МЕТРОЛОГИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ИЗМЕРЕНИЙ

Основные понятия

Метрология - это наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности. Слово «метрология» происходит от греческих слов «мет- рон» - мера и «логос» - учение.

Метрологическое обеспечение (МО) - это установление и применение научных и организационных основ, технических средств, правил и норм, необходимых для достижения единства и требуемой точности измерений.

Научной основой МО является метрология. Организационной основой МО выступает метрологическая служба РФ, состоящая из государственной и ведомственных метрологических служб, базирующихся на основных положениях законодательной метрологии. Нормативно-правовую основу МО составляют комплекс правил, требований и норм, установленных в стандартах и нормативных документах по стандартизации в РФ.

Основой технической базы МО являются средства измерений и контроля. Техническая база МО строится на эталонной базе РФ, которая состоит из 150 государственных первичных и специальных эталонов, 60 вторичных (рабочих) эталонов, обеспечивающих хранение и воспроизведение 70 физических величин в линейно-угловых, механических, температурных, теплофизических, электрических, магнитных, радиотехнических, оптических и других видах измерений, в различных амплитудных, частотных и динамических диапазонах. Конечной целью МО является сведение к рациональному минимуму возможность принятия ошибочных решений по результатам измерений, испытаний и контроля.

Процедура измерения состоит в общем случае из следующих этапов: принятие модели объекта измерения, выбор метода измерения, выбор средства измерения и проведение эксперимента для получения результата. Все эти составляющие приводят к тому, что результат измерения отличается от истинного значения измеряемой величины.

Характеристики, влияющие на результаты и погрешности измерений, называют метрологическими характеристиками. От того, насколько точно они будут выдержаны при изготовлении, насколько они будут стабильны при эксплуатации, зависит точность результатов. К метрологическим характеристикам относятся следующие характеристики.

Функция преобразования (статическая характеристика преобразования) - функциональная зависимость между информативными параметрами выходного и входного сигналов средства измерений. Функцию преобразования, принимаемую для средства измерения и устанавливаемую в научно-технической документации на данное средство, называют номинальной функцией преобразования средства. Номинальная статическая характеристика преобразования позволяет рассчитать значение входной величины по значению выходной. Она может задаваться аналитически, таблично или графически.

Рассмотрим некоторые общие характеристики измерительных приборов.

Вариация показаний прибора - это наибольшая разность показаний прибора при одном и том же значении измеряемой величины. Она определяется при плавном подходе стрелки к испытуемой отметке шкалы при движении ее один раз от начальной, а второй раз от конечной отметок шкалы. Вариация показаний характеризует степень устойчивости показаний прибора при одних и тех же условиях измерения одной и той же величины. Она приближенно равна удвоенной погрешности от трения, так как причиной вариации в основном является трение в опорах подвижной части.

Чувствительностью измерительного прибора к измеряемой величине х называется производная от перемещения указателя а по измеряемой величине:

При нелинейной статической характеристике преобразования чувствительность зависит от х, а при линейной характеристике чувствительность постоянна. У измерительных приборов при постоянной чувствительности шкала равномерная, т.е. расстояние между делениями шкалы одинаковое.

Цена деления шкалы - разность значений величин, соответствующих двум соседним отметкам шкалы. Приборы с равномерной шкалой имеют постоянную цену деления. В приборах с неравномерной шкалой цена деления может быть разной на разных участках шкалы, и в этом случае нормируется минимальная цена деления. Цена деления шкалы прибора может быть определена через его абсолютную чувствительность и равна числу единиц измеряемой величины, приходящихся на одно деление шкалы прибора.

После включения прибора до момента установления показаний прибора, когда можно произвести отсчет, проходит некоторый промежуток времени, называемый временем успокоения.

Под временем установления показаний понимают тот промежуток времени, который проходит с момента изменения измеряемой величины до момента, когда указатель займет положение, соответствующее новому значению измеряемой величины. Цифровые приборы характеризуются временем измерения, под которым понимают время с момента изменения измеряемой величины или начала цикла измерения до момента получения нового результата на отсчетном устройстве с нормированной погрешностью.

