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

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

2 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

3 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.

4 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.

5 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.

6 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).

7 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.

8 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.

9 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.

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

11 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

12 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

13 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.

14 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 :

15 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.

16 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.

17 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.

18 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.

19 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

20 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:

21 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.)

22 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.

23 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.

24 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.

25 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

26 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

27 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%

28 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.

29 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

30 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.

31 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.

32 (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

33 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).

34 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.

35 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

36 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.

37 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.