конспект метрология. Конспект_Тема_1-7 метра. Во всем мире ежедневно производятся сотни, тысячи миллиардов измерений
 Скачать 4.69 Mb.
|
|
2. КЛАССИФИКАЦИЯ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ Средство измерений (СИ) – техническое средство, предназначенное для из- мерений, имеющее нормированные метрологические характеристики, воспроиз- водящее и (или) хранящее единицу физической величины, размер которой прини- мают неизменным (в пределах установленной погрешности) в течение известного интервала времени. Ключевой признак в определении СИ – наличие нормирован- ных метрологических характеристик. Средство измерений (СИ) реализует в той или иной форме процедуру срав- нения измеряемой или воспроизводимой величины с мерой. По функциональному назначению СИ предназначены для выработки сигна- лов (показаний), несущих информацию о значениях физических величин (сигна- лов измерительной информации), или воспроизведения физических величин за- данного размера Существует огромное количество различных средств измерений. По роли, выполняемой в системе обеспечения единства измерений, выделяют: – образцовые СИ (эталоны); – рабочие СИ. Образцовые СИ предназначены для метрологических целей: воспроизведе- ния физических величин заданного размера, хранения и передачи их рабочим средствам. Образцовые средства относительно малочисленны и ими, в основном, занимаются в соответствующих научно-исследовательских институтах. Рабочее средство измерений – средство измерений, предназначенное для из- мерений, не связанных с передачей размера единицы другим средствам измере- ний. Рабочие СИ широко используются в научных экспериментах и технических испытаниях, не связанных с метрологическими задачами. Рабочие СИ составляют основной парк средств измерений. В зависимости от функционального назначения рабочих СИ различают (см. рис. 2.1): Рисунок 2.1 Средства измерений Меры Измерительные преобразователи Электро- измерительные приборы Измерительные системы Электро- измерительные установки Меры – СИ, предназначенные для воспроизведения и (или) хранения физи- ческой величины одного или нескольких заданных размеров, значения которых выражены в установленных единицах и известны с необходимой точностью. Мерами называют средства измерений, предназначенные для воспроизведе- ния и (или) хранения физической величины одного или нескольких заданных раз- меров, значения которых выражены в установленных единицах и известны с не- обходимой точностью. По назначению меры делят на образцовые и рабочие. Меры, утвержденные в качестве образцовых, (их часто называют рабочие эталоны) предназначаются для поверки и градуировки рабочих средств измерений. Рабочие меры служат для из- мерений. По точности воспроизведения физической величины образцовые меры бы- вают 1, 2 и 3-го разрядов, причем наименьшая погрешность воспроизведения у меры 1-го разряда. По допускаемой погрешности воспроизведения значения фи- зической величины рабочие меры относят к разным классам точности. Различают следующие разновидности мер: однозначные меры, многознач- ные меры, магазины мер и наборы мер. Однозначные меры.Однозначные меры воспроизводят физическую вели- чину одного размера. К ним относятся однозначные меры сопротивления, индук- тивности, взаимной индуктивности, емкости, ЭДС (напряжения). Многозначные меры.Многозначные меры воспроизводят физическую вели- чину разных размеров. К ним относят измерительные генераторы, калибраторы напряжения, тока и фазового сдвига, измерительные конденсаторы переменной емкости и вариометры – меры переменной индуктивности. Измерительные генераторы. Измерительные генераторы это источники переменного тока и напряжения, форма которых заранее известна, а частота, ам- плитуда и некоторые другие параметры могут регулироваться в определенных пределах и отсчитываться с гарантированной точностью. По форме выходного сигнала они делятся на генераторы синусоидальных сигналов (от сотых долей герца до 10 10 Гц), шумовых сигналов, импульсных сигналов и сигналов специаль- ной формы. Калибраторы. Калибраторы напряжения и тока – это стабилизированные ис- точники напряжения или тока, дающие возможность получать на их выходе ряд калиброванных, т. е. точно известных значений сигналов. Промышленность вы- пускает