Конспект лекций по дисциплине «Метрология и стандартизация»




Скачать 273.74 Kb.
НазваниеКонспект лекций по дисциплине «Метрология и стандартизация»
Дата публикации12.02.2014
Размер273.74 Kb.
ТипКонспект
uchebilka.ru > Информатика > Конспект
Реферат скачан с сайта allreferat.wow.ua


Конспект лекций по дисциплине Метрология и стандартизация. Часть 1. Метрология

Днепропетровский государственный технический университет железнодорожного транспорта Кафедра теплотехники Арестов А.П. Конспект лекций по дисциплине «Метрология и стандартизация». Часть 1. Метрология. Днепропетровск – 19981.Предмет и задачи метрологии. 1. Основные термины, применяемые в метрологии.Термин «метрология» произошел от греческих слов : метрос – мера, логос –учение, слово. В современном понимании это наука об измерениях, методах исредствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности.К основным направлениям метрологии относятся : общая теория измерений;единицы физических величин и их системы; методы и средства измерений;методы определения точности измерений; основы обеспечения единстваизмерений и единообразия средств измерения; эталоны и образцовые средстваизмерений; методы передачи размеров единиц от эталонов и образцовых средствизмерений рабочим средствам измерений. Часть из них имеют научный характер.Другая часть относится к законодательной метрологии. Законодательныйхарактер метрологии обуславливает стандартизацию ее терминов и определений. Физическая величина – свойство, общее в качественном отношении многимфизическим объектам, но в количественном отношении индивидуальное длякаждого объекта. Измерение – нахождение значения физической величины опытным путем спомощью специальных технических средств. Под измерением понимается процессэкспериментального сравнения данной физической величины с однороднойфизической величиной, значение которой принято за единицу. Единица физической величины – физическая величина, которой по определениюприсвоено значение, равное 1. Единицы физической величины представляют собой вспомогательный аппарат,применимый при изучении объектов природы. Принципиально можно представитьбесконечное множество единиц физических величин. Но практика выдвигаеттребование единства измерений, которое можно обеспечить при любой системеединиц. Однако для сопоставления результатов измерений без пересчетов (припереходе от одной системы единиц к другой) необходимо, чтобы результатыизмерений выражались в узаконенных единицах. Единство измерений – состояние измерений, при котором их результатывыражены в узаконенных единицах и погрешности измерений известны с заданнойвероятностью. Как ясно из определения, это понятие включает не тольковыполнение условия единства используемых единиц физических величин, но изначение погрешности измерения.Средство измерений – техническое средство, используемое при измерениях иимеющее нормированные метрологические свойства. По техническому назначениюсредства измерений подразделяются на меры, измерительные приборы,измерительные преобразователи, вспомогательные средства измерений,измерительные установки и измерительные системы.Мера – средство измерений, предназначенное для воспроизведения физическойвеличины заданного размера (кварцевый генератор является мерой частотыэлектрических колебаний). Мера, воспроизводящая ряд одноименных величинразличного размера, называется многозначной (конденсатор постоянной емкостивыполняет роль однозначной меры, а конденсатор переменной емкости –многозначной). Часто используется набор мер – специально подобранныйкомплект мер, применяемых не только отдельно, но и в различных сочетанияхдля воспроизведения ряда одноименных величин различного размера.Измерительный прибор – средство измерений, предназначенное для выработкисигнала измерительной информации в форме, доступной для непосредственноговосприятия наблюдателем. Измерительные приборы бывают аналоговые ицифровые, показывающие и регистрирующие.Измерительный преобразователь – средство измерений, предназначенное длявыработки сигнала измерительной информации, удобной для передачи,дальнейшего преобразования, обработки и хранения, но не поддающейсянепосредственному восприятию наблюдателем. Первичным называетсяпреобразователь, являющийся первым в электрической цепи и к которомунепосредственно подводится измеряемая величина. Передающий измерительныйпреобразователь предназначен для дистанционной передачи сигналаизмерительной информации; масштабный измерительный преобразователь – дляизменения измеряемой величины в заданное число раз.Вспомогательное средство измерений – средство измерения величин, влияющихна метрологические свойства другого средства измерений при его применении.Эти средства применяют для контроля за поддержанием значений влияющихвеличин в заданных пределах.Измерительная установка – совокупность функционально объединенных средствизмерений (мер, измерительных преобразователей) и вспомогательныхустройств, предназначенная для выработки сигналов измерительной информациив форме, удобной (для автоматической обработки, передачи и использования вАСУ) для непосредственного восприятия наблюдателем и расположенная в одномместе.Измерительная система – совокупность средств измерений (мер, И.П., И.Пр.) ивспомогательных устройств соединенных между собой каналами связи,предназначенная для выработки сигналов измерительной информации в формеудобной для автоматической обработки, передачи и использования в АСУ. 2. Классификация измерений. По характеру зависимости измеряемой величины от времени измеренияделятся на статические и динамические.Статические измерения соответствуют случаю, когда измеряемая величинаостается постоянной.Динамические – когда измеряемая величина изменяется.По способам получения результатов различают прямые, косвенные, совокупные исовместные измерения.Прямыми называются измерения, при которых искомое значение величины находятнепосредственно из опытных данных. При этом измеряемую величину сравниваютс мерой измерительными приборами, градуированными в требуемых единицах(сила тока – А – метром).