Порог чувствительности это наименьшее изменение входной величины, обнаруживаемое с помощью данного средства измерений. Порог чувствительности выражают в единицах входной величины. Помимо принципиально неизбежных тепловых искажений в измерительной системе существуют и другие источники возмущений, которые могут затемнять полезный сигнал. Например, механические вибрации или электрические наводки могут давать настолько большой сигнал на выходе, что слабые сигналы, действующие на входе, уже нельзя обнаружить. Такие механические дефекты как трение, люфт или наличие мертвой зоны могут приводить к тому, что входной сигнал ниже определенного порога чувствительности не будет приводить к появлению сигнала на выходе. Часто простым изменением конструкции измерительной системы эти нефундаментальные ограничения можно устранить.

Разрешающая способность или разрешение измерительной системы - это размер шага, на который может быть настроена система, или шага, с которым на индикатор выводится результат

действия системы. Другими словами, разрешающая способность - это наименьший интервал значения измеряемой величины, который все еще вызывает изменение результата измерения. Максимальное значение разрешения достигается при максимальной величине значения измеряемой величины, которая может быть измерена с помощью этой системы без насыщения, искажений и перегрузки.

Разрешающая способность имеет конечное значение для всех систем, в которых результат измерения не увеличивается непрерывно с ростом измеряемой величины. Примером таких систем является механическая измерительная система с люфтом и трением покоя, где выходная величина не растет непрерывно с увеличением входного воздействия, а меняется малыми скачками.

Разрешение системы ограничено, следовательно, результат измерений оказывается квантованным. При этом возникает ошибка квантования. Ошибки, являющиеся следствием кванто- ванности результата измерения, можно разделить на ошибки усечения и ошибки округления. Ошибка усечения происходит в том случае, когда в системе не принимаются во внимание десятичные знаки справа от младшего указываемого десятичного разряда. Обычно это имеет место в алфавитно-цифровых индикаторах, например, в цифровом вольтметре. Величина допускаемой при этом ошибки равна отношению наименьшего возможного шага к воспроизводимой на индикаторе величине. Ошибка округления происходит в том случае, когда в наименьшем указываемом десятичном разряде учитывается остаток путем округления до ближайшего значения в этом разряде. При этом ошибка равна половине наименьшего шага, деленной на индицируемое значение. Если при проведении измерения нулевым методом мы применим меру, которую можно подстраивать только в ступенчатом режиме, и будем изменять задаваемую мерой величину до тех пор, пока индикатор не покажет наименьший отсчет, то будет иметь место ошибка округления.

Степень нелинейности измерительной системы характеризуется нелинейными или гармоническими искажениями. Никакая измерительная система не является идеально линейной. Она может считаться линейной лишь приближенно, например, в малом интервале значений входного сигнала. Существует несколь-

ко следующих видов нелинейности, которые могут иметь место в практических измерительных системах.

Нелинейность типа насыщение и ограничение характеризуется уменьшением дифференциальной чувствительности с ростом входного сигнала. В случае ограничения такое ослабление наступает резко, а в случае насыщения - постепенно. Чтобы предотвратить выход измерительной системы из строя, когда она оказывается перегруженной слишком большим входным сигналом, часто намеренно ограничивают размах выходного сигнала безопасными значениями.

Нелинейность типа гистерезис вызывается различной связью между входной и выходной величинами при увеличении и при уменьшении входной величины. К гистерезису может привести, например, люфт в механической зубчатой передаче.

Нелинейность типа мертвая зона обычно возникает в том случае, когда существуют одна или большее число областей, в пределах которых величина выходного сигнала не зависит от входного сигнала. Такая нелинейность может быть вызвана трением покоя. Объект, например, стрелка, не будет двигаться до тех пор, пока действующая сила не превысит трения покоя.

Помимо рассмотренных видов нелинейности, может встретиться также какая-либо их комбинация. Кроме того, существуют динамические частотно-зависимые виды нелинейности. Проявлением такой нелинейности являются эффекты, связанные с существованием максимальной скорости нарастания напряжения.

Пределы измерения определяются интервалом, внутри которого с помощью данной системы можно измерить нужную величину с требуемой точностью.

Динамический диапазон измерительной системы равен отношению максимального и минимального возможных значений измеряемых величин. Максимальная величина обычно определяется предельным значением допустимой нелинейности, которая проявляется при больших входных сигналах. Минимальная величина, как правило, определяется ошибками из-за смещения нуля и шумом, который становится тем более значительным, чем меньше сигнал.

