Общие вопросы измерений

1.

Общие вопросы измерений
1. Классификация измерительных приборов
2. Технические/метрологические характеристики СИ
3. Погрешности СИ; классы точности

2.

Средства измерений
Меры
Однозначные,
многозначные,
наборы мер
Измерительные
преобразователи
Первичный,
промежуточный,
масштабный,
датчик
и т.д.
Измерительные
приборы
Показывающие,
регистрирующие,
аналоговые,
цифровые
и т.д.
Измерительные системы;
Информационно-измерительные системы;
Информационно - измерительные комплексы
Измерительные установки

3.

Классификация измерительных приборов
По форме индикации измеряемой величины различают
измерительные приборы:
• показывающие - допускают только отсчитывание показаний при
измерении
величины
(например,
стрелочный
или
цифровой
вольтметр);
• регистрирующие - с регистрацией показаний на каком-либо
носителе информации. Различают самопишущие и печатающие
измерительные приборы.

4.

По форме преобразования измерительных сигналов:
аналоговые
и
цифровые приборы
В аналоговых ИП
показания являются непрерывной функцией
изменений измеряемой величины. Непрерывная измеряемая величина
вызывает подобное ей непрерывное отклонение указателя по шкале.
(Приборы, у которых указатель жестко связан с подвижной частью
измерительного механизма).
Цифровые ИП вырабатывают дискретные сигналы измерительной
информации,
их
показания
представляются
в
цифровой
форме.
Принцип действия цифровых ИП основан на квантовании измеряемой
(или пропорциональной ей) величины.

5.

По физическим явлениям, лежащим в основе работы:
электромеханические и электронные ИП
• Электромеханические приборы состоят из
измерительной цепи и измерительного механизма.
относительно
простой
Измерительная цепь – совокупность элементов СИ, образующих
непрерывный путь прохождения измерительного сигнала одной ФВ от входа
до выхода.
Измерительную цепь измерительной системы называют измерительным
каналом.
Измерительный механизм СИ – совокупность элементов СИ, которые
обеспечивают необходимое перемещение указателя (стрелки, светового
пятна и т. д.). Он состоит их механических и электрических элементов
(пружин, катушек, магнитов), взаимодействие которых вызывает их взаимное
перемещение.

6.

•Электронные ИП - сложные устройства, содержащие электронные
компоненты, как активные (электронные лампы, транзисторы, микросхемы),
так и пассивные (резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности).
В
электронных
приборах
используется
большое
количество
преобразователей, выполняющих функции генерирования, усиления,
выпрямления, сравнения, преобразования электрических сигналов из
аналоговой формы в дискретную форму и наоборот.
По характеру и виду измеряемых величин электронные приборы можно
условно объединить в группы:
1. Измерительные генераторы - маломощные источники сигналов;
2. Специальные элементы
фазовращатели);
измерительные
цепей
(ослабители
сигналов,
3. Приборы для измерения значений физических величин, параметров и
характеристик сигналов (электронные осциллографы, вольтметры, фазометры,
анализаторы спектров и др.)
4. Приборы для измерения характеристик и параметров компонент, входящих
в
радиоэлектронные
цепи
(измерители
емкостей
конденсаторов,
индуктивностей катушек, сопротивлений резисторов, добротности контуров и
резонаторов, параметров электронных ламп, полупроводниковых приборов,
интегральных
схем,
амплитудно-частотных
характеристик,
переходных
характеристик).

7.

Электронные ИП по характеру измерения и виду измеряемой величины
делятся на 20 подгрупп:
А – приборы для измерения силы тока;
В – приборы для измерения напряжения;
Е-
параметров и компонентов цепей с сосредоточенными постоянными;
М-
мощности;
Р-
параметров элементов и трактов с распределенными постоянными;
Ч-
частоты и времени;
Ф-
разности фаз и ГВЗ;
С–
формы сигнала и спектра;
Х-
для наблюдения и исследования характеристик радиоустройств;
И-
для импульсных измерений;
П-
напряженности поля и радиопомех;
У – усилители измерительные;
Г – генераторы;
Д – аттенюаторы и приборы для измерения ослаблений;
К – комплексные измерительные установки
Л – для измерения параметров электронных ламп и п/п приборов;
Ш-
электрических и магнитных свойств материалов;
Э – измерительные устройства коаксиальных и волновых трактов;
Я – блоки радиоизмерительных трактов;
Б – источники питания для измерений и радиоизмерительных приборов.

