Метрологические характеристики приборов

В зависимости от назначения измерительные устройства делятся на три группы:

1) Рабочие меры и приборы;

2) Образцовые меры и приборы;

3) Эталоны.

Рабочие меры и приборы используются для практических повседневных измерений в промышленности и подразделяются на технические и лабораторные (повышенной точности). Образцовые меры и приборы служат для проверки и градуировки рабочих. Точность образцовых приборов существенно (в 4-5 раз) выше рабочих. Эталоны служат для воспроизведения и хранения единиц измерения с наивысшей (метрологической) точностью, достижимой при современном уровне науки и техники.

В практической деятельности исследователь имеет дело обычно с рабочими и образцовыми приборами (последние иногда применяют в научных исследованиях). Для того, чтобы правильно подобрать прибор, необходимо знать его характеристики: чувствительность, цену деления шкалы, точность, постоянную времени.

Чувствительность. Любой прибор измеряемую величину (какой-либо входной сигнал, например давление) преобразует в выходной сигнал, удобный для наблюдения или анализа. Чаще всего это перемещение указателя прибора. Связь выходного сигнала с входным называют статической характеристикой прибора:

Чувствительностью прибора называют отношение изменение выходного сигнала (обычно перемещение указателя прибора) к вызвавшему его изменению измеряемой величины, т.е.

Чем больше S, тем чувствительнее прибор, тем круче проходит его статическая характеристика. Это значит, что чем чувствительнее прибор, тем меньшие изменения измеряемой величины он способен фиксировать. С другой стороны, с увеличением чувствительности растет необходимость изоляции прибора от помех, что усложняет измерение.

В зависимости от функции чувствительность может быть либо постоянной величиной (- линейная статистическая характеристика), либо величиной, зависящей от x. В первом случае говорят, что прибор имеет линейную шкалу, во втором – нелинейную. Нелинейность шкалы нежелательна.

Наряду с чувствительностью при многих видах измерений (например, нулевым методом) важное значение имеет также порог чувствительности, т.е. минимальное изменение измеряемой величины, которое может быть отмечено данным прибором. Чем больше чувствительность, тем меньше этот порог. Порог чувствительности зависит также от величины трения, которое тормозит отклонение подвижной системы прибора, и от конкретных условий наблюдения (возможности различать малые отклонения, стабильности показаний и т.д.).

Цена деления шкалы прибора. Как правило, шкала прибора градуируется непосредственно в единицах измеряемой величины (на термометре – в градусах, на манометре – в атмосферах и т.д.). В этом случае цена деления прибора - это число единиц измеряемой величины приходящееся на одно деление на шкале прибора. Если - число деления на шкале прибора до указателя, положение которого соответствует некоторой измеряемой величине x то для равномерной шкалы

Если шкала прибора градуирована просто в миллиметрах (или других единицах, пропорциональных линейному перемещению), то цена деления прибора есть величина обратная чувствительности.

Точность прибора. Основная погрешность определяется классом точности применяемого прибора (см. разд. 1.2). При отклонении условий от нормальных возникающая дополнительная погрешность может существенно исказить результаты измерений даже при использовании приборов высокого класса. Целесообразность применения точных приборов следует предварительно тщательно оценить, сопоставляя основную и ожидаемую дополнительную погрешности.

Постоянная времени прибора является его динамической характеристикой. Если сигнал на входе в прибор мгновенно изменяется на некоторую величину, то выходной сигнал может достигать насыщения лишь через некоторое время. Например, горячий слой термопар быстро опустили в кипящую воду. По мере прогрева спая и подводящих проводов будет меняться термоэ.д.с. термопары, достигнув максимального значения после установления равновесия (рис. 1.3).

Рисунок 1.3 Зависимость входного (а) и выходного (б) сигнала термопары от времени; - температура (входной сигнал); Е-термоэ.д.с. (выходной сигнал)

Связь выходного сигнала со временем иногда выражается экспонентой

Продифференцировав последнее выражение, получим

положив в котором, найдем соотношение

Величина, входящая в приведенные выше выражения, называется постоянной времени. Ее физический смысл ясен из формулы (1.9). Если провести касательную к кривой в начальной точке (на рис. 1.2 кривая конкретизирована), то она достигает величины через некоторое время, равное - постоянной времени прибора. Чем меньше постоянная времени, тем менее прибор инерционен. Малоинерционные приборы применяют для изучения быстропеременных процессов (процессов, имеющих высокую частоту).

Дата добавления: 2014-01-03