Статические характеристики средств измерений
Характеристики средств измерений при статических измерениях
При статических измерениях значения входного и выходногосигналов средств измерений не изменяются во времени. К статическим характеристикам средства измерения относят функцию преобразования, номинальное значение меры, диапазон и пределы измерений, цену деления шкалы, чувствительность, порог чувствительности.
Основной характеристикой средства измерения при статических измерениях является функция преобразования. Она устанавливает функциональную зависимость информативного параметра выходного сигнала Y от информативного параметра входного сигнала Х средства измерения. Функция преобразования описывается в общем случае уравнением
.
Функция преобразования, представленная в виде формулы, графика или таблицы, используется в рабочих условиях для определения значений измеряемой с помощью средства измерения величины по известному информативному параметру его выходного сигнала.
На рис. 2.2 показаны виды функций преобразования средств измерений. За исключением специальных случаев, основное требование, предъявляемое к функции преобразования – это линейная зависимость выходной величины от входной, т.е.
где k – коэффициент преобразования, равный отношению сигнала Y на выходе измерительного преобразователя, отражающего измеряемую величину, к вызывающему его сигналу Х на входе преобразователя.
k не изменяется во всем диапазоне изменения входной величины и не изменяется во времени.
Рис. 2.2. Функция преобразования средств измерений: 1 – нелинейная; 2 – линейная; 3 – пропорциональная; ХН, YН – нижние пределы измерений; ХВ, YВ – верхние пределы измерений
Функция преобразования может быть представлена формулой, таблицей, графиком. Различают номинальную и реальную функции преобразованиясредств измерений. Для данного типа средств измерений функция преобразования является номинальной. Реальная функция преобразования конкретного экземпляра средства измерения отличается в большей или меньшей мере от номинальной. Это отличие и определяет погрешность данного средства измерения.
Для однозначных или многозначных мер вместо функции преобразования нормируютноминальные или индивидуальные значения мер.
Для показывающих измерительных приборов принято использовать ряд характеристик, сущность большинства из которых легко установить из рис. 2.3.
Рис. 2.3. Внешний вид отсчетного устройства вольтметра
Диапазон показаний – это область значений шкалы, ограниченная конечным и начальным значениями шкалы. Диапазон измерений – это область значений измеряемой величины на шкале прибора, в пределах которой нормированы допускаемые погрешности средств измерений (т.е. это рабочая частьшкалы). В частном случае указанные диапазоны могут совпадать, как например, на рис. 2.3.
Ценой деления называют разность значения величины, соответствующих двум соседним отметкам шкалы. Физически цену деления определяют количеством единиц входной величины, содержащихся в одном делении шкалы измерительного прибора.
Для количественной оценки влияния на выходной сигнал средства измерения входного сигнала в произвольной точке функции преобразования служит чувствительность S. Чувствительность – это свойство средства измерений, определяемое отношением изменения выходного сигнала этого средства к вызывающему его измерению измеряемой величины.
.
Графически S определяется тангенсом угла наклона касательной (рис. 2.2), проведенной к выбранной точке Астатической характеристики. Если статическая характеристика измерительного прибора нелинейна (кривая 1 на рис. 2.2), то его чувствительность будет различной в разных точках характеристики, а шкала прибора – неравномерной. Приборы с линейной (прямая 2на рис. 2.2) или пропорциональной (прямая 3на рис. 2.2) статическими характеристиками имеют неизменную в любой точке шкалы чувствительность и равномерную шкалу.
Порог чувствительности (порог реагирования) средства измерения – это наименьшее значение изменения величины, начиная с которого может осуществляться ее измерение данным средством. Как правило, наблюдатель, уверенно может заметить смещение стрелки на половину деления шкалы, поэтому порог чувствительности можно считать равным половине цены деления.
Реальные значения МХ средств измерений определяют при их изготовлении, а затем периодически проверяют в процессе эксплуатации. Если при этом хотя бы одна из МХ выходит за установленные границы, то средство измерений регулируют, подвергают ремонту или изымают из обращения.
Важнейшей МХ средства измерений является его погрешность. Рассмотрим погрешность средств измерений и источники их возникновения подробнее. Далее будет представлена полная номенклатура МХ средств измерений.