калибраторы постоянного и переменного тока и напряжения. Некоторые калибраторы снабжаются управляющим устройством, позволяющим использо- вать их в составе автоматизированных поверочных устройств. Магазины мер. Магазины мер – это наборы мер, конструктивно объединенных в единое устройство, имеющее приспособления для их соединения в различных комбинациях. Существуют магазины сопротивлений, емкости и индуктивности. Измерительный преобразователь (ИП) – техническоесредство с норматив- ными метрологическими характеристиками, служащие для преобразования изме- ряемой величины в другую величину или измерительный сигнал, удобный для обработки, хранения, дальнейших преобразований, индикации и передачи, не подлежащий непосредственному восприятию наблюдателя. По характеру преобразования различают аналоговые, цифро-аналоговые, аналого-цифровые ИП. По месту в измерительной цепи различают первичные и промежуточные ИП. На первичный ИП непосредственно действует измеряемая величина. Такие пре- образователи называют датчиками, сенсорами. Среди промежуточных ИП выделяют нормализующие ИП, которые преобра- зуют выходной сигнал датчиков в унифицированный сигнал, удобный для даль- нейшего преобразования – постоянное напряжение или ток, частоту. Выделяют также масштабные измерительные преобразователи. Примеры – измерительные усилители, дискретные делители напряжения, измерительные трансформаторы тока и т. д. Это достаточно распространенный вид средств изме- рений. Все измерительные преобразователи подразделяют также на два больших подвида – измерительные преобразователи электрических величин в электриче- скиеи измерительные преобразователи неэлектрических величин в электриче- ские, которые подробно будут рассмотрены в дальнейшем. Измерительный прибор – средство измерений, предназначенное для получе- ния значений измеряемой физической величины в установленном диапазоне. Из- мерительные приборы – довольно распространенный вид средств измерений. В этой связи измерительные приборы имеют свою довольно разветвленную класси- фикационную структуру. Так, по виду измеряемойвеличиныизмерительные приборы бывают ампер- метрами, вольтметрами, частотомерами и т. п.; по виду выходного сигнала – ана- логовыми и цифровыми; по форме представления выходного сигнала – показыва- ющие и регистрирующие; по конструктивным признакам – стационарные и пере- носные. Более подробно электроизмерительные приборы будут рассмотрены в даль- нейшем. Электроизмерительная установка – совокупность функционально объеди- ненных мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей и дру- гих устройств, предназначенная для измерения одной или нескольких физических величин и расположенная на одном месте. Типовым примером таких средств мо- жет служить поверочные установки. На таких установках проводится технологи- ческий цикл поверки какого-либо типа (или типов) приборов при их массовом производстве. Поскольку процедура поверки и необходимые средства для ее про- ведения заранее предписаны, применение установки существенно повышает эф- фективность проведения указанного технологического цикла. Измерительная система (ИС) – совокупность функционально объединен- ных мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей, ЭВМ и других технических средств, размещенных в различных точках контролируемого объекта и т.п. с целью измерений одной или нескольких физических величин, со- ответственных этому объекту, и выработки измерительных сигналов в разных це- лях. ИС могут применяться как автономно, так и в составе различных комплек- сов, включающих в себя, кроме средств измерений и вычислительных устройств устройства автоматического управления, а в ряде случаев и устрой- ства принятия решения о состоянии объекта исследования. Особое место среди ИИС занимают автоматизированные системы научных исследований (АСНИ), предназначенные для экспериментальных исследований в науке и технике и для проведения комплексных испытаний различных объектов. Для ИС вводится понятие измерительного канала – конструктивно или функ- ционально выделяемая часть ИС, выполняющая законченную функцию от вос- приятия измеряемой величины до получения результата ее измерений, выражае- мого числом или соответствующим ему кодом, или до получения аналогового