Шивринский В.Н. (под редак.) Проектирование приборов, систем и измерительно-вычислительных комплексов

Подождите немного. Документ загружается.

Глава 2. Характеристики средств измерений

Классификация средств измерений

Все средства измерений делятся на меры, измерительные преобразователи,

измерительные приборы, измерительные установки и измерительные системы.

В свою очередь, каждое из средств измерений может быть образцовым или ра-

бочим.

Мерой называется средство измерения, предназначенное для воспроизведе-

ния физической величины заданного размера (значения). Меры бывают одно-

значные, многозначные и наборы.

Однозначные меры воспроизводят физическую величину одного размера.

Многозначные – ряд одноименных величин разного разряда (например, конден-

сатор переменной емкости).

Набор мер содержит комплект мер, применяемых как в отдельности, так и в

различных сочетаниях. Набор мер, конструктивно объединенный в одно целое с

переключающими устройствами для воспроизведения ряда одноименных вели-

чин различного значения (размера), называется магазином (магазин сопротив-

лений и др.).

Измерительными преобразователями называют средства измерений, пред-

назначенные для выработки сигналов в форме, удобной для передачи, даль-

нейшего преобразования, обработки, хранения, но не поддающиеся непосред-

ственному восприятию наблюдателем.

Измерительными приборами называют средства измерений, предназначен-

ные для выработки сигналов, функционально связанных с измеряемыми физи-

ческими величинами, в форме, доступной для восприятия наблюдателем.

Измерительной установкой называется совокупность функционально и

конструктивно объединенных средств измерений и вспомогательных уст-

ройств, предназначенных для рациональной организации измерений. Измери-

тельная установка позволяет предусмотреть определенный метод измерения и

заранее оценить погрешность.

Измерительная информационная система представляет собой совокуп-

ность средств измерений и вспомогательных устройств, предназначенную для

автоматического сбора информации от ряда источников с многократным ис-

пользованием измерительных преобразователей, передачи измерительной ин-

формации на те или иные расстояния по каналам связи и представления ее в

том или ином виде.

Рабочие средства измерений применяются для измерений, не связанных с

поверкой, т. е. передачей размера единиц.

Образцовые средства измерений служат для поверки других средств изме-

рений, т. е. для передачи размера единицы физической величины. По точности

образцовые средства измерений делятся на четыре разряда, каждый из которых

соответствует одной ступени поверочной схемы.

Среди образцовых средств измерений особое место занимает эталон еди-

ницы физической величины, который предназначен для воспроизведения и

хранения единицы физической величины с целью передачи ее размера ниже-

стоящим по поверочной схеме средствам измерений.

Средства измерений можно классифицировать по весьма разнообразным

признакам, которые в большинстве случаев взаимно независимы и в каждом

средстве измерений могут находиться почти в любых сочетаниях.

Признаки классификации: 1) принцип действия; 2) способ образования по-

казаний; 3) точность; 4) условия применения; 5) степень защищенности от

внешних магнитных и электрических полей; 6) прочность и устойчивость про-

тив механических воздействий и перегрузок; 7) чувствительность; 8) пределы и

диапазоны измерений и т. д.

Рассматривая приборы в виде, представленном на рис. 1.1-1.2, их можно

также классифицировать по следующим признакам:

1) по воспринимающей способности, 2) по виду сравнивающего элемента

(по методу сравнения), 3) по типу задающего элемента.

Воспринимающая способность зависит от характера входной величины.

Х(t) может быть следующих видов: 1) Х=const; 2) Х=var: а) среднее значение –

медленно меняющаяся величина; б) флуктуации (пульсации); в) переходный

процесс. Приборы, измеряющие постоянные величины, можно назвать прибо-

рами статических измерений. Приборы, которые измеряют переменные, но

средние по значению величины, называют квазистатическими. Приборы, кото-

рые измеряют флуктуации и переходный процесс, называют динамическими.

