2.1, является основным признаком при классификации приборов на группы, подгруппы и виды.
Область применения СИ — количественная характеристика, определяемая диапазонами возможного изменения измеряемых и неизмеряемых величин, а также диапазоном возможного изменения влияющих величин (климатические, механические и другие воздействия), в которых нормированы метрологические характеристики СИ. Диапазон возможного изменения измеряемых величин определяет диапазон измерений СИ, оговариваемый в технической документации, как правило, пределами измерений (наибольшее и наименьшее значения диапазона измерений). Неизмеряемые величины, которыми также характеризуется входной сигнал СИ, называют неинформативными параметрами входного сигнала. Например, для вольтметра переменного тока важно знать не только диапазон измеряемых напряжений, но и диапазон их частот. В то же время частота измеряемого напряжения не связана функционально с его значением, т. е. это неинформативный параметр входного сигнала вольтметра. Для частотомера, наоборот, измеряемой величиной является частота, а неинформативным параметром входного сигнала — его уровень.
Характеристики погрешности СИ позволяют количественно оценить инструментальную погрешность измерения (см. § 1.1.3). Погрешность СИ может быть представлена в форме абсолютной, относительной или приведенной погрешности. При этом абсолютная (Δп) и относительная (δп) погрешности СИ определяются аналогично соответствующим погрешностям измерений, но в формулах (1.3) и (1.4) вместо результата измерения X должна фигурировать величина Хп — показание СИ (значение измеряемой величины, определяемое по отсчетному устройству СИ). Под приведенной погрешностью СИ понимается погрешность:
γп=Δп/XN, (2.1)
где XN — некоторое нормирующее значение, выраженное в тех же единицах, что и Δп.
Приведенная погрешность γп позволяет в отличие от Δп и δп выявить потенциальные возможности СИ в плане минимизации инструментальной погрешности измерения. Это наглядно иллюстрируется правилами выбора XN, которые регламентируются ГОСТ 8.401—80. В частности, если СИ имеет практически равномерную шкалу (длина делений отличается друг от друга не более чем на 30 % при постоянной цене деления), значение XN следует выбирать равным большему из пределов измерений при нахождении нулевой отметки на краю диапазона измерений или равным сумме модулей пределов измерений, если нулевая отметка находится внутри диапазона измерений. Для многопредельных СИ значение XN равно разности пределов измерений. Наконец, если СИ имеет существенно неравномерную шкалу, значение XN принимают равным длине шкалы или ее части, соответствующей диапазону измерений.
Погрешность СИ, как отмечалось в § 1.1.3, включает целый ряд систематических и случайных составляющих. В зависимости от того, в каких условиях эксплуатируется СИ, различают основную (для нормальных условий) и дополнительную погрешности СИ (если одна или более влияющих величин выходят за пределы .нормальных областей). Для СИ электрических величин по ГОСТ 22261—82 принято нормировать пределы допускаемого значения основной погрешности или допускаемых значений ее систематической и случайной составляющих, а также предел допускаемого значения погрешности в диапазоне влияющих величин или предел допускаемого значения дополнительной погрешности (вместо них могут нормироваться функции влияния, характеризующие зависимость погрешностей от изменений влияющих величин). Как и погрешности измерений, погрешности СИ при нормировании должны округляться до двух значащих цифр. Стандартами регламентируется ряд способов нормирования и форм выражения пределов допускаемых погрешностей. Рассмотрим их.
Пределы допускаемых абсолютной, относительной и приведенной погрешностей СИ могут выражаться одним числом:
, (2.2)
где а — положительное число, не зависящее от X; q и р — отвлеченные положительные числа, выбираемые из ряда:
K=[1,0; 1,5; 2,0; 2,5; 4,0; 5,0; 6,0]10n, п=1, О, -1, -2, ... , (2.3)
Пределы допускаемых абсолютной и относительной погрешностей могут также нормироваться как линейные функции, т. е.
ΔП=±(a+bX) (2.4)
Здесь b, c u d — положительные числа, не зависящие от X, причем c = b + d, a d=a/ 
, где ХK. — больший (по модулю) из пределов измерений.
Первые слагаемые в формулах (2.4) характеризуют аддитивную (не зависящую от X), а вторые — мультипликативную (зависящую от X) составляющие погрешности СИ. В обоснованных случаях Δп и δп могут нормироваться более сложными функциональными зависимостями либо в виде графика, либо таблицы. В частности, значения δп выражают в децибелах:
, (2.5)
где А = 10 при измерении энергетических величин и А = 20 при измерении силовых величин (см. § 1.1.2).
