Лекция 9. Введение в электрические измерения, преобразователи, обработка результатов измерений

В первой части курса было выяснено, что измерение является экспериментальным процессом, при котором, используя вспомогательные средства, сравнивают неизвестное значение измеряемой величины с принятой единицей измерений и определяют, какое число раз эта единица содержится в измеряемой величине. Для этого единицу величины воспроизводят для сравнения с так называемой мерой (рис. 9.1).

Рис. 9.1

Установили также, что наряду с измерением, существует понятие контроля. Целью контроля является выяснение того, соответствуют ли определенные свойства испытуемого (контролируемого) объекта заданным требованиям, на основе чего принимается соответствующее решение (рис. 9.2).

Рис. 9.2

Измерения нужны в тех случаях, когда возникает необходимость в определении количественных характеристик тех или иных объектов и явлений (в широком смысле этих понятий). Велика ее роль и в промышленном производстве, например, при количественном контроле технологических процессов, определении характеристик изделий и многом другом.

Оперативный контроль параметров технологических процессов позволяет автоматически управлять такими процессами и оптимизировать их протекание, что, в свою очередь, повышает надежность промышленного производства, качество и объем выпускаемой продукции.

Поиск оптимального пути решения задачи измерения, как правило, не прост, так как требует одновременного учета ряда критериев. Важнейшим из этих критериев является погрешность измерений. Погрешность измерений играет особую роль, так как установить для нее требования технического и экономического характера сложнее, чем для иных параметров. Так, например, зная предел изменения значений физической величины, нетрудно сформулировать требования для прибора с соответствующим пределом входной величины и выбрать такой прибор. Требования к погрешности измерений зависят от того, может ли допускаться определенная погрешность или погрешность должна быть по возможности уменьшена. Основное правило измерительной техники формулируют следующим образом: измерять не столь точно, насколько это возможно, а так точно, как это необходимо.

Следует учитывать тот факт, что определение значения измеряемой величины не является однонаправленным процессом. Средство измерения взаимодействует с объектом измерения. Влияя на объект, средство измерения часто отбирает у него энергию, что может искажать результат измерений.

Например, рассмотрим закрытый сосуд, наполненный нагретой водой, температуру которой необходимо измерить. Для этого в воду опускают стеклянный ртутный термометр, ждут некоторое время, пока температура ртути не сравняется с температурой воды, и установившееся значение считывают по шкале термометра. Однако при своем нагреве термометр отобрал какую-то часть тепловой энергии у воды, которая за это время несколько остыла, так что температура уже не является искомой (начальной) температурой воды.

На практике (если позволяют обстоятельства) термометр постоянно находится в воде и нагревается одновременно с ней, кроме того, теплоемкость термометра обычно существенно меньше.

За редкими исключениями взаимные воздействия объектов и средств измерений проявляются всегда. Вопрос заключается в том, какое влияние эти воздействия оказывают на результаты измерений в каждом конкретном случае. Нередко погрешностью результатов измерений, обусловленной указанными воздействиями, можно пренебречь, но это в меньшей степени касается электрических измерений.

Примером может служить измерение напряжения источника с внутренним сопротивлением RU, схема замещения которого изображена на рисунке. Известно, что напряжение U у источника, не нагруженного измерительным прибором, всегда выше показаний U прибора. В этом проявляется обратное воздействие измерительного прибора (его внутреннего сопротивления) на объект измерений (рис. 9.3).

Рис. 9.3

Итак, взаимное влияние объекта и средства измерений – характерное явление в измерительной технике, и вызванное им искажение результатов измерений определяется соотношением между измеряемой величиной и параметрами измерительного прибора, или более точно, – соотношением параметров взаимодействующих цепей объекта и средства измерений.

