Лекция 4. 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

У = kX, (3.5)

где k — постоянная величина.

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

К_п = у/х. (3.6)

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.