8.

В подгруппах приборы по признакам основной выполняемой функции
разделяются на виды.
СИ, предназначенных для измерения данной ФВ.
Вид СИ – совокупность В 7
В2 – вольтметры постоянного тока
В3 – вольтметры переменного тока
В7 – вольтметры универсальные
Приборы каждого вида по совокупности технических характеристик и
очередности разработок разделяются на типы, которым присваивается
порядковый номер модели:
В7 - 27
Тип СИ – совокупность СИ одного и того же назначения, основанных на
одном и том же принципе действия, имеющих одинаковую конструкцию и
изготовленных по одной и той же технической документации.

9.

Для модернизированных приборов после цифры, обозначающей
тип, ставятся в алфавитном порядке буквы, соответствующие
очередной модернизации:
В7- 27А
Конструктивная, но не электрическая модернизация обозначается
цифрой после косой черты:
В7- 27А / 1
Комбинированные
приборы:
после
буквы,
обозначающей
подгруппу, стоит буква К.
ФК2 – 18
измерение фазовых сдвигов и параметров ЧП.
Тропический климат: после обозначения типа ставится буква Т.

10.

В зависимости от структурной схемы
преобразования измерительного сигнала
различают приборы:
• прямого преобразования,
• сравнения (компенсационного преобразования),
• комбинированные.

11.

В
приборе
измерительного
прямого
преобразования
сигнала
происходит
преобразование
только
в
одном
направлении, т.е. без применения обратной связи.
Структурная схема прибора прямого преобразования
X1
X
Пр 1
X2
Пр 2
XN-1
…..
XN
Пр N
ИУ

12.

В приборе сравнения измеряемая величина сравнивается с
величиной, значение которой известно. Известная величина
воспроизводится с помощью меры или набора мер.
Структурная схема прибора сравнения :
X1
X
Сх Ср
X2
XN-1
XN
Пр 1
…..
Пр N
ИУ
Пр 0m
…..
Пр 01
Xm
Мера
ΔX = X - Xm
ΔX = 0 нулевой метод
X = Xm
ΔX ≠ 0 диффер. метод X = Xm + ΔX

13.

Метрологические характеристики (МХ)
- такие технические
характеристики средств измерений, которые оказывают влияние
на результаты и погрешности измерений.
Метрологические характеристики, устанавливаемые нормативнотехнической документацией (НТД) называются нормируемыми.
Нормирование МХ означает, что для них устанавливаются определенные
числовые значения в зависимости от вида (типа), назначения, условий
применения СИ.
Регламентация и нормирование технических и метрологических характеристик СИ :
• ГОСТ 22261 - 94СИ электрических и магнитных величин. Общие технические
условия.
• ГОСТ 8.009 - 84 ГСИ. Нормируемые МХ СИ.
• ГОСТ 24314 - 80 Приборы электронные измерительные. Термины и определения.
Способы выражения погрешностей и общие условия испытаний.

14.

ОСНОВНЫЕ МЕТРОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ:
1.
Функция преобразования измерительного прибора
(градуировочная
характеристика, уравнение преобразования) – зависимость
выходным сигналом ИП Y и его входным сигналом Х:
между
Y=f(X)
Функция преобразования, которую должен иметь ИП при определенных
(нормальных) условиях внешней
среды
и
неизменных
или
медленно меняющихся значениях входного сигнала называется
номинальной статической характеристикой преобразования.
Функция преобразования ИП может быть представлена аналитически,
графически или в виде таблицы.
Идеальная функция преобразования - линейная зависимость.
Функция преобразования связывает конструктивные параметры прибора
с величинами X и Y.

15.

