Общая структура измерительных приборов и установок
Измерения физических величин в производственной деятельности выполняются с помощью рабочих средств измерения - измерительными приборами или измерительными установками.
Измерительные приборы включают в себя: измерительный преобразователь (датчик), преобразователь сигнала в аналоговую или цифровую форму, усилитель сигнала, отсчетное устройство.
Современные приборы, кроме того, могут быть оснащены различными электронными устройствами. Например, цифровыми отсчётными устройствами, самописцами или магнитными накопителями, а также устройствами сочленения прибора с компьютером. В случае наличия у измерительных приборов цифровых выходов в виде быстродействующих портов типа USB-2 или Fire Wire (IEEE 1394) у пользователя появляются дополнительные возможности, например статистическая обработка результатов при проведении измерений в динамическом режиме, измерение параметров быстро протекающих процессов.
В зависимости от программного обеспечения процедуры измерений, появляются также многие сервисные возможности, например, компьютер, может управлять процессом измерений, проводить анализ текущей измерительной информации и т.д.
Измерительный преобразователь- это устройство, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для её передачи, преобразования, обработки и хранения. Различают первичный, промежуточный, передающий и масштабный преобразователи.
· Первичный преобразователь занимает в измерительной цепи первое место и непосредственно воспринимает измерительную информацию.
· Промежуточный преобразователь занимает в измерительной цепи второе место.
· Передающий измерительный преобразователь предназначен для дистанционной передачи сигнала.
· Масштабный преобразователь предназначен для усиления величины в заданное число раз.
Первичный преобразователь (датчик) имеет чувствительный элемент (контактный или бесконтактный), находящийся под непосредственным воздействием измеряемой величины. Преобразователи разнообразны по конструкции и принципу действия. Они могут быть: механические, оптические, емкостные, индуктивные, лазерные и др.
Усилители могут выполняться в виде катодных повторителей, амплитудно-частотных преобразователей, согласующих устройств с выходом на компьютер и др.
Кроме измерительных приборов и вспомогательных устройств в состав измерительных установок могут входить меры или наборы мер. Например, наборы сменных шкал, объективов с разным фокусным расстоянием, наборы гирь, магазины сопротивлений и индуктивностей, нормальные гальванические элементы и т. д.
Метрологические характеристики средств измерений
Для оценки пригодности СИ к измерениям в известном диапазоне с известной точностью вводят 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.
По ГОСТ 8.009—84 устанавливают перечень MX, способы их нормирования и формы представления.
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 рис. 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.
Чувствительность — отношение изменения сигнала Δу на выходе СИ к вызвавшему это изменение изменению Δх сигнала на входе
S=Δу/ Δх
Например, для стрелочного СИ — это отношение перемещения dl конца стрелки к вызвавшему его изменению dx измеряемой величины
S=dl/ dх
Для равномерных шкал
S=const=l/xn,
где xn - диапазон измерений.
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.
Вариация (гистерезис) — разность между показаниями СИ в данной точке диапазона измерения при возрастании и убывании измерений величины и неизменных внешних условиях:
Н= |хв – xу|
где хв, ху — 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.
Градуировочная характеристика - зависимость между выходным и входным сигналом СИ, полученная экспериментально. Она может быть представлена аналитически, графически или в виде таблицы.
Градуировочная характеристика может изменяться под воздействием внешних и внутренних причин. Например, при быстром изменении тока подвижная часть СИ, вследствие инерции, не успевает "следить" за изменением тока. Градуировочная характеристика в этом случае должна выражаться дифференциальным уравнением.
Основная MX СИ — погрешность СИ — есть разность между показаниями СИ и истинными (действительными) значениями ФВ.
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 97,4 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.
Существуют три способа нормирования основной погрешности СИ:
• нормирование пределов допускаемой абсолютной (±Δ) или приведенной погрешностей, постоянных во всем диапазоне измерения;
• нормирование пределов допускаемой абсолютной (±Δ) 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 имеет вид
где Δ0 — основная погрешность СИ; Δi — дополнительная погрешность, вызванная изменением i-го влияющего фактора.
Иногда дополнительную погрешность нормируютв виде коэффициента, указывающего, на сколько или во сколько раз изменяется погрешность при отклонении номинального значения. Например, указание, что температурная погрешность вольтметра составляет ±1% на 10°С, означает, что при изменении среды на каждые 100С добавляется дополнительная погрешность 1%.
Вследствие сложности разделения дополнительных и основных погрешностей поверку СИ выполняют только при нормальных условиях (т. е. дополнительные погрешности исключены).
В соответствии с ГОСТ 8.401—80 для пределов допускаемой основной (и дополнительной) погрешностей предусмотрены различные способы выражения в виде абсолютной, относительной и приведенной погрешности.
Абсолютная погрешность — разность между показанием х СИ и действительным значением ха измеряемой величины
Δ =|x – xд|
где в качестве хд выступает либо номинальное значение (например, меры), либо значение величины, измеренной более точным (не менее чем на порядок, в 10 раз) СИ.
Абсолютная погрешность выражается в единицах измеряемой физической величины и может быть задана:
а) либо одним числом: Δ = ±а;
б) либо в виде линейной зависимости: Δ = ±bх; Δ=±(а+bx);
в) в виде функции Δ =f(х) или графика, таблицы.
Относительная погрешность.Поскольку абсолютная погрешность выражается в абсолютных единицах физической величины, то это не дает возможность сравнить СИ и измеряющие разные физические величины. Для этой цели можно использовать относительные погрешности, как отношение абсолютной погрешности к действительному хд (xd) значению, выраженные в процентах
Эта формула показывает, что для одного и того же СИ δ уменьшается с ростом хд и приближается к ∞ при хд→0. То есть при измерении на начальном участке шкалы с начальной нулевой отметкой погрешности измерения могут быть сколь угодно велики. Поэтому в метрологии существует принцип запрета измерений на таких участках шкалы СИ.
Приведенная погрешность.Указание только абсолютной погрешности не позволяет сравнивать между собой по точности СИ с разным пределом измерений, а указание относительной погрешности также ограничено из-за непостоянства величины δ.
Поэтому получило большое распространение нормирование приведенной погрешности как отношение Δ к нормируемому значению xN (в %):
Нормирующее значение xN выбирают в зависимости от вида и характера шкалы прибора.
Различают равномерные и неравномерные шкалы. Последние делятся на существенно неравномерные и степенные.
Под существенно неравномерной шкалой понимают шкалу с сужающимися делениями, на которой отметка, соответствующая полусумме начального и конечного значения рабочей части шкалы, расположена между 65 и 100% длины этой рабочей части.
Под степенной шкалой понимают шкалу с расширяющимися или сужающимися делениями, но не попадающими под определение существенно неравномерных.
Для равномерных и степенных шкал нормирующее значение xN принимается равным:
• конечному значению рабочей части шкалы xN= хк если нулевая отметка — на краю или вне рабочей части шкалы
• сумме конечных значений шкалы (без учета знака), если нулевая отметка — внутри шкалы (xN = 20+20 = 40; xN= 20+40 = 60);
• номинальному значению х, если СИ предназначено для измерения отклонения измеряемой величины от номинального значения.
Для существенно неравномерных шкал нормирующее значение xN принимается равным:
• длине шкалы. В этом случае, поскольку длина выражается в миллиметрах, то абсолютную погрешность надо выражать также в миллиметрах;
Специфическим видом погрешности цифровых СИ и дискретных преобразователей является погрешность квантования, которая вносится округлением значения измеряемой величины и номинального значения.
Поскольку измеряемая величина х может принимать случайные значения в интервале от +Δ до -Δ, то погрешность квантования есть случайная аддитивная статическая погрешность. Она не зависит ни от текущего значения х, ни от скорости изменения х во времени.
Погрешность от вариации (гистерезиса) ΔH нормируется установлением предела Hp без учета знака допускаемой вариации выходного сигнала (показания) СИ.
Характеристику погрешности СИ, в том числе и в заданном интервале, нормируют установлением предела (положительного и отрицательного) Δ допускаемой погрешности совместно с Нр.