Бедарев Эдвард Александрович, преподаватель кафедры ЭиТФ
Лекции по дисциплине «Информационно-измерительная техника»
ЛЕКЦИЯ 4 - СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ
4.1 Классификация средств измерений
Средство измерений (СИ) – техническое средство, предназначенное для измерений, имеющее нормированные метрологические характеристики, воспроизводящее и (или) хранящее единицу физической величины. По степени автоматизации они делятся на:
- автоматические - автоматически выполняют все измерительные операции;
- автоматизированные - автоматически выполняют одну или часть этих операций;
- неавтоматические - не измеряют и не обрабатывают результаты измерений автоматически (рулетка, теодолит и т. д.).
По методу измерений – прямого действия (например, амперметр, вольтметр) и сравнения (например, рычажные весы, потенциометр).
По виду выходного сигнала – аналоговые (выходной сигнал - непрерывная функция измеряемой величины (например, ртутный термометр)) и цифровые (выходной сигнал – результат дискретного преобразования аналогового сигнала).
По способу представления измерительного сигнала – показывающие (только считывание показаний измеряемой величины (например, стрелочный или цифровой вольт-метр) и регистрирующие (запись показаний в виде диаграммы или графика (самопишущие или в числовой форме (печатающий)). По роду измеряемой величины - вольтметры, амперметры и др. По характеру применения - стационарные и переносные.
По конструктивному исполнению средства измерения делят на:
1 - меры; 2 - измерительные преобразователи; 3 - измерительные приборы;
4 - измерительные установки; 5 - измерительно-информационные системы;
1) Мера – воспроизводит физическую величины заданного размера. Пример мер: нормальный элемент – мера Э. Д.С. с номинальным напряжением 1В.
2) Измерительный преобразователь (ИП) – вырабатывает сигнал измерительной информации (CИИ) в форме, удобной для передачи, преобразования, обработки и хранения, но не наблюдаемый человеком непосредственно. ИП могут быть энергетическими (с источником энергии) и параметрическими (без него). ИП называют датчиком.
Электрический датчик – преобразует измеряемую неэлектрическую величину в электрическую. Например: датчик давления, датчик температуры, датчик скорости и т. д.
3) Измерительный прибор – вырабатывает СИИ в форме, доступной для непосредственного восприятия человеком (оператором).
4) Измерительная установка – совокупность функционально объединенных СИ вырабатывающая СИИ в форме, удобной для непосредственного наблюдения человеком и расположенная в одном месте. Она может включать в себя меры, измерительные приборы и преобразователи, вспомогательные устройства.
5) Измерительно-информационная система - совокупность СИ, соединенных между собой каналами связи и вырабатывающая СИИ в форме, удобной для автоматической обработки, передачи, использования в АСУ (автоматических системах управления).
4.2 Характеристики средств измерений
Диапазон показаний – область значений шкалы, ограниченная её конечным и начальным значениями. Диапазон измерений – область значений измеряемой величины на шкале прибора, в пределах которой нормированы допускаемые погрешности средств измерений (т. е. это рабочая часть шкалы). Верхний предел измерений – это наибольшее значение диапазона измерений, а нижний предел измерений – наименьшее.
Рисунок 4.1 - Внешний вид отсчетного устройства вольтметра
Есть 4 вида шкал: односторонняя (ноль расположен в начале), двусторонняя (ноль расположен не в начале), симметричная (ноль расположен в центре), безнулевая.
Цена деления - разность значения величины между двумя соседними отметками шкалы или наименьший предел измерения прибора. Величина, обратная цене деления называется чувствительностью прибора S, т. е. это отношение линейного или углового отклонения стрелки n к измеряемой величине х: (формула 4.1 ниже слева)
Показание – значение измеряемой величины по отсчетному устройству.
Порог чувствительности – это наименьшее значение изменения величины, при котором данное средством начинает её измерять. Пример: наблюдатель уверенно замечает смещение стрелки на половину цены деления шкалы, что и есть порог чувствительности. Стоит искомой величине измениться чуть меньше, и мы уже не обнаружим этого изменения по указателю прибора, т. е он для нас неподвижный. Эта неподвижность может быть кажущейся - перемещение есть, но глаз человека его не улавливает. Тогда его можно обнаружить с помощью лупы. Однако неподвижность может быть и действительной - изменение искомой величины так мало, что силы, развиваемые в измерительном механизме, не могут преодолеть противодействующие силы (силы трения).