Выбор вида чувствительного элемента зависит от типа входного воздейст-

вия. Кроме того, вид чувствительного элемента определяется областью приме-

нения прибора. Приборы для измерения напряжения, давления, температуры и

др. имеют разные виды чувствительных элементов.

Метод сравнения – это существо процесса измерения. Поэтому методы

сравнения часто называют методами измерения. Различают следующие методы

измерения.

1) Метод непосредственной оценки, – когда значение измеряемой величины

определяется непосредственно по отсчетному устройству одного (прямые из-

мерения) или нескольких (косвенные измерения) приборов, заранее проградуи-

рованных в единицах измеряемой величины. Этот метод самый неточный.

2) Приборы метода сравнения: а) дифференциальной реализации, б) нуле-

вой реализации, в) совпадения.

Прибор дифференциальной реализации, – когда производится неполное

уравновешивание и небольшая разность между уравновешиваемыми величина-

ми оценивается прибором непосредственной оценки. Примером могут служить

неуравновешенные мосты.

Прибор нулевой реализации, – когда производится полное уравновешива-

ние двух величин (в пределах чувствительности указателя равновесия). Вместе

с тем он называется компенсационным (компенсируем до нуля). Примером мо-

гут служить уравновешенные мосты, потенциометры.

Прибор совпадения, – когда равномерно нанесенные отметки или периоди-

чески следующие сигналы, соответствующие измеряемой величине, сопостав-

ляются с подобными же отметками или сигналами, относящимися к известной

величине, и по их совпадению судят о значении измеряемой величины. Здесь

примером могут служить нониусные приборы, стробоскопы, электронные ос-

циллографы.

Для приборов контроля по типу задающего элемента мы уже рассматрива-

ли: стабилизированный, программный, следящий контроль.

Эти три элемента (чувствительный, сравнивающий, задающий) дают осно-

ву классификации средств измерений.

Статические характеристики средств измерений

Измерительные приборы можно рассматривать как преобразователи изме-

ряемой величины X(t) в выходной сигнал У(t) (рис. 2.1).

Рис. 2.1. К определению статической характеристики прибора

В динамическом режиме измерения величины X(t) и У(t) непрерывно изме-

няются, связь между ними определяется дифференциальным уравнением. В ус-

тановившемся режиме измерения все производные величин X и У обращаются

в нуль, и дифференциальное уравнение переходит в алгебраическое, выражаю-

щее статическую характеристику прибора (функцию преобразования, гра-

дуировочную характеристику):

У = f(X). (2.1)

Выражение (2.1) называют основным уравнением прибора. Графическое

изображение статической характеристики прибора приведено на рис. 2.2.

Рис. 2.2. Статическая характеристика прибора

Функция преобразования позволяет определить важные свойства средства

измерения. Любой прибор имеет пределы измерения – наименьшее и наиболь-

шее значения измеряемой величины, которые могут быть измерены данным

средством измерений. Абсолютное значение диапазона измерений X

диап

опре-

деляется как разность верхнего (X

) и нижнего (X

) пределов измерения:

диап

= | X

– X

|. (2.2)

При выходе X за пределы диапазона измерения выходной сигнал У обычно

сохраняет постоянное значение благодаря наличию упоров или вследствие на-

сыщения. Диапазон измерения может быть выражен и в единицах выходной ве-

личины:

диап

= | У

– У

|. (2.3)

Здесь У

и У

– значения У, отвечающие X

и X

Чувствительностью прибора называется предел отношения приращения

выходной величины к приращению входной величины, когда последнее стре-

мится к нулю:

S = lim (∆У/∆X) = ∂У/∂X = (m

)⋅tgΘ. (2.4)

∆X→0

Здесь m

и m

– масштабы графика по осям У и X; Θ – угол наклона касатель-

ной к характеристике в заданной точке.

Средней чувствительностью прибора называется отношение абсолютных

величин диапазонов измерений на выходе и на входе:

ср

= У

диап

= (m

)⋅tgΘ

. (2.5)

Здесь Θ

– угол наклона хорды, стягивающей две точки статической характери-

стики, соответствующие нижнему и верхнему пределам измерений.