Обобщенной характеристикой погрешности СИ является класс точности, определяемый пределами допускаемых основной и дополнительной погрешностей СИ. При выражении этих пределов значениями δП и уП по формуле (2.2) классы точности СИ обозначаются числами, которые равны этим пределам (в процентах) и соответствуют ряду (2.3). Если же пределы допускаемых погрешностей выражаются значением δП по формуле (2.4), то классы точности обозначают числами c u d, разделяя их косой чертой. Наконец, если пределы допускаемых погрешностей выражаются значением ΔП или одной из сложных форм δП, для обозначения классов точности применяются прописные буквы латинского алфавита или римские цифры. При этом более высоким классам точности соответствуют начальные буквы алфавита или меньшие числа. Примеры обозначения классов точности приведены в табл. 2.2.
Таблица 2.2. Примеры классов точности в документации на СИ
| Форма выражения погрешности | Предел допускаемой основной погрешности, % | Обозначение класса точности | |
| В документации | На СИ | ||
| Приведенная по формулам (2.1) и (2.2): для СИ с равномерной или практически равномерной шкалой для СИ с существенно неравномерной шкалой Относительная по формуле (2.2) Относительная по формуле (2.4) Абсолютная по формулам (2.2) и (2.4) или одной из сложных форм Относительная по одной из сложных форм | γП=±1,5 γ П=±0,5 δП=±2,5 δП=±[0,02 +0,01(|Хk/X|-1)] | Класс точности 1,5 Класс точности 2,5 Класс точности 0,02/0,01 Класс точности М Класс точности С | 1,5 0,5 2,5 0,02/0,01 М С |
Характеристики чувствительности СИ позволяют оценить чувствительность и разрешающую способность измерительных приборов. Под чувствительностью измерительного прибора понимают отношение изменения сигнала на выходе прибора (Δα) к вызывающему его изменению измеряемой величины (ΔX):
S=Δα/ΔX . (2.6)
Величина, обратная чувствительности
С=1/S, (2.7)
называется постоянной прибора или ценой деления его шкалы. Если шкала неравномерна, то нормируется минимальная цена деления. Для цифровых приборов устанавливаются число разрядов выходного кода и номинальная цена деления единицы наименьшего разряда кода. Необходимо также различать порог чувствительности (предельную чувствительность), под которым понимают наименьшее изменение входной величины, способное вызвать заметное изменение показания прибора. Порог чувствительности определяет фактически разрешающую способность измерительного прибора.
При характеристике измерительных преобразователей указывается коэффициент преобразования, под которым понимается отношение сигнала на выходе преобразователя к вызывающему его сигналу на входе преобразователя. Это позволяет рассчитать каждый измерительный преобразователь для вполне определенных пределов изменения входного сигнала.
Входной импеданс СИ — характеристика, определяющая реакцию входного сигнала на подключение СИ к его источнику. За счет потребления некоторой мощности СИ может изменить режим работы маломощного источника входного сигнала, что приведет к появлению методической погрешности измерения. Поэтому малое потребление мощности от источника входного сигнала является достоинством СИ. Соответственно выходной импеданс СИ определяет реакцию его выходного сигнала на подключение фиксированной нагрузки.
Вариация показаний (выходного сигнала) СИ определяется как разность показаний (выходного сигнала), соответствующих данной точке диапазона измерений при двух направлениях медленных изменений информативного параметра входного сигнала в процессе подхода к данной точке.
Динамические характеристики СИ определяют зависимость параметров выходного сигнала СИ от меняющихся во времени величин (параметров входного сигнала, влияющих величин и нагрузки). С помощью динамических характеристик (ДХ) выбираются СИ для динамических измерений (см. § 1.1.2) и оцениваются динамические погрешности измерений. Перечень основных нормируемых ДХ установлен ГОСТ 8.009—84, а правила выбора ДХ и способы их определения и нормирования регламентируются ГОСТ 8.256—77. Различают полные и частные ДХ. Полная ДХ однозначно определяет изменение выходного сигнала СИ при любом изменении во времени информативного или неинформативного параметра входного сигнала или влияющей величины. К полным ДХ относятся дифференциальное уравнение, импульсная и переходная характеристики, передаточная функция и совокупность амплитудно- и фазочастотной характеристик (АЧХ и ФЧХ). Частная ДХ представляет собой параметр или функционал полной ДХ. Типичным примером частных ДХ является время установления показаний или выходного сигнала СИ, нормируемое для показывающих и некоторых регистрирующих приборов. Величина, обратная времени установления, называется быстродействием СИ.
Надежность СИ — это количественная характеристика, определяющая свойство СИ выполнять заданные функции, сохраняя свои характеристики в заданных пределах в течение требуемого промежутка времени. Надежность СИ электрических величин принято характеризовать по ГОСТ 22261—82 показателями безотказности, долговечности и ремонтопригодности. Дополнительно могут устанавливаться и другие показатели надежности по ГОСТ 27.002—83.