Реакция измерительной системы на приложенное ко входу воздействие называется откликом системы. Отклик измерительной системы должен давать верное представление о воздействии. Когда значения измеряемых физических величин меняются со временем, важно точно знать, как измерительная система будет отслеживать эти изменения.

Под надежностью электроизмерительных приборов понимают способность их сохранить заданные характеристики при определенных условиях работы в течение заданного времени. Если значение одной или нескольких характеристик прибора выходит из заданных предельных значений, то говорят, что имеет место отказ, Количественной мерой надежности является минимальная вероятность безотказной работы прибора в заданном промежутке времени и условиях работы.

Вероятностью безотказной работы называется вероятность того, что в течение определенного времени непрерывной работы не произойдет ни одного отказа. Время безотказной работы указывается в описаниях приборов.

К метрологическим характеристикам относятся динамические характеристики, т.е. характеристики инерционных свойств элементов измерительного устройства, определяющие зависимость выходного сигнала средства измерений от меняющихся во времени величин: параметров входного сигнала, внешних влияющих величин, нагрузки. К таким характеристикам относят, например, переходную характеристику, амплитудно-фазовую характеристику и передаточную функцию.

Динамические свойства средства измерений определяют динамическую погрешность. Динамической погрешностью называют разность между погрешностью прибора в динамическом режиме и его статической погрешностью.

Динамические свойства линейной измерительной системы целиком определяются ее откликом на единичный скачок на входе, то есть ее переходной характеристикой. Зная переходную характеристику, можно найти время установления или время считывания измерительной системы. Время установления отсчитывается от момента, когда происходит скачок на входе, до такой точки на оси времени, вслед за которой выходной сигнал, попав в заданный интервал допустимых отклонений от конечного значения, остается в этом интервале. Время установления служит мерой быстродействия измерительной системы.

Динамическое поведение линейной измерительной системы также определяется, если известно, как она реагирует на синусоидальное колебание меняющейся частоты; то есть в том случае, когда известна частотная характеристика системы.

Определение частотной характеристики измерительной системы приводит к комплексной зависимости чувствительности от частоты. Чувствительность системы состоит из амплитудно- частотной характеристики и фазо-частотной характеристики. Характеристикой частотных свойств служит ширина полосы. Значение ширины полосы представляет собой частоту, на которой мощность выходного сигнала падает вдвое по сравнению с максимальной мощностью на выходе. Следовательно, на частоте амплитуда выходного сигнала уменьшается в л/2 раз по сравнению с ее значением на низких частотах.

Бел служат логарифмической мерой отношения мощностей. Мощность Pi на к бел больше мощности Pi когда

Таким образом, справедлива запись:

Децибел (дБ) составляет десятую часть от бела, так что

Можно также использовать децибелы в качестве абсолютной меры мощности, установив фиксированное опорное значение, относительно которого рассматриваемая мощность выражается данным числом децибел, и привязав все последующие расчеты мощности к этому опорному значению. Чаще всего опорное значение выбирают равным 1 мВт. В этом случае единицы, с помощью которых выражают мощность, обозначаются Бм или дБм. Таким образом, мощность в 0 дБм равна 1 мВт, мощность в 10 дБм равна 10 мВт, 20 дБм равна 100 мВт и так далее.

Для каждого вида прибора, исходя из его специфики и назначения, нормируется определенный комплекс метрологических характеристик, указываемый в нормативно-технической документации. Общий перечень нормируемых метрологических характеристик, формы их представления и способы нормирования установлены в ГОСТ. В него входят:

  • • пределы измерений, пределы шкалы;
  • • цена деления равномерной шкалы аналогового прибора или многозначной меры;
  • • выходной код, число разрядов кода, номинальная цена единицы наименьшего разряда цифровых приборов;
  • • номинальное значение однозначной меры, номинальная статическая характеристика преобразования измерительного преобразователя;
  • • погрешность прибора;
  • • вариация показаний прибора или выходного сигнала преобразователя;
  • • полное входное сопротивление измерительного устройства, полное выходное сопротивление измерительного преобразователя или меры;
  • • неинформативные параметры выходного сигнала измерительного преобразователя или меры;
  • • динамические характеристики прибора.
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >