Объектов материального мира 3 страница
Характеристики чувствительности средств измерений к влияющим величинам описываются функцией влияния Y(x) и изменением значений метрологических характеристик СИ, вызванные изменениями влияющих величин в установленных пределах, e(x).
e(x) – разность по абсолютной величине между МХ, соответствующей некоторому заданному значению влияющей величины x в пределах рабочих условий применения СИ, и данной МХ, соответствующей нормальному значению влияющей величины. Эти изменения нормируются посредством установления пределов допускаемых изменений характеристики при изменении влияющей величины в заданных пределах.
Использование функций влияния позволяет определять не предельно возможные значения погрешности, а их статические оценки. Нормирование функции производится путем установления ее номинального значения и пределов допустимых отклонений от него. Возможно нормирование граничных, верхней и нижней, функций влияния.
Дополнительная погрешность вызывается изменением влияющих величин относительно своих нормальных значений и является их функцией. Для различных СИ одного типа могут значительно меняться вид функции и ее параметры. Поэтому для всех СИ одного типа принята в качестве характеристики дополнительной погрешности некоторая средняя (номинальная) для данного типа функция зависимости погрешности от изменения влияющих величин. Функции влияния могут нормироваться как для каждой отдельно, так и некоторой их совокупности.
|
|
|
Нормирование динамических характеристик СИ производится путем установления номинальной характеристики и пределов допускаемых отклонений от нее. Нормировать следует такую характеристику, которая может быть легко определена экспериментально.
Метрологические характеристики влияния на инструментальную составляющую погрешности отражают способность влиять на инструментальную составляющую вследствие взаимодействия СИ с любым из подключенным к его входу или выходу компонентов, например, объектом измерения. Потребление энергии от объекта измерения средством измерения влияет на значение измеряемой величины и, следовательно, приводит к появлению соответствующей составляющей погрешности. Для СИ, работа которых характеризуется обменом энергией между объектом и прибором, необходимо нормировать некоторые характеристики свойств этих приборов отдавать или отбирать энергию через выходные и входные цепи. Такие характеристики называют импедансными или импедансами. Указанные характеристики нормируются установлением номинальных значений импедансных характеристик и пределов допускаемых отклонений от них.
|
|
|
Средства измерения допускаются к применению только при условии нормирования их метрологических характеристик. Их значения приводятся в технической документации. Посредством нормирования метрологических характеристик обеспечивается взаимозаменяемость средств измерения и единство измерения в масштабах страны. Реальные значения МХ СИ определяются при их изготовления, а затем периодически поверяются в процессе эксплуатации. При отклонении даже одной характеристики средство измерения регулируется, ремонтируется или бракуется.
Общий подход к нормированию МХ рассмотрен выше. Здесь отметим только, что основная погрешность устройств для технических измерений нормируется путем установления предела допускаемой абсолютной (a), относительной (q) или приведенной погрешности (p):
D = ± а, (17)
d = 
= ± q, (18)
g = 
= ± p, (19)
где Х – входной сигнал измерительного устройства.
Нормирующее значение ХN принимают равным диапазону измерений или конечному значению шкалы или длине шкалы, если она имеет резко изменяющееся деление.
Способ задания пределов допускаемой основной погрешности для измерительных приборов и преобразователей определяется зависимостью их погрешности от значения измеряемой величины и требованием простоты. Если у измерительных устройств данного вида после соответствующей их регулировки погрешность практически не зависит от значения измеряемой величины, т.е. является аддитивной, то предел допускаемой основной погрешности нормируется абсолютной погрешностью или приведенной погрешностью.
|
|
|
Приведенная погрешность средства измерения – отношение абсолютной погрешности СИ к условно принятому (нормирующему) значению величины, постоянному во всем диапазоне измерений.
, (20)
где DСИ – абсолютная погрешность СИ, равная разности между показаниями СИ и действительным значением измеряемой величины;
ХНМ – нормирующее значение СИ (за нормирующее значение часто принимают верхний предел измерения).