Дата добавления: 2017-03-12 ; просмотров: 4211 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ
Статические характеристики и параметры измерительных устройств
В общем случае состояние (режим работы) измерительного устройства, при котором значения входного Х и выходного Y сигналов не изменяются, называют статическими (стационарными или равновесными).
Статической характеристикой измерительного устройства называют функциональную зависимость выходного сигнала от входного в статическом режиме работы указанного устройства. Более точно статическую характеристику можно определить как зависимость информативного параметра выходного сигнала от информативного параметра его входного сигнала в статическом режиме. Статическая характеристика описывается в общем случае некоторым нелинейным уравнением (уравнением преобразования):
Для измерительных преобразователей, а также измерительных приборов с неименованной шкалой или шкалой, отградуированной в единицах, отличных от измеряемой величины, статическую характеристику принято называть функцией преобразования. Для измерительных приборов иногда статическую характеристику называют характеристикой шкалы.
Определение статической характеристики cвязано с выполнением градуировки, поэтому для всех средств измерений используют понятие градуировочной характеристики, под которым понимают зависимость между значениями величин на выходе в ходе средства измерений, составленную в виде таблицы, графика или формулы.
Рис. 1.4. Статическая характеристика измерительного устройства
На рис. 1.4 показаны виды статических характеристик измерительных устройств. За исключением специальных случаев, основное требование, предъявляемое к статической характеристике измерительных устройств, сводится к получению линейной зависимости между выходной и входной величинами. На практике это требование реализуется в общем случае только с некоторой принятой заранее погрешностью.
Кроме статической характеристики для определения метрологических свойств измерительных устройств используется ряд параметров.
На рис. 1.4 на статической характеристике 1 графически представлены упомянутые понятия диапазона показаний, диапазона измерений, диапазона измерений нижнего Хн и Yн и верхнего Хв и Yв пределов измерений (см. также рис. 1.3).
Диапазон показаний – область значений шкалы, ограниченная конечным и начальным значениями шкалы.
Диапазон измерений (рабочая часть шкалы) – область значений измеряемой величины (на шкале прибора), для которой нормированы допускаемые погрешности средств измерений (см параграф 1.6).
В частном случае указанные диапазоны могут совпадать.
Примечательно к измерительным устройствам вообще диапазон измерений часто называют рабочим диапазоном преобразований – наибольшее значение диапазона измерений. Нижний предел измерений – наименьшее значение диапазона измерений.
Из сказанного следует, что диапазон измерений определяется разностью значений верхнего и нижнего пределов измерений (Xв–Xн; Yв–Yн). Для количественной оценки влияния на выходной сигнал измерительного устройства входного сигнала в произвольной точке (рис. 1.4) статической характеристики служит предел отношения приращения ΔY выходного сигнала к приращению ΔХ входного сигнала, когда последнее стремится к нулю, т. д. произвольная выбранной точке
 . | (1.2) |
Применительно к измерительным приборам этот параметр называют чувствительностью и определяют как отношение измерения сигнала на выходе измерительного прибора к вызывающему его изменению измеряемой величины. Графически она определяется тангенсом угла наклона 
касательной (рис. 1.4), приведенной к выбранной точке A статической характеристики.
Если статическая характеристика измерительного прибора нелинейна (кривая 1 на рис. 1.4), то его чувствительность будет различной в разных точках характеристики, а шкала прибора – неравномерной. Приборы с линейной (прямая 2 на рис. 1.4) или пропорциональной (прямая 3 на рис. 1.4) статической характеристикой имеет неизменную в любой точке шкалы чувствительность и равномерную шкалу.
У измерительных преобразователей статическая характеристика, как правило, является линейной:
Здесь К – коэффициент преобразования (или при использовании преобразователя в системах автоматического регулирования – коэффициент передачи), определяемы как отношение сигнала на выходе измерительного преобразователя, отражающего измеряемую величину, к вызывающему его сигналу на выходе преобразователя.
Для измерительных приборов важным параметром является цена деления, определяемая как разность значения величин, соответствующих двум соседним отметкам шкалы. Физически цена деления определяется количеством единиц входной величины, содержащихся в одном делении шкалы измерительного прибора.