У приборов с линейной характеристикой чувствительность в любой точке

характеристики совпадает по значению со средней чувствительностью:

ср

= S = У

диап

. (2.6)

Некоторые приборы (вследствие влияния сил трения, люфтов или других

причин) обладают зоной нечувствительности. В этом случае вводится понятие

порога чувствительности, который равен минимальному приращению изме-

ряемой величины X, при котором выходной сигнал У начинает изменяться.

Рассмотрим другие общие свойства и характеристики средств измерений.

Отсчетное устройство прибора предназначено для наблюдения значений из-

меряемой величины. У стрелочных приборов отсчетное устройство состоит из

шкалы и указателя.

Шкалой называется совокупность отметок (штрихов), расположенных в оп-

ределенной последовательности, и проставленных у некоторых из них чисел

отсчета.

Расстояние между двумя соседними штрихами называется делением шкалы.

Разность значений измеряемой величины, соответствующая двум соседним от-

меткам, называется ценой деления.

Цена деления Ц равномерной шкалы равна конечному значению измеряе-

мой величины по шкале А

, деленному на число делений n:

Ц = А

/n. (2.7)

Цену деления обычно выбирают кратной погрешности прибора:

Ц = 2∆ или Ц = 4∆. (2.8)

Вариацией показаний прибора называют наибольшую разность между пока-

заниями, полученными при многократно повторенных измерениях одной и той

же величины.

Входное сопротивление прибора характеризует реакцию входного сигнала

на подключение данного прибора к источнику входного сигнала с фиксирован-

ным выходным сопротивлением. Входное сопротивление зависит от частоты,

на которой производится измерение (Z

ВХ

– комплексное сопротивление).

Выходное сопротивление характеризует реакцию выходного сигнала на

подключение к выходным зажимам фиксированной нагрузки.

Возникает необходимость согласования выходного сопротивления источ-

ника сигнала и входного сопротивления прибора.

Стабильность средства измерения является качественным показателем,

отражающим неизменность во времени его метрологических свойств.

Надежностью средства измерения называется свойство выполнять свою

функцию, сохраняя установленные эксплуатационные характеристики в опре-

деленных пределах в течение заданного времени, в заданных условиях. Надеж-

ность характеризуется средним временем безотказной работы при установлен-

ной доверительной вероятности.

Помехоустойчивость – свойство прибора правильно воспроизводить зна-

чение измеряемой величины при наличии внутренних (флуктуации, фон) и

внешних помех.

Диапазон рабочих частот – полоса частот, в пределах которой погреш-

ность прибора нормирована.

Динамические характеристики средств измерений

К динамическим характеристикам средств измерений относятся дифферен-

циальное уравнение, переходная характеристика, передаточная функция, сово-

купность амплитудно- и фазочастотных характеристик, время установления по-

казаний и др.

Погрешности средств измерений

При измерениях всегда получают приближенное значение измеряемой ве-

личины. Погрешности средств измерений можно классифицировать по различ-

ным признакам: по размерности, по характеру связи между значением погреш-

ности и уровнем сигнала, по закономерности появления при многократных ис-

пытаниях средств измерений, по условиям и причинам появления.

Классификация погрешностей по размерности. В зависимости от размер-

ности различают: абсолютные погрешности; относительные погрешности; от-

носительные приведенные погрешности.

Абсолютные погрешности средств измерений могут быть выражены или в

единицах измеряемой величины X (см. уравнения 1.1-1.2), или в единицах вы-

ходного сигнала У. Такой способ выражения погрешности удобен для случаев,

когда в результат измерения вводится поправка, или результат измерения вы-

ражается в логарифмической форме в децибелах.

Относительные погрешности также могут рассматриваться по отношению к

Х (см. уравнение 1.3) или к выходному сигналу У, %:

= (∆

/У) ⋅100 ≈ (∆

/У

) ⋅100. (2.9)

Если характеристика прибора линейна и проходит через начало координат,

то δ

= δ.

