Общие вопросы измерений 1. Классификация измерительных приборов 2

Погрешности СИ; классы точности

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.

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.

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 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:

Измерительные генераторы - маломощные источники сигналов;
Специальные элементы измерительные цепей (ослабители сигналов, фазовращатели);
Приборы для измерения значений физических величин, параметров и характеристик сигналов (электронные осциллографы, вольтметры, фазометры, анализаторы спектров и др.)
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).

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.

СИ, предназначенных для измерения данной ФВ.
Вид СИ – совокупность В

7

В2 – вольтметры постоянного тока
В3 – вольтметры переменного тока
В7 – вольтметры универсальные

Приборы каждого вида по совокупности технических характеристик и очередности разработок разделяются на типы, которым присваивается порядковый номер модели:
В7 ‑ 27

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.

порядке буквы, соответствующие очередной модернизации:
В7‑ 27А
Конструктивная, но не электрическая модернизация

обозначается цифрой после косой черты:
В7‑ 27А / 1

Комбинированные приборы: после буквы, обозначающей подгруппу, стоит буква К.

ФК2 – 18 измерение фазовых сдвигов и параметров ЧП.

Тропический климат: после обозначения типа ставится буква Т.

прямого преобразования,

сравнения (компенсационного преобразования),

комбинированные.

одном направлении, т.е. без применения обратной связи.
Структурная схема прибора прямого

преобразования

известно. Известная величина воспроизводится с помощью меры или набора мер.
Структурная

схема прибора сравнения :

оказывают влияние на результаты и погрешности измерений.

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 22261 ‑ 94 СИ электрических и магнитных величин. Общие технические условия.
ГОСТ 8.009 ‑ 84 ГСИ. Нормируемые МХ СИ.
ГОСТ 24314 ‑ 80 Приборы электронные измерительные. Термины и определения. Способы выражения погрешностей и общие условия испытаний.

преобразования) – зависимость между выходным сигналом ИП

Y и его входным сигналом Х:
Y = f ( X )
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:

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:

δS = ΔY / (ΔX / X)

где (ΔX / X) – относительное изменение входного сигнала.

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 – 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.

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.

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 = | Iм ‑ Iб |, при подходе к данной точке со стороны меньшего Iм и большего Iб значений тока.

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
n - число измерений n за некоторый промежуток времени Δt

или приведенной погрешностей.
Погрешность СИ отражается его классом точности.
Выходной

код

Число разрядов кода

9. Номинальная цена единицы наименьшего разряда

Для СИ с цифровым отсчетом:

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.

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.)

функции СИ) и область его применения.

Характеристика назначения может включать в

себя предельные значения неинформативных параметров и рабочие условия применения СИ.

Надежность СИ – способность СИ функционировать при сохранении метрологических и других характеристик в заданных пределах и режимах работы.

Метрологическая надежность СИ – надежность СИ в части сохранения его метрологической исправности.

Метрологическая исправность СИ – состояние СИ, при котором все его нормируемые МХ соответствуют установленным требованиям.

При выходе МХ СИ за установленные пределы наступает метрологический отказ СИ.

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.

времени установления рабочего режима и продолжительности непрерывной работы, к электрической

прочности и сопротивлению изоляции, требования безопасности.

Масса переносных СИ – не более 20 кг.

измерения.

Различают следующие составляющие погрешности СИ:
Основную;
Дополнительную;
Обусловленную

взаимодействием средств измерений и объекта измерений;
Динамическую.

Погрешности средств измерений

в нормальных условиях от номинальной функции преобразования.
Основная погрешность - погрешность

СИ в нормальных условиях.

Нормальные условия измерений – условия измерений, характеризующиеся совокупностью значений или областей значений влияющих величин, при которых изменением результата измерений можно пренебречь вследствие малости.
ГОСТ 22261‑91: температура - (20  5 ) 0С
влажность - (65  15 ) %
давление - (100  4) КПа

Δ = Х- Q.

Относительная погрешность
δ = [(X-Q)

/ Q] ∙100%

Приведенная погрешность
γ = [(X‑Q) / XN] ∙ 100%

в виде
аддитивной и мультипликативной составляющих.

Аддитивная погрешность ( а ) ‑

не зависит от чувствительности прибора и является постоянной для всех значений входной величины в пределах диапазона измерений.

Мультипликативная погрешность ( bх ) – зависит от чувствительности прибора и изменяется пропорционально значению входной величины.

Суммарная абсолютная погрешность выражается:
Δ = а + bx , т.е. аддитивная и мультипликативная погрешности присутствуют одновременно.

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.

величин и неинформативных параметров входного сигнала.
Обычно дополнительная погрешность указывается отдельно

для каждой из влияющих величин.

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 – 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.

же физической величины, устанавливают классы точности.
Классы точности СИ и нормирование

погрешностей

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.

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.

или приведенную погрешность, т.к. нормируемое значение в этом случае выражается

одним числом:
Δ = ± а γ = Δ / XN = ± p
γ – предел допускаемой приведенной основной погрешности, %;
Δ – предел допускаемой абсолютной основной погрешности;
XN – 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

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).

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:

допускаемой относительной погрешности :
Xк – конечное значение диапазона измерений;
с

= b + d ; d = a / Xк .
( а – аддитивная погрешность; bx – мультипликативная погрешность)

Относительная погрешность δ = с + d при x = Xк /2

Относительная погрешность δ = ± с при x = Xк .
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

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 Δi погрешностей, вызванных изменением i-й величины.

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.