сигнала, один из параметров которого функция измеряемой величины. ИС, предназначенные для измерения нескольких величин называют много- канальными. Создание иприменение ИИС на данном этапе развития науки и техники свя- зано с широким применением современных информационных технологий. Информационная технология –совокупность средств и методов сбора, обра- ботки, передачи, отображения данных (первичной информации) для получения информации нового качества о состоянии объекта, процесса или явления (инфор- мационного продукта). С учетом определения информационной технологии ИС можно представить как единую технологическую цепочку от измерения ряда физических величин (получения измерительной информации) до отображения полученных после об- работки и хранения результатов (см. рис. 2.2). На вход ИС от объекта поступает множество величин х 1 …х N , изменяю- щихся во времени и (или) распределенных в пространстве. На выходе ИС полу- чают результаты измерений в виде именованных чисел или отношений измеря- емых величин. Такие системы могут выполнять прямые, косвенные, совместные и совокупные измерения. Наиболее распространены измерительные системы для прямых измерений. По результатам измерений на основе их анализа может решаться задача кон- троля и управления объектов. Эта задача решается в измерительных контроли- рующих и измерительных управляющих системах. Для построения ИС используется современное аппаратно-программное обеспечение и цифровое представление данных: микроэлектронная элементная база в виде АЦП и цифровых запоминающих устройств на основе БИС; устройств цифровой обработки данных на основе микроконтроллеров; устройств отображения на основе ЖК мониторов и т. д. В зависимости от назначенияИС разделяют на измерительные информа- ционные, измерительные контролирующие, измерительные управляющие. Также различают ИИС ближнего действия и ИС дальнего действия – телеизме- рительные системы. СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ 1. Метрология, стандартизация и сертификация. Учебник для вузов /Б.Я. Ав- деев, В.В. Алексеев, Е.М. Антонюк и др. Под редакцией В.В. Алексеева. М.: Ака- демия, 2007. 2. Росстандарт. Федеральный информационный фонд по обеспечению един- ства измерений. http:// www.fundmetrology.ru Рисунок 2.2 Объект Измерение Сбор данных Передача данных Хранение и обработка Отображение х N х 1 управление МЕТРОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ И ИХ НОРМИРОВАНИЕ 1. ВИДЫ МЕТРОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК Для выбора средств измерений (СИ) при решении конкретных задач измере- ний, а также оценки погрешностей их результатов необходимо располагать соот- ветствующими характеристиками, которые можно разделить на два вида: метро- логические и неметрологические (см. рис. 1.1). Важнейшими характеристиками СИ являются метрологические характеристики (МХ) СИ. Рисунок 1.1 Рисунок 1.2 Метрологическая характеристика средства измерений – характеристика одного из свойств средства измерений, влияющая на результат измерений и на его погрешность. Совокупность МХ оказывает существенное влияние на результат и погрешность измерений и во многом определяет возможности использования СИ при решении тех или иных измерительных задач. Для СИ важными являются также неметрологические (технические, эксплу- атационные) характеристики, которые не влияют на результаты измерений: габа- риты, вес, надежность, потребляемая мощность и др. В общем случае применение СИ в реальных условиях можно представить в следующем виде (см. рис. 1.2). Измерение происходит при определенных внеш- них условиях, которые оказывают влияние на результат измерения, что проявля- ется изменением выходной величины СИ y или показаний прибора α. Внешние условия можно характеризовать совокупностью влияющих факторов: ξ 1 … ξ n , к которым относятся, например, температура, внешнее электромагнитное поле и т.