Погрешности средств измерения

Инструментальной погрешностью измерения называется составляющая погрешности измерений, обусловленная свойствами применяемых средств измерения.

Согласно ГОСТ 8.0009-84 различают четыре составляющих погрешности средств измерений:

1. Основная;

2. Дополнительная;

3. Динамическая;

4. Обусловленная взаимодействием средств измерения и объекта измерения.

Основная погрешность – обусловлена неидеальностью собственных средств измерения и показывает отличие действительной функции преобразования средств измерения в нормальных условиях от номинальной функции преобразования.

По способу числового выражения основной погрешности различают: абсолютную, относительную и приведенную погрешности.

Абсолютная погрешность измерительного прибора- это разность между показаниями прибора Х и истинными значениями А измеряемой величины:

Относительная погрешность измерительного прибора- это отношение абсолютной погрешности к истинному значению измеряемой величины, взятое в %

Относительная погрешность существенно изменяется вдоль шкалы аналогового прибора. С уменьшением значений измеряемой величины относительная погрешность увеличивается.

Приведенная погрешность измерительного прибора- это отношение абсолютной погрешности к нормированному значению X_N, взятое в %.

Основной погрешностью прибора является его погрешность в нормальных условиях работы.

Аддитивная погрешность (а)- не зависит от чувствительности прибора и является постоянной для всех входных величин в пределах диапазона измерений.

Мультипликативная погрешность (bx)- зависит от чувствительности прибора и изменяется пропорционально текущему значению входной величины (прямая 2).

3-аддитивная погрешность;

2-мультипликативная погрешность;

1-суммирующая абсолютная погрешность;

Суммарная абсолютная погрешность:.

Дополнительная погрешность обусловлена реакцией средства измерения на изменение входных величин и непосредственных параметров входных сигналов. Неинформативными называются параметры, не используемые для передачи значения изменяемой величины. Эта погрешность зависит от свойств средств измерений и от изменения влияющих величин, отличных от нормальных. Нормальные условия: температура окружающего воздуха - 20 5 С, относительная влажность воздуха – 30-80%, атмосферное давление – 630-795 мм рт. ст., напряжение сети – 220 4,4 В., частота тока – 50 0,5 Гц.

Погрешность обусловлена взаимодействием средств измерения и объекта измерения- это погрешности которые вносит прибор в функционирование объекта измерения.

Динамическая погрешность - обусловлена реакцией средства измерения на скорость (частоту) изменения входного сигнала и зависит от динамических свойств средств измерений, от частотного спектра входного сигнала, изменения нагрузки и влияющих величин.

Полная динамическая характеристика - это характеристика, полностью описывающая принятую математическую модель динамических свойств средства измерения и однозначно определяющая изменение выходного сигнала средства измерения при любом изменении во времени информативного или неинформативного параметра входного сигнала или влияющей величины.

Частная динамическая характеристика - это любой функционал или параметр полной динамической характеристики.

Классы точности.

Класс точности служит для сопоставления средств измерений одной и той же физической величины.

Класс точности средства измерения - это общая характеристика, определяемая пределами допускаемых основных и дополнительных погрешностей, а так же другими свойствами, влияющими на точность измерений, значения которых устанавливают в стандартах на отдельные виды средств измерения.

При проектировании приборов с указателем и шкалой надо иметь ввиду, что предел точности прибора будет определяться его шкалой т.е. погрешностью отсчитывания. Для увеличения точности прибора надо уменьшить цену деления его шкалы.

1. Причины возникновения и способы исключения систематической погрешности.

Оценка достоверности измерений – основная задача метрологии.

По способу числового выражения различают абсолютные и относительные погрешности.

В зависимости от источника возникновения могут быть инструментальные, методические и субъективные погрешности. Инструментальная погрешность обуславливается погрешностью средств измерения. Методическая возникает из-за несовершенства разработки теории явлений, положенных в основу метода измерений, из-за неточности соотношений, используемых для нахождения оценки измеряемой величины, а так же из-за несоответствия измеряемой величины ее модели.

