Выбор ИЗМеРИТеЛЬНОГО ПРИБОРА

Классификация средств электрорадиоизмерений по измеряемой величине и принципу действия

Классификация средств измерений по роли, выполняемой в системе обеспечения единства измерений

Классификация средств измерений по их роли, выполняемой в процессе измерений

ЛЕКЦИЯ 3 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О МЕТОДАХ И СРЕДСТВАХ ИЗМЕРЕНИЯ

ФОРМЫ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ И ПОКАЗАТЕЛИ ТОЧНОСТИ

Чтобы результаты, полученные в различных лабораториях, могли сопоставляться, формы представления результатов измерений и показатели точности регламентируются нормативными документами (ГОСТ-ами). Согласно таким стандартам результат измерения представляется в виде значения величины и показателей точности. В зависимости от сложности и ответственности измерений используются следующие показатели точности:

1. интервалы, в которых с заданной вероятностью находится суммарная погрешность измерения или ее систематическая составляющая;

2. оценки среднего квадратического значения случайной и систематической составляющих погрешностей;

3. плотность распределения систематической или случайной составляющих погрешностей.

Наиболее распространены технические измерения, которые выполняются однократно. Их погрешность определяется погрешностью средства измерений. Эта погрешность известна до измерения из нормативно технической документации. Записывается результат измерения и погрешность в виде предела допускаемой суммарной погрешности. Вероятность не указывают, предполагается ее значение Р=0,997.

Погрешность в окончательной записи принято выражать числом с одной или максимум двумя значащими цифрами. Две цифры удерживают при точной оценке погрешностей, а также, если цифра старшего разряда числа, выражающего погрешность, равна трем или меньше трех, например, 0,23, но 0,6. При приближенной оценке погрешностей, когда погрешность выражают одной значащей цифрой, цифру 9 не применяют, а две значащие цифры сохраняют, если цифра старшего разряда меньше трех, при этом для младшего разряда обычно применяют только цифру 5. Например, 0,25; 0,15; 0,8; 1,0.

Числовое значение результата измерения должно быть представлено с учетом погрешности, с которой это измерение выполнено. Младший разряд результата должен соответствовать разряду погрешности.

Рассмотрим классификацию средств измерений по различным признакам:

Меры – средства измерений, которые служат для воспроизведения физических величин заданного размера. Применяются меры однозначные, воспроизводящие физическую величину одного размера (например, конденсатор постоянной емкости) и меры многозначные, воспроизводящие ряд одноименных величин различного размера (конденсатор переменной емкости, магазин сопротивлений).

Измерительные преобразователи – средства измерения, предназначенные для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки или хранения, но не поддающейся непосредственному восприятию наблюдателем. Измерительный преобразователь осуществляет измерительное преобразование, т.е. операцию преобразования измеряемой величины в такой выходной сигнал, при котором возможно последующее измерение его информативного параметра с заданной точностью. Физической сущностью измерительного преобразования является преобразование и передача энергии, в частности, преобразование одного вида энергии в другой.

Различают следующие группы измерительных преобразователей: первичный (датчик), к которому подводится измеряемая величина; промежуточный, включенный в измерительной цепи после первичного; масштабный, предназначенный для изменения величины в заданное число раз.

Устройство сравнения – средство измерения, предназначенное для осуществления сравнения измеряемой величины с мерой, т.е. определения соотношения между однородными величинами. Примером устройства сравнения могут служить мостовые схемы.

Измерительный прибор – это средство измерений, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем.

Измерительная установка представляет собой совокупность средств измерений (мер, измерительных преобразователей, измерительных приборов) и вспомогательных устройств, предназначенная для выработки сигналов измерительной информации в форме, удобной для непосредственного восприятия наблюдателем и расположенная в одном месте (например, измерительная установка для поверки стрелочных электроизмерительных приборов).

Измерительная система – это совокупность средств измерения (мер, измерительных преобразователей, измерительных приборов) и вспомогательных устройств, соединенных между собой каналами связи, предназначенная для выработки сигналов измерительной информации в форме, удобной для автоматической обработки, передачи или использования в автоматических системах управления.

Средства измерений разделяются на эталоны, образцовые и рабочие средства измерений.

Эталоны единиц – это средства измерений (или совокупность средств измерений), обеспечивающие воспроизведение и хранение единицы с целью передачи ее размера нижестоящим по поверочной схеме средствам измерений, выполненные по особой спецификации и официально утвержденные в установленном порядке в качестве эталона. Эталоны разделяются на первичные, вторичные, рабочие, специальные.