Цена деления однозначно связана с числом делений n шкалы измерительного прибора. Последнее в свою очередь связано с погрешностью измерительного прибора, обычно представляемой его классом точности 
(см параграф 1.6). Число делений шкалы измерительного прибора, как правило, в первом приближении определяется из соотношения
 . | (1.4) |
При выполнении условия (1.4) число делений шкалы выбирают таким, чтобы цена деления составляла целое число единиц измеряемой величины.
В научно-технической литературе используется понятие порога чувствительности (порога реагирования) измерительного устройства, под которым понимают то наименьшее изменение входного сигнала, которое вызывает уверенно фиксируемое изменение выходного сигнала.
Как правило, наблюдатель, осуществляющий измерение, уверенно может заметить смещение стрелки на половину деления шкалы, поэтому порог чувствительности можно считать равным половине цены деления, а если учесть при этом соотношение (1.4), то в первом приближении порог чувствительности равен классу точности Λ.
Одним из важнейших условий получения корректных результатов измерений является учет взаимодействия измерительных устройств между собой и с объектом измерений.
При подключении измерительного устройства или преобразователя к объекту измерений последний потребляет некоторую энергию или мощность от объекта. Аналогичная ситуация имеет место при подключении измерительного прибора или преобразователя к выходу предыдущего по цепи измерения преобразователя. Это определяет необходимость учитывать свойства измерительных устройств отбирать или отдавать энергию через свои входные или выходные цепи.
В качестве характеристики указанного свойства принято использовать для измерительных устройств понятие входного импеданса (полного или кажущегося сопротивления), а для измерительных преобразователей – понятия входного и выходного импедансов. В общем случае под импедансом Z понимают отношение обобщенной силы N к обусловленной ею обобщенной скорости W:
В настоящее время понятие входного и выходного импедансов широко используется для электрических измерительных устройств. При этом импеданс определяется как отношение напряжения к току. Применительно к измерительным устройствам для неэлектрических величин в каждом отдельном случае требуется проведение исследований для установления наиболее целесообразной формы представления входного и выходного импедансов.
Основные характеристики средств измерений
Средства измерений (СИ) имеют большое количество различного рода показателей и характеристик. Все средства измерений можно характеризовать некоторыми общими свойствами – метрологическими характеристиками [10].
Различают статические и динамические характеристики СИ.
Статические характеристики СИ возникают при статическом режиме его работы. Статический режим работы – это такой режим, при котором СИ воспринимает изменение входной величины и размеры измеряемой величины не изменяются во времени. К статическим метрологическим характеристикам СИ относятся: диапазон измерений;измеряемая, преобразуемая или воспроизводимая (для мер) величина; градуировочная характеристика; чувствительность (коэффициент преобразования); порог чувствительности; потребляемая мощность; входное и выходное сопротивления и др.
Динамические характеристики СИ возникают при динамическом режиме его работы. Динамический режим работы – это такой режим, при котором СИ воспринимает изменение входной величины и размеры измеряемой величины изменяются во времени. Динамическими характеристиками являются: операторная чувствительность, комплексная чувствительность, переходная характеристика, амплитудно-частотная и фазочастотная характеристики (АЧХ и ФЧХ) и др.
Метрологическая характеристика – это характеристика одного из свойств средства измерений, влияющая на результат измерений и на его погрешность.
Для каждого типа средств измерений устанавливают свои метрологические характеристики.
Метрологические характеристики, устанавливаемые нормативно-техни-ческими документами, называют нормируемыми метрологическими характеристиками, а определяемые экспериментально – действительными метрологическими характеристиками.
Рассмотрим основные метрологические характеристики СИ.
Диапазон измерений – это область значений величины, в пределах которой нормированы допускаемые пределы погрешности средства измерений.
Значения величины, ограничивающие диапазон измерений снизу и сверху (слева и справа), называют соответственно нижним пределом измерений или верхним пределом измерений.
Нижний предел измерения (преобразования) реально не бывает равным нулю, так как он ограничивается обычно порогом чувствительности, помехами или погрешностями измерений.
Диапазон измерений нельзя путать с диапазоном показаний средства измерений.