При косвенных измерениях искомое значение величины находят на основанииизвестной зависимости между этой величиной и величинами, подвергаемымипрямым измерениям. Косвенные измерения широко распространены в тех случаях,когда искомую величину невозможно или сложно измерить непосредственно иликогда прямое измерение дает менее точный результат. При совокупных измерениях одновременно измеряют несколько однотипныхвеличин и искомые значения величин находят решая систему уравнений,полученных при прямых измерениях различных сочетаний этих величин.Совместные измерения – производимые одновременно измерения двух илинескольких одноименных величин для нахождения зависимости между ними.По способу выражения результатов измерений различают абсолютные иотносительные измерения.Абсолютное измерение основано на прямых измерениях одной или несколькихосновных величин и (или) использовании значений физических констант(измерение напряжения в Вольтах).Относительным называется измерение отношения величины к одноименнойвеличине, играющей роль единицы, или изменения величины по отношению кодноименной величине, принимаемой за исходную.По используемому методу измерения – совокупности приемов использованияпринципов и средств измерений различают : Метод непосредственной оценки, в котором значение величины определяетсянепосредственно по отсчетному устройству измерительного преобразователяпрямого действия. Метод сравнения с мерой, в котором измеряемую величину сравнивают свеличиной, воспроизводимой мерой. Этот метод имеет следующие модификации :противопоставления, дифференциальный, нулевой, замещения, совпадений. Метод противопоставления – измеряемая величина и величина, воспроизводимаямерой, одновременно воздействуют на прибор сравнения с помощью которогоустанавливаются соотношения между этими величинами. Метод дифференциальный – на измерительный прибор воздействует разностьизмеряемой величины и известной величины, воспроизводимой мерой. Метод нулевой – результирующий эффект воздействия величин на приборсравнения доводят до нуля. Метод замещения – измеряемую величину замещают известной величиной,воспроизводимой мерой. Метод совпадений – разность между измеряемой величиной и величиной,воспроизводимой мерой, измеряют, используя совпадения отметок шкал илипериодических сигналов. 3. Основные характеристики измерений. Принцип измерений – физическое явление или совокупность физическихявлений, положенных в основу измерений. Погрешность измерений – отклонение результата измерения от истинногозначения измеряемой величины.Истинное значение физической величины идеальным образом отражало бы вкачественном и количественном отношениях соответствующие свойства объекта,но оно остается неизвестным, поэтому с помощью измерений находят такоедействительное значение, настолько приближающееся к истинному, что дляданной цели может быть использовано вместо него.Точность измерения – качество измеряемой величины, отражающее близость кнулю систематической погрешностей результатов (т.е. таких погрешностей,которые остаются постоянными или закономерно изменяются при повторныхизмерениях одной и той же величины). Правильность измерений зависит оттого, насколько были верны средства измерений, используемые приэксперименте.Достоверность измерения – степень доверия к результатам измерений.Измерения для которых известны вероятные характеристики отклонениярезультатов от истинного значения относятся к достоверным. Наличиепогрешности ограничивает достоверность измерений, так как вноситограничение в число достоверных значащих цифр числового значения измеряемойвеличины и определяет точность измерений.Сходимость измерений – качество измерений, отражающее близость друг к другурезультатов измерений, выполняемых в одинаковых условиях.Воспроизводимость измерений – качество измерений, отражающее близость другк другу результатов измерений, выполненных в различных условиях (вразличное время, в различных местах). 4. Физические величины и единицы. Комиссия по разработке единой Международной системы единиц разработалапроект Международной системы единиц, который был утвержден 9-й генеральнойконференцией по мерам и весам. Принятая система была названа Международнаясистема единиц СИ (SI – System International). Специалисты исходили изтого, чтобы охватить системой все области науки и техники; принять удобныедля практики размеры основных единиц, уже получившие распространение;выбрать в качестве основных единиц таких величин, воспроизведение которыхвозможно с наибольшей точностью.В системе СИ в качестве основных единиц приняты :Метр – единица длины, килограмм – единица массы, кельвин – единицатемпературы, кандела – единица сила света, ампер – единица силы тока,секунда – единица времени, моль – количество вещества.Остальные единицы являются производными. Для измерения результатов измерений в узаконенных единицах, размерпоследних должен либо хранится или воспроизводится на месте, либопередаваться каким-то образом с места хранения или воспроизведения. Взависимости от этого различают централизованное и децентрализованноевоспроизведение единиц физических величин. В первом случае оноосуществляется с помощью специальных технических средств, называемыхэталонами, а для передачи размера единиц используются образцовые средстваизмерений. Во втором случае единица производной физической величины(например площади) воспроизводится на месте через единицы основныхфизических величин. Последние хранятся и воспроизводятся толькоцентрализованно в соответствии с их определением. Главной задачей современной метрологии является создание полной системывзаимосвязанных естественных эталонов на основе использованияфундаментальных физических констант и высокостабильных квантовых явлений.Важный шаг в решении этой задачи сделан 18-й Генеральной конференцией померам и весам, принявшей в 1983 году новое определение метра – как длиныпути, проходимого светом в вакууме за промежуток времени равный 1/299792458с.При таком подходе единица длины может воспроизводится децентрализовано, спомощью фундаментальной физической константы – скорости света и единицывремени секунды, определяемой через период эталонной частоты, передаваемойпо радио. Единицы времени и частоты воспроизводятся сейчас с наименьшейпогрешностью. 