Если погрешность СИ является мультипликативной и пропорциональна измеряемой величине
D = ± 
, (21)
где b – коэффициент пропорциональности,
то предел допускаемой основной погрешности удобно нормировать через относительную погрешность, так как норма определяется одним числом:
d = ± 
= ±b. (22)
Значения пределов относительной (q) или приведенной (p)
погрешности определяется из ряда предпочтительных чисел:
|
|
|
[1; 1,5; (1,6); 2; 2,5; (3); 4; 5; 6]∙10n,
где n – принимается равным +1; 0; -1; -2 и т.д., причем при одном значении n допускается устанавливать не более пяти различных пределов допускаемой погрешности для СИ конкретного вида. Числа 1,6 и 3 допускаются к применению, но не рекомендуются.
При нормировании основной погрешности учитывается тот факт, что положение реальной функции преобразования в пределах полосы допускаемой основной погрешности изменяется за счет влияющих величин, что вызывает случайную погрешность, определяемую размахом R. Обычно допускаемое значение размаха принимается меньшим половины предела допускаемой погрешности
R £ 0,5D. (23)
Для нормирования вариации СИ используют выражения
|
Vx = хпр - хобр
Vy = Yпр - Yобр
где хпр, хобр – показания прибора при прямом и обратном ходе стрелки;
Yпр, Yобр – выходной сигнал преобразования при прямом и обратном ходе соответственно.
Выражения (24) представляют абсолютное значение вариации для приборов и преобразователей соответственно.
|
Wx = 
Wy = 
По выражению (25) определяют приведенное значение вариации входного и выходного сигнала СИ.
Значение предела допускаемой вариации принимается в виде кратного значения предела допускаемой основной погрешности обычно из следующих соотношений:
 |
|
Wy = (1,0¼1,5)g
В настоящее время имеется большое количество приборов, находящихся в эксплуатации, метрологические характеристики которых нормируются по несколько иному принципу – на основе класса точности. Класс точности – это обобщенная характеристика СИ, выражаемая пределами допускаемых значений его основной и дополнительной погрешностей, а также некоторыми другими характеристиками, влияющими на точность. Класс точности не является оценкой точности измерений. По нему можно судить о пределах погрешности СИ данного типа (Приложение 11).
Связь между основной и дополнительной погрешностями, а также с другими свойствами средств измерения обычно регламентируется соответствующими стандартами на отдельные виды средств измерений.
Классы точности не устанавливаются только для тех средств измерения, для которых нормируется систематическая и случайная составляющая погрешности, а также для средств измерения, для которых нормируется и имеет существенное значение динамическая погрешность.
|
(обозначения приведены для класса точности 1,5).
Если погрешность нормирована в процентах от длины шкалы, то под обозначением класса точности ставиться знак.
В рассмотренных случаях обозначение класса точности дает информацию о пределе допускаемой основной погрешности. Числовые значения для классов точности выбирают из приведенного выше ряда предпочтительных чисел.
Для измерительных приборов и преобразователей, применяемых для технических измерений, как правило, выбирают нормальные условия эксплуатации, что в большинстве случаев исключает необходимость нормирования дополнительной погрешности. Поэтому класс точности однозначно определяет допустимую основную погрешность этих средств измерений (Приложение 27).
8. Сигналы измерительной информации
Выше отмечалось (раздел 1.2), что информация о значении физической величины, получаемая при измерении, называют измерительной информацией. Средство измерения представляет эту информацию в виде некоторого сигнала, воспринимаемого человеком или другим техническим устройством – потребителями измерительной информации. Этот сигнал функционально связан с измеряемой физической величиной и его называют сигналом измерительной информации.
Сигнал измерительной информации является следствием преобразования измеренной физической величины, производимым средством измерения. Как правило, сигнал измерительной информации представляется в виде, удобном для дальнейшего использования (потребления). Если потребителем информации выступает человек, то сигнал измерительной информации может представляться в виде показаний, осуществляемых с помощью шкалы со стрелкой или цифрового табло. В случае, когда потребителем информации является техническое устройство, то сигнал измерительной информации преобразуется в форму стандартного сигнала по электрическому напряжению, току или частоте. Пневматические и гидравлические средства измерения сигнал измерительной информации представляют в виде давления воздуха или жидкости (масла).