Поскольку вторая часть курса в большей степени связана с электрическими измерениями, речь здесь пойдет об «измерительных преобразователях». Преобразователем можно считать любое передаточное звено, в котором осуществляется какое-либо целенаправленное изменение входного сигнала, а именно: изменение либо вида энергии, либо вида или формы представления сигналов, либо их информативных параметров, либо значений этих параметров. Эта трактовка является обобщенной. Мы ограничимся рассмотрением так называемых первичных измерительных преобразователем (ПИП).

Конструктивно выделенный ПИП, выдающий сигналы измерительной информации, называют датчиком.

ПИП содержит чувствительный элемент, непосредственно воспринимающий измеряемую величину; его называют также сенсорным элементом.

Измерительные преобразователи, установленные в измерительной цепи после ПИП, являются промежуточными, или вторичными.

Преобразование измеряемой величины в отображающий ее сигнал является специфической операцией процесса измерений, от технической реализации и точности выполнения которой во многом зависят получаемые результаты измерений.

Принципы преобразования, а также схема и конструктивная реализация ПИП зависят не только от измеряемой величины, но и от требуемого вторичного сигнала, ее отображающего. Поэтому используемые принципы построения ПИП (и других измерительных преобразователей) связаны с преобразованием одного вида энергии, воспринимаемой от объекта измерений или содержащейся во вторичных сигналах, в другой вид.

Большое влияние на разработку датчиков оказали интегральные технологии. Некоторые современные интегральные датчики совмещены в одном кристалле с соответствующей измерительной схемой (в частности, мостовой) и усилителем, что способствует их совместимости с измерительными устройствами и системами.

9.1 Технические средства измерений, измерительные преобразователи

Для реализации методов измерения применяются различные виды СИ: мера, измерительный преобразователь, измерительный прибор, вспомогательное средство измерения, измерительная информационная система (рис.9.4).

Измерительная система – совокупность средств измерений, соединенных между собой каналом общего пользования (КОП) и предназначенная для выработки сигналов измерительной информации в форме, удобной для автоматической обработки. Создание информационно-измерительных систем (ИИС) связано с новым этапом развития измерительной техники – построение автоматизированных ИИС на базе радиоизмерительных приборов общего применения.

Рис. 9.4

Измерительный преобразователь – средство измерений для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и (или) хранения, но не поддающейся непосредственному наблюдению человеком (оператором).

Основной характеристикой преобразователя α =f(x) называется функциональная зависимость выходной величины, выведенная аналитическим или графическим путем.

Чувствительность – S= Δ α/ Δ x есть отношение приращения показания Δ α указателя к приращению Δ x измеряемой величины x.

Под порогом чувствительности понимается минимальное измерение значения входной величины, которое может быть зарегистрировано преобразователем.

Предел преобразования – это максимальное значение входной величины, которое может быть воспринято преобразователем без его повреждения.

Погрешностью преобразователя называется отклонение его реальной характеристики от номинальной, полученной при первоначальной градуировке.

В зависимости от того явления, которое используется для преобразования неэлектрической величины в электрическую, преобразователи делятся на три группы:

электромеханические (контактные, реостатные, тензометрические. электростатические, электромагнитные);

тепловые и электрохимические (термоэлектрические, термосопротивления, электрохимические);

электронные и ионизационные (электронные, ионные, ионизационные).

По виду получаемой на выходе преобразователя выходной величины все типы преобразователей можно разделить на две группы: параметрические и генераторные.

Если входная неэлектрическая величина преобразуется в один из параметров электрической цепи (R – сопротивление, L – индуктивность, М – взаимная индуктивность, С – емкость), для измерения которой необходимо применение источника питания, то преобразователь называется параметрическим, если неэлектрическая величина преобразуется в электродвижущую силу (ЭДС), то преобразователь называется генераторным.

К параметрическим измерительным преобразователям относятся: резистивные. индуктивные и взаимоиндуктивные, магнитоупругие, емкостные, электролитические, фотоэлектрические преобразователи и терморезисторы.