4. Эталоны и образцовые средства измерений. Чтобы обеспечить единство измерений, необходима тождественность единиц, вкоторых проградуированы все средства измерений одной и той же физическойвеличины. Для этого применяют средства измерений, хранящие ивоспроизводящие установленные единицы физических величин и передающие ихсоответствующим средствам измерений. Высшим звеном в метрологическойпередачи размеров единиц являются эталоны.Эталон единицы – средство измерений (или комплекс средств) обеспечивающеевоспроизведение и(или) хранение единицы с целью передачи ее размеранижестоящим по поверочной схеме средствам измерений, выполненное по особойспецификации и официально утвержденное в установленном порядке в качествеэталона.Эталон, обеспечивающий воспроизведение единицы с наивысшей в стране (посравнению с другими эталонами той же единицы) точностью, называетсяпервичным.Специальный эталон воспроизводит единицу в особых условиях и заменяет приэтих условия первичный эталон.Первичный или специальный эталон, официально утвержденный в качествеисходного для страны, называется государственным.Примеры: государственный первичный эталон единицы ЭДС (ГОСТ 8.027-75);специальный эталон единицы напряжения - тока в диапазонах частот 100...1500Мгц (ГОСТ 8072-73 и 8075-73).Государственные эталоны утверждаются Госкомитетом по стандартам.В Харьковском центре метрологии хранится государственный эталон времени ичастоты. В метрологической практике широко используют вторичные эталоны, значениякоторых устанавливается по первичным эталонам. Вторичные эталоны являютсячастью подчиненных средств хранения единиц и передачи их размера. Онисоздаются и утверждаются в тех случаях, когда это необходимо дляобеспечения наименьшего износа государственного эталона.Вторичные эталоны по своему назначению делятся на эталоны-копии, эталонысравнения, эталоны-свидетели и рабочие эталоны.Эталон-копия предназначен для передачи размеров единиц рабочим эталонам. Онне всегда является физической копией государственного эталона.Эталон-свидетель предназначен для проверки сохранности государственногоэталона и для замены его в случае порчи или утраты.Эталон сравнения применяют для сличения эталонов, которые по тем или инымпричинам не могут быть непосредственно сличаемы друг с другом (пример :т.н. нормальный элемент, используемый для сличения государственного эталонаВольта с эталоном Вольта Международного бюро мер и весов).Рабочий эталон применяют для передачи размера единицы образцовым средствамизмерений высшей точности, а в отдельных случаях – наиболее точнымсредствам измерений.Образцовое средство измерения – мера, измерительный прибор илиизмерительный преобразователь, служащий для поверки по ним других средствизмерений и утвержденные в качестве образцовых.Поверка средств измерений – определение метрологическим органом погрешностисредств измерений и установления его пригодности к применению.Образцовые средства измерений могут иметь разные разряды. Между нимисуществует соподчиненность : образцовые средства измерений первого разрядаповеряют, как правило, непосредственно по рабочим эталонам, образцовыесредства измерений второго и последующих разрядов подлежат поверке пообразцовым средствам измерений непосредственно предшествующих разрядов. Дляразных видов измерений устанавливаются, исходя из требований практики,различное число разрядов образцовых средств измерений.Рабочее средство измерений – применяют для измерений, не связанных спередачей размеров единиц.2. Средства измерений и их характеристики.2.1 Классификация средств измерений.Средство измерений – техническое средство, используемое при измерений иимеющее нормированные метрологические характеристики.Метрологическими называются характеристики, оказывающие влияние нарезультат и погрешность измерения. Они входят в состав техническиххарактеристик, определяющих другие свойства средств измерений (диапазонычастот, габаритные размеры, вид элементов питания).Под нормированием метрологических характеристик понимается количественноезадание определенных номинальных значений и допустимых отклонений от этихзначений. Нормирование метрологических характеристик позволяет оценитьпогрешность измерения, достичь взаимозаменяемости средств измерений,обеспечить возможность сравнения средств измерений между собой и оценкупогрешностей измерительных систем и установок на основе метрологическиххарактеристик входящих в их состав средств измерений. Именно нормированиеметрологических характеристик отличает средство измерений от другихподобных технических средств (например, измерительный трансформатор отсилового трансформатора …)Уже указывалось, что в соответствии с ГОСТ все средства измерений делятсяна шесть видов : меры, измерительные преобразователи, измерительныеприборы, вспомогательные средства измерений, измерительные установки иизмерительные системы. Наиболее многочисленной группой средств измеренийявляются измерительные приборы и преобразователи, которые обобщенноназываются измерительными устройствами (ИУ). В силу большого разнообразияих классифицируют по различным признакам : - По используемым физическим процессам ИУ разделяют на механические, электромеханические, электронные, оптоэлектронные и т.п. - По физической природе измеряемой величины различают вольтметры, амперметры, термометры, манометры, уровнемеры, влагомеры и т.д. - По виду измеряемой величины или сигнала измерительной информации, а также по способу обработки сигнала приборы делятся на аналоговые и цифровые. В аналоговых приборах показания являются непрерывной функцией измеряемой величины, т.е. могут также, как и измеряемая величина, принимать бесконечное множество значений. При этом во время показания могут быть как непрерывной, так и дискретной (прерывистой) функцией измеряемой величины, т.е. различают приборы непрерывного и дискретного действия. В цифровом приборе непрерывная по размеру и во времени величина преобразуется в дискретную, квантуется, кодируется и цифровой код отображается на цифровом отсчетном устройстве. В результате показания цифрового прибора являются дискретными во времени и квантованными по размеру, т.