Основные характеристики средств измерений

Средства измерений (СИ) имеют большое количество различного рода показателей и характеристик. Все средства измерений можно характеризовать некоторыми общими свойствами – метрологическими характеристиками [10].

Различают статические и динамические характеристики СИ.

Статические характеристики СИ возникают при статическом режиме его работы. Статический режим работы – это такой режим, при котором СИ воспринимает изменение входной величины и размеры измеряемой величины не изменяются во времени. К статическим метрологическим характеристикам СИ относятся: диапазон измерений;измеряемая, преобразуемая или воспроизводимая (для мер) величина; градуировочная характеристика; чувствительность (коэффициент преоб­разования); порог чувствительности; потребляемая мощность; входное и выходное сопротивления и др.

Динамические характеристики СИ возникают при динамическом режиме его работы. Динамический режим работы – это такой режим, при котором СИ воспринимает изменение входной величины и размеры измеряемой величины изменяются во времени. Динамическими характеристиками являются: операторная чувствительность, комплексная чувствительность, переходная характеристика, амплитудно-частотная и фазочастотная характеристики (АЧХ и ФЧХ) и др.

Метрологическая характеристика – это характеристика одного из свойств средства измерений, влияющая на результат измерений и на его погрешность.

Для каждого типа средств измерений устанавливают свои метрологические характеристики.

Метрологические характеристики, устанавливаемые нормативно-техни-ческими документами, называют нормируемыми метрологическими характеристиками, а определяемые экспериментально – действительными метрологическими характеристиками.

Рассмотрим основные метрологические характеристики СИ.

Диапазон измерений – это область значений величины, в пределах которой нормированы допускаемые пределы погрешности средства измерений.

Значения величины, ограничивающие диапазон измерений снизу и сверху (слева и справа), называют соответственно нижним пределом измерений или верхним пределом измерений.

Нижний предел измерения (преобразования) реально не бывает равным нулю, так как он ограничивается обычно порогом чувствительности, помехами или погрешностями измерений.

Диапазон измерений нельзя путать с диапазоном показаний средства измерений.

Измеряемая, преобразуемая величина характеризует назначение ИП для измерения (преобразования) той или иной физической величины.

Для каждого ИП устанавливается естественная входная величина, которая наилучшим образом воспринимается им на фоне помех, и естественная выходная величина, которая определяется подобным образом. Например, естественной входной величиной терморезистивного ИП является температура, а естественной выходной величиной – сопротивление.

Градуировочная характеристика средства измерения – это зависимость между значениями величин на входе и выходе средства измерений, полученная экспериментально.

Градуировочная характеристика может быть выражена в виде формулы, графика или таблицы.

Для ИП нормируется номинальная статическая градуировочная характеристика Y _H = f _H(X). Она приписывается средству измерений на основе анализа совокупности таких средств.

При градуировке серии однотипных преобразователей функции преобразования каждого ИП могут отличаться от паспортной (номинальной), образуя полосу неопределенности.

Реальная функция преобразования Y _P = f _P(X) – функция, которую имеет ИП в действительности.

Чувствительность средства измерений – это свойство средства измерений, определяемое отношением изменения выходного сигнала этого средства к вызывающему его изменению измеряемой величины.

Различают абсолютную и относительную чувствительность. В общем случае абсолютная чувствительность определяется как

. (1.4)

Эта величина является размерной и зависит от единиц, в которых выражаются X и Y. Например, для терморезистивного ИП размерность абсолютной чувствительности будет Ом/К.

В практике пользуются относительной чувствительностью:

, (1.5)

где D X/X – относительное изменение входной величины, выражаемое чаще всего в процентах. Относительная чувствительность S ₀ имеет размерность выходной величины на 1% изменения входной величины.

Применяют также выражение относительной чувствительности в виде

, (1.6)

выражая числитель и знаменатель чаще всего в процентах (например, 1 % изменения величины Х вызывает изменение Y на n %).

Порог чувствительности средства измерений –это характеристика средства измерений в виде наименьшего значения изменения физической величины, начиная с которого может осуществляться ее измерение данным средством.

На практике применяются также термины: реагирование и порог реагирования, подвижность средства измерений и порог подвижности, срабатывание и порог срабатывания.

Введение этого параметра вызвано тем, что не всякое малое изменение измеряемой величины вызывает изменение результата измерения, а только лишь большее некоторой пороговой величины. Порог чувствительности равен абсолютной погрешности средства измерений, т. е. D_ПОР = D_X.

Например, если самое незначительное изменение массы, которое вызывает перемещение стрелки весов, составляет 10 мг, то порог чувствительности весов равен 10 мг.

Потребляемая мощность –мощность, которая потребляется от объекта измерения. Измеряемый объект и средство измерений связаны и взаимодействуют между со­бой. Такое взаимодействие необходимо для проведения измерения.

Для приведения в действие первичного измерительного преоб­разователя необходима энергия, которая потребляется от объекта измерения. Естественно, эта энергия должна быть небольшой, чтобы измерительный прибор не вносил заметного искажения в измеряемый процесс. Сравните между собой измерение ртутным термометром температуры моря и жидкости в пробир­ке. Во втором случае термометр может существенно нагреть или охладить жидкость в пробирке. Поскольку мощность, потребляемая входной цепью прибора, конечна, ее значение является важным по­казателем средства измерения.

