Общие вопросы измерений 1. Классификация измерительных приборов 2. Технические/метрологические характеристики СИ 3. Погрешности СИ; классы точности

Средства измерений Меры Измерительные преобразователи Измерительные приборы Однозначные, многозначные, наборы мер Первичный, промежуточный, масштабный, датчик и т.д. Показывающие, регистрирующие, аналоговые, цифровые и т.д. Измерительные установки Измерительные системы; Информационно-измерительные системы; Информационно - измерительные комплексы

Классификация измерительных приборов По форме индикации измеряемой величины различают измерительные приборы: показывающие - допускают только отсчитывание показаний при измерении величины (например, стрелочный или цифровой вольтметр); регистрирующие - с регистрацией показаний на каком-либо носителе информации. Различают самопишущие и печатающие измерительные приборы.

По форме преобразования измерительных сигналов: аналоговые и цифровые приборы В аналоговых ИП показания являются непрерывной функцией изменений измеряемой величины. Непрерывная измеряемая величина вызывает подобное ей непрерывное отклонение указателя по шкале. (Приборы, у которых указатель жестко связан с подвижной частью измерительного механизма). Цифровые ИП вырабатывают дискретные сигналы измерительной информации, их показания представляются в цифровой форме. Принцип действия цифровых ИП основан на квантовании измеряемой (или пропорциональной ей) величины.

По физическим явлениям, лежащим в основе работы: электромеханические и электронные ИП Электромеханические приборы состоят из относительно простой измерительной цепи и измерительного механизма. Измерительная цепь – совокупность элементов СИ, образующих непрерывный путь прохождения измерительного сигнала одной ФВ от входа до выхода. Измерительную цепь измерительной системы называют измерительным каналом. Измерительный механизм СИ – совокупность элементов СИ, которые обеспечивают необходимое перемещение указателя (стрелки, светового пятна и т. д.). Он состоит их механических и электрических элементов (пружин, катушек, магнитов), взаимодействие которых вызывает их взаимное перемещение.

Электронные ИП - сложные устройства, содержащие электронные компоненты, как активные (электронные лампы, транзисторы, микросхемы), так и пассивные (резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности). В электронных приборах используется большое количество преобразователей, выполняющих функции генерирования, усиления, выпрямления, сравнения, преобразования электрических сигналов из аналоговой формы в дискретную форму и наоборот. По характеру и виду измеряемых величин электронные приборы можно условно объединить в группы: 1. Измерительные генераторы - маломощные источники сигналов; 2. Специальные элементы измерительные цепей (ослабители сигналов, фазовращатели); 3. Приборы для измерения значений физических величин, параметров и характеристик сигналов (электронные осциллографы, вольтметры, фазометры, анализаторы спектров и др.) 4. Приборы для измерения характеристик и параметров компонент, входящих в радиоэлектронные цепи (измерители емкостей конденсаторов, индуктивностей катушек, сопротивлений резисторов, добротности контуров и резонаторов, параметров электронных ламп, полупроводниковых приборов, интегральных схем, амплитудно-частотных характеристик, переходных характеристик).

Электронные ИП по характеру измерения и виду измеряемой величины делятся на 20 подгрупп: А – приборы для измерения силы тока; В – приборы для измерения напряжения; Е параметров и компонентов цепей с сосредоточенными постоянными; М мощности; Р параметров элементов и трактов с распределенными постоянными; Ч частоты и времени; Ф разности фаз и ГВЗ; С –формы сигнала и спектра; Х для наблюдения и исследования характеристик радиоустройств; И для импульсных измерений; П напряженности поля и радиопомех; У – усилители измерительные; Г – генераторы; Д – аттенюаторы и приборы для измерения ослаблений; К – комплексные измерительные установки Л – для измерения параметров электронных ламп и п/п приборов; Ш электрических и магнитных свойств материалов; Э – измерительные устройства коаксиальных и волновых трактов; Я – блоки радиоизмерительных трактов; Б – источники питания для измерений и радиоизмерительных приборов.