Область рабочих частот – полоса частот, в пределах которой погрешность прибора, вызванная изменением частоты, не превышает допускаемого предела.
4.3 Метрологические характеристики средств измерений и класс точности
Метрологические характеристики (МХ) оказывают влияние на результат измерения и его погрешность. Для каждого типа СИ их нормируют.
Нормирование – это установление границ на допустимые отклонения реальных МХ СИ от их номинальных (нормативных) значений. Нормируемые МХ устанавливают в нормативных документах на СИ. Нормирование МХ средств измерений обеспечивают их взаимозаменяемость и единство измерений. Реальные (действительные) значения МХ входят в нормируемые, определяются экспериментально при изготовлении СИ, а затем периодически проверяются в ходе пользования. Если при этом хотя бы одна из МХ выходит за установленные границы, то СИ регулируют, ремонтируют или изымают из обращения. Класс точности – отражает точность СИ и выражается пределами допускаемых основной и дополнительной погрешностей. Его присваивают при разработке СИ по результатам приемочных испытаний. Он представляется в: абсолютной, относительной или приведенной форме. Точность – это величина, обратная погрешности.
1) Абсолютная форма - в виде единиц измерения или делений шкалы (например, для мер масс, длины) - D =± а, если это погрешность сложения и D = ± (а + bХ), если это погрешность сложения-умножения, где Х – значение измеряемой величины, а и b – положительные числа, не зависящие от Х.
2) Приведенная форма применима, если абсолютные погрешности в диапазоне измерений почти постоянны. Пределы допустимой основной приведённой γ погрешности:
(4.2.), где ХN – нормирующее значение, выраженное в тех единицах, что и D; р – отвлеченное положительное число, выбираемое из ряда: 1×10n; 1,5×10n; 2×10n; 2,5×10n; 4×10n; 5×10n; 6×10n, где n = 1, 0, -1, -2 и т. д.
Нормирующее значение ХN – 1) Верхний предел измерений - для СИ с равномерной или степенной шкалой с нулевым значением на краю или вне диапазона измерений. 2) Сумма модулей пределов измерений - для СИ с нулевой отметкой внутри диапазона измерений. 3) Модуль разности пределов измерений - для СИ со шкалой с условным нулем (Например, для вольтметра термоэлектрического термометра с пределами измерений 100 и 600°С ХN = 500°С. 4) Номинальное значение - для СИ с установленным номинальным значением ХN.
3) Относительная форма применима, если абсолютные погрешности в диапазоне измерений непостоянны. Пределы допустимой основной относительной d погрешности:
(4.3) 
(4.4)
где D = bХ, q – то же, что и p, D = ± (а + bХ),
Хk – больший по модулю из пределов измерения средства измерения,
с и d – положительные числа, выбираемые из ряда выше.
Классы точности указывают на циферблатах, щитках и корпусах СИ, в нормативных, технических документах. Возможны 4 варианта их обозначения:
1) Абсолютная форма – заглавные буквы латинского алфавита (А, В, С) или римские цифры (I, II, III). Чем дальше буква от начала алфавита, тем больше допускаемая абсолютной погрешность (например, прибор класса В точнее класса С).
2) Приведенная форма – арабские цифры, указывающие предел допускаемой погрешности. Например, класс точности - 1,5 или 1,5 означает, что g = ±1,5 %.
3) Относительная форма – арабские цифры в окружности, указывающие предел допускаемой погрешности. Например, класс точности 0,5 означает, что d = ±0,5 %.
4) Относительная форма двучлена – две арабские цифры через дробь. Например, класс точности 0,02/0,01 означает, что с = 0,02, d = 0,01.
Классы точности СИ по областям применения: образцовые - ±0,05; ±0,1; ±0,2; лабораторные - ±0,5; ±1; щитовые приборы - ±1,5; 2,5; ±4.
Обозначение класса точности | Форма выражения погрешности | Пределы допустимой основной погрешности | Примечание | |
на CИ | в документации | |||
0,5 | Класс точности 0,5 | Приведенная | γ = ±0,5% | XN выражено в единицах измеряемой величины |
| Класс точности 0,5 | γ = ±0,5% | XN принято равным длине шкалы или её части | |
| Класс точности 0,5 | Относительная | δ = ±0,5% | δ = Δ/х |
0,02/0,01 | Класс точности 0,5 | Формула 4.3 | Формула 4.4 |
Основные порталы (построено редакторами)