У средств измерений электрических величин потребляемая мощность определяется входным сопротивлением прибора. Для прибо­ров, реагирующих на напряжение (включаемых параллельно участку цепи), входное сопротивление должно быть большим, тогда входная мощность Р = U²/R будет невелика. У прибров, чувствительных к току (включаемых последовательно в электрическую цепь), входное сопротивление, наоборот, должно быть минимальным (по крайней мере, намного меньшим, чем сопротивление участка цепи).

Понятие входного сопротивления применяется не только к из­мерению электрических величин, но и к измерению механических, тепловых и другого рода величин. В связи с этим нашло примене­ние более общее понятие: обобщенное входное сопротивление, определяемое как отношение обобщенной силы к обобщенной скорости. Например, под механическим сопротивлением понимают отношение силы к вызванной ею скорости равномерного движения. Однако не для всех видов энергии понятие сопротивления соответствует общему определению.

Выходное сопротивление измерительного преобразователя характеризует реакцию его выходного сигнала на подключение к его выходу фиксированной нагрузки. Преобразователь с выходной стороны бывает нагружен входным сопротивлением последующего измерительного преобразователя. Для наиболее эффективного использования преобразователей необходимо согласование выходного сопротивления данного преобразователя с входным сопротивлением последующего преобразователя. Чем меньше выходное сопротивление предшествующего преобразователя по отношению к входному сопротивлению следующего преобразователя, тем меньше потребляемая последующим преобразователем мощность и тем меньше взаимная зависимость характеристик преобразователей.

Динамические характеристики ИП описывают его инерционные свойства и определяют зависимость выходного сигнала ИП от меняющихся во времени величин: входного сигнала, нагрузки, влияющих величин.

Для описания поведения большинства средств измерений в динамическом режиме работы с достаточной степенью приближения можно использовать линейное дифференциальное уравнение с постоянными коэффициентами:

, (1.7)

где … и … – постоянные коэффициенты; Y и Х – мгновенные значения информативного параметра изменения выходной и измеряемой величин.

Средства измерения и измерительные преобразователи в частности при любом изменении входной величины можно характеризовать операторной чувствительностью, определяемой как отношение операторного изображения информативного параметра изменения выходной величины Y(p) к операторному изображению преобразуемой (измеряемой) величины X(p):

, (1.8)

где – оператор Лапласа.

В случае гармонического изменения входной величины используется комплексная чувствительность:

, (1.9)

где A и B – вещественная и мнимая части комплексной чувствительности.

Для измерительных преобразователей динамические характеристики обычно выражают в виде переходных или амплитудно- и фазочастотных характеристик.

Модуль комплексной чувствительности называется амплитудно-частот­ной характеристикой:

, (1.10)

а аргумент – фазочастотной характеристикой:

. (1.11)

При ступенчатом изменении входной величины Х = Х₀ = const средства измерения описываются переходной характеристикой:

. (1.12)

Для измерительных приборов обычно указывается время установления показания: промежуток времени с момента начала измерения до момента установления показаний (т. е. когда переходный процесс закончился). Величина, обратная времени измерения, получила название быстродействия средства измерения. Быстродействие выражается числом, равным максимальному числу измерений, сделанных с помощью данного прибора, в секунду.

Высокое быстродействие дает возможность измерять мгновенные значения быстроменяющихся величин, а также дает возможность повышать точность измерений введением дополнительных вычислительных устройств для обработки большого числа единичных измерений.

При использовании средств измерений в реальных условиях необходимо учитывать характеристики среды, в которой это средство измерений находится при эксплуатации. Изменение внешних условий приводит к изменению метрологических характеристик СИ, например к увеличению погрешности измерения. Величины, которые влияют на метрологические характеристики, помимо измеряемой величины, называют влияющими величинами. Влияющими величинами могут быть: температура, влажность, атмосферное давление, напряжение источника питания, напряженность внешних магнитных и электрических полей, вибрации, ускорения и т. д. Кроме того, влияющими величинами считаются те параметры входного сигнала, изменения которых не несут информации об измеряемой величине, но влияют на результаты измерений. Например, показания электронного вольтметра зависят не только от величины переменно­го напряжения, но и его частоты.

Различают нормальные условия применения средств измерений и рабочие условия применения.

При работе средства измерений в нормальных условиях воздействием влияющих величин на результаты измерений можно пренебречь. Нормальные условия эксплуатации зависят от назначения СИ и его метрологических характеристик. Для основной массы приборов, используемых в промышленности, нормальными условиями эксплуатации считаются: температура окружающего воздуха (20 ± 5) ⁰С; от­носительная влажность 30–80 %; атмосферное давле­ние 630–795 мм рт. ст.

Обычно средства измерений продолжают нормально выполнять функции в более широкой области значений влияющих величин. В этом случае для средств измерений указываются рабочие условия эксплуатации. Метрологические характеристики средств измерений в рабочих условиях могут существенно изменяться под воздействием влияющих величин.

Кроме метрологических характеристик, при эксплуатации средств измерения, важно знать и неметрологические характеристики, такие как: показатели надежности, электрическую прочность, сопротивление изоляции, устойчивость к климатическим и механическим воздействиям, время установления рабочего режима, экономичность и др.