виды В подгруппах приборы по признакам основной выполняемой функции разделяются на виды. СИ, предназначенных для измерения данной ФВ. Вид СИ В 7 Вид СИ – совокупность В 7 В2 – вольтметры постоянного тока В3 – вольтметры переменного тока В7 – вольтметры универсальные типы Приборы каждого вида по совокупности технических характеристик и очередности разработок разделяются на типы, которым присваивается порядковый номер модели: В7 27 Тип СИ Тип СИ – совокупность СИ одного и того же назначения, основанных на одном и том же принципе действия, имеющих одинаковую конструкцию и изготовленных по одной и той же технической документации.

модернизированных Для модернизированных приборов после цифры, обозначающей тип, ставятся в алфавитном порядке буквы, соответствующие очередной модернизации: В7 27А Конструктивная,но не электрическая модернизация Конструктивная, но не электрическая модернизация обозначается цифрой после косой черты: В7 27А / 1 приборы: Комбинированные приборы: после буквы, обозначающей подгруппу, стоит буква К. ФК2 – 18 ФК2 – 18 измерение фазовых сдвигов и параметров ЧП. Тропический климат: Тропический климат: после обозначения типа ставится буква Т.

В зависимости от структурной схемы преобразования измерительного сигнала различают приборы: прямого преобразования, сравнения (компенсационного преобразования), сравнения (компенсационного преобразования), комбинированные. комбинированные.

В приборе прямого преобразования В приборе прямого преобразования преобразование измерительного сигнала происходит только в одном направлении, т.е. без применения обратной связи. Структурная схема прибора прямого преобразования X Пр 1Пр 2…..Пр N И У X1X1 X2X2 XNXN X N-1

В приборе сравнения В приборе сравнения измеряемая величина сравнивается с величиной, значение которой известно. Известная величина воспроизводится с помощью меры или набора мер. Структурная схема прибора сравнения : X Сх Ср Пр 1…..Пр N И У X1X1 X2X2 XNXN X N-1 ….. Мера Пр 01 Пр 0m XmXm ΔX = X - X m ΔX = 0 нулевой метод X = X m ΔX 0 диффер. метод X = X m + ΔX

Метрологические характеристики (МХ) Метрологические характеристики (МХ) - такие технические характеристики средств измерений, которые оказывают влияние на результаты и погрешности измерений. нормируемыми. Метрологические характеристики, устанавливаемые нормативно- технической документацией (НТД) называются нормируемыми. Нормирование МХ означает, что для них устанавливаются определенные числовые значения в зависимости от вида (типа), назначения, условий применения СИ. Регламентация и нормирование технических и метрологических характеристик СИ : ГОСТ СИ электрических и магнитных величин. Общие технические условия. ГОСТ ГСИ. Нормируемые МХ СИ. ГОСТ Приборы электронные измерительные. Термины и определения. Способы выражения погрешностей и общие условия испытаний.

1. Функция преобразования измерительного прибора 1. Функция преобразования измерительного прибора (градуировочная характеристика, уравнение преобразования) – зависимость между выходным сигналом ИП Y и его входным сигналом Х: Y = f ( X ) нормальных) номинальной статической характеристикой преобразования Функция преобразования, которую должен иметь ИП при определенных (нормальных) условиях внешней среды и неизменных или медленно меняющихся значениях входного сигнала называется номинальной статической характеристикой преобразования. Функция преобразования ИП может быть представлена аналитически, графически или в виде таблицы. Идеальная функция преобразования - линейная зависимость. Функция преобразования связывает конструктивные параметры прибора с величинами X и Y. ОСНОВНЫЕ МЕТРОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ :

2. Чувствительность или цена деления шкалы Чувствительность измерительного прибора – характеризует способность прибора реагировать на изменения входного сигнала. Абсолютная чувствительность определяется из уравнения преобразования и представляет собой отношение изменения сигнала ΔY на выходе прибора к вызывающему его изменению сигнала ΔX на входе прибора: S = ΔY / ΔX Относительная чувствительность: δ S = ΔY / (ΔX / X) где (ΔX / X) – относительное изменение входного сигнала.

Цена деления шкалы Цена деления шкалы аналогового ИП (постоянная прибора) – разность значений величин, соответствующих двум соседним отметкам шкалы. Цена деления С связана с чувствительностью прибора S зависимостью: С = 1 / S = ΔX / ΔY. Чувствительность и цена деления – величины, имеющие размерность. S = 5 дел/В; С = 0,2 В/дел. Порог чувствительности – Порог чувствительности – изменение входного сигнала, вызывающее наименьшее изменение выходного сигнала, которое может быть обнаружено с помощью данного прибора без дополнительных устройств. Порог чувствительности определяет фактическую разрешающую способность измерительного прибора.

Входной импеданс ( Z вх ) 3. Входной импеданс ( Z вх ) – определяет влияние СИ на работу исследуемой схемы. За счет потребления некоторой мощности СИ может изменить режим работы маломощного источника входного сигнала, что приводит к появлению методической погрешности. Входной импеданс характеризуется активной и реактивной составляющими. Часто в качестве параметров входа СИ указывается значение входного активного сопротивления и входной емкости. На постоянном токе и в диапазоне низких частот нормируется входное активное сопротивление.

4. Вариация показаний ИП 4. Вариация показаний ИП (выходного сигнала измерительного преобразователя) – 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 характеризует устойчивость показаний прибора. В высокочувствительных (особенно электронных) ИП вариация показаний - колебание показаний около среднего значения. Для амперметра: b = | I м I б |, при подходе к данной точке со стороны меньшего I м и большего I б значений тока.

5. Динамические характеристики – 5. Динамические характеристики – характеристики инерционных свойств СИ (определяют зависимость параметров выходного сигнала СИ от меняющихся во времени величин: параметров входного сигнала, нагрузки, внешних факторов). ДХ могут нормироваться : функцией связи между входными и выходными сигналами (передаточной функцией, переходной характеристикой и т.п.); графиками (таблицами) АЧХ и ФЧХ; временем установления показаний или быстродействием СИ – величиной обратной времени установления показаний. Для цифровых приборов быстродействие ( В B = n / Δt Для цифровых приборов быстродействие ( В ) : B = n / Δt n - число измерений n за некоторый промежуток времени Δt

6. Погрешность СИ Погрешность может быть представлена в форме абсолютной, относительной или приведенной погрешностей. Погрешность СИ отражается его классом точности. 7. Выходной код 8. Число разрядов кода 9. Номинальная цена единицы наименьшего разряда Для СИ с цифровым отсчетом:

Группа количественных характеристик, определяющих область применения: 1. диапазон возможных значений измеряемых величин (информативных параметров) или пределы шкалы ИП. а) диапазон показаний СИ область значений шкалы прибора, ограниченная начальным и конечным значениями шкалы. б) диапазон измерений СИ – область значений величины, в пределах которых нормированы допускаемые пределы погрешности СИ. 2. диапазон возможных значений неизмеряемых величин (неинформативных параметров): например, частотный диапазон для вольтметра 3. диапазон возможных значений влияющих величин (диапазон Т, внешних полей, ускорений и т.п.)

назначени область его применения. В технической документации каждого СИ указывается его назначение (т.е. основные функции СИ) и область его применения. Характеристика назначения может включать в себя предельные значения неинформативных параметров и рабочие условия применения СИ. Надежность СИ – Надежность СИ – способность СИ функционировать при сохранении метрологических и других характеристик в заданных пределах и режимах работы. Метрологическая надежность СИ Метрологическая надежность СИ – надежность СИ в части сохранения его метрологической исправности. Метрологическая исправность СИ Метрологическая исправность СИ – состояние СИ, при котором все его нормируемые МХ соответствуют установленным требованиям. метрологический отказ СИ. При выходе МХ СИ за установленные пределы наступает метрологический отказ СИ.