В процессе измерения на средство измерения как правило воздействуют различные внешние факторы – влияющие физические величины.
Влияющей физической величиной называют физическую величину, не являющуюся измеряемой данным способом измерения, но оказывающую влияние на результат измерения данным способом.
Влияющая физическая величина оказывает свое воздействие на измерения в явной или скрытой формах. В первом случае это могут быть температура и влажность окружающей среды, повышенное или пониженное атмосферное давление и другие подобные явления. Во втором случае влияющие величины могут возникать внутри самого средства измерения за счет неточного изготовления деталей и некачественной сборки, изменения номинальных значений элементов схемы и т.д. Как правило, влияющая физическая величина носит случайный характер, и ее появление, а тем более размер, трудно предусмотреть. Однако, при определении погрешности ее стараются учесть.
Представление сигнала измерительной информации потребителю (человеку) производится отсчетным устройством. Отсчетное устройство представляет собой шкалу со стрелочным указателем. Основным элементом устройства является шкала, определяющая характер информационного сигнала. Шкалы средств измерения имеют различный вид. Наибольшее распространение получили прямоугольные и круглые шкалы. Устройство шкал и их формирование будут рассмотрены в разделе «Структурные схемы СИ».
9. Закономерности формирования
результатов измерения
Чтобы составить представление о выполненном или предполагаемом измерении, необходимо знать его основные характеристики – принцип, метод и погрешность (точность), рассмотренные в гл. 1.2.
Различают два метода измерений: метод непосредственной оценки и метод сравнения с мерой.
Классификационным признаком в таком делении методов измерения является наличие или отсутствие при измерениях меры.
Методы измерения делятся:
1. Метод непосредственной оценки
· с отсчетом по шкале
· с отсчетом по шкале и нониусу
2. Метод сравнения с мерой
· нулевой
· дифференциальный
· замещения
Методы противопоставления и совпадения являются нестандартизированными.
При методе непосредственной оценки (отсчете) значение величины определяется непосредственно по отсчетному устройству измерительного прибора прямого действия (измерительный прибор, в котором сигнал движется только в одном направлении – от входа к выходу).
Метод сравнения с мерой – это метод измерения, в котором измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой.
Метод сравнения в зависимости от наличия или отсутствия при сравнении разности между измеряемой величиной и величиной, воспроизводимой мерой, подразделяются на нулевой и дифференциальный.
Нулевой метод – это метод сравнения с мерой, в котором результирующий эффект воздействия величин на прибор сравнения доводят до нуля (прибор сравнения или компаратор, - измерительный прибор, предназначенный для сравнения измеряемой величины с величиной, значение которой известно). За результат измерения принимают значение меры. Например, взвешивание груза на весах.
Дифференциальный метод – это метод сравнения с мерой, значение которой незначительно отличается от значения измеряемой величины, в котором на измерительный прибор воздействует разность между измеряемой величиной и известной воспроизводимой мерой. За результат принимают сумму показаний прибора и значение меры.
Метод замещения – метод сравнения с мерой, в котором измеряемую величину замещают мерой. Например, взвешивание с поочередным помещением измеряемой массы и гирь (меры) на одну и ту же чашку весов при их неизменном показании. За результат принимают значение меры
· метод противопоставления – метод сравнения с мерой, в котором измеряемая величина и величина, воспроизводимая мерой, одновременно воздействуют на прибор сравнения, с помощью которого устанавливается соотношение между этими величинами.
· метод совпадения – метод сравнения с мерой, в котором разность между измеряемой величиной и величиной, воспроизводимой мерой, измеряют, используя совпадение отметок шкал или периодических сигналов.
Результат измерения во многом зависит от используемого метода.
Получаемые в результате измерений значения физических величин могут быть разными. В связи с этим возникает вопрос о представлении получаемых результатов, их формы и размерности, которые не должны расходится с требованиями единства измерений.