е. могут принимать лишь конечное число значений. Внешним признаком аналоговых или цифровых приборов является наличие аналогового или цифрового показывающего или регистрирующего устройства. Соответственно приборы принято также разделять на показывающие, допускающие только отсчитывание показаний, и регистрирующие, в которых предусмотрена автоматическая регистрация показаний. Среди последних, в свою очередь, различают самопишущие и печатающие. В самопишущих приборах (являющихся аналоговыми) показания измеряемых значений величины записываются в виде графика осциллограммы, показывающей изменение значения величины во времени. В печатающих приборах (являющихся цифровыми) результаты измерений печатаются в цифровой форме. Аналоговые показывающие устройства электронных приборов обычно представляют из себя электромеханический преобразователь и аналоговое отсчетное устройство. Последнее состоит из шкалы, проградуированной с помощью меры и играющей роль меры при измерении, и указателя, совершающего линейное или угловое перемещение. В качестве указателя используются либо стрелка, либо луч света. Роль показывающего устройства может выполнять и электронно-лучевая трубка (ЭЛТ), обладающая весьма малой инерционностью, что позволяет наблюдать высокочастотные процессы (до сотен мегагерц, до наносекунд импульсы). В качестве аналогово-регистрационных устройств в диапазоне частот до 10 Гц используются самописцы, содержащие электромеханический преобразователь, обеспечивающий перемещение записывающего узла со специальным пером. Запись осуществляется специальными чернилами (пастами) на бумаге, движущейся перпендикулярно направлению перемещения пера. В некоторых случаях используются термо-, электро-, и химочувствительные бумаги. В диапазоне до 20 КГц применяют светолучевые осциллографы, в которых запись осуществляется с помощью специальных гальванометров лучом света на фотобумаге или фотопленке, а также ультрафиолетовым лучом на специальной бумаге, самопроявляющейся на свету. Хорошая точность, чувствительность, многоканальность (до 10 и более), малые габаритные размеры являются причиной широкого применения этих приборов. Для регистрации более высокочастотных процессов используют электронно-лучевые осциллографы с фотографированием процесса с экрана ЭЛТ. Для регистрации однократных процессов применяют также специальные запоминающие ЭЛТ, позволяющие хранить изображение десятки часов. Цифровое отсчетное устройство обычно состоит из цифровых знаковых индикаторов, обеспечивающих воспроизведение десятичных цифр, и алфавитных индикаторов, позволяющих указать единицу измеряемой величины. В цифровых регистрирующих приборах, как правило, осуществляется печатание показаний с помощью алфавитно-цифровых печатающих устройств со скоростью до 103 знаков в секунду. Для долговременного хранения информации используются также различные виды запоминающих устройств. Цифровое отсчетное или регистрирующее устройство никак не ограничивает точность цифрового прибора, так как цифровой код без какой-либо погрешности может быть изображен на цифровом отсчетном устройстве. Точность аналоговых приборов ограничивается погрешностями измерительных преобразователей, создающих перемещение указателя, погрешностями шкалы и личными (субъективными) погрешностями, вносимыми оператором (из-за конечной толщины указателя, длины деления шкалы и разрешающей способности глаза, из-за параллакса, из-за погрешности интерполирования при положении указателя между отметками делений шкалы). В результате погрешность аналоговых приборов составляет обычно 0,5 %. В то же время погрешность цифровых приборов удается уменьшить до 10-6 %, а при измерении частотно- временных параметров и менее. Однако не всегда цифровое отсчетное или регистрирующее устройство лучше аналогового. При большом числе одновременно измеряемых величин (контроль сложного объекта) показания аналоговых приборов воспринимаются легче, так как независимо от цифр на шкале пространственное положение указателя и характер его перемещения или осциллограмма регистрируемого процесса позволяет более оперативно проводить анализ контролируемого процесса. Подтверждением большей информативности аналогово-отсчетных устройств является разработка для некоторых цифровых приборов шкалы в виде расположенных в линию светодиодов, управляемых цифровой схемой. Эта шкала воспринимается оператором как аналоговая, хотя прибор является целиком цифровым. Наряду с точностью важной характеристикой является быстродействие измерительного устройства, характеризуемое числом измерений (преобразований) в единицу времени либо временем одного измерения. При измерении изменяющихся во времени величин повышение быстродействия играет важную роль. В общем случае повышение быстродействия измерительного прибора ограничивается быстродействием используемой элементной базы. Для показывающих приборов обычно не требуется высокого быстродействия в силу ограниченности возможностей оператора при приеме информации. Для регистрационных приборов, а также измерительных преобразователей требование быстродействия является существенным особенно когда обработка информации осуществляется с помощью ЭВМ. В этом случае цифровые измерительные устройства обеспечивают большее быстродействие, так как цифровой код может непосредственно, без участия оператора вводится в цифровые ЭВМ, исключения составляют электронные осциллографы позволяющие наблюдать и проводить анализ формы столь быстр протекающих процессов, преобразование которых в цифровой код сопряжен с большей погрешностью, либо вообще невозможно из-за ограниченного быстродействия цифровых средств измерений (параллельная обработка), но они приводят к усложнению прибора. К недостаткам цифровых приборов относят их сравнительно высокую стоимость. - По структурному принципу различают измерительные устройства прямого действия (преобразования); в котором реализуется метод непосредственной оценки, измерительные устройства, работа которая основана на методе сравнения. В измерительных приборах прямого действия (см. рис. 1) преобразование сигнала происходит в одном направлении последовательно. Здесь П1 и П2 – преобразователи с коэффициентами передачи К1 и К2. Если выходной сигнал У получается в форме, доступной для непосредственного восприятия, рассматриваемая структурная схема характеризует прибор, если для дальнейшей обработки и хранения, - преобразователь. На рис. 2 представлена структурная схема преобразователя, построенного на методе сравнения. Операция сравнения осуществляется с помощью сравнивающего устройства (СУ), в