Надежность СИ характеризуется следующими показателями: безотказность ( ее характеризует наработка на отказ – среднее значение наработки СИ между двумя отказами). Не менее 1000 час. долговечность – вероятность отсутствия отказов за межповерочный интервал. Средний срок службы – не менее 8 лет. Средний ресурс – не менее 5000 час. ремонтопригодность ( ее характеризует среднее время восстановления – от 10 мин. до 96 часов). сохраняемость – способность СИ сохранять МХ при хранении, транспортировке.

В НТД на СИ устанавливают также требования к электропитанию, ко времени установления рабочего режима и продолжительности непрерывной работы, к электрической прочности и сопротивлению изоляции, требования безопасности. Масса переносных СИ – не более 20 кг.

инструментальной погрешностью измерения. Составляющая погрешности измерений, обусловленная свойствами применяемых СИ, называется инструментальной погрешностью измерения. Различают следующие составляющие погрешности СИ: 1. Основную; 2. Дополнительную; 3. Обусловленную взаимодействием средств измерений и объекта измерений; 4. Динамическую. Погрешности средств измерений

Основная погрешность Основная погрешность - показывает отличие действительной функции преобразования средства измерений в нормальных условиях от номинальной функции преобразования. Основная погрешность - погрешность СИ в нормальных условиях. Нормальные условия измерений Нормальные условия измерений – условия измерений, характеризующиеся совокупностью значений или областей значений влияющих величин, при которых изменением результата измерений можно пренебречь вследствие малости. ГОСТ : температура - (20 5 ) 0 С влажность - (65 15 ) % давление - (100 4) КПа

По способу числового выражения: Основная погрешность Абсолютная погрешность Δ = Х- Q. Относительная погрешность δ = [(X-Q) / Q] 100% Приведенная погрешность γ = [(X Q) / X N ] 100%

По характеру влияния на функцию преобразования основную погрешность можно представить в виде аддитивной и мультипликативной аддитивной и мультипликативной составляющих. Аддитивная погрешность ( а ) Аддитивная погрешность ( а ) не зависит от чувствительности прибора и является постоянной для всех значений входной величины в пределах диапазона измерений. Мультипликативная погрешность ( bх ) Мультипликативная погрешность ( bх ) – зависит от чувствительности прибора и изменяется пропорционально значению входной величины. Суммарная абсолютная погрешность Суммарная абсолютная погрешность выражается: Δ = а + bx, т.е. аддитивная и мультипликативная погрешности присутствуют одновременно.

Аддитивная погрешность Δy = а Мультипликативная погрешность Δy = bx Если прибору присуща только аддитивная погрешность или она существенно превышает другие составляющие, то целесообразно нормировать абсолютную погрешность. Если преобладает мультипликативная погрешность целесообразно нормировать погрешность прибора в виде относительной погрешности. Y X Y X

Дополнительная погрешность Дополнительная погрешность обусловлена реакцией средства измерений на изменения внешних влияющих величин и неинформативных параметров входного сигнала. Обычно дополнительная погрешность указывается отдельно для каждой из влияющих величин. Погрешность, обусловленная взаимодействием средств измерений и объекта измерения Погрешность, обусловленная взаимодействием средств измерений и объекта измерения – подключение средства измерений к объекту измерений во многих случаях приводит к изменению значения измеряемой величины, относительно того значения, которое она имела до подключения средства измерения. Эта составляющая погрешности зависит от свойств как средства измерений, так и объекта измерений. Динамическая погрешность Динамическая погрешность – обусловлена реакцией средства измерений на скорость (частоту) изменения входного сигнала. Эта погрешность зависит от инерционности средства измерений, частотного спектра входного сигнала, изменений нагрузки и влияющих величин.