Первичные эталоны предназначены для воспроизведения единицы с наивысшей в стране точностью.

Вторичные эталоны – это эталоны, значения которых устанавливают по первичному эталону и они являются дублирующими. Существуют их следующие разновидности:

– эталон сравнения — вторичный эталон, применяемый для сличения эталонов, которые по тем или иным причинам не удается непосредственно сличить;

– эталон-свидетель – вторичный эталон, предназначенный для проверки сохранности государственного эталона и для замены его в случае порчи или утраты.

Рабочие эталоны применяются для передачи размера единицы образцовым средствам измерений высшей точности и в отдельных случаях – наиболее точным рабочим средствам измерений.

Специальные эталоны обеспечивают воспроизведение единицы в особых условиях и заменяют для этих условий первичный эталон.

Образцовые средства измерений (меры, измерительные приборы, измерительные преобразователи) предназначены для поверки и градуировки по ним других средств измерений.

Рабочими называют такие средства измерений, которые применяются для измерений, не связанных с передачей размера единиц. Рабочие средства измерений подразделяют на следующие классы точности:

· наивысшей точности;

· высшей точности;

· высокой точности;

· средней точности;

· низшей точности.

В зависимости от вида измеряемой величины электрорадиоизмерительные приборы разделяются на приборы для измерения тока, приборы для измерения напряжения и т.д. Существует 20 групп, каждая из которых обозначается прописными буквами русского алфавита: А – приборы для измерения тока, В – приборы для измерения напряжения, М – приборы для измерения мощности, Ч – приборы для измерения частоты и периода, Е – приборы для измерения параметров цепей сосредоточенными распределенными постоянными, С – приборы для измерения формы сигнала, Л – приборы для измерения параметров полупроводниковых приборов, Б – блоки питания, Г – измерительные генераторы.

В свою очередь, каждая подгруппа в зависимости от основной выполняемой функции подразделяется на несколько видов, обозначаемых цифрами: 1 – установки или приборы для поверки, 2 – для работы в цепях постоянного тока, 3 – для работы в цепях переменного тока, 4 – импульсные измерения, 5 – фазочувствительные приборы, 6 – селективные приборы, 7 – комбинированные приборы, 8 – измерители отношений, 9 – преобразователи величин.

КЛАССИФИКАЦИЯ МЕТОДОВ ИЗМЕРЕНИЙ

Метод непосредственной оценки состоит в том, что значение величины определяется непосредственно по отсчетному устройству измерительного прибора прямого преобразования (действия). Отсчет – число, отсчитанное по отсчетному устройству. Показание прибора – значение измеряемой величины, определяемой по отсчетному устройству и выраженное в принятых единицах.

Метод сравнения с мерой состоит в том, что измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой. Он классифицируется:

Дифференциальный метод заключается в том, что на измерительный прибор воздействует разность измеряемой величины и известной величины, воспроизводимой мерой.

Нулевой метод состоит в том, что результирующий эффект воздействия величин на прибор сравнения доводят до нуля. Например, измерение сопротивления с помощью моста с полным его уравновешиванием.

Метод замещения заключается в том, что измеряемую величину замещают известной величиной, воспроизводимой мерой. Например, измерение ослабления аттенюатора с помощью образцового переменного аттенюатора.

Метод совпадения заключается в том, что разность между измеряемой величиной и величиной, воспроизводимой мерой, измеряют, используя совпадение отметок шкал или периодических сигналов. Например, измерение частоты вращения стробоскопом.

Метод противопоставлений состоит в том, что измеряемая величина и величина, воспроизводимая мерой, одновременно воздействуют на устройство сравнения, с помощью которого устанавливается соотношение между этими величинами. Например, измерение сопротивлений с помощью моста с помещением измеряемого сопротивления в различных плечах моста.

Наряду с понятием «метод измерений» пользуются понятиями алгоритм и методика измерений.

Алгоритм измерения – это точное предписание о выполнении в определенном порядке совокупности операций, обеспечивающих измерение значения физической величины.

Методика измерения включает в себя детально разработанный распорядок процесса измерений, регламентирующий методы, средства и алгоритмы.