котором обычно одна величина вычитается из другой. Используя выходной сигнал СУ, с помощью преобразователя П можно управлять мерой и реализовать нулевой метод сравнения. В связи с тем, что в измерительных устройствах, основанных на методе сравнения, измеряемая величина уравновешивается (компенсируется) величиной, воспроизводимой мерой, их также называют измерительными устройствами с уравновешивающим (компенсационным) преобразователем. Измерительные устройства в общем случае имеют более высокую точность за счет использования меры. Отмечают также различие требований к отдельным преобразователям измерительных устройств с точки зрения обеспечения измерительных устройств. Так в ИУ непосредственной оценки общий коэффициент передачи К=К1К2 и его точность определяется соответствующей точностью всех преобразователей. В ИУ сравнения имеется отрицательная обратная связь и К=k/(1+k?), где k, ? – коэффициенты передачи прямой и обратной цепей. При k? >>1 получают К=1/? и точность ИУ тогда определяется главным образом точностью преобразователей в цепи обратной связи (т.е. меры), в то время как коэффициент передачи k может быть нестабильным, лишь бы было большим k? – петлевое усиление. Приборы сравнения могут быть выполнены с развертывающим или следящим уравновешиванием. - По структурным признакам ИУ также можно классифицировать по числу каналов и по временной последовательности преобразований входных сигналов. В зависимости от числа входных сигналов, несущих информацию об измеряемой величине, ИУ бывают с одним (например – вольтметр), двумя (фазометр) и более входами, т.е. соответственно одно-, двух- (рис. 3. слева) и многоканальными (рис. 3. справа). В зависимости от временной последовательности преобразований входных сигналов (если их более чем 2) различают ИУ с одновременным (параллельным) и последовательным преобразованием. При последовательном преобразовании сигналы обрабатываются поочередно, причем за цикл измерения каждый сигнал через входное переключающее устройство (коммутатор) подается на вход преобразователя один раз. Разновидностью последовательного преобразователя является периодическое устройство, когда за время одного цикла измерения сигналы переключаются многократно. Последовательное преобразование позволяет уменьшить аппаратурные затраты за счет перехода от многоканальной структуры к одноканальной с входным коммутатором. Кроме того, одноканальная структура ИУ позволяет уменьшить ряд погрешностей, обычно вызываемых неидентичностью характеристик разных каналов. - По точности ИУ делят на образцовые, используемые для поверки других ИУ и утвержденные в качестве образцовых, и рабочие, используемые непосредственно в практических измерениях, не связанных с передачей размера единиц. - По частотному диапазону ИУ делят на низкочастотные (НЧ), высокочастотные (ВЧ) и сверхвысокочастотные (СВЧ), по ширине полосы частот – на широкополосные и избирательные (селективные). - По месту использования ИУ делят на лабораторные и производственные, которые резко отличаются по условиям эксплуатации, по техническим и метрологическим характеристикам.Дополним классификацию измерительных преобразователей. Их многообразиеопределяется различием требуемых видов преобразователей. - Преобразователи физического рода сигнала используются тогда, когда измеряемая величина неудобна для непосредственного измерения. Так многие неэлектрические величины предварительно преобразовываются в электрические (механическое перемещение или угловое вращение в электрическую величину) или одни электрические величины в другие (сопротивление в напряжение). Название таких преобразователей определяется либо принципом действия, либо родом входного и выходного сигналов (например, термоэлектрический преобразователь, преобразователь напряжение-частота) - Функциональные преобразователи обеспечивают необходимую зависимость между информативными параметрами входного и выходного сигналов. Такие преобразователи называют : дифференцирующий, интегрирующий, суммирующий, логарифмирующий и т.п. - Согласование по уровню (размеру) входного сигнала осуществляется с помощью масштабных преобразователей. К ним относятся : делитель, усилитель, трансформатор тока (напряжения). - Согласование по сопротивлению обеспечивается с помощью согласующих преобразователей (согласующий трансформатор, эмиттерный повторитель). - По месту включения в общей цепи преобразователи делят на первичные, к которым подводится измеряемая величина, промежуточные и передающие, предназначенные для дистанционной передачи сигналов. - По виду характеристики преобразования преобразователи делят на линейные и нелинейные.2.2 Метрологические характеристики средств измерений и их нормирование. Для каждого вида средств измерений (СИ), исходя из их специфики иназначения, нормируется определенный комплекс метрологическиххарактеристик, указываемый в нормативно-технической документации на СИ. Вэтот комплекс должны включатся такие характеристики, которые позволяютопределить погрешность данного СИ в известных рабочих условиях егоприменения. Общий перечень основных нормируемых метрологическиххарактеристик СИ, формы их представления и способы нормирования установленыв ГОСТ 8.009-72. В него входят : - пределы измерений, пределы шкалы; - цена деления равномерной шкалы аналогового прибора или многозначной меры, при неравномерной шкале – минимальная цена деления; - выходной код, число разрядов кода, номинальная цена единицы наименьшего разряда цифровых СИ; - номинальное значение однозначной меры, номинальная статическая характеристика преобразования измерительного преобразователя; - погрешность СИ; - 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 СИ; - функции влияния; - наибольшие допустимые изменения метрологических характеристик СИ в рабочих условиях применения.Нормирование метрологических характеристик необходимо для решения следующихзадач : - придания всей совокупности однотипных СИ требуемых одинаковых свойств и уменьшения их номенклатуры; - обеспечение возможности оценки инструментальных погрешностей и сравнения СИ по точности; - обеспечение возможности оценки погрешности измерительных систем по погрешностям отдельных СИ. Погрешности, присущие конкретным экземплярам СИ, устанавливаются только для образцовых СИ при их аттестации. Рассмотрим указанные характеристики, а также ряд важных понятий, связанныхс ними.