2. Чувствительность или цена деления шкалы
Чувствительность
измерительного
прибора
–
характеризует способность прибора реагировать на
изменения входного сигнала.
Абсолютная
уравнения
чувствительность
преобразования
и
определяется
представляет
из
собой
отношение изменения сигнала ΔY на выходе прибора к
вызывающему его изменению сигнала ΔX на входе
прибора:
S = ΔY / ΔX
Относительная чувствительность:
δS = ΔY / (ΔX / X)
где (ΔX / X) – относительное изменение входного сигнала.

16.

Цена деления шкалы аналогового ИП (постоянная прибора) – разность
значений величин, соответствующих двум соседним отметкам шкалы.
Цена деления С связана с чувствительностью прибора S зависимостью:
С = 1 / S = ΔX / ΔY.
Чувствительность и цена деления – величины, имеющие размерность.
S = 5 дел/В; С = 0,2 В/дел.
Порог чувствительности
–
наименьшее
выходного
изменение
изменение входного сигнала, вызывающее
сигнала,
которое
может
быть
обнаружено с помощью данного прибора без дополнительных устройств.
Порог
чувствительности
определяет
способность измерительного прибора.
фактическую
разрешающую

17.

3. Входной импеданс ( Z вх ) – определяет влияние СИ на
работу исследуемой схемы.
За счет потребления некоторой мощности СИ может
изменить режим работы маломощного
источника
входного
появлению
сигнала,
что
приводит
к
методической погрешности.
Входной импеданс характеризуется активной и реактивной
составляющими.
Часто в качестве параметров входа СИ указывается
значение входного активного сопротивления и входной
емкости.
На
постоянном
токе
и
в
диапазоне
низких
нормируется входное активное сопротивление.
частот

18.

4. Вариация показаний ИП (выходного сигнала измерительного
преобразователя) – разность показаний прибора в одной и той
же точке диапазона измерений при плавном подходе к этой точке
со стороны меньших и больших значений измеряемой величины.
Вариация характеризует устойчивость показаний прибора.
В высокочувствительных (особенно электронных) ИП вариация
показаний - колебание показаний около среднего значения.
Для амперметра:
b = | Iм - Iб |,
при подходе к данной точке со
стороны меньшего Iм и большего Iб значений тока.

19.

5. Динамические характеристики – характеристики инерционных
свойств СИ
(определяют зависимость параметров выходного сигнала
СИ от меняющихся во времени величин: параметров входного сигнала,
нагрузки, внешних факторов).
ДХ могут нормироваться :
• функцией
связи
между
входными
и
выходными
сигналами
(передаточной функцией, переходной характеристикой и т.п.);
• графиками (таблицами) АЧХ и ФЧХ;
• временем
установления
показаний
или
быстродействием
величиной обратной времени установления показаний.
Для цифровых приборов быстродействие ( В ) :
B = n / Δt
n - число измерений n за некоторый промежуток времени Δt
СИ
–

20.

6. Погрешность СИ
Погрешность может быть представлена в форме абсолютной,
относительной или приведенной погрешностей.
Погрешность СИ отражается его классом точности.
Для СИ с цифровым отсчетом:
7. Выходной код
8. Число разрядов кода
9.
Номинальная цена единицы наименьшего разряда

21.

Группа количественных характеристик, определяющих
область применения:
1. диапазон возможных значений измеряемых величин
(информативных параметров) или пределы шкалы ИП.
а) диапазон показаний СИ - область значений шкалы прибора,
ограниченная начальным и конечным значениями шкалы.
б) диапазон измерений СИ – область значений величины, в пределах
которых нормированы допускаемые пределы погрешности СИ.
2. диапазон возможных значений неизмеряемых величин
(неинформативных параметров):
например, частотный диапазон для вольтметра
3. диапазон возможных значений влияющих величин (диапазон Т,
внешних полей, ускорений и т.п.)

22.

В технической документации каждого СИ указывается его назначение (т.е.
основные функции СИ) и область его применения.
Характеристика назначения может включать в себя предельные значения
неинформативных параметров и рабочие условия применения СИ.
Надежность СИ – способность СИ функционировать при сохранении
метрологических и других характеристик в заданных пределах и
режимах работы.
Метрологическая надежность СИ – надежность СИ в части сохранения
его метрологической исправности.
Метрологическая исправность СИ – состояние СИ, при котором все его
нормируемые МХ соответствуют установленным требованиям.
При
выходе
МХ
СИ
метрологический отказ СИ.
за
установленные
пределы
наступает

23.

