Средства измерений. Рисунок 5.5—Схема измерений с баллистическим гальванометром

Г

I

С

Ин

Рисунок 5.5—Схема измерений с баллистическим гальванометром

Метод обычно применяют для веществ с малой проводимостью.

Измерения диэлектрической проницаемости в переменных полях представляют значительно больший интерес. Это связано с тем, что они позволяют получить более широкую информацию о структуре и свойствах веществ. Мостовые методы измерения диэлектрической проницаемости и тангенса угла диэлектрических потерь реализуются на переменном токе и основаны на использовании различных модификаций моста Уитстона (рис. 6).

Рисунок 5.6—Схема измерительного моста

Мост питается переменным напряжением с некоторой частотой. При условии равновесия моста (уравновешивается с помощью R ₃ и С ₄) величина искомой емкости и тангенс угла потерь определяются по формулам

tge = coR_iC_i.

При работе простых мостов на высоких частотах возникает ряд трудностей, поэтому для измерений используются их более сложные модификации, двойные мосты и т. д. Мостовые схемы, работающие при высоких частотах, требуют тщательного экранирования и компенсации индуктивностей и емкостей линий связи.

При работе на высоких частотах для измерений целесообразнее применять схемы с колебательными контурами. В колебательном контуре (рис. 5.7) емкость измерительной ячейки включается параллельно индуктивности и переменной емкости (возможно также последовательное соединение емкостей). Колебательный контур питается колебаниями неизменной частоты и при отключенной емкости измерительной ячейки настраивается в резонанс питающей частоте.

J L

C

Cх

Рисунок 5.7—Принципиальная схема колебательного контура При этом резонансная частота колебательного контура определяется формулой

27Ty[LC При подключении измеряемой емкости в цепь результирующая емкость возрастает до С + С_х, а резонансная частота колебаний контура уменьшается:

2ж^L (C + C_x)

В результате условия резонанса нарушаются. Для восстановления резонанса необходимо будет уменьшить переменную емкость С на величину подключенной емкости С_х. Аналогичные соотношения имеют место при изменении емкости ячейки за счет изменения диэлектрической проницаемости вещества, заполняющего ее.

Помимо рассмотренных простых компенсационных методов измерения емкости существуют более сложные. В настоящее время для измерений емкости и тангенса угла потерь чаще используют универсальные цифровые измерители, в основу работы которых положен, например, интегрирующий метод измерения со вспомогательным опорным напряжением. Напряжение рабочей частоты с генератора подается на измеряемый конденсатор, подключенный к преобразователю, формирующему два напряжения, одно из которых пропорционально току через конденсатор, другое - напряжению на нем. Работой прибора управляет микро-ЭВМ, которая проводит расчет измеряемого параметра и выводит результат на дисплей.

Измерение диэлектрических свойств жидкостей.

Для измерения диэлектрической проницаемости жидкостей используются ячейки в виде плоских или цилиндрических конденсаторов. Для лучшего экранирования предпочтительно применение металлических ячеек. Измерительные ячейки должны термостатироваться для того, чтобы температурная зависимость диэлектрической проницаемости не вносила погрешности в измерения.

Измерительные ячейки должны калиброваться эталонными жидкостями с точно известной диэлектрической проницаемостью. Эталонные жидкости должны быть определенной чистоты (ч.д.а.), иметь малую проводимость и малый тангенс угла потерь, причем данные жидкости должны быть выбраны так, чтобы в частотной области измерений не достигалась область аномальной дисперсии. Желательно также, чтобы изменения диэлектрической проницаемости с частотой были по возможности малы.

Лишь немногие химические вещества удовлетворяют всем этим условиям и могут быть использованы в качестве эталонных жидкостей. Обычно это циклогексан, четыреххлористый углерод, бензол, дибутиловый эфир, хлорбензол, ацетон, этиленхлорид, бензиловый спирт, нитробензол и диминерализованная вода.

Для определения абсолютного значения диэлектрической проницаемости исследуемой жидкости необходимо произвести калибровку измерительной ячейки для определения емкости пустой ячейки и паразитной емкости подводящего монтажа. Существует несколько различных методов калибровки измерительных ячеек. Рассмотрим некоторые из них.

Наиболее простым является метод построения калибровочной кривой в координатах «диэлектрическая проницаемость - емкость ячейки», однако обычный размер калибровочных графиков не позволяет полностью использовать чувствительность измерительных устройств.

Метод градуировочной кривой обеспечивает наиболее точную емкостную калибровку, которая осуществляется с помощью образцовых емкостей. Для определения значения емкости пустой ячейки С _п и емкости проводов подводящего монтажа С _м берут два калибровочных вещества с диэлектрическими проницаемостями е ₁ и s₂, охватывающими требуемый диапазон измерений. По полученным данным вычисляют значения С _п и С _м исходя из условия:

C 1(2) = C м+ C пs1(2);

;

C _п =

С₂-С ₁

82-e1

C_м=С₁-е₁С_п,

где С ₁(₂) - емкость ячейки, заполненной жидкостью с диэлектрической проницаемостью s ₁₍₂₎.

По известным значениям емкости пустой ячейки и емкости подводящего монтажа вычисляют диэлектрическую проницаемость неизвестного вещества s _х

^C x^{_ C} k. (5.5)

C_П

е _X =

Методы калибровки измерительных ячеек требуют точно определенных эталонных проб. Для абсолютных измерений диэлектрической проницаемости необходимо, чтобы имелась возможность точно изменять рабочую емкость измерительной ячейки. В абсолютном методе используется ячейка с подвижным электродом (рис. 5.8).

4

1

1 - центрирующий стержень;2 - внутренний электрод; 3 - внешний электрод; 4 - изолятор

Рисунок 5.8—Измерительная ячейка с переменной емкостью

Внутренний электрод может быть зафиксирован в двух положениях, которым

соответствуют два значения рабочей емкости С _п1 и С _п2. При заполнении ячейки исследуемой

пробой измеряют емкость при двух положениях внутреннего электрода. Диэлектрическую

проницаемость пробы рассчитывают по формуле

_е _C х1 - C х2

х C п1 " С п2

Влияние паразитной емкости монтажа при этом исключается.

Измерение диэлектрической проницаемости порошков.

Диэлектрическую проницаемость порошков обычно измеряют для чисто практических целей, например, при изучении свойств наполнителей для изоляционных материалов, хотя подобные измерения позволяют иногда анализировать структуру, определять влагосодержание и т.д. Существует два метода определения диэлектрической проницаемости порошков: погружения и прямого измерения.

Метод погружения основан на измерении изменения диэлектрической проницаемости после внесения исследуемого порошка в ряд жидких смесей с известной диэлектрической проницаемостью до достижения равенства диэлектрической проницаемости порошка и жидкости, в которую он погружается. В качестве измерительной ячейки обычно используется цилиндрический конденсатор (рис 5.9), поскольку такая конструкция позволяет работать даже с

осевшим порошком. В верхней части ячейки вытесненной порошком.

предусмотрено расширение для жидкости,

1 - внутренний электрод; 2 - внешний электрод; 3 - изолятор; 4 - измерительное пространство;

5 - объем для приема вытесненной порошком жидкости

Рисунок 5.9—Ячейка для измерения диэлектрической проницаемостипорошков методом

погружения

В измерительную ячейку заливают жидкость, определяют емкость, затем в эту жидкость вносят определенное количество порошка и снова определяют емкость. Так как вероятность равенства диэлектрической проницаемости жидкости и порошка невелика, то после внесения порошка емкость либо увеличится, либо уменьшится. Находят разность двух измерений и из полученной разности делают вывод о требуемом изменении диэлектрической проницаемости жидкости для ее приближения к искомой диэлектрической проницаемости порошка. Затем опыт повторяют. В данном случае целесообразно работать с бинарными смесями жидкостей с различными значениями диэлектрической проницаемости. Работа продолжается до тех пор, пока разность двух измерений не изменит знак. Результаты заносят в таблицу (таблица 1), а диэлектрическую проницаемость порошка определяют с помощью графического построения (рис. 5.10).

Таблица 1. Результаты измерений диэлектрической проницаемости

Количество жидкости А в жидкости В	Емкость ячейки	Разность измерений
с жидкостью	с жидкостью и порошком
А 1	X 1	Y 1	+ Z 2
А 2	X 2	Y 2	+ Z 1
А 3	X 3	Y 3	- Z 1
А 4	X 4	Y 4	- Z 2

Z

Z 2 Z 1

-Z 1 -Z 2

Рисунок 5.10—График для определения диэлектрической проницаемости порошка методом

погружения

Можно использовать другой способ. Измерительная ячейка поочередно заполняется жидкостями с различными диэлектрическими проницаемостями, и строится график «диэлектрическая проницаемость – емкость». После этого ячейка вновь поочередно заполняется теми же жидкостями, но при этом в нее каждый раз дополнительно вносится

фиксированная навеска исследуемого порошка. Измеренные значения наносят на график. Точка пересечения двух кривых соответствует диэлектрической проницаемости порошка.