К генераторным измерительным преобразователям можно отнести: индукционные, пьезоэлектрические, термоэлектрические и некоторые разновидности электрохимических преобразователей.

К преобразователям как основным элементам приборов для измерения неэлектрических величин предъявляется ряд специфических требований:

• постоянство во времени функции преобразования (обычно линейной);
• высокая чувствительность;
• малая погрешность;
• высокие динамические свойства (возможность измерения переходных процессов).

9.2 Погрешности измерений

Основной задачей физического эксперимента является измерение численных значений наблюдаемых физических величин. Измерением называется операция сравнения величины исследуемого объекта с величиной единичного объекта.

Результат всякого измерения всегда содержит некоторую погрешность. Поэтому в задачу измерений входит не только нахождение самой величины, но также и оценка допущенной при измерении погрешности.

Абсолютной погрешностью приближенного числа называется разность между этим числом и его точным значением, однако ни точное значение, ни абсолютная погрешность принципиально неизвестны и подлежат оценке по результатам измерений.

Относительной погрешностью приближенного числа называется отношение абсолютной погрешности приближенного числа к самому этому числу.

9.3 Классификация погрешностей измерений

Погрешность результата измерения складывается из погрешности средства измерения, неадекватности методики измерений и несоответствия условий измерения и условий использования полученного результата (рис. 9.5).

Как видно из схемы, погрешность результата измерения возникает:

а) при воспроизведении размера единицы физической величины (в силу того, что технически невозможно создание абсолютно точных эталонов);

б) при передаче размера единицы физической величины (к основным процедурам передачи размера относят поверку, калибровку, аттестацию);

в) при аттестации (из-за несовершенства аттестационного оборудования, методик выполнения измерений и др.);

г) при поверке СИ (из-за несовершенства методов поверки и др.);

д) при градуировке (из-за несовершенства способов нанесения шкал, ошибок при построении градуировочных кривых и т. д.);

е) при рабочих измерениях (выполняемых рабочими СИ в лабораторных, полевых или других условиях);

ж) при статистической обработке результатов измерений.

Рис. 9.5

Погрешность измерений – отклонение результата измерения от действительного значения измеряемой величины.

Методическая погрешность – это погрешность, вызванная неточностью метода измерения или расчетной формулой, положенной в основу прибора.

Инструментальная погрешность – следствие недостатка конструкции прибора, несоблюдения технологии его изготовления, плохой регулировки и износа прибора.

Субъективная погрешность – погрешность, зависящая от наблюдателя, возникает из-за отсутствия правильных навыков работы с приборами, несовершенства органов чувств, тренированности и невнимательности при измерениях. Применение цифровых приборов и приборов с зеркальной системой отсчета исключает субъективную погрешность.

Систематическая погрешность – погрешность, которая может оставаться постоянной или закономерно изменяться при повторных измерениях одной и той же постоянной величины. Эту погрешность можно выявить и устранить, введя поправки в измерения. Она обусловлена несовершенством средств измерения, метода измерения, влиянием внешних условий измерений (температура, влажность, избыточное давление), органов чувств наблюдателя. Устраняется очередной поверкой прибора, установкой нуля, использованием стабилизированного источника питания и т.д. Характеризует правильность измерения.

Случайная погрешность – погрешность, изменяющаяся случайным образом (по знаку и значению) при повторных измерениях одной и той же постоянной величины, проведенных с одинаковой тщательностью. Их закономерности можно выявить при больших количествах измерений (24), избежать их невозможно. Причиной появления может быть нестабильность переходного сопротивления в контактах, трение в опорах, влияние гистерезиса, изменение освещенности, усталость глаз, неточность установки линейки, неточность установки начала отсчета, влияние магнитных и электрических промышленных помех.

Постоянные погрешности – погрешность градуировки шкалы аналоговых приборов, калибровки цифровых приборов, неточности подгонки резисторов, температурные влияния.

Переменные погрешности – погрешности, возникающие из-за нестабильности напряжения источника питания, влияния электромагнитных помех и т.д.