классы точности. Для сопоставления средств измерений, предназначенных для измерения одной и той же физической величины, устанавливают классы точности. Классы точности СИ и нормирование погрешностей Класс точности средства измерений Класс точности средства измерений – обобщенная характеристика, определяемая пределами допускаемых основных и дополнительных погрешностей, а также другими свойствами, влияющими на точность, значения которых устанавливают в стандартах на отдельные виды средств измерений. но не является непосредственным показателем точности измерений, Класс точности характеризует свойства приборов в отношении точности, но не является непосредственным показателем точности измерений, выполняемых с помощью этих средств, т.к. точность измерений зависит еще от метода измерений и условий, при которых выполняется измерение.

(1; 1,5; 2; 2,5; 4; 5; 6)10 n ; где n = 1; 0; -1; -2 и.т.д. Если аддитивная погрешность СИ преобладает над мультипликативной, то удобнее нормировать абсолютную или приведенную погрешность, т.к. нормируемое значение в этом случае выражается одним числом: Δ = ± аγ = Δ / X N = ± p γ – предел допускаемой приведенной основной погрешности, %; Δ – предел допускаемой абсолютной основной погрешности; X N – нормирующее значение, выраженное в тех же единицах, что и Δ; р – отвлеченное положительное число выбираемое из ряда: Предел допускаемой относительной погрешности в этом случае изменяется по гиперболе: δ = Δ / x = a / x

Нормирующее значение X N принимается равным: Конечному значению шкалы прибора, если нулевая отметка находится на краю или вне шкалы; Номинальному значению, если прибор предназначен для измерения величин, имеющих номинальное значение; Арифметической сумме конечных значений диапазона измерений, если прибор имеет двустороннюю шкалу, т.е. нулевая отметка находится на середине шкалы; Длине шкалы, если шкала резко нелинейна (гиперболическая, логарифмическая).

Если мультипликативная погрешность преобладает над аддитивной, нормируется предел допускаемой относительной погрешности, т.к. относительная погрешность будет постоянной по диапазону измерений : δ = Δ / x = ± q(т. к. Δ = bx) где q –отвлеченное положительное число, выбираемое из ряда: (1; 1,5; 2; 2,5; 4; 5; 6)10 n ; где n = 1; 0; -1; -2 и.т.д.

Для средств измерений с аддитивной и мультипликативной погрешностями Для средств измерений с аддитивной и мультипликативной погрешностями нормируется предел допускаемой относительной погрешности : X к – конечное значение диапазона измерений; с = b + d ; d = a / X к. ( а – аддитивная погрешность; bx – мультипликативная погрешность) Относительная погрешность δ = с + d при x = X к /2 Относительная погрешность δ = ± с при x = X к. т.е. с – предел допускаемой относительной погрешности при максимальном показании прибора. Обозначение класса точности: c / d, причем должно выполняться условие с / d >1. ( Например 0,5 / 0,1 ). Числа c и d выбираются из ряда 1; 1,5; 2; 2,5; ….. и. т. д

Дополнительная погрешность СИ выражается в таком же виде, как и основная, причем для различных влияющих величин дополнительная погрешность нормируется раздельно. За пределами нормального диапазона (но в пределах рабочей области) погрешность СИ складывается из основной Δ и дополнительных Δ i погрешностей, вызванных изменением i-й величины.

Повышение точности средств измерений: Стабилизация важных параметров элементов и узлов СИ технологическим путем, использование материалов с малой зависимостью свойств от внешних факторов; Защита средств измерений от быстроизменяющихся влияющих величин (уменьшение случайной погрешности путем фильтрации, теплоизоляции, экранирования, амортизации и т.д.); Стабилизация медленно изменяющихся влияющих величин; Методы коррекции составляющих систематической погрешности – аддитивной, мультипликативной, погрешности от нелинейности; Коррекцию аддитивной составляющей погрешности можно выполнить периодической проверкой положения нуля ИП в процессе измерения; мультипликативной составляющей – калибровкой ИП. Методы статистической минимизации обработки результатов наблюдения при наличии случайной погрешности.