Применение описанных методов ограничивается порошками, для которых могут быть составлены жидкости с такой же, как у порошка, диэлектрической проницаемостью. В ряде случаев можно также пользоваться методом экстраполяции.

Измерение диэлектрических свойств твердых тел.

Измерениями диэлектрических свойств твердых тел занимаются в более крупных масштабах, чем исследованиями порошков, например, их используют при испытаниях изоляционных материалов, для структурных физико-химических исследований, определения температурных характеристик, наличия примесей или влагосодержания и др.

Существуют две основные методики измерений:

1) проба вводится в измерительный участок и располагается между электродами
определенного геометрического размера;

2) на пробу наносятся электроды соответствующих размеров.

При измерениях по первой методике необходимо ограничивать и контролировать прижимные усилия, строго соблюдать плоскопараллельность пробы, исключать воздушные зазоры между электродами и образцом. Для того чтобы ошибка измерения диэлектрической проницаемости не превышала 1%, воздушный зазор должен быть меньше 0,01-l / е (где l -толщина образца, е -диэлектрическая проницаемость образца). Ошибки измерения, вызываемой воздушным зазором, можно избежать, если с помощью соответствующего устройства приложить к образцу ртутные электроды.

Во втором методе электроды наносятся непосредственно на образец с помощью проводящих паст методами вжигания, электрохимическими методами или методами вакуумного осаждения. Применение того или иного метода зависит от химических свойств исследуемого образца. Например, хорошие результаты дает растирание графита в воде при добавлении 0,5% декстрина (при условии, что образец с водой не взаимодействует).

Достаточно универсальным средством является нанесение на образец тонкой металлической фольги. Для этого, например, хорошо подходят золотая фольга или тонкая алюминиевая, применяемая в конструкции ряда конденсаторов. Пластины нужного размера вырезают из фольги, покрытой слоями бумаги, или штампуют. Такая фольга хорошо прилипает к образцам и держится на них достаточно прочно. Она должна наноситься без воздушных включений, что достигается, например, прокатыванием нажимным резиновым роликом.

При проведении подобных измерений появляется еще ряд возможных ошибок. Конденсатор кроме однородного внутреннего поля имеет неоднородное на концах. Это краевое поле определяется толщиной и диэлектрической проницаемостью образца и может вносить существенные погрешности в результаты измерений. Вредное влияние краевого поля на емкость рабочего измерительного участка устраняется введением защитного кольца (рис. 5.11).

2

Рисунок 5.11—Схема конденсатора с защитным кольцом

При этом рабочий электрод 1, имеющий значительный потенциал относительно земли, окружен кольцом 3. Оно связано с узлом измерительного моста, который имеет потенциал, равный потенциалу измерительного электрода 1 (2 - электрод заземлителя). Защитное кольцо устраняет влияние краевых эффектов, и при его использовании измерения проводят практически в идеальном однородном поле. При измерении очень тонких образцов краевыми эффектами можно пренебречь и не использовать защитное кольцо.

В случае измерения диэлектрической проницаемости тонких образцов (например, при измерениях в бумажной или текстильной промышленности) можно использовать частично заполненный конденсатор (рис. 5.12). Емкость такого измерительного конденсатора равна

С= 0,278^г

1 ₂ -1+— '

где h - толщина образца; h - расстояние между электродами; Si - диэлектрическая проницаемость образца.

_______ г _________ J

Рисунок 5.12—Схема частично заполненного конденсатора

Изменения толщины образца оказывают большее влияние на емкость такого конденсатора, чем изменения диэлектрической проницаемости. Такие устройства могут быть использованы при измерениях однородности или толщины образца, например однородности толщины лакокрасочного покрытия, но при этом необходимо знать диэлектрическую проницаемость вещества, которая должна быть определена независимо.

Как известно, измерение - это определение значения физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств, а также последовательность экспериментальных и вычислительных операций, осуществляемая с целью нахождения значения физической величины, характеризующей некоторый объект или явление. К основным признакам измерения относятся:

• измерять можно характеристики свойств только реально существующих объектов, т. е. физические величины;

• измерения требуют проведения опытов, т. е. теоретические рассуждения не могут заменить эксперимент;

• для проведения измерений требуются технические средства;

• результатом измерений является значение физической величины, т. е. количественная оценка измеряемой величины в определенных единицах, принятых для данной величины.