Измеряемая, преобразуемая величина характеризует назначение ИП для измерения (преобразования) той или иной физической величины.
Для каждого ИП устанавливается естественная входная величина, которая наилучшим образом воспринимается им на фоне помех, и естественная выходная величина, которая определяется подобным образом. Например, естественной входной величиной терморезистивного ИП является температура, а естественной выходной величиной – сопротивление.
Градуировочная характеристика средства измерения – это зависимость между значениями величин на входе и выходе средства измерений, полученная экспериментально.
Градуировочная характеристика может быть выражена в виде формулы, графика или таблицы.
Для ИП нормируется номинальная статическая градуировочная характеристика YH = fH(X). Она приписывается средству измерений на основе анализа совокупности таких средств.
При градуировке серии однотипных преобразователей функции преобразования каждого ИП могут отличаться от паспортной (номинальной), образуя полосу неопределенности.
Реальная функция преобразования YP = fP(X) – функция, которую имеет ИП в действительности.
Чувствительность средства измерений – это свойство средства измерений, определяемое отношением изменения выходного сигнала этого средства к вызывающему его изменению измеряемой величины.
Различают абсолютную и относительную чувствительность. В общем случае абсолютная чувствительность определяется как
. (1.4)
В практике пользуются относительной чувствительностью:
, (1.5)
где DX/X – относительное изменение входной величины, выражаемое чаще всего в процентах. Относительная чувствительность S0 имеет размерность выходной величины на 1% изменения входной величины.
Применяют также выражение относительной чувствительности в виде
, 
(1.6)
выражая числитель и знаменатель чаще всего в процентах (например, 1 % изменения величины Х вызывает изменение Y на n %).
Порог чувствительности средства измерений –это характеристика средства измерений в виде наименьшего значения изменения физической величины, начиная с которого может осуществляться ее измерение данным средством.
На практике применяются также термины: реагирование и порог реагирования, подвижность средства измерений и порог подвижности, срабатывание и порог срабатывания.
Введение этого параметра вызвано тем, что не всякое малое изменение измеряемой величины вызывает изменение результата измерения, а только лишь большее некоторой пороговой величины. Порог чувствительности равен абсолютной погрешности средства измерений, т. е. DПОР = DX.
Например, если самое незначительное изменение массы, которое вызывает перемещение стрелки весов, составляет 10 мг, то порог чувствительности весов равен 10 мг.
Потребляемая мощность –мощность, которая потребляется от объекта измерения. Измеряемый объект и средство измерений связаны и взаимодействуют между собой. Такое взаимодействие необходимо для проведения измерения.
Для приведения в действие первичного измерительного преобразователя необходима энергия, которая потребляется от объекта измерения. Естественно, эта энергия должна быть небольшой, чтобы измерительный прибор не вносил заметного искажения в измеряемый процесс. Сравните между собой измерение ртутным термометром температуры моря и жидкости в пробирке. Во втором случае термометр может существенно нагреть или охладить жидкость в пробирке. Поскольку мощность, потребляемая входной цепью прибора, конечна, ее значение является важным показателем средства измерения.
У средств измерений электрических величин потребляемая мощность определяется входным сопротивлением прибора. Для приборов, реагирующих на напряжение (включаемых параллельно участку цепи), входное сопротивление должно быть большим, тогда входная мощность Р = U 2 /R будет невелика. У прибров, чувствительных к току (включаемых последовательно в электрическую цепь), входное сопротивление, наоборот, должно быть минимальным (по крайней мере, намного меньшим, чем сопротивление участка цепи).
Понятие входного сопротивления применяется не только к измерению электрических величин, но и к измерению механических, тепловых и другого рода величин. В связи с этим нашло применение более общее понятие: обобщенное входное сопротивление, определяемое как отношение обобщенной силы к обобщенной скорости. Например, под механическим сопротивлением понимают отношение силы к вызванной ею скорости равномерного движения. Однако не для всех видов энергии понятие сопротивления соответствует общему определению.
