Общие характеристики средств измерений

Статическая характеристика прибора. Чувствительность, быстродействие, динамический диапазон, цена деления, класс точности прибора. Аналоговые и цифровые измерения. Методическая и инструментальная погрешности.

Все приборы для измерения называются средствами измерений. Они делятся на меры, измерительные инструменты, измерительные преобразователи и приборы, измерительные установки и информационно-измерительные системы. Если измеряется постоянная или относительно медленно меняющаяся величина, то фундаментальной характеристикой средства измерения является зависимость регистрируемой прибором величины y(t) от интересующей нас величины х(t). Эта зависимость называется статической характеристикой прибора, если она явно не зависит от времени. Время входит в эту зависимость просто как параметр. Эта зависимость определяется принципом измерения, т.е. физическим явлением, положенным в основу измерений конкретной физической величины.

Мы уже определили понятие чувствительности измерительного средства как .Под чувствительностью S понимают способность измерительных устройств реагировать на изменение измеряемой величины. Количественно чувствительность оценивается отношением приращений выходного сигнала Δ у (линейного или углового перемещения стрелки, пера самопишущего прибора) к приращению измеряемой величины Δ x (входного сигнала). Например, при повышении температуры на 100 °С сигнал термоЭДС хромель-алюмелевой термопары увеличится на 4, 0 мВ, следовательно, чувствительность термопары составит 4 мВ/100град=0, 04мВ/град. Порог нечувствительности — наименьшее значение измеряемой величины, способное вызвать появление выходного сигнала.

Очевидно, что если статическая характеристика представляет линейную функцию , то чувствительность такого прибора постоянна во всём диапазоне измерений. Линейная зависимость у от х удобна, но не всегда. Иногда нужно перекрыть широкий диапазон значений измеряемой величины, используя одну шкалу средства отображения информации. Тогда представляют результаты измерений не на линейной, а на логарифмической шкале. Примерами являются измерители малых токов – электрометры, приборы для измерения разрежения – вакуумметры и др. Важной характеристикой шкалы средства измерения является цена деления. Очевидно, что цена деления линейной шкалы постоянна на всей её протяжённости.

Другой общей характеристикой прибора является динамический диапазон. Это отношение максимального значения, которое можно измерить прибором, к минимальному значению. В общем случае, чем больше динамический диапазон прибора, тем прибор лучше, тем он более универсальный. Логарифмическая шкала позволяет перекрыть широкий динамический диапазон прибора при одной установке переключателя диапазонов измерений. Иногда встречаются квадратичные шкалы прибора в силу принципа измерения. Так бывает, например, когда датчик, реагирующий на мощность переменного тока, которая, как известно, пропорциональна квадрату его амплитуды, используется для измерения этой амплитуды.

В настоящее время широко используются приборы, в которых информация представляется потребителю в цифровом виде. Но наряду с цифровыми приборами используются также стрелочные приборы, электронно-лучевые осциллографы и другие средства отображения информации, в которых сигнал меняется непрерывным образом. Такой сигнал называется по-другому аналоговым сигналом. Исходная величина х(t) всегда является непрерывной функцией времени. В современных приборах эта величина может быть превращена в цифровой сигнал. Такая операция называется дискретизацией и осуществляется устройством, которое называется аналого-цифровым преобразователем (АЦП). Цифровой сигнал удобен для дальнейшей обработки, хранения и более устойчив по отношению к помехам. Если информация предъявляется оператору, то в цифровом формате можно повысить точность считывания показаний. Однако аналоговые (стрелочные) приборы не были полностью вытеснены появившимися позже цифровыми приборами. Причина этого имеет эргономическую природу. Если оператору приходится следить за меняющимся положением стрелки прибора и быстро реагировать на неё, то это сделать проще и с меньшим количеством ошибок, чем отслеживать смену цифр на табло и соображать, растёт сигнал или убывает, ускорился темп смены цифр или замедлился..

Вернёмся к погрешностям измерений и точности приборов. Природа и происхождение систематических погрешностей обусловлены особенностями конкретного эксперимента. Поэтому обнаружение и исключение систематических погрешностей -процедура творческая, для неё не существует правил и алгоритмов, в отличие от правил работы со случайными погрешностями. Успех этой работы зависит, в частности, от квалификации и мастерства того, кто работает с прибором. Опыт экспериментаторов и метрологов показал, что существуют общие причины возникновения систематических погрешностей. Учитывая эти причины, систематические погрешности делят на методические, инструментальные и субъективные.

Методические погрешности обусловлены несовершенством метода измерений и тем, что при выводе формул, относящихся к принципу измерений (напомним, что это физическое явление, положенное в основу измерений), были использованы упрощающие предположения. Иными словами, функция F(x) выбрана не вполне удачно. Например, она неоднозначна. Это имеет место, в частности, при измерениях, в которых используется магнитное поле. Магнитные материалы, используемые в подобных приборах, обладают гистерезисом свойств, и это порождает неоднозначность функции F(x). Другая причина методической погрешности связана с тем, что часто сам измерительный прибор влияет на объект измерения, и это вносит погрешность в полученный результат. Например, при измерении температуры термометром сопротивления сам термометр является источником добавочного тепла, которое вводится в объект измерения. Таким образом, термометр такого типа принципиально будет измерять более высокую температуру, чем температура объекта.