Правильно выбрать измерительный прибор – значит применить такой прибор, основные характеристики которого соответствуют свойствам и параметрам исследуемого сигнала или цепи, а также требованиям решаемой задачи. Поскольку до проведения измерений сведения об объекте измерения и о свойствах сигнала весьма ограничены, то обычно опираются на принятую модель сигнала. Поэтому на практике прибор выбирают так, чтобы он должным образом соответствовал принятой модели. При этом учитывают все основные параметры сигнала, а не только тот, который подлежит измерению. Например, если объектом измерения (информативным параметром) служит максимальное значение напряжения прямоугольных импульсов периодической последовательности, то для выбора вольтметра важно знать и некоторые неинформативные параметры: длительность импульса, (она определяет ширину спектра сигнала и полосу пропускания выбираемого прибора), частоту следования импульсов или скважность.

Однако, руководствоваться только моделью при выборе прибора недостаточно, так как перед экспериментатором могут стоять различные задачи. Поэтому выбор прибора диктуется измерительной задачей, которая указывает параметр, подлежащий измерению. Предположим, что модель исследуемого сигнала представляет собой периодическую последовательность прямоугольных СВЧ радиоимпульсов. Если объектом измерения является частота следования импульсов, то выбирается сравнительно низкочастотный частотомер; если же нужно измерить несущую частоту, выбирают частотомер диапазона СВЧ.

В зависимости от характера решаемой задачи в одном случае требуются прямые измерения, в другом допустимы косвенные, а в третьем необходимо измерение полностью автоматизировать.

В некоторых ситуациях решающим фактором является продолжительность измерений, что и определяет требуемое быстродействие прибора. Иногда, выбирая измерительный прибор, во главу угла ставят габариты, массу, удобство эксплуатации, стоимость прибора.

Особо следует остановиться на выборе прибора, по классу точности. Встречаются люди, полагающие, что нужно стремиться применять приборы возможно более высокой точности и считающие, что чем выше точность измерений, тем лучше. Такой подход нерационален, он может повлечь неоправданно высокие стоимость и продолжительность измерений.

Допускаемая погрешность измерений определяется решаемой задачей. Не следует стремиться получить погрешность измерений, во много раз меньшую допускаемой. Например, если по условиям измерительной задачи требуется измерить напряжение постоянного тока с допускаемой погрешностью 5%, то не следует выбирать цифровой вольтметр, предназначенный для измерений с погрешностью менее 0,01%. В то же время, измерения, при которых возможная реальная погрешность выше допускаемой, неприемлемы. По результатам подобных измерений могут быть признаны годными бракованные изделия, сделаны неправильные выводы из экспериментов, пропущены признаки аварийных ситуаций (в том числе опасных для жизни человека).

Потребителя, знающего условия применения измерительного прибора, должны интересовать четыре составляющие погрешности прибора, обусловленные его свойствами: основная, дополнительная (функция влияния), динамическая (зависит как от инерционности измерительного прибора, так и от характеристик входного сигнала), энергетическая (зависит от соотношения между входным сопротивлением измерительного прибора и выходным сопротивлением объекта исследования). При оценке этих составляющих погрешности необходимо учитывать, что нормы, регламентируемые нормативно-технической документацией на измерительные приборы, отражают свойства не конкретного экземпляра прибора, а всей совокупности приборов данного типа. Следовательно, эти составляющие должны рассматриваться как случайные погрешности.

Соответственно допускаемой погрешности измерений выбирают класс точности прибора, который характеризует его свойства, но не является непосредственным показателем точности измерений, выполняемых с помощью этого прибора. Могут существовать и другие причины, влияющие на общую погрешность измерений. Следует иметь в виду, что при использовании приборов, класс точности которых определяется допускаемой приведенной погрешностью, относительная погрешность показания зависит от выбора шкалы прибора по отношению к измеряемому значению. Следовательно, нужно выбирать прибор с таким пределом измерений, которое при ожидаемом значении измеряемой величины позволит наилучшим образом использовать класс точности прибора (условие близости измеряемой величины к конечному значению шкалы прибора).

Выбирая измерительный прибор, необходимо учитывать требования к форме фиксации результата измерения, т.е. можно применить приборы с аналоговыми или цифровыми индикаторами, приборы, снабженные регистрирующими устройствами (самописцы) или запоминающими устройствами, позволяющими хранить результаты измерений и вводить их в ЭВМ. Большинство микропроцессорных приборов удовлетворяет всей совокупности перечисленных требований.

Наконец, на решение о выборе прибора влияет предполагаемое его использование: будет ли он работать, как автономное средство измерения или включен в состав измерительной системы, организуемой с помощью интерфейса.

Дата добавления: 2014-01-04