Основная погрешность – погрешность измерений прибора, работающего в нормальных условиях эксплуатации (влажность 30-80%).

Дополнительная погрешность – погрешность измерений прибора, вызванная отклонением условий эксплуатации от нормальных условий.

Статическая погрешность – погрешность в условиях, когда измеряемая физическая величина постоянна;

Динамическая погрешность – погрешность, измеряемая физическая величина меняется, и реакция прибора не успевает за ее изменением (например, измерение колебаний балки в нескольких точках).

Внешняя погрешность – важная составляющая погрешности результата измерения, связанная с отклонением одной или нескольких влияющих величин от нормальных значений или выходом их за пределы нормальной области (например, влияние влажности, температуры, внешних электрических и магнитных полей, нестабильности источников питания, механических воздействий и т. д.). Являются систематическими и определяются как дополнительные погрешности.

Среди переменных погрешностей выделяют прогрессирующие, монотонно возрастающие или убывающие в процессе своего изменения, и периодические, значения которых повторяются через равные промежутки времени.

При воздействии многочисленных внешних факторов (температура, влажность, давление и др.) характеристики СИ могут изменяться. При этом возникают аддитивные Δ х _а (погрешности "нуля"), мультипликативные Δ х _м (погрешность крутизны характеристики), и нелинейные погрешности Δ х _н (рис.9.6).

Рис. 9.6

Быстродействие СИ характеризуется числом измерений в единицу времени; полосой частот входного параметра, при которых СИ не выходит за заданный предел точности. У стрелочных приборов быстродействие оценивают временем с момента изменения входного сигнала до момента, когда стрелка прибора вошла в полосу не более 1 % от установившегося значения входного параметра по шкале прибора и остается в этой полосе.

Погрешность результата измерения – это отклонение результата измерения от истинного значения измеряемой величины.

Для приборов наилучшей является линейная статическая характеристика у = bх + а, где а – постоянная; b – передаточный коэффициент, причем среди линейных статических характеристик более предпочтительны характеристики, для которых а = 0, т.е. у = кх. Самой желательной статической характеристикой прибора является у=х, получаемая при коэффициенте передачи к = 1. В этом случае искомое значение физической величины отсчитывают непосредственно по шкале прибора (рис.9.10).

Рис. 9.10

а) – нелинейная статическая характеристика, б)– линейная статическая характеристика у = bх + а,; в) – линейная статическая характеристика у = кх.

На основе графического представления исследуемых зависимостей удается провести достаточно полную обработку экспериментальных данных (рис. 9.11 – 12). Графическая обработка позволяет:

1) провести аппроксимацию экспериментальных точек, в результате чего уменьшаются случайные погрешности;

2) провести интерполяцию и экстраполяцию экспериментальных данных;

3) определить координаты точек, находящихся на графике;

4) найти параметры аппроксимирующей кривой;

5) оценить погрешности измеренных величин по значению R ².

Рис. 9.11

Рис. 9.12

Не менее важным этапом в оценке данных о состоянии объекта измерения в предшествующие моменты времени прогнозировать его состояние для последующего момента времени является применение статистического исследования результатов наблюдений.

Для оценки степени взаимосвязи можно руководствоваться следующими эмпирическими правилами. Если коэффициент корреляции (r) по абсолютной величине (без учета знака) больше, чем 0,95, то принято считать, что между параметрами существует практически линейная зависимость (прямая – при положительном r и обратная – при отрицательном r):

Если коэффициент корреляции | r | лежит в диапазоне от 0,8 до 0,95, говорят о сильной степени линейной связи между параметрами. Если 0,6 <| r | < 0,8, говорят о наличии линейной связи между параметрами. При | r |< 0,4 обычно считают, что линейную взаимосвязь между параметрами выявить не удалось (рис.9. 13).

Рис. 9.13

Дата добавления: 2015-04-30