Для измерительных приборов электрических величин относительную по-

грешность часто выражают в виде приведенной погрешности γ:

γ = (∆/X

) ⋅100. (2.10)

Здесь Х

– нормирующее значение величины, равное верхнему пределу изме-

рения, диапазону измерения, длине шкалы и т. д.

Классификация погрешностей по характеру связи между значением по-

грешности и уровнем сигнала. По данному признаку различают

– аддитивные ( ∆

= a ),

– мультипликативные ( ∆

= b⋅X ),

– степенные ( ∆

= C⋅X

– периодические [ ∆

= A⋅sin(kX) ] погрешности.

Здесь a, b, C, m, A, k – const. Погрешность может быть комбинированной.

Классификация погрешностей по закономерности их появления при много-

кратных испытаниях измерительных устройств. По данному признаку разли-

чают систематические и случайные погрешности.

Систематические погрешности имеют определенное значение в каждой

точке характеристики измерительного устройства и повторяются при его мно-

гократных испытаниях в одних и тех же условиях.

Случайные погрешности – это погрешности, имеющие рассеяние по значе-

нию и знаку при многократных испытаниях в одних и тех же условиях, причем

появление тех или иных значений случайных погрешностей при единичных за-

мерах незакономерно.

Классификация погрешностей по причинам их появления. По данному при-

знаку погрешности можно разделить на две группы: методические и инстру-

ментальные погрешности.

Методические погрешности возникают вследствие: 1) неточности принято-

го функционала метода измерения; 2) изменения физических параметров, при-

нимаемых за константы; 3) неполного учета физических параметров, влияющих

на метод измерения; 4) искажения измеряемых величин, вызванных влиянием

внешних условий; 5) искажения измеряемых величин, вызванных относитель-

ным движением тел и среды; 6) естественных и организованных помех.

Инструментальные погрешности возникают вследствие: 1) несовершенства

технологического процесса изготовления прибора; 2) изменения геометриче-

ских размеров и физических характеристик деталей и узлов прибора при изме-

нении окружающих условий; 3) изменения характеристик прибора при измене-

нии режимов питания.

Классификация погрешностей по условиям их появления. По данному при-

знаку погрешности можно разделить на две группы: статические и динамиче-

ские погрешности.

Статические погрешности возникают при установившемся режиме измере-

ния, когда измеряемая величина Х и выходной сигнал У сохраняют постоянное

значение.

Динамические погрешности имеют место при неустановившемся режиме

измерения. Под динамической понимают ту часть погрешности, которая добав-

ляется к статической погрешности в неустановившемся режиме измерения.

Классификация погрешностей по условиям применения средств измерений.

По условиям применения средств измерений различают основную и дополни-

тельную погрешности.

Основная погрешность имеет место при нормальных условиях, которым

отвечают нормальные климатические условия (давление воздуха 760 мм рт. ст.,

температура 20

С, влажность 20-60%), нормальное положение прибора (го-

ризонтальное или вертикальное), отсутствие переносных линейных и угловых

ускорений, номинальный режим питания и т. п. Основная погрешность возни-

кает под влиянием многих факторов, она формируется на всех этапах проекти-

рования и изготовления измерительного устройства.

Дополнительной называется та часть погрешности, которая добавляется к

основной погрешности при отклонении условий работы измерительного уст-

ройства от нормальных.

Нормирование метрологических характеристик

Метрологическими называются характеристики средств измерений, оказы-

вающие влияние на результаты и погрешности измерений. Метрологические

характеристики нормируются, т. е. им предписываются определенные числовые

значения для данного типа средств измерений, работающих в определенных

условиях.

К нормируемым метрологическим характеристикам относятся: 1) пределы

измерения (диапазон); 2) цена деления равномерной шкалы (при неравномер-

ной шкале – минимальная цена деления); 3) выходной код, число разрядов, це-

на единицы наименьшего разряда кода приборов с цифровым отсчетом;

4) вариация показаний; 5) погрешность прибора (систематическая и случайная

составляющие, суммарная погрешность); 6) входное и выходное сопротивле-

ния; 7) время установления показаний и др.