Практикой обработки результатов измерений выработаны правила округления результатов, которые по соглашению признаются и применяются при выполнении любых измерений. Погрешность результата измерений физической величины должна давать представление о том, какие цифры в его числовом значении являются сомнительными. Поэтому числовое значение результата измерения должно быть представлено так, чтобы оно оканчивалось десятичным знаком того же разряда, что и значение его погрешности. Большее число разрядов не имеет смысла, так как не уменьшает неопределенность результата, а меньшее, которое может быть получено путем округления, увеличивает неопределенность. Поэтому погрешность результата измерения нецелесообразно выражать большим числом цифр. Достаточно ограничиться одной значащей цифрой или двумя, если вторая цифра – 5. Две значащие цифры используются только при определении погрешности ответственных точных измерениях.
Для округления и записи результатов измерений руководствуются следующими правилами:
1. Результат измерения определяется так, чтобы он оканчивался цифрой того же разряда, что и значение его погрешности, при этом нули в десятичной дроби числового значения результата отбрасываются только до того разряда, который соответствует разряду числового значения погрешности.
2. Если цифра старшего из отбрасываемых разрядов меньше 5, то остающиеся цифры числа не меняются. При этом лишние цифры в целых числах заменяются нулями, а в десятичных дробях отбрасываются.
3. Если цифра старшего из отбрасываемых разрядов больше или равна 5, а за ней следуют отличные от нуля цифры, то последняя оставляемая цифра увеличивается на единицу.
4. Если отбрасываемая цифра равна 5, а следующие за ней цифры неизвестны или нули, то последнюю сохраняемую цифру не изменяют, если она четная, и увеличивают на единицу, если она нечетная.
Количество значащих цифр в числовом значении результата измерения при использовании приведенных правил позволяет ориентировочно судить о точности измерения.
Числовое значение измеряемой величины должно находится в диапазоне от 0,1 до 1000, что обеспечивают выбором кратных и дольных единиц СИ.
10. Структурные схемы средств измерения
10.1 Виды сигналов средств измерений
Для удобства анализа структур средств измерений, а так же соединений их между собой и средствами автоматического управления любое измерительное устройство принято рассматривать как преобразователь входного сигнала Х в выходной сигнал Y. Такое представление измерительных устройств позволяет применять при анализе аппарат теории автоматического управления.
Если входной и выходной сигналы представляют собой некоторые физические процессы, характеризуемые несколькими параметрами, то среди них различают информативные и неинформативные параметры.
Информативный параметр входного сигнала измерительного устройства – параметр входного сигнала, функционально связанный с измеряемой величиной и используемый для передачи ее значения или являющийся самой измеряемой величиной.
Информативный параметр выходного сигнала измерительного устройства – параметр выходного сигнала, функционально связанный с информативным параметром входного сигнала и используемый для передачи или индикации значения информационного параметра входного сигнала.
Неинформативный параметр входного сигнала измерительного устройства – параметр, неиспользуемый для передачи значения измеряемой величины.
Неинформативный параметр выходного сигнала измерительного устройства – параметр выходного сигнала, не используемый для передачи или индикации значения информативного параметра входного сигнала.
10.2 Структурные схемы измерительных
устройств
Измерительные устройства состоят из некоторых элементов, предназначенных для выполнения определенных функций: преобразование входного сигнала по форме или виду энергии, успокоение колебаний, защита от помех, коммутация цепей, представление информации и т.п. К элементам так же относятся опоры, направляющие, магниты, пружины, контакты, печатающие устройства и т.д.
В состав измерительного устройства могут входить следующие основные элементы:
- преобразовательный элемент – в котором происходит одно из ряда последовательных преобразований измеряемой величины;
- измерительная цепь – совокупность преобразовательных элементов, обеспечивающая осуществление всех преобразований сигнала измерительной информации;
- чувствительный элемент – первый в измерительной цепи преобразовательный элемент, находящийся под непосредственным воздействием измеряемой величины;
- измерительный механизм – часть конструкции средств измерений, состоящее из элементов, взаимодействие которых вызывает их взаимное перемещение;
- отсчетное устройство – часть конструкции средства измерения, предназначенное для отсчитывания значений измеряемой величины;
- регистрирующее устройство – часть конструкции регистрирующего измерительного прибора, предназначенное для регистрации показаний на диаграммной бумаге.
Различают измерительные устройства прямого и уравновешивающего (компенсационного) преобразования.