Надежность СИ характеризуется следующими показателями:
• безотказность
( ее
характеризует наработка на отказ –
среднее значение наработки СИ между двумя отказами).
Не менее 1000 час.
• долговечность
–
вероятность
отсутствия
отказов
за
межповерочный интервал.
Средний срок службы – не менее 8 лет.
Средний ресурс – не менее 5000 час.
• ремонтопригодность
( ее характеризует среднее время
восстановления – от 10 мин. до 96 часов).
• сохраняемость
–
способность СИ сохранять МХ при
хранении, транспортировке.

24.

В НТД на СИ устанавливают также требования к
электропитанию, ко времени установления рабочего
режима и продолжительности непрерывной работы,
к
электрической
прочности
и
сопротивлению
изоляции, требования безопасности.
Масса переносных СИ – не более 20 кг.

25.

Погрешности средств
Составляющая
погрешности
измерений
обусловленная
свойствами
измерений,
применяемых
СИ,
инструментальной
называется
погрешностью измерения.
Различают следующие составляющие погрешности
СИ:
1. Основную;
2. Дополнительную;
3. Обусловленную взаимодействием средств
измерений и
4.
объекта измерений;
Динамическую.

26.

Основная
погрешность
действительной
показывает
-
функции
преобразования
отличие
средства
измерений в нормальных условиях от номинальной функции
преобразования.
Основная погрешность -
погрешность СИ в нормальных
условиях.
Нормальные условия измерений – условия измерений,
характеризующиеся совокупностью значений или областей
значений влияющих
результата
величин,
измерений
можно
при
которых
изменением
пренебречь
вследствие
малости.
ГОСТ 22261-91:
температура -
(20 5 ) 0С
влажность
(65 15 ) %
-

27.

По
способу
выражения:
числового
Абсолютная погрешность
Δ = Х- Q.
Основная
погрешность
Относительная погрешность
δ = [(X-Q) / Q] ∙100%
Приведенная погрешность
γ = [(X-Q) / XN] ∙ 100%

28.

По характеру влияния на функцию преобразования
основную погрешность можно представить в виде
аддитивной и мультипликативной составляющих.
Аддитивная погрешность ( а ) - не зависит от чувствительности
прибора и является постоянной для всех значений входной
величины в пределах диапазона измерений.
Мультипликативная
чувствительности
погрешность
прибора
и
(
bх
изменяется
)
–
зависит
от
пропорционально
значению входной величины.
Суммарная абсолютная погрешность выражается:
Δ = а + bx , т.е. аддитивная и мультипликативная погрешности
присутствуют одновременно.

29.

Y
Y
X
Аддитивная погрешность
Δy = а
X
Мультипликативная погрешность
Δy = bx
Если прибору присуща только аддитивная погрешность или она
существенно
превышает
другие
составляющие,
то
целесообразно нормировать абсолютную погрешность.
Если
преобладает
мультипликативная
погрешность
целесообразно нормировать погрешность прибора в виде
относительной погрешности.

30.

Дополнительная погрешность обусловлена реакцией средства измерений
на
изменения
внешних
влияющих
величин
и
неинформативных
параметров входного сигнала.
Обычно дополнительная погрешность указывается отдельно для каждой
из влияющих величин.
Погрешность, обусловленная взаимодействием средств измерений и
объекта измерения – подключение средства измерений к объекту
измерений
во
многих
случаях
приводит
к
изменению
значения
измеряемой величины, относительно того значения, которое она имела до
подключения средства измерения.
Эта
составляющая
погрешности
зависит
от свойств
как
средства
измерений, так и объекта измерений.
Динамическая погрешность – обусловлена реакцией средства измерений
на скорость (частоту) изменения входного сигнала.
Эта
погрешность
зависит
от
инерционности
средства
измерений,
частотного спектра входного сигнала, изменений нагрузки и влияющих
величин.

31.