Отсчетные устройства приборов. На рис. 4 показано отсчетное устройствоаналогового прибора. Деление шкалы – промежуток ?l между двумя соседними отметками шкалы.Длина деления шкалы – расстояние между осями двух соседних отметок. Ценаделения шкалы – разность значений величины, соответствующих двум соседнимотметкам шкалы. Шкалы бывают равномерными и неравномерными. Равномерная шкала в отличиеот неравномерной – шкала с делениями постоянной длины и с постоянной ценойделения. Отсчетом называется число, определенное по отсчетному устройству. Показание прибора – значение величины, определяемое по отсчетномуустройству и выраженное в принятых единицах этой величины. В многопредельных приборах, где одна и та же шкала используется для наразных пределах измерения, показание прибора равно отсчету, умноженному нацену деления для соответствующего предела измерения. В некоторых случаяхпоказание определяется с помощью отсчета, по прилагаемой к приборуградуированной характеристике – зависимости между отсчетом и значениемвеличины на входе прибора, представленной в виде таблицы, графика илиформулы. Диапазон показаний (ДП) – область значений шкалы, ограниченная конечным(наибольшим) и начальным (наименьшим) значениями физической величины,указанными на шкале. Диапазон измерений (ДИ) – область значений измеряемой величины, длякоторой нормирована погрешность средства измерений. Предел измерений – наибольшее или наименьшее значение диапазонаизмерений. Диапазон показаний и диапазон измерений могут не совпадать (см.рис. 4). Отсчетное устройство цифрового прибора характеризуется числом десятичныхразрядов и ценой (деления) единицы младшего разряда, которая, очевидно, неможет быть меньше шага квантования. Цифровое отсчетное устройствоэквивалентно равномерной шкале, так как одинаковому цифрового кодасоответствует одинаковое приращение показаний. Поэтому наличие нелинейностипреобразования измеряемой величины в код приводит к погрешности цифровогоприбора. Соответственно к преобразователям цифровых приборов предъявляетсятребование высокой линейности. В то же время в аналоговом приборенелинейная зависимость перемещения указателя от изменения измеряемойвеличины может быть учтена введением соответствующей нелинейности(неравномерности) шкалы. Параметры входного и выходного сигналов СИ, влияющие величины, функции влияния. Входной и выходной сигналы СИ характеризуются информативными инеинформативными параметрами. Информативный параметр входного сигналаявляется самой измеряемой величиной или величиной, функционально связаннойс измеряемой. Неинформативный параметр не связан функционально с измеряемойвеличиной, но влияет на метрологические характеристики СИ (в частности, напогрешность). Например. При измерении амплитуды напряжения информативнымпараметром является амплитуда сигнала, а неинформативным – его частота.Выходной сигнал преобразователя также может быть охарактеризованинформативными и неинформативными параметрами. На метрологические характеристики СИ сильно влияют внешние физическиевоздействия (климатические, механические, электромагнитные) и измененияпараметров источников питания – влияющие величины. По условиям применения СИ, различают нормальные и рабочие условия. Ониотличаются диапазоном изменения неинформативных параметров входного сигналаи влияющих величин. Нормальными называются условия, для которых нормируется основнаяпогрешность СИ. При этом влияющие величины и неинформативные параметрывходного сигнала имеют нормальные значения. Например, для генератораопределенного типа установлены нормальные температурные условия +10..+35°С. В этом температурном диапазоне гарантируется основная погрешностьприбора, указанная в его паспорте. Но прибор может работать и в болеешироком диапазоне температур, например, от 0 до +40° С. Этот диапазонназывается рабочим. Для нормальных условий нормируется основная погрешностьСИ, для рабочих – дополнительная. Условия эксплуатации СИ оговаривают в соответствующих стандартах и делятна группы, различающиеся значениями влияющих величин. Функция влияния – зависимость изменения метрологической характеристики СИот изменения влияющей величины или неинформативного параметра входногосигнала в пределах рабочих условий эксплуатации. Функция влияния можетнормироваться в виде формулы, графика или таблицы. Наряду с условиями применения для всех СИ задаются предельные условиятранспортирования и хранения, не изменяющие метрологические свойства СИпосле его возвращения в рабочие условия. Характеристики преобразования. Быстродействие СИ.Статическая характеристика преобразования – связь, выражающая зависимостьинформативного параметра выходного сигнала от постоянного информативногопараметра входного сигнала. Ее можно представить в аналитическом виде,графическом или табличном. В аналитическом виде характеристикапреобразования - уравнения y=F(x), которое может быть может быть линейным(рис. 5-а.) или нелинейным (рис. 5-б., 5-в.).Заметим, что для прибора, шкала которого проградуирована в значенияхизмеряемой величины, всегда y=x и графическая характеристикапреобразования представляет прямую линию под углом 45 градусов относительнооси х. В то же время угол отклонения указателя аналогового отсчетногоустройства этого прибора при наличии нелинейных преобразователей (например,в квадратичном вольтметре) будет нелинейной функцией х. В цифровых приборахиз-за квантования сигнала характеристика преобразователя являетсяступенчатой функцией (рис. 6-г.), определяемой выражением у=n?x, где у –показания прибора, ?x – шаг квантования, n – цифровой код измеряемойвеличины х. При нелинейных преобразователях необходимо линеаризоватьхарактеристики преобразования прибора. В аналоговых приборах для этогоиспользуют шкалу с соответствующей неравномерностью. В цифровых приборахотсчетное устройство эквивалентно равномерной шкале. Для линеаризациихарактеристики преобразования необходимо в прибор вводить аналоговыелинеаризирующие преобразователи либо вычислительные средства, выполняющиенеобходимое преобразование цифрового кода. Динамические характеристики СИ определяют инерционные свойства СИ ипредставляют собой зависимость информативного параметра выходного сигналаот меняющихся во времени параметров входного сигнала. К числу динамическиххарактеристик относятся : импульсная g(t), является реакциейпреобразователя на дельта – функцию ?(t); переходная h(t) – реакция наединичный ступенчатый сигнал; дифференциальное уравнение СИ; передаточнаяфункция, является отношением операторных изображений выходной величины квходной К(р) = y(p)/x(p); амплитудно-частотная и фазо-частотная. Динамические свойства СИ характеризуются также быстродействием – скоростьюи временем измерения (временем установления показаний). Скорость измерения(преобразования) определяется максимальным числом измерений(преобразований) в единицу времени, выполняемых с нормированнойпогрешностью. Время измерения (преобразования) – время, прошедшее с моментаначала измерения (преобразования) до получения результата с нормированнойпогрешностью. Чувствительность, порог чувствительности, разрешающая способность СИ.Чувствительностью СИ называется отношение изменения выходной величины(информативного параметра) к вызывающему его изменению входной величины(информативного параметра входного сигнала). Различают абсолютную иотносительную чувствительность. Абсолютная чувствительность равнапроизводной от характеристики преобразования СИ : S = dy/dx = ?x/?y .Приближенное равенство для определения чувствительности через конечныеприращения ?х и ?у используется при экспериментальном определениичувствительности. Для линейных СИ (y=kx) чувствительность постоянна S=k иможет быть определена как S=x/y (рис. 6-а.) для нелинейных чувствительностьзависит от входного сигнала (рис. 6-б и 6-в.).Для показывающих приборов признаком линейности или нелинейностихарактеристики преобразования является равномерность или неравномерностьшкалы. В ряде случаев (например, в электрических мостах) для характеристикичувствительности используется относительная чувствительность S= ?y/(?x/x),где ?x/x – относительное изменение входной величины. Наименьшее значениевходной величины, которое можно обнаружить с помощью данного СИ, называетсяего порогом чувствительности. Разрешающей способностью СИ называется наименьшее различаемое с помощьюданного СИ изменение измеряемой величины, или наименьшее различимое отличиедруг от друга двух одноименных величин. Порог чувствительности иразрешающая способность имеют размерность измеряемой величины и обычноопределяются уровнем его внутренних шумов и нестабильностью элементов. Уцифровых приборов порог чувствительности и разрешающая способность, какправило, равны цене единицы младшего разряда. Погрешность средств измерений. Погрешность прибора характеризует отличие его показаний от истинного илидействительного значения измеряемой величины. Погрешность преобразователяопределяется отличием номинальной (т.е. приписываемой преобразователю)характеристики преобразования или коэффициента преобразования от ихистинного значения. Погрешность меры характеризует отличие номинального значения меры отистинного значения воспроизводимой ею величины. Точность СИ – качество, отражающее близость к нулю его погрешности.Например, при погрешности прибора ?=10-4 (0,01 %) точность – 104.Возникновение погрешности СИ объясняется рядом причин, в том числеприближенным расчетом характеристик, отличием параметров элементов и узловприбора от требуемых расчетных значений, старением элементов и узлов,паразитными параметрами элементов, внутренними шумами, изменением влияющихвеличин и неинформативных параметров входного сигнала и др. Погрешности СИоцениваются при его поверке. Поверка СИ – определение метрологической организацией погрешностей СИ иустановление его пригодности к применению. Поскольку погрешность во времениможет изменяться, поверку проводят с определенной периодичностью. По способу выражения различают погрешности : - абсолютная погрешность прибора – разность между показаниями прибора xп и истинным значением измеряемой величины x : ? = xп – x. - относительная погрешность прибора – отношение абсолютной погрешности прибора к истинному (действительному) значению измеряемой величины : ?= ?/x или в процентах ?= 100?/x, где если x >> ?, то вместо x с достаточной степенью точности можно использовать xп . - приведенная погрешность прибора – отношение в процентах абсолютной погрешности прибора к нормирующему значению : ? = 100/xнорм.В соответствии с ГОСТ 8.401-80 xнорм принимается равным : - большему из пределов измерений или большему из модулей пределов измерений для СИ с равномерной или степенной шкалой, если нулевая отметка находится на краю или вне диапазона измерений; - арифметической сумме модулей пределов измерений, если нулевая отметка находится внутри диапазона измерений; - установленному номинальному значению для СИ с установленным номинальным значением измеряемой величины. - Всей длине шкалы для приборов с существенно неравномерной шкалой, при этом абсолютные погрешности также выражают в единицах длины. Во всех остальных случаях нормирующее значение устанавливается стандартамидля соответствующих видов СИ. Для преобразователей определение абсолютных и относительных погрешностейнесколько сложнее. Они определяются по входу ?вх и выходу ?вых ихарактеризуют отличие реальной характеристики преобразования yp = Fp(x) отноминальной yн=Fн(x). (см. рис. 7.)Для оценки погрешности по выходу находят значения yр и yн при заданнойвеличине x. Тогда ?вых = yр- yн , а относительная погрешность ? = ?вых/yр.По входу ?вх = xн- x; где xн =Fн-1(yр) определяется через значение yр ифункцию, обратную Fн , т.е. xн – такое значение x, которое при номинальнойхарактеристики дало бы на входе значение yр; ? =?вх/x – относительнаяпогрешность. Уже отмечалось, что в зависимости от условий применения СИ погрешностиделятся на основную (при нормальных условиях) и дополнительную (при рабочихусловиях). В зависимости от поведения измеряемой величины во времени различаютстатическую и динамическую погрешности, а также погрешность в динамическомрежиме. Статическая погрешность СИ (?ст) – погрешность СИ, используемого дляизмерения постоянной величины (например, амплитуды периодического сигнала).Погрешность в динамическом режиме (?дин.р.) – погрешность СИ, используемогодля измерения переменной во времени величины.