Для средств измерений электрических величин широко применяется поня-

тие предела допускаемой погрешности средств измерений, соответствующего

наибольшей (без учета знака) его погрешности, при которой средство измере-

ний может быть признано годным. Это относится как к основной, так и к до-

полнительной погрешностям. Например, пределы допускаемой приведенной

погрешности вольтметра класса точности 1,0 равны ±1% верхнего предела из-

мерений.

Пределы допускаемой абсолютной основной погрешности устанавливают-

ся:

∆

доп

= ± а (2.11)

или

∆

доп

= ± (а + b⋅X) . (2.12)

Здесь X – значение измеряемой величины; а, b – положительные числа, не зави-

сящие от X.

Пределы допускаемой относительной основной погрешности устанавлива-

ются:

доп

= ± с (2.13)

или

доп

= ± [c + d⋅(X

/X – 1)] . (2.14)

Здесь c и d – положительные числа; X

– конечная отметка предела измерения.

Пределы допускаемой приведенной погрешности устанавливаются по фор-

муле (2.13).

Можно пределы допускаемой относительной основной погрешности выра-

жать в децибелах:

доп

= A⋅lg(1 + ∆/X). (2.15)

Здесь A – коэффициент, равный 10 при измерении мощности и 20 – при из-

мерении напряжения, силы тока.

Средствам измерений часто устанавливается класс точности, которым на-

зывается обобщенная характеристика, определяемая пределами допускаемых

основной и дополнительных погрешностей, а также другими свойствами,

влияющими на точность, значения которых установлены в стандартах на от-

дельные подгруппы или виды средств измерений.

При этом класс точности характеризует точность средства измерений, но не

является непосредственным показателем точности измерений, выполняемых с

помощью этих средств.

Для средств измерений, у которых основную погрешность нормируют в ви-

де предела приведенной погрешности, класс точности прибора К

численно ра-

вен наибольшей допустимой приведенной основной погрешности, выраженной

в процентах:

= γ

max

. (2.16)

Класс точности присваивают из ряда: 1⋅10

; 1,5⋅10

; 2⋅10

; 2,5⋅10

; 4⋅10

;

5⋅10

; 6⋅10

, где n = 1; 0; -1; -2 и т. д.

Из (2.16) следует, что значение максимальной допускаемой абсолютной по-

грешности данного прибора можно вычислить по его классу точности:

∆

max

= ± К

⋅X

/100. (2.17)

Автоматизированные информационные системы

Для современного этапа развития измерительной техники характерно все

более широкое внедрение автоматизации измерений. К числу решаемых при

этом задач относятся: 1) многофункциональность средств измерений;

2) программное управление; 3) автоматическое переключение пределов изме-

рений и полярности; 4) минимизация числа органов управления; 5) самокон-

троль и автокалибровка; 6) дистанционное управление; 7) выполнение вычис-

лительных операций и математических преобразований; 8)

автоматическая кор-

рекция систематических погрешностей; 9) проведение косвенных и совокупных

измерений с отображением непосредственно результата измерений; 10) запо-

минание выборок; 11) статистическая обработка результатов наблюдений;

12) автоматическая регистрация; 13) выдача результатов измерений в цифровом

коде – возможность ввода в ЭВМ; 14) ослабление действия влияющих величин;

15) повышение общей и метрологической надежности; 16) выдача сигнальной

информации о выходе измеряемого значения за допускаемые пределы; 17) за-

щита от перегрузок; 18) возможность организации совокупности средств изме-

рений в автоматическую измерительную систему; 19) построение систем авто-

матического сбора данных от многих источников с обработкой и анализом па-

раметров; 20) автоматизация поверочной процедуры.

Решение задач автоматизации измерений на качественно новой основе ста-

ло возможным вследствие применения в средствах измерения микропроцессор-

ных систем и микроЭВМ.