Классы точности СИ и нормирование погрешностей
Для сопоставления средств измерений, предназначенных для
измерения одной и той же физической величины, устанавливают
классы точности.
Класс точности средства измерений – обобщенная характеристика,
определяемая пределами допускаемых основных и дополнительных
погрешностей, а также другими свойствами, влияющими на точность,
значения которых устанавливают в стандартах на отдельные виды
средств измерений.
Класс точности характеризует свойства приборов в отношении
точности,
но
не
является
непосредственным
показателем
точности измерений, выполняемых с помощью этих средств, т.к.
точность измерений зависит еще от метода измерений и условий, при
которых выполняется измерение.

32.

Если аддитивная погрешность СИ преобладает над
мультипликативной,
то удобнее нормировать абсолютную или приведенную
погрешность, т.к. нормируемое значение в этом случае выражается
одним числом:
Δ = ±а
γ = Δ / XN = ± p
γ – предел допускаемой приведенной основной погрешности, %;
Δ – предел допускаемой абсолютной основной погрешности;
XN – нормирующее значение, выраженное в тех же единицах, что и
Δ;
р – отвлеченное
положительное
выбираемое
ряда:
(1; 1,5; 2; 2,5;
4; 5; 6)∙10n ; число
где n =
1; 0; -1; -2 из и.т.д.
Предел допускаемой относительной погрешности в этом случае
изменяется по гиперболе:
δ=Δ/x=a/x

33.

Нормирующее значение XN принимается равным:
• Конечному значению шкалы прибора, если нулевая отметка
находится на краю или вне шкалы;
• Номинальному значению, если прибор предназначен для
измерения величин, имеющих номинальное значение;
• Арифметической
сумме
конечных
значений
диапазона
измерений, если прибор имеет двустороннюю шкалу, т.е.
нулевая отметка находится на середине шкалы;
• Длине
шкалы,
если
шкала
(гиперболическая, логарифмическая).
резко
нелинейна

34.

Если
мультипликативная
аддитивной,
погрешность
преобладает
над
нормируется предел допускаемой относительной погрешности,
т.к. относительная погрешность будет постоянной по диапазону
измерений :
δ=Δ/x=±q
(т. к. Δ = bx)
где q –отвлеченное положительное число, выбираемое из ряда:
(1; 1,5; 2; 2,5; 4; 5; 6)∙10n ; где n = 1; 0; -1; -2
и.т.д.

35.

Для
средств
погрешностями
погрешности :
измерений
с
нормируется
аддитивной
предел
и
мультипликативной
допускаемой
относительной
X к
c d
1
X
Xк – конечное значение диапазона измерений;
с=b+d;
d = a / Xк .
( а – аддитивная погрешность; bx – мультипликативная погрешность)
Относительная погрешность
δ=с+d
при x = Xк /2
Относительная погрешность
δ=±с
при x = Xк .
т.е. с – предел допускаемой относительной погрешности при
максимальном показании прибора.
Обозначение класса точности: c / d,
причем должно выполняться условие с / d >1. ( Например 0,5 / 0,1 ).
Числа c и d выбираются из ряда 1; 1,5; 2; 2,5; ….. и. т. д

36.

Дополнительная погрешность СИ выражается в таком же виде,
как и основная, причем для различных влияющих величин
дополнительная погрешность нормируется раздельно.
За пределами нормального диапазона (но в пределах рабочей
области) погрешность СИ складывается из основной Δ и
дополнительных Δi погрешностей, вызванных изменением i-й
величины.

37.

Повышение точности средств измерений:
• Стабилизация
важных
параметров
элементов
и
узлов
СИ
технологическим путем, использование материалов с малой зависимостью
свойств от внешних факторов;
• Защита средств измерений от быстроизменяющихся влияющих величин
(уменьшение случайной погрешности путем фильтрации, теплоизоляции,
экранирования, амортизации и т.д.);
• Стабилизация медленно изменяющихся влияющих величин;
• Методы коррекции составляющих систематической погрешности –
аддитивной, мультипликативной, погрешности от нелинейности;
Коррекцию аддитивной составляющей погрешности можно выполнить
периодической проверкой положения нуля ИП в процессе измерения;
мультипликативной составляющей – калибровкой ИП.
• Методы
статистической
минимизации
обработки
наблюдения при наличии случайной погрешности.
результатов