По закономерности проявления – случайные и систематические погрешности. Систематические погрешности измерения (/\ c)- составляющая погрешности измерения, остающаяся постоянно или закономерно изменяющаяся при повторных измерениях одной и той же величины. Случайная погрешность измерения (/\)-составляющая погрешности измерения, изменяющаяся случайным образом при повторных измерениях одной и той же величины.

Грубые погрешности измерений - случайные погрешности измерений, существенно превышающие ожидаемые при данных условиях погрешности.

Различают три составляющих погрешности измерения: инструментальную, зависящую от погрешностей применяемых средств измерений, методическую, связанную с несовершенством метода измерения и погрешность отсчитывания (только для приборов с указателем и шкалой), обусловленную неточным определением на глаз долей деления шкалы D_ОТС=±0.1 дел.

1. Случайные погрешности и их оценка.

Все погрешности можно разделить на систематические и случайные.

Систематические погрешности СИ - составляющие погрешности СИ, которые остаются постоянными или изменяются по известному закону. Систематическую погрешность СИ можно скорректировать.

Случайная погрешность СИ - погрешность СИ, которая изменяется случайным образом. Случайную погрешность нельзя скорректировать.

Для оценки случайных погрешностей можно применить оценку по предельному значению, но этот способ дает завышенные значения погрешности. Поэтому для оценки случайной погрешности пользуются статистическими методами. Для характеристики случайной величины пользуются законом ее распределения, в основном дифференциальным (плотность распределения вероятностей). Для характеристики случайной величины пользуются также математическим ожиданием (в метрологии - систематическая погрешность) и среднеквадратичным отклонением (характеризует разброс погрешностей вокруг) Согласно ЦПТ (центральная предельная теорема) закон распределения суммы случайных величин стремится к нормальному, если число случайных величин стремится к бесконечности и нет ни одной преобладающей. Поэтому на практике весьма часто имеет место нормальный закон распределения погрешностей: В случае нормального распределения доверительную вероятность можно найти по формуле в которой присутствует функция Лапласа (интеграл вероятностей) Для данной функции составлены таблицы; Полезно вспомнить правило трех сигм, которое гласит, что при нормальном законе распределения случайная величина попадет в интервал с вероятностью P =0.997.

1. Основные характеристики измерительных приоров

Метеорологические характеристики средств измерений

1) Чувствительность прибора.

2) Диапазон и пределы измерений.

3) Погрешности.

4) Вариация показаний.

5) Потребляемая мощность.

6) Входное и выходное сопротивление.

7) Время установления показаний (для цифровых приборов время измерений).

8) Надежность.

1) Чувствительность прибора.

Чувствительность обозначается если шкала равномерна.

Цена деления - величина обратная чувствительности

2.Диапазон и пределы измерений.

Диапазон-область значений измеряемой физической величины, для которой нормированы допустимые погрешности.

Пределы измерений - Amin и Amax.

3.Погрешности.

Погрешность-отклонение от истинного значения.

- абсолютная погрешность.

- относительная погрешность.

Приведенная погрешность - предел максимально возможной погрешности,ей определяется класс точности прибора.

4.Вариация показаний.

Вариация показаний - разность между Amax и Amin -разность между двумя показаниями прибора при измерении одного и того же значения,при подходе к ней со стороны минимума и со стороны максимума.

5.Потребляемая мощность.

Диапазон потребляемой мощности Вт.

6.Входное и выходное сопротивление.

Входное сопротивление Zвх - это реакция входного сигнала на подключение данного измерительного прибора к источнику сигнала. Выходное сопротивление Zвых - это реакция выходного сигнала на подключение к выходным зажимам источника сигнала фиксированной нагрузки. Выходное сопротивление у разных приборов разное.Для того чтобы потери были минимальными нужно,чтобы Zвх=Zвых.При последовательном включении измерительных приборов Zвх должно быть максимальным.

При параллельном включении измерительных приборов Zвх должно быть максимальным.

7.Время установления показаний (речь идет о электромеханических приборах со стрелкой)

Когда отклонение составляет 1.5% конечной шкалы то этот момент фиксируется. tуст=< 4c

8.Надежность.

Надежность характеризуется временем работы на отказ или вероятностью безотказной работы (вероятность 0.8) в течении определенного времени.

1. Эталоны. Образцовые и рабочие меры.

Стр 30

1. Общие сведения об аналоговых электромеханических приборах.

Электромеханические измерительные приборы - это средства измерения, предназначенные для прямого измерения физических величин путем преобразования электромагнитной энергии в механическую (перемещение указателя, стрелки)

1- измерительная цепь; 2 - измерительный механизм; 3 - отсчетное устройств.

I. Измерительная цепь предназначена для преобразований измеряемой величины в одну или две электрические величины (своего рода преобразователь)

Измерительная цепь может включать следующие преобразователи:

-шунты

-добавочные сопротивление

-измерительные трансформаторы.

-одно- и двухполупериодные выпрямители

-термоэлектрические преобразователи

II. Измерительный механизм предназначен для преобразования электромеханической энергии в механическую то есть, в перемещение подвижной части (угловое движение)

Электромеханическая энергия может преобразовывается как на постоянном так и на переменном токе и определяет вращающий момент

В измерительном механизме создается противодействующий момент, с целью получения угла поворота, пропорционального измеряемой величине

- функция преобразования преобразователя

– противодействующий момент

– удельный противодействующий момент

Для уравновешивания стрелки необходимо выполнение условия:

это выражение называется уравнением шкалы,

где – угол отклонения перемещения стрелки.

Для уменьшения времени установления показаний, измерительный механизм снабжается успокоителями они содержат свой момент - момент успокоения.......

-зависит от скорости перемещения стрелки.

Успокоители бывают воздушные,жидкостные и магнитоиндукционные (магнитоиндукционные наиболее распространены).

Измерительные механизмы по способу преобразования делятся на:

1)Магнитоэлектрические.

2)Электромагнитные.

3)Электродинамические.

4)Электростатические.(принцы взаимодействия)основывается на взаимодействии двух заряженных проводников

5)Индукционные системы приборов

III. Отчетное устройство предназначено для считывания показаний прибора содержит планку и указатель. Указатель может быть как стрелочный, так и оптический.(В высокоточных приборах, для устранения параллакса, используют зеркала).

Некоторые измерительные приборы не имеют измерительной цепи

Общие узлы и детали: устройство для установки подвижной части измерительного механизма, устройства для создания противодействующего момента, для уравновещивания и успокоения.

Подвижная часть устанавливается на опорах, на растяжках или на подвесе.

* подшипники; ось; стрелка; корректор; спиральные пружины для создания противодействующего момента; вилка; палец, эксцентрично расположенный; винт; грузки для уравновешивания подвижной части.

ИМ считается уравновешенным, когда центр тяжести подвижной части совпадает с осью вращения. Для создания ускорения служат ускорители, развивающие момент, направленный навстречу движения. Время успокоения <=4 с. Успокоители бывают магнито-индукционные, воздушные и жидкостные, когда требуется большое ускорение.

1. Устройство и принцип действия магнитоэлектрических измерительных механизмов

Основным типом пропорционального измерительного прибора является прибор магнитоэлектрической системы, существенная часть которого представляет собой катушку (рамку), свободно вращающуюся в однородном поле постоянного магнита. Для подвода тока к этой рамке служат две спиральные пружины с линейной характеристикой, которые создают также вращающий момент, пропорциональный углу поворота. Если по обмотке рамки проходит ток, то он создает вращающий момент, пропорциональный этому току и вызывающий поворот рамки.

Таким образом. в каждый момент времени поворотная рамка находится под действием двух противоположно направленных вращающих моментов; один них (электрический) пропорционален току, протекающему через обмотку, а другой (создаваемый механически) пропорционален углу поворота рамки. Если ток не изменяется во времени (имеет постоянное значение I), то устанавливается стационарный угол отклонения, пропорциональный току I (указатель неподвижен). Если ток изменяется во времени, то хотя возникающий электрический момент изменяется безинерционно вслед за силой тока, устанавливающийся угол поворота определяется передаточной функцией механической системы.

, где B – индуктивность, S – площадь рамки, w – число витков,

I – сила тока.

– противодействующий момент.

Отсюда:

, где – чувствительность по току

– уравнение шкалы.

Угол отклонения обычно определяют при помощи механического указателя - стрелки, перемещающейся по шкале, проградуированной непосредственно в единицах измеряемой электрической величины. В специальных случаях вместо механического указателя используют световой луч, отражаемый от зеркальца, закрепленного на поворотной катушке.

Шкала у таких приборов равномерная.

* высокая чувствительность;большая точность; не значительное влияние на режим рабочей цепи;хорошее ускорение; равномерная шкала; сложность изготовления;плохая перегрузочная способность; температурное влияние на точность измерений.

1) шкала

2) стрелка

3) постоянный магнит

4) цилиндр из магнитномягкой стали

5) возвратные пружины и токоподводы к рамке (2 шт.)

6) рамка (вращающаяся катушка)

7) полюсные наконечники из магнитномягкой стали

Достоинства:

-высокая чувствительность (можно измерить ток до 30 nA)

-высокая точность

Недостатки:

- использование только на постоянном токе

- сложность конструкции (высокая стоимость)

- малая перегрузочная способность

На основе данной системы строятся амперметры и вольтметры.

Шунты подключаются к измерительному механизму параллельно

Измеренный ток обозначим через.

– – коэффициент преобразования.

Сопротивление шунта должно быть в (n-1) раз меньше сопротивлений измерительного механизма.

Как правило шунты применяются на постоянном токе, значительно реже на переменном.

Добавочное сопротивление это -простейший преобразователь напряжения в ток, и предназначено для расширения пределов измерения приборов по напряжению

Добавочное сопротивление включается в схему последовательно

Добавочное сопротивление должно быть больше в (n-1) раз чем.

, на нем должна падать часть напряжения.

1. Магнитоэлектрические приборы с преобразованием переменного тока в постоянный

Сочетание магнитоэлектрического механизма с преобразователем переменного тока в постоянный позволяет использовать достоинства этого механизма при измерениях в цепи переменного тока. В зависимости от вида преобразования различают выпрямительные, термоэлектрические и электронные приборы.

Выпрямительные элементы.

В измерительных цепях иногда содержатся полупроводниковые измерительные элементы.

Возможны 2 варианта построения цепи:

1) Однополупериодное выпрямление.

2) Двухполупериоднoе выпрямление.

где – средневыпрямленное значение

Термоэлектрические преобразователи.

Все предыдущие приборы использовались на низких частотах. Термоэлектрические преобразователи используются от 0 до сотен МГц.

Если ток через нагревательный элемент отсутствует, то.

Если ток не равен нулю, то

– коэффициент пропорциональности

– коэффициент теплоотдачи

– коэффициент пропорциональности

1. Расширение пределов измерения приборов магнитоэлектрической системы.

Расширение пределов измерения электромагнитных приборов при их использовании в качестве вольтметров обеспечивается, как и в магнитоэлектрических приборах, при помощи соответственно рассчитанных добавочных резисторов, подключаемых последовательно.

Применение шунтов для расширения пределов измерения электромагнитных приборов, работающих в качестве амперметров, недопустимо, поскольку температурная зависимость сопротивления обмотки и ее индуктивность, которой нельзя пренебречь, при работе со стабильным параллельным резистором могут вызвать очень большие погрешности в зависимости от температуры и частоты.

При повышенных частотах могут иногда возникать погрешности вследствие гистерезиса в ферромагнитных деталях и может изменяться полнее сопротивление (особенно в вольтметрах), из-за чего используемый диапазон частот не может превышать примерно 1000 Гц.

Принцип действия основан на взаимодействии магнитного поля катушки с током с одним или несколькими ферромагнитными сердечниками.

Существует 2 разновидности конструкции:

a) c круглой катушкой

б) с плоской катушкой

1) стрелка

2) шкала

3) катушка

4) подвижная деталь из магнитномягкой стали

5) ось

6) неподвижная деталь из магнитномягкой стали

F – магнитное отталкивание

Достоинства:

- использование на переменном и постоянном токах

- простота и надежность

- большая перегрузочная способность

Недостатки:

- невысокая чувствительность

- невысокий частотный диапазон (в основном НЧ)

- зависимость от внешних магнитных полей

1. Электро-дин-ые измерительные механизмы. Устройство и принцип действия

Принцип действия основан на взаимодействии магнитных полей подвижной и неподвижной катушек с током.

На рисунке показана принципиальная схема

электродинамического измерительного прибора.

(1и 2 – подвижная и неподвижная катушки.)

Вращающий момент всегда будет направлен так, чтобы направления магнитных потоков совпадали. Общая энергия системы равна:

– уравнение магнитной шкалы.(Шкала неравномерная, а квадратичная).

Если ток переменный, то мы имеем:

где и – действующие значения

Механизм без стального сердечника обеспечивает показания, в основном не зависящие от частоты; однако он в значительной мере подвержен влиянию внешнего магнитного поля, если в нем не предусмотрено магнитное экранирование.

Измерительные механизмы электродинамической системы получили широкое применение, на их основе строятся амперметры, вольтметры, ваттметры, фазометры.

К достоинствам этих приборов относятся: высокий класс точности, независимость показаний от формы кривой тока, использование на постоянном и переменном токах.

Однако имеется ряд недостатков таких, как сложность конструкции, повышенное собственное потребление энергии из измерительной цепи, влияние внешних магнитных полей.

1. Измерение активной мощности в цепях переменного тока. Начертить схемы вкл-я ваттметров для измерения активной мощности.

метода

1. Начертить схемы вкл-я ваттметров для измерения реактивной мощности

метода

1. Измерительные механизмы индукционной системы. Устройство, принцип действия и назначение

???

1. Схемы включения счетчиков активной и реактивной энергии

лаба

1. Измерительный механизм электромагнитной с-мы. Ус-во, пр. действия. Назначение

В основу электромагнитных измерительных приборов положен принцип, в соответствии с которым на ферромагнитное тело в магнитном поле действует сила, пропорциональная квадрату магнитной индукции B. Магнитная индукция В здесь создается при помощи тока, протекающего через катушку прибора; поэтому возникающий вращающий момент пропорционален.

В современных электромагнитных измерительных приборах вращающий момент, поворачивающий подвижную систему, создается силой отталкивания между двумя одинаково намагниченными элементами из электротехнической листовой стали.

Из квадратной зависимости тока следует, что подобного рода система пригодна для использования как на переменном, так и на постоянном токе.

Минимальный ток электромагнитных приборов, соответствующий полному отклонению указателя, составляет около 10 мА; собственное потребление мощности может быть порядка 0.1 -- 1 В А.

1. Расширение пределов измерения приборов электромагн. с-мы

Расширение пределов измерения электромагнитных приборов при их использовании в качестве вольтметров обеспечивается, как и в магнитоэлектрических приборах, при помощи соответственно рассчитанных добавочных резисторов, подключаемых последовательно.

Применение шунтов для расширения пределов измерения электромагнитных приборов, работающих в качестве амперметров, недопустимо, поскольку температурная зависимость сопротивления обмотки и ее индуктивность, которой нельзя пренебречь, при работе со стабильным параллельным резистором могут вызвать очень большие погрешности в зависимости от температуры и частоты.

При повышенных частотах могут иногда возникать погрешности вследствие гистерезиса в ферромагнитных деталях и может изменяться полнее сопротивление (особенно в вольтметрах), из-за чего используемый диапазон частот не может превышать примерно 1000 Гц.

Принцип действия основан на взаимодействии магнитного поля катушки с током с одним или несколькими ферромагнитными сердечниками.

Существует 2 разновидности конструкции:

a) c круглой катушкой

б) с плоской катушкой

1) стрелка

2) шкала

3) катушка

4) подвижная деталь из магнитномягкой стали

5) ось

6) неподвижная деталь из магнитномягкой стали

F – магнитное отталкивание

Достоинства:

- использование на переменном и постоянном токах

- простота и надежность

- большая перегрузочная способность

Недостатки:

- невысокая чувствительность

- невысокий частотный диапазон (в основном НЧ)

- зависимость от внешних магнитных полей

На основе измерительного механизма электромагнитной системы изготавливаются амперметры и вольтметры.

1. Электронные аналоговые приборы, общие сведения

Аналоговые – показания являются непрерывными функциями изменений измеряемых величин.

Дата добавления: 2014-01-07