д. Различают несколько групп МХ, объединенных своим назначением: 1. МХ, предназначенные для определения результатов измерений; 2. МХ основной погрешности средства измерений; 3. МХ чувствительности средства измерений к влияющим величинам; 4. МХ влияния средства измерения на измеряемую величину; 5. Динамические характеристики средства измерения; 6. Неинформативные параметры сигналов измерительной информации. Метрологические характеристики Характеристики средств измерений Неметрологические характеристики Объект измерения СИ y, α x … ξ 1 ξ n Виды МХ будут рассмотрены ниже. 2. НОРМИРОВАНИЕ МЕТРОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК Метрологические свойства конкретных СИ (типов приборов, отдельных эк- земпляров и т. п) должны быть представлены необходимой совокупностью МХ с определенными числовыми значениями их параметров. Такое представление ре- ализуется путем нормирования МХ СИ. Нормирование – установление номинальных значений МХ для данного типа СИ и допускаемых границ их отклонений для конкретного экземпляра СИ. При нормировании МХ для типа (множества) СИ устанавливается некоторая единая, усредненная по множеству приборов, номинальная характеристика. Уста- новление номинальных МХ связано с идеализацией, присущей любой модели ре- альной характеристики, а для типа приборов и с усреднением характеристик по множеству СИ данного типа. Номинальные характеристики и пределы допускаемых отклонений представ- ляют в виде чисел, формул, таблиц, графиков. Если МХ СИ представлена в виде некоторой функции от измеряемой вели- чины, например, функция преобразования, то задают допустимые отклонения ре- альной характеристики от номинальной. Так, представление номинальной статической характеристики преобразова- ния y = F(x) в виде линейной функции с конкретными параметрами является иде- ализацией реальной. При этом реальная характеристика может иметь другие па- раметры или быть даже нелинейной. Важным здесь является установление допус- каемых границ отклонений реальных МХ от номинальных. Если МХ представляет некоторый параметр, например входное сопротивле- ние прибора, то для него указывает граничные значения для этого параметра. В общем случае процедура нормирования МХ включает: выбор комплекса МХ для типа СИ (или для отдельных средств); определение способов оценки МХ; выбор способа представления МХ. Такая процедура предназначена для разработчиков и изготовителей средств измерений, а также для служб метрологической поверки характеристик этих средств. Выбор комплекса МХ подчинен задаче определения такой совокупности ха- рактеристик, которая позволяет определять результаты и погрешности измерений средствами данного типа. Способы оценки МХ оговариваются в соответствую- щих государственных стандартах на СИ, утвержденных государственными мет- рологическими службами. Сведения по МХ на СИ приводят в соответствующей нормативно-технической документации (описаниях, паспортах и других доку- ментах), а часть из них указывают на самих средствах. 3. ХАРАКТЕРИСТИКИ, ПРЕДНАЗНАЧЕННЫЕ ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ В общем случае применение СИ можно представить в следующем виде (см. рис. 3.1). На рис. 3.1 приняты следующие обозначения: СИ – средство измерений, x – обобщенное обозначение входного воздействия (ин- вариантное к конкретной измеряемой величине – I, U, P и т. п.), y – выходной сигнал, или сигнал измерительной информации; в том случае, если необходимо подчерк- нуть, что выходной сигнал является визуально наблюдаемым обычно используют в качестве обозначения выходного сигнала греческую букву « ». Функция преобразования измерительного преобразователя или прибора f(x) устанавливает связь между информативными параметрами выходной y и входной величин x: y = f(x). Форма представления функции преобразования может быть различной: в виде аналитической зависимости, в виде таблиц или в виде графиков. На рис. 3.2 в качестве примеров показаны: а)линейная функция преобразо- вания; б) нелинейная функция преобразования. а) б) Рисунок 3.2 Примерами аналитической формы представления функции преобразования могут служить зависимости угла отклонения подвижной части электромеханических приборов от измеряемой ве- личины. В тех случаях, когда аналитические зависимости довольно сложные, или зависимости были установлены экспериментально, применяют табличную форму пред- ставления функции преобразования. Фрагмент такого Таблица 3.1 С R, Oм 0 100,00 10 103,90 20 107,79 30 111,67 f(x) y, x y, f(x) x x y, СИ Рисунок 3.1 представления для платиновых термометров сопротивления типа Pt-100 иллю- стрирует табл. 3.1, в которой для некоторых