6.1. Классификация средств измерений

Средство измерений — техническое средство, предназначенное для измерений, имеющее нормированные метрологические характеристики, воспроизводящее и (или) хранящее единицу физической величины, размер которой принимают неизменным (в пределах установ­ленной погрешности) в течение известного интервала времени. Данное определение вскрывает суть средства измерений, заключающуюся в способности хранить (или воспроизводить) единицу физической величины, а также в неизменности размера хранимой единицы. Эти факторы и обусловливают возможность выполнения измерения.

По назначению средства измерений разделяют на меры, измерительные преобразователи, измерительные приборы, измерительные установки и измерительные системы (рис. 6.1).

Мера — средство измерений, предназначенное для воспроизведения и (или) хранения физической величины одного или нескольких заданных размеров, значения которых выражены в установленных единицах и известны с необходимой точностью.

Различают следующие разновидности мер:

• однозначная мера — мера воспроизводит физическую величину одного размера;

• многозначная мера — мера воспроизводит физическую величину разных размеров;

• набор мер — комплект мер разного размера одной и той же физической величины;

• магазин мер — набор мер, конструктивно объединенных в единое устройство, в котором
имеются приспособления для их соединения в различных комбинациях. Например,
магазин электрических сопротивлений обеспечивает ряд дискретных значений сопротив­
лений.

Рисисунок 6.1—Классификация средств измерений

Некоторые меры воспроизводят одновременно значения двух физических величин. Мера необходима при методе сравнения для выполнения сравнения с ней измеряемой величины и получения ее значения.

Измерительный преобразователь — техническое средство с нормированными метро-логическими характеристиками, служащее для преобразования измеряемой величины в другую величину или измерительный сигнал, удобный для обработки, хранения, дальнейших преобразований, индикации или передачи. Принцип его действия основан на различных физических явлениях. Измерительный преобразователь преобразует любые физические величины (электрические, неэлектрические, магнитные) в электрический сигнал.

По характеру преобразования различают аналоговые, аналого-цифровые преобразователи (АЦП), преобразующие непрерывную величину в числовой эквивалент, цифроаналоговые преобразователи (ЦАП), выполняющие обратное преобразование. По месту, занимаемому в измерительной цепи различают преобразователи первичные и промежуточные. Преобразователи с пропорциональным преобразованием сигнала измерительной информации называют масштабными.

Первичный измерительный преобразователь (первичный преобразователь) -измерительный преобразователь, на который непосредственно воздействует измеряемая физическая величина, т. е. первый преобразователь в измерительной цепи измерительного прибора (установки, системы).В одном средстве измерений может быть несколько первичных преобразователей, например, ряд термопар измерительной установки, предназначенной для контроля температуры в разных точках холодильной емкости.

Датчик - конструктивно обособленный первичный преобразователь, от которого поступают измерительные сигналы.

К измерительным преобразователям можно отнести преобразователи переменного напряжения в постоянное, измерительные трансформаторы напряжения и тока, делители тока, напряжения, усилители, компараторы, термопару и др. Измерительные преобразователи входят в состав какого-либо измерительного прибора, измерительной установки, измерительной системы или применяются вместе с каким-либо средством измерений.

Измерительный прибор (ИП) — средство измерений, предназначенное для получения значений измеряемой физической величины в установленном диапазоне. Приборы бывают показывающие и регистрирующие, цифровые и аналоговые.

Измерительная установка — совокупность функционально объединенных мер, измери­тельных преобразователей, измерительных приборов и других устройств. Предназначена для измерений одной или нескольких физических величин и расположена в одном месте.

Измерительная система — совокупность функционально объединенных мер, измери­тельных приборов, измерительных преобразователей, ЭВМ и других технических средств, размещенных в разных точках контролируемого объекта с целью измерений одной или не­скольких физических величин, свойственных этому объекту, и выработки сигналов в разных целях. В зависимости от назначения измерительные системы разделяют на измерительные информационные, контролирующие, технической диагностики и др.

6.2.. Классификация электронных приборов по обобщенным признакам

Измерительная техника — обобщенное понятие, охватывающее технические средства, специально предназначенные для измерений и способные хранить единицу физической величины достаточно неизменной по размеру (во времени). Наиболее распространенными сред­ствами измерений являются измерительные приборы (ИП), выполняющие различные функции в зависимости от измерительных задач и требований, предъявляемых к приборам. Измерительные приборы представляют собой различное сочетание измерительных преобразователей, выполняющих определенные функции, и отсчетного устройства. Структурная схема измерительного прибора показывает функциональное взаимодействие основных его преобразователей.

В зависимости от физических явлений, составляющих основу работы измерительных приборов, последние делятся на электроизмерительные и электронные. Электроизмерительные приборы являются электромеханическими и классифицируются в зависимости от способа преобразования электромагнитной энергии в механическую.

Электронные измерительные приборы представляют собой сложные устройства, содержащие большое число преобразователей, которые выполняют функции генерирования, усиления, выпрямления, масштабирования, преобразования аналогового сигнала в дискретный и наоборот и др. Электронные приборы разрабатываются на активных (диодах, транзисторах, линейных и цифровых интегральных схемах) и пассивных (резисторах, конденсаторах, катушках индуктивности) элементах.

По характеру и виду измеряемых величин электронные ИП разделяют на:. измерительные генераторы — маломощные источники сигналов;. специальные элементы измерительных цепей (ослабители сигналов, фазовращатели);

. приборы для измерений значений физических величин, параметров и характеристик

сигналов;. приборы для измерения характеристик и параметров компонентов, входящих в

радиоэлектронные цепи;. измерительные установки и системы.

Особую группу составляют приборы для измерения значений почти всех физических величин, параметров и характеристик сигналов. К ним относятся электронные осциллографы, вольтметры, частотомеры, фазометры, анализаторы спектров и др. По характеристикам эти приборы можно сравнивать с аналогичными электромеханическими приборами.

Электронные приборы данной группы обладают большим динамическим диапазоном. Если для электромеханических приборов характерны большая мощность потребления, использование в цепях постоянного и переменного токов низких частот (20— 2500 Гц), то для электронных приборов характерны малая мощность потребления и использование их в цепях постоянного и переменного токов широкой полосы частот (низких, высоких и сверхвысоких) с различной формой сигнала. От цепи, в которой проводится измерение, приборы потребляют мало энергии, т. е. обладают большим входным сопротивлением, что позволяет выполнять измерения в цепях маломощных источников сигнала. Степень влияния включения прибора на режим работы маломощной цепи зависит от значения и характера входного сопротивления. При гармоническом сигнале на входе входное сопротивление электронного прибора равно отношению напряжения, подаваемого на вход прибора, к току, вызываемому этим напряжением

Z_BX = U_BX/I_BX.

Рассматриваемые приборы различают по ряду обобщенных признаков.

По виду выдаваемой информации различают аналоговые и цифровые приборы.

Аналоговый прибор — измерительный прибор, показания которого являются непрерывной функцией изменений измеряемой величины. В этом приборе непрерывная измеряемая величина вызывает подобное ей непрерывное отклонение указателя по шкале, т. е. аналоговая величина представляет собой подобие другой величины. К аналоговым относятся приборы, у которых указатель жестко связан с подвижной частью измерительного механизма.

Цифровой прибор автоматически вырабатывает дискретные сигналы на основе входной измерительной информации, представленные в цифровой форме.

Рисунок 6.2— Структурная схема прибора прямого действия Уравновешивание может быть полным (ΔХ = 0) или частичным (ΔХ = 0). Следовательно, цепь прямого преобразования обеспечивает передачу величины ΔХ к показывающему выходному прибору, а цепь обратного преобразования — изменение величины X_Y.

По схеме преобразования различают структурные схемы измерительных приборов прямого действия и сравнения. Структурная схема прибора прямого действия (рис. 6.2) показывает, что преобразование сигнала измерительной информации происходит только в одном направлении, т. е. без применения обратной связи. Входной сигнал X последовательно через преобразователи П ₁, П ₂, ..., П _n преобразуется в выходной сигнал Y, удобный для наблюдения, регистрации и запоминания (Y ₁, Y ₂, ..., Y_{n -1} — промежуточные величины). К измерительным приборам прямого действия относятся аналоговые электромеханические приборы. Структурная схема прибора сравнения (ПС) — уравновешивающего преобразования замкнутого типа (рис. 6.3) — показывает, что прибор имеет две цепи: прямого преобразования, состоящую из преобразователей П ₁, П ₂,…, П _n, и обратного преобразования, состоящую из преобразователей П ₀1, П ₀₂,..., П _0m. На входе первой цепи происходит сравнение (уравновешивание) двух однородных величин противоположного знака: входной измеряемой величины X с выходной величиной X_Y цепи обратного преобразования. По разности ΔХ = X - X_Y на выходе преобразователя судят об измеряемой величине X.

Рисунок 6.3— Структурная схема прибора прямого действия

По способу выдачи измерительной информации измерительные приборы делятся на показывающие и регистрирующие. Показывающий прибор обеспечивает визуальное восприятие измеряемой величины и допускает отсчитывание показаний. Регистрирующий прибор регистрирует значения измеряемой величины. Регистрирующий прибор, в котором показания записываются в форме диаграммы, называют самопишущим, а в цифровой форме — печатающим. Приборы могут либо выдавать информацию о текущем значении измеряемой величины, либо интегрировать измеряемую величину во времени или по другой независимой переменной (интегрирующие ИП), либо суммировать показания двух или нескольких величин, подводимых к ним по различным каналам (суммирующие ИП).

По характеру установки на месте применения ИП могут быть стационарные и переносные; по степени защищенности — обыкновенные, пыле-, водо- и брызгозащищенные, герметические и др.

По характеру измерений и виду измеряемых величин электронные измерительные приборы обозначают буквами (например, для измерения силы тока используют букву А; напряжения — букву В и т. д.).

Приборы каждой подгруппы классифицируют по признакам основной выполняемой функции на виды, которым присваиваются буквенно-цифровые обозначения, состоящие из обозначения подгруппы и номера вида (например, универсальные вольтметры В7). Внутри каждого вида приборы подразделяют по совокупности характеристик и очередности разработок на типы, которым присваивают порядковый номер модели. Таким образом, полное обозначение прибора составляется из буквы (подгруппа), цифры (вид) и числа (через дефис), указывающего тип прибора (например, В7- 35). Для модернизированных приборов в конце обозначения ста-вятся в алфавитном порядке буквы, соответствующие очередной модернизации. Обозначение прибора, измеряющего несколько параметров, составляется из обозначения вида, к которому прибор относится по выполняемой функции. Если в подгруппе вида отсутствуют универсальные приборы, то к обозначению вида допускается добавлять букву К.

Электромеханические и электроизмерительные приборы классифицируют по принципу действия: магнитоэлектрические — М; электродинамические — Д; электромагнитные — Э; электростатические — С; приборы с термопреобразователями — Т.

6.3. Метрологические характеристики средств измерений

Метрологическая характеристика средства измерений — характеристика одного из свойств средства измерений, влияющая на результат измерений и на его погрешности. От точности характеристик при изготовлении средств измерений, стабильности их в процессе эксплуатации зависит точность результатов измерений. Для каждого типа средств измерений устанавливают свои метрологические характеристики в зависимости от назначения, условий эксплуатации и других факторов.

Метрологические характеристики, устанавливаемые нормативно-техническими докумен-тами, называются нормируемыми метрологическими характеристиками, а определяемые экспериментально — действительными метрологическими характеристиками. Предлагаемые характеристики относятся к приборам, предназначенным для осуществления измерений.

Градуировочная характеристика — зависимость между значениями величин X на входе и Y на выходе средств измерений, полученная экспериментально:

Y = f(X). (6.1)

Градуировочная характеристика может быть выражена в виде формулы, графика или таблицы. Она связывает конструктивные параметры прибора с величинами X и Y.

Номинальная градуировочная характеристика — это характеристика при нормальных условиях внешней среды и неизменных или медленно меняющихся значениях входного сигнала.

Чувствительность прибора — свойство, определяемое отношением изменения выходного сигнала прибора к вызывающему его изменению измеряемой величины. Абсолютная чувствительность

S = ΔY/ΔX, (6.2)

где Δ Y и Δ X — изменение соответственно сигнала на выходе и измеряемой величины. Относительная чувствительность

S0 = ΔY/(ΔX/X ), (6.3)

где Δ X/X — относительное изменение измеряемой величины.

Порог чувствительности — характеристика прибора в виде наименьшего значения изменения величины, начиная с которого может осуществляться ее измерение данным прибором.

Шкала прибора — часть показывающего устройства прибора, представляющая собой упорядоченный ряд отметок вместе со связанной с ними нумерацией. Числовая отметка шкалы — число, соответствующее некоторому значению физической величины:

С = Δ X/ ΔY = 1/S. (6.3)

Цена деления шкалы — разность значений величины, соответствующих двум соседним отметкам шкалы прибора.

Цена деления и чувствительность — величины именованные. Обычно говорят о чувстви­тельности прибора к какой-то измеряемой величине (напряжению, току, сопротивлению и т. д.). Например, S = 5 дел./В; С = 0,2 В/дел.

Чувствительность прибора прямого действия (рис. 6.2) может быть представлена в виде

Sn_p = S1S2, … ,S_n = ΔY / Δ X, где S ₁, S₂,..., S n — чувствительность отдельных преобразователей.