Выходное сопротивление измерительного преобразователя характеризует реакцию его выходного сигнала на подключение к его выходу фиксированной нагрузки. Преобразователь с выходной стороны бывает нагружен входным сопротивлением последующего измерительного преобразователя. Для наиболее эффективного использования преобразователей необходимо согласование выходного сопротивления данного преобразователя с входным сопротивлением последующего преобразователя. Чем меньше выходное сопротивление предшествующего преобразователя по отношению к входному сопротивлению следующего преобразователя, тем меньше потребляемая последующим преобразователем мощность и тем меньше взаимная зависимость характеристик преобразователей.
Динамические характеристики ИП описывают его инерционные свойства и определяют зависимость выходного сигнала ИП от меняющихся во времени величин: входного сигнала, нагрузки, влияющих величин.
Для описания поведения большинства средств измерений в динамическом режиме работы с достаточной степенью приближения можно использовать линейное дифференциальное уравнение с постоянными коэффициентами:
, (1.7)
где 
… 
и 
… 
– постоянные коэффициенты; Y и Х – мгновенные значения информативного параметра изменения выходной и измеряемой величин.
Средства измерения и измерительные преобразователи в частности при любом изменении входной величины можно характеризовать операторной чувствительностью, определяемой как отношение операторного изображения информативного параметра изменения выходной величины Y(p) к операторному изображению преобразуемой (измеряемой) величины X(p):
, (1.8)
где 
– оператор Лапласа.
В случае гармонического изменения входной величины используется комплексная чувствительность:
, (1.9)
где A и B – вещественная и мнимая части комплексной чувствительности.
Для измерительных преобразователей динамические характеристики обычно выражают в виде переходных или амплитудно- и фазочастотных характеристик.
Модуль комплексной чувствительности называется амплитудно-частотной характеристикой:
, (1.10)
а аргумент – фазочастотной характеристикой:
. (1.11)
При ступенчатом изменении входной величины Х = Х0 = const средства измерения описываются переходной характеристикой:
. (1.12)
Для измерительных приборов обычно указывается время установления показания: промежуток времени с момента начала измерения до момента установления показаний (т. е. когда переходный процесс закончился). Величина, обратная времени измерения, получила название быстродействия средства измерения. Быстродействие выражается числом, равным максимальному числу измерений, сделанных с помощью данного прибора, в секунду.
Высокое быстродействие дает возможность измерять мгновенные значения быстроменяющихся величин, а также дает возможность повышать точность измерений введением дополнительных вычислительных устройств для обработки большого числа единичных измерений.
При использовании средств измерений в реальных условиях необходимо учитывать характеристики среды, в которой это средство измерений находится при эксплуатации. Изменение внешних условий приводит к изменению метрологических характеристик СИ, например к увеличению погрешности измерения. Величины, которые влияют на метрологические характеристики, помимо измеряемой величины, называют влияющими величинами. Влияющими величинами могут быть: температура, влажность, атмосферное давление, напряжение источника питания, напряженность внешних магнитных и электрических полей, вибрации, ускорения и т. д. Кроме того, влияющими величинами считаются те параметры входного сигнала, изменения которых не несут информации об измеряемой величине, но влияют на результаты измерений. Например, показания электронного вольтметра зависят не только от величины переменного напряжения, но и его частоты.
Различают нормальные условия применения средств измерений и рабочие условия применения.
При работе средства измерений в нормальных условиях воздействием влияющих величин на результаты измерений можно пренебречь. Нормальные условия эксплуатации зависят от назначения СИ и его метрологических характеристик. Для основной массы приборов, используемых в промышленности, нормальными условиями эксплуатации считаются: температура окружающего воздуха (20 ± 5) 0 С; относительная влажность 30–80 %; атмосферное давление 630–795 мм рт. ст.
Обычно средства измерений продолжают нормально выполнять функции в более широкой области значений влияющих величин. В этом случае для средств измерений указываются рабочие условия эксплуатации. Метрологические характеристики средств измерений в рабочих условиях могут существенно изменяться под воздействием влияющих величин.
Кроме метрологических характеристик, при эксплуатации средств измерения, важно знать и неметрологические характеристики, такие как: показатели надежности, электрическую прочность, сопротивление изоляции, устойчивость к климатическим и механическим воздействиям, время установления рабочего режима, экономичность и др.