дискретных точках представлена за- висимость сопротивления термометра от температуры. Следует различать номинальную функцию преобразования y = f н (х), которую записывают в нормативно-техническую документацию данного типа СИ и кото- рая обобщенно характеризует весь ряд этого типа СИ, и реальную функцию пре- образования – y = f р (х), присущую конкретному экземпляру данного типа средств измерений. Отличие реальной функции преобразования от номинальной определяется до- пустимым разбросом характеристик и может быть обусловлено, в частности, техно- логией изготовления этих средств. Реальная функция преобразования конкретного СИ может быть определена только экспериментальным путем. Границы допускае- мых отклонений номинальной характеристики в нормальных условиях должны включать все составляющие погрешности, возникающие при нормировании. Например, номинальный коэффициент преобразования (усиления) k Н = 500 измерительного усилителя и допустимая относительная погрешность (k Н ) = 2% этого коэффициента означают, что реальный коэффициент усиления, не зависимо от причин отклонения от номинального, должен находится в пределах k = k Н ( k Н )k Н /100 = 500 10 для любого конкретного экземпляра усилителя данного типа в нормальных условиях эксплуатации. Вид функции преобразования может быть различным в зависимости от прин- ципа действия и способов реализации СИ. Однако крайне важно, чтобы функция была линейной. Кроме очевидного удобства в использовании, линейная функция позволяет существенно уменьшить инструментальную составляющую погрешно- сти измерений и при конструировании СИ часто применяют различные способы линеаризации функции преобразования. Функция преобразования достаточно полно характеризует СИ с точки зре- ния получения результатов измерений. В то же время во многих случаях для опре- деления результатов измерений можно пользоваться относительно простыми ха- рактеристиками, которые по существу являются некоторыми численными пара- метрами функции преобразования. Коэффициент преобразования – k = у/х; по тем же причинам бывают номи- нальный k н и реальный k р коэффициенты преобразования. В общем случае этот коэффициент имеет размерность [ед. изм. y/ед. изм. х]. Коэффициенты преобра- зования могут иметь свои названия, например, для измерительного усилителя ча- сто используют понятие коэффициент усиления. Для линейной функции преобра- зования k н = сonst, для нелинейной – зависит от входного сигнала k р (х). Чувствительность – свойство СИ, определяемое отношением изменения выходного сигнала этого средства к вызывающему его изменению измеряемой величины– x y S Для измерительных приборов часто используют также понятие – постоянная прибора С = 1/S. Для линейной функции преобразования S = 1/С = k, что весьма удобно при эксплуатации измерительного прибора. Для нелинейной функции преобразования чувствительность S(x) зависит от входного сигнала. Для измерительных приборов важной МХ является цена деления шкалы С д , равная разности двух значений величины, соответствующих двум соседним от- меткам на шкале прибора. В случае равномерной шкалы С д одинакова на всём ее протяжении. Порог чувствительности x порог – характеристика СИ в виде наименьшего значения изменения физической величины, начиная с которого может осуществ- ляться ее измерение данным средством. Диапазон измерений – область значений величины, в пределах которой нор- мированы допускаемые пределы погрешности СИ. Диапазон показаний – область значений шкалы прибора, ограниченная начальным и конечным значениями шкалы. Разницу междудиапазоном измерений и диапазоном показаний легко проил- люстрировать на примере электромагнитного амперметра. Такой прибор в силу принципа действия имеет нелинейную шкалу. Линейный участок шкалы в преде- лах (15...100)% всей шкалы. Данный диапазон является диапазоном измерений. В начальной части шкалы (до 15%) прибор в силу принципа действия реагирует на входной ток, но в этой части шкалы не обеспечена погрешность измерений, то есть амперметр «показывает, но не измеряет». В этом смысле весь диапазон шкалы (0…100)% является диапазоном показаний. Пределы измерений – наибольшее и наименьшее значения диапазона измере- ний. Применяют понятия нижний предел и верхний пределы измерений. |