Добавить документ в свой блог или на сайт

Похожие:

Конспект лекций по дисциплине «Метрология и стандартизация» iconКонспект лекций для студентов специальностей 050401, 050402, 050202, 050702
Метрология, стандартизация, сертификация : Конспект лекций для студентов специальностей 050401, 050402, 050202, 050702 / сост. Л....

Конспект лекций по дисциплине «Метрология и стандартизация» iconМетодические указания к выполнению контрольных и расчетно-графических...
Методические указания к выполнению контрольных и расчетно-графических работ по дисциплине «Взаимозаменяемость, метрология, стандартизация»...

Конспект лекций по дисциплине «Метрология и стандартизация» iconКафедра “Биофизика” Мокров Ю. В. Метрология, стандартизация и сертификация
«Метрология, стандартизация и сертификация», читаемого автором в объеме 32 академических часов. В нем рассмотрены основы метрологии...

Конспект лекций по дисциплине «Метрология и стандартизация» iconРеферат По дисциплине «Стандартизация, сертификация и метрология»

Конспект лекций по дисциплине «Метрология и стандартизация» iconКонспект лекций по дисциплине «Автоматизированный электропривод»
Конспект лекций по дисциплине «Автоматизированный электропривод» (для студентов 4 курса всех форм обучения специальности 090603 –...

Конспект лекций по дисциплине «Метрология и стандартизация» iconРеферат по дисциплине Метрология и стандартизация на тему: «Обзор...

Конспект лекций по дисциплине «Метрология и стандартизация» iconУчебное пособие предназначено для бакалавров направления 220500....
Учебное пособие предназначено для бакалавров направления 220500. 62 «Стандартизация управление качеством и метрология» (укрупненная...

Конспект лекций по дисциплине «Метрология и стандартизация» iconКонспект лекций по дисциплине «Микроэкономика»
И. А., Тимофеева С. Б. Конспект лекций по дисциплине «Микроэкономика» (для студентов всех форм обучения направлений подготовки: 030504...

Конспект лекций по дисциплине «Метрология и стандартизация» iconКонспект лекций по дисциплине «Математические методы и модели энергетического...
Основы работы в системе компас: конспект лекций составитель: Э. В. Колисниченко. – Сумы: Изд-во СумГУ, 2010. – 249 с

Конспект лекций по дисциплине «Метрология и стандартизация» iconКонспект лекций по дисциплине «Общая биология»
Конспект лекций по дисциплине «Общая биология» для студентов 1 курса дневной и заочной форм обучения спец. 070800 «Экология и охрана...

Вы можете разместить ссылку на наш сайт:
Школьные материалы


При копировании материала укажите ссылку © 2013
контакты
uchebilka.ru
Главная страница


<