Государственная система приборов и агрегатные комплексы.

Основные блоки измерительных систем

Повышение требований к качеству и количеству средств измерений приве-

ло к системному подходу при их создании, который преследует цель миними-

зировать расходы с учетом затрат при производстве и применении средств из-

мерений. Работы в этом направлении привели к созданию Государственной

системы промышленных приборов и средств автоматизации (ГСП).

ГСП определяется как совокупность изделий, предназначенных для исполь-

зования в промышленности в качестве технических средств автоматических и

автоматизированных систем контроля, измерения, регулирования и управления

технологическими процессами.

ГСП охватывает все устройства, обеспечивающие формирование сигналов

– носителей информации о значениях характеристик объекта управления (пер-

вичные преобразователи, датчики), нормирование сигналов (вторичные преоб-

разователи, «нормализаторы»), функциональное преобразование в аналоговой

или цифровой форме (функциональные преобразователи и процессоры), ком-

мутацию, аналого-цифровое и цифро-аналоговое преобразование (коммутато-

ры, АЦП и ЦАП) и реализацию требуемого воздействия на объект (исполни-

тельные устройства).

Методологическую основу ГСП составляет система государственных стан-

дартов, устанавливающих общие технические требования, требования к вход-

ным и выходным сигналам, правилам информационного сопряжения и конст-

руктивному исполнению.

Техническую основу ГСП составляют агрегатные комплексы, каждый из

которых представляет собой совокупность технических средств, упорядочен-

ных по функциям и параметрам.

Наиболее рациональный принцип построения измерительных информаци-

онных систем – принцип агрегатирования. Его сущность заключается в том, что

система выполняется как агрегат, состоящий из независимых функциональных

блоков – модулей. Каждый блок (модуль) имеет конструктивную закончен-

ность. В качестве примеров функциональных блоков можно назвать АЦП и

ЦАП, цифровой вольтметр, цифровой частотомер, измерительный генератор,

принтер, таймер, дисплей и т. п.

Многообразие систем, построенных на агрегатном принципе, достигается

путем использования различных сочетаний, комбинаций модулей. Предусмат-

ривается возможность наращивания структуры системы в процессе эксплуата-

ции. Иногда модули объединяют в группы, называемые крейтами. При по-

строении агрегатированной системы должны быть решены две основные зада-

чи: совместимости и сопряжения модулей (как между собой, так и с внешними

устройствами).

Для ИИС различают пять видов совместимости: информационную – согла-

сованность входных и выходных сигналов модулей по видам и номенклатуре,

информативным параметрам, уровням; конструктивную – согласованность

конструктивных параметров, механических сопряжений модулей; энергетиче-

скую – согласованность напряжений и токов, питающих модули; метрологиче-

скую – сопоставимость результатов измерений, рациональный выбор и норми-

рование метрологических характеристик модулей, а также согласование вход-

ных и выходных цепей; эксплуатационную – согласованность характеристик

модулей по надежности и стабильности, а также характеристик, определяющих

влияние внешних факторов.

Преимущества принципа агрегатирования наиболее полно проявляются, ес-

ли любые модули системы можно состыковать и объединить в систему без кон-

структивных изменений (доработок). Для этого необходимо унифицировать со-

пряжение между модулями. Такое сопряжение модулей между собой и с уст-

ройствами обработки информации достигается посредством интерфейса.

Общая схема модульной измерительной информационной системы показа-

на на рис. 2.3. Система разбита на модули, которые соответствуют функциям

ВХОД, ВЫХОД, ПРЕОБРАЗОВАНИЕ СИГНАЛА, ЭВМ, КОМБИНИРОВАННАЯ

АППАРАТУРА

Модули преобразования входного и выходного сигналов содержат компо-

ненты, необходимые для обмена входными и выходными сигналами с внешней

средой. Примерами таких компонентов являются аналого-цифровые и цифроа-

налоговые преобразователи.