Инструментальная погрешность измерений определяется в первую очередь неточностью средств измерений. В числе них могут быть неточности градуировки, конструктивное несовершенство, изменение характеристик средств измерения во время эксплуатации и др. Приборы изготавливаются не из идеальных материалов, а из реальных, которые подвержены упругим и пластическим деформациям, в которых при протекании, например, электрического тока происходит диссипация энергии и т.д. Инструментальные погрешности могут возникать также от неправильной установки, от вибраций, от влияния магнитных полей и т.д.

Чтобы учесть влияние внешних факторов, инструментальные погрешности делят на основные и дополнительные.

Субъективными погрешностями называют погрешности, которые возникают при считывании показаний оператором. Это могут быть неправильный отсчёт показаний, например, ошибка из-за параллакса или из-за невнимательности. В стрелочных приборах для исключения ошибки на параллакс часто используется зеркальная шкала, которая позволяет направлять взгляд перпендикулярно плоскости шкалы. Использование цифровых приборов и автоматических методов измерений позволяет исключить такого рода погрешности.

Для того чтобы облегчить потребителям использование средств измерений, разработчики и производители приборов исследуют их погрешности и дают информацию о точности средства измерения в виде их метрологических характеристик, приведенных в паспорте прибора. Главная метрологическая характеристика - класс точности прибора. В качестве класса точности прибора используется относительная приведенная погрешность. Относительная погрешность – это абсолютная погрешность, определение которой было дано выше, делённая на измеренную величину. Выражается в процентах. Она характеризует, насколько существенна погрешность в сравнении с результатом измерения. Относительная приведенная погрешность – это абсолютная погрешность, делённая на наибольшее деление шкалы, если прибор аналоговый, и на максимальный разряд цифрового табло, если прибор цифровой. Если наибольшее значение шкалы соответствует бесконечности, как это имеет место в приборах для измерения сопротивления изоляции – мегомметрах, то в этом случае абсолютная погрешность делится на показание прибора. Часто класс точности прибора обозначается соответствующим числом в квадрате или в кружке на лицевой панели прибора (манометрах, электроизмерительных приборах и др.). Если на лицевой панели стоит, например, 0, 5 в кружке, то это означает, что относительная приведенная погрешность равна 0, 5%. Это класс точности 0, 5. Если максимальное деление шкалы, например, равно 150, то абсолютная погрешность равна 0, 75 деления. Если этот прибор вольтметр и цена деления 1 В, то изготовитель гарантировал, что абсолютная погрешность не превышает 0, 75 В. Представим, что стрелка прибора показывает 120 В. Это означает, что относительная погрешность измерения равна 0, 75·100%/120 = 0, 625%. Если же стрелка стоит напротив деления 12 В, то относительная погрешность составляет уже 6, 25%, что может быть неприемлемо. Поэтому практическая рекомендация состоит в том, что нужно использовать прибор или диапазон измерений прибора, при котором стрелка показывает результат измерения в последней трети шкалы.

Как упоминалось выше, влияние внешних факторов на измерения приводит к дополнительным погрешностям. Изготовитель предусмотрел это, указав в паспорте основные и дополнительные погрешности. В качестве основной погрешности применяется относительная приведенная погрешность при расчётных условиях эксплуатации средств измерения. Дополнительная погрешность указывается при отклонениях условий эксплуатации от расчётных. Например, при воздействии вибраций появляется дополнительная погрешность манометра при измерении давления. Если эта дополнительная погрешность устраивает, то можно пользоваться прибором, который первоначально для этого не предназначался. Могут учитываться нерасчётные климатические условия (низкие или высокие температуры, большая влажность воздуха и др.), приводящие к дополнительным погрешностям. Другой важный случай появления дополнительной погрешности связан с расширением диапазона какого-либо параметра, существенно влияющего на точность измерений. Например, амперметр измеряет величину переменного тока в диапазоне частот до, скажем, 50 кГц с основной погрешностью и с дополнительной погрешностью в диапазоне частот 50 – 100 кГц. Если суммарная погрешность нас устраивает, то можно применять амперметр в нерасчётных условиях эксплуатации для измерения переменного тока с частотой до 100 кГц.

Если прибор измеряет меняющуюся во времени величину, то приобретает значение вопрос о быстродействии прибора – успевает ли прибор отслеживать эту величину и не возникают ли погрешности в показаниях прибора потому, что сигнал изменяется во времени. При измерениях однократно меняющихся величин быстродействие характеризуется временем, прошедшим от момента начала скачкообразного изменения величины на входе в измерительный прибор до установления показаний на средстве отображения информации (СОИ). Эта величина приводится в паспорте прибора, как постоянная времени прибора. Если измеряемая величина меняется настолько быстро, что проявляется инерция элементов схемы прибора, то это порождает динамическую погрешность.

Если величина является периодической функцией времени, то масштабом скорости изменения измеряемой величины служит частота. В паспорте прибора приводится предельная частота, при которой погрешность показаний СОИ составляет определённое допускаемое значение (например, 1%). Эта частота и есть характеристика быстродействия прибора Применяется также понятие частоты среза, при которой погрешность измерения становится равной измеряемой величине.