Структурная схема измерительных устройств однозначно определяется используемым методом преобразования
Измерительный прибор прямого преобразования (рис. 8) работает следующим образом: измеряемая физическая величина Х поступает на чувствительный элемент 1, где преобразуется в другую физическую величину, удобную для последующего использования, и направляется на промежуточный преобразовательный элемент 2, который либо усиливает сигнал, либо преобразует его по форме (в частном случае элемент 2 может отсутствовать). С выхода элемента 2 сигнал передается на измерительный механизм 3, перемещение элементов которого определяется с помощью отсчетного устройства 4. Выходной сигнал Y (показание), формируемый измерительным прибором, может восприниматься человеком.
 |
|
|
|
|
Отсчетное устройство в виде табло имеет корпус прямоугольной формы, в котором размещены цифровые индикаторы. Количество индикаторов зависит от разрядности представляемой информации. В зависимости от требуемой точности представления информации табло может иметь разделитель (запятая или точка).
Схема измерительного прибора, основанного на методе компенсации, показана на рис. 10. Отличительной особенностью такого прибора является наличие отрицательной обратной связи. Здесь сигнал Z, возникающий на выходе чувствительного элемента 1, поступает на преобразовательный элемент 5, который сравнивает две входные величины. Кроме величины Z на вход элемента 5 подается с противоположным знаком сигнал Zур-, который формируется на выходе обратного преобразовательного элемента 6.
На выходе элемента 5 формируется сигнал, пропорциональный разности значений Z и Zур. Этот сигнал поступает в промежуточный преобразовательный элемент 2, выходной сигнал которого одновременно поступает на вход измерительного механизма 3 и обратного преобразователь-
Рис. 10 Структурная схема измерительного
прибора по методу компенсации
ного элемента 6. Измерительный механизм воздействует на показывающее устройство 4 средства измерения.
Структурные схемы измерительных преобразователей, основанных соответственно на методах прямого и уравновешивающего преобразования, приведены на рис. 11.
В этих схемах отсутствуют измерительный механизм и показывающее устройство. Этим определяется недоступность восприятия человеком формы выходного сигнала преобразователя. В то же время в составе измерительных преобразователей, как правило, имеется оконечный преобразовательный элемент 7, который формирует выходной сигнал (усиливает по мощности, преобразует в частоту и т.д.) так, что его можно передавать на расстояние, хранить и обрабатывать.
Рис. 11 Структурные схемы измерительных
преобразователей: А – прямого пре-
образования; Б – уравновешивающе-
го преобразования
11. Статические характеристики
средств измерения
Режим работы измерительного устройства, при котором значения входного Х и выходного Y сигналов не изменяются во времени, называется статическим.
Статической характеристикой измерительного устройства называютфункциональную зависимость выходного сигнала от входного в статическом режиме работы устройства. Более точно статическую характеристику можно определить как зависимость информативного параметра выходного сигнала от информативного параметра его входного сигнала в статическом режиме. Статическая характеристика в общем случае описывается некоторым нелинейным уравнением вида
Y = f(X). (27)
Для измерительных преобразователей, а так же для приборов с неименованной шкалой или со шкалой, отградуированной в единицах, отличных от единиц измеряемой величины, статическую характеристику принято называть функцией преобразования. Для измерительных приборов статическую характеристику иногда называют характеристикой шкалы.
Определение статической характеристики связано с выполнением градуировки, поэтому для всех средств измерений используют понятие градуировочной характеристики, под которой понимают зависимость между значением величины на выходе и входе средства измерений, составленной в виде таблицы, графика или уравнения.
За исключением специальных случаев основные требования к статической характеристике сводится к получению линейной зависимости между выходной Y и входной Х величинами. На практике это требование реализуется в общем случае только с некоторой принятой заранее погрешностью.
Кроме статической характеристики для определения метрологических свойств измерительных устройств используются еще ряд параметров.
На статической характеристике 1 (рис. 12) графически представлены упомянутые понятия диапазона показаний, диапазона измерений нижнего Хн, Yн и верхнего Хв, Yв пределов измерений.
Дата добавления: 2016-01-04; просмотров: 16; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!