Чувствительность прибора уравновешивания (рис. 6.3) может быть представлена в виде

S_у = (ΔY/ΔX)/(X/ΔX) = S_np/(1 + S n_pS_обр) = kS_np

где S_np = ΔY/ΔX и S_o6p = X_Y/Y — чувствительность цепей прямого и обратного преобразования соответственно; k = 1/(1 + S_npS_o6p) — коэффициент, характеризующий относительное неуравновешивание. Чувствительность прибора уравновешивания в k раз меньше чувствительности прибора прямого преобразования.

Показание прибора — значение величины или число на показывающем устройстве прибора.

Вариация показаний прибора — 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.

Диапазон измерений прибора — область значений величины, в пределах которой нормированы допускаемые пределы погрешности прибора. Эта область ограничена нижним и верхним пределами измерений. Диапазон измерений может состоять из нескольких поддиапазонов с разными погрешностями. Диапазон показаний может не совпадать с диапазоном измерений, под которым понимается область значений, ограниченная начальным и конечным значениями шкалы.

Входные и выходные характеристики ИП соответственно определяют воздействия ИП на объект исследования. При подключении средств измерений к объекту измерения вследствие их взаимного влияния могут возникнуть погрешности. В частности, средства измерения потребляют некоторую мощность от объекта измерения (источника входного сигнала), что приводит к изменению режима работы объекта измерения, если объект маломощный. Малое потребление мощности от источника входного сигнала является достоинством средств измерения, которым обладают электронные приборы. Выходные характеристики определяют реакцию выходного сигнала на подключение нагрузки.

Вид выходного кода — число разрядов кода (цена единицы наименьшего разряда кода ИП), предназначенное для выдачи результатов в цифровом виде.

Область рабочих частот — полоса частот, в пределах которой погрешность прибора, вызванная изменением частоты, не превышает допускаемого предела.

Быстродействие —время, затрачиваемое на одно измерение. Для аналоговых приборов быстродействие определяется временем установления показаний (временем успокоения), т. е. промежутком времени с момента изменения измеряемой величины до момента установления показаний прибора. Для цифровых приборов быстродействие определяется как отношение числа измерений за некоторый промежуток времени к этому промежутку времени:

В = n/t.

Быстродействие цифровых приборов составляет от одного до десятков тысяч измерений в секунду и более.

Кроме метрологических характеристик при эксплуатации необходимо учитывать:

• надежность средств измерений, т. е. способность приборов сохранять эксплуатационные параметры в установленных пределах в течение заданного времени. К основным критериям надежности относятся вероятность безотказной работы в течении заданного времени;

• экономичность средств измерения.

6.4. Погрешности средств измерений

Инструментальная погрешность измерения — составляющая погрешности измерений, обусловленная свойствами применяемых средств измерений. Эта погрешность является важнейшей метрологической характеристикой СИ и определяет, насколько действительные свойства средств измерений близки к номинальным. Следует различать четыре составляющие погрешности средств измерений: основную; дополнительную; обусловленную взаимодействием средств и объекта измерений и динамическую.

6.4.1. Основная погрешность

Данная погрешность обусловлена неидеальностью собственных свойств средств измерений и показывает отличие действительной функции преобразования средств измерений в нормальных условиях от номинальной функции преобразования. По способу числового выражения основной погрешности различают абсолютную, относительную и приведенную погрешности:

• абсолютная погрешность измерительного прибора — разность между показанием прибора х и истинным значением А измеряемой величины. Абсолютная погрешность, взятая с обратным знаком, называется поправкой: П =-Δ;

• относительная погрешность измерительного прибора — отношение абсолютной погрешности к истинному значению измеряемой величины: δ = [(х - А)/А]100%. Относительная погрешность обычно существенно изменяется вдоль шкалы аналогового прибора, с уменьшением значений измеряемой величины она увеличивается;

• приведенная погрешность средства измерений — относительная погрешность, выраженная в виде отношения абсолютной погрешности средства измерений к условно принятому значению величины, постоянному во всем диапазоне измерений или в части диапазона. Условно принятое значение величины называется нормирующим значением. Часто за нормирующее значение принимают верхний предел измерений. Приведенную погрешность обычно выражают в процентах: γ = Δ x/X _N =[(x ‒ A)/ X _N]∙100%,

где Δ х — абсолютная погрешность; X _N —нормирующее значение, равное конечному

значению предела измерения. Основная погрешность прибора — погрешность средства измерения, применяемого в нормальных условиях. По характеру влияния на функцию преобразования ее можно представить 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 (прямая 3, рис. 6.4);

• мультипликативная погрешность bх зависит от чувствительности прибора и изменяется пропорционально текущему значению входной величины (прямая 2,

рис. 6.4);

• суммарная абсолютная погрешность выражается уравнением

Δ = а +bх, т. е. аддитивная и мультипликативная погрешности присутствуют одновременно (прямая 1, рис. 6.4).

Рисунок 6.4— Графики аддитивной, мультипликативной и суммарной погрешностей

К аддитивной погрешности прибора можно отнести погрешность, вызванную трением в опорах электроизмерительных приборов, которая не зависит от значения входного сигнала, а также помехи, шумы, погрешность дискретности (квантования) в цифровых приборах. Если прибору присуща только аддитивная погрешность или она существенно превышает другие составляющие, то целесообразно нормировать абсолютную погрешность.

К мультипликативной погрешности можно отнести погрешности изготовления добавочного резистора в вольтметре или шунта в амперметре, погрешности коэффициента деления делителя и т.д. Мультипликативная составляющая абсолютной погрешности увеличивается с увеличением измеряемой величины, а так как относительная погрешность остается постоянной, то в том случае целесообразно нормировать погрешность прибора в виде относительной погрешности.

Аддитивная и мультипликативная погрешности могут иметь как систематический, так и случайный характер.

Систематическая погрешность средства измерений — составляющая погрешности средства измерения, остающаяся постоянной или закономерно изменяющаяся при много-кратных измерениях одной и той же величины. К постоянным систематическим погрешностям относятся погрешности градуировки шкалы аналоговых приборов; калибровки цифровых приборов; погрешности, обусловленные неточностью подгонки резисторов, температурными изменениями параметров элементов в приборах и т. д. К переменным систематическим погрешностям относятся погрешности нестабильности напряжения источника питания, влияния электромагнитных полей и др.

Случайная погрешность средства измерений — составляющая погрешности средства измерений, изменяющаяся случайным образом. Случайные погрешности могут возникнуть из-за нестабильности переходного сопротивления в контактах коммутирующих устройств, трения в опорах подвижной части приборов и т. д. К случайным погрешностям относятся также погрешности от гистерезиса, т. е. вариации показаний выходного сигнала средства измерения.

Таким образом, при определении основной погрешности абсолютная погрешность может быть представлена ее составляющими — систематической и случайной.

6.4.2. Дополнительная погрешность.

Составляющая погрешности средства измерений возникает дополнительно к основной погрешности вследствие отклонения какой-либо величины от нормального ее значения или ее выхода за пределы нормальной области значений. Дополнительная погрешность обусловлена реакцией средства измерений на изменения внешних влияющих величин и неинформативных параметров входного сигнала.

Неинформативный параметр входного сигнала — параметр входного сигнала, не используемый для передачи значения измеряемой величины. (Например, при измерении частоты сигнала частотомером указывается уровень входного сигнала.) Дополнительная погрешность зависит от свойств средств измерений и от изменения влияющих величин, отличных от нормальных.

Нормальными условиями эксплуатации средств измерений считаются температура окружающего воздуха (20 ± 5) °С; относительная влажность 30—80%; атмосферное давление 630— 795 мм рт. ст.; напряжение питающей сети (220 ± 4,4) В; частота питающей сети (50 ± 0,5) Гц.

6.4.3. 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 к объекту измерений и определение которого является целью измерений. Эта составляющая зависит от свойств средства измерений и объекта измерений.

6.4.4. Динамическая погрешность.

Динамическая погрешность средства измерений — погрешность, возникающая при измерении изменяющейся в процессе измерения физической величины. Она обусловлена реакцией средства измерения на скорость (частоту) изменения входного сигнала и зависит от динамических свойств (инерционности) средства измерения, частотного спектра входного сигнала, изменений нагрузки и влияющих величин. На выходной сигнал средства измерений влияют значения входного сигнала и любые изменения его во времени. Различают полную и частную динамические характеристики.

Полная динамическая характеристика — характеристика, полностью описывающая принятую математическую модель динамических свойств средства измерений и однозначно определяющая изменение выходного сигнала средства измерений при любом изменении во времени информативного или неинформативного параметра входного сигнала или влияющей величины. Полную динамическую характеристику аналоговых средств измерений выбирают из следующих характеристик: дифференциального уравнения передаточной функции, импульсной и переходной характеристик, амплитудно-фазовой, амплитудно-частотной характеристик.

Частная динамическая характеристика — любой функционал или параметр полной динамической характеристики. К частным динамическим характеристикам аналоговых средств измерений можно отнести время реакции, коэффициент демпфирования, значение амплитудно-частотной характеристики на резонансной частоте.

Для аналого-цифровых и цифроаналоговых преобразователей используются другие динамические характеристики.

Дата добавления: 2014-12-08