Если у вас возникли сложности с курсовой, контрольной, дипломной, рефератом, отчетом по практике, научно-исследовательской и любой другой работой - мы готовы помочь.
Предоплата всего
Подписываем
Лекция 1. Основные положения Закона РФ “Об обеспечении единства измерений”. Поверочные схемы. Структура и функции метрологической службы и организаций.
Вся метрологическая деятельность в Российской Федерации ос новывается на конституционной норме (ст. 71), которая устанавли вает, что в федеральном ведении находятся стандарты, эталоны, метрическая система и исчисление времени, и закрепляет центра лизованное руководство основными вопросами законодательной метрологии, такими, как единицы ФВ, эталоны и связанные с ними другие метрологические основы. В развитие этой конституци онной нормы приняты законы "Об обеспечении единства измере ний" и "О стандартизации", детализирующие основы метрологи ческой деятельности.
Основными целями Закона "Об обеспечении единства измере ний", принятого в 1993 г., являются:
• установление правовых основ обеспечения единства измере ний в РФ;
• регулирование отношений государственных органов управле ния с юридическими и физическими лицами по вопросам изготов ления, выпуска, эксплуатации, ремонта, продажи и импорта средств измерений;
• защита прав и законных интересов граждан, установленного правопорядка и экономики РФ от отрицательных последствий недостоверных результатов измерений;
• содействие прогрессу на основе создания и применения го сударственных эталонов единиц ФВ;
• гармонизация российской системы измерений с мировой прак тикой.
Закон закрепляет ряд основных понятий метрологии. Одним из главных является единство измерений — состояние измерений, при котором их результаты выражены в узаконенных единицах вели чин и погрешности измерений не выходят за установленные гра ницы с заданной вероятностью. Кроме этого, в Законе даны опре деления таких понятий, как средство измерений, эталон единицы величины, метрологическая служба, метрологический контроль и надзор, поверка и калибровка средства измерений, сертификат об утверждении типа средств измерений, аккредитация на право по верки средств измерений, лицензия на изготовление (ремонт, про дажу, прокат) средств измерений, сертификат о калибровке. При веденные определения соответствуют официальной терминологии Международной организации законодательной метрологии (МОЗМ).
Закон устанавливает, что государственное управление деятель ностью по обеспечению единства измерений в РФ осуществляет Комитет Российской Федерации по стандартизации, метрологии и сертификации (Госстандарт России), и определяет его цели, задачи, компетенцию, ответственность и полномочия.
Закон определяет, что в Российской Федерации допускаются к применению единицы ФВ Международной системы единиц, приня той Генеральной конференцией по мерам и весам, рекомендован ные МОЗМ. Государственные эталоны единиц величин использу ются в качестве исходных для передачи их размеров всем средствам измерений данных величин на территории России.
Закон требует, чтобы средства измерений соответствовали усло виям эксплуатации и установленным требованиям, разрабатывае мым на основе рекомендаций Госстандарта. Решения об отнесении технического устройства к средствам измерений и установлении интервалов между поверками принимает Госстандарт России. Из мерения должны осуществляться в соответствии с аттестованными в установленном порядке методиками. Порядок разработки и аттес тации методик выполнения измерений устанавливает также Гос стандарт.
Закон определяет Государственную метрологическую службу и иные государственные службы обеспечения единства измере ний, метрологические службы государственных органов управле ния РФ и юридических лиц, их задачи и полномочия. Кроме того, он задает виды, полномочия, зоны ответственности и по рядок осуществления государственного метрологического конт роля и надзора, осуществляемого Государственной метрологичес кой службой Госстандарта России. В областях, где надзор и контроль не применяются, используются правила и положения, введенные положением Российской системы калибровки (см. 6.4.4).
Закон "Об обеспечении единства измерений" укрепляет право вую основу для международного сотрудничества в области метроло гии. Положения настоящего Закона были расширены Государствен ной системой обеспечения единства измерений (ГСИ), представляю щей собой комплекс нормативных документов межрегионального и межотраслевого уровней, устанавливающих правила, нормы, тре бования, направленные на достижение и поддержание единства из мерений в стране (при требуемой точности), утверждаемых Госстан дартом страны. Основными объектами ГСИ являются:
• единицы ФВ;
• государственные эталоны и общесоюзные поверочные схемы;
• методы и средства поверки средств измерений СИ;
• номенклатура и способы нормирования метрологических ха рактеристик (MX) СИ;
• нормы точности измерений;
• способы выражения и формы представления результатов и по казателей точности измерений;
• методики выполнения измерений;
• методики оценки достоверности и формы представления дан ных о свойствах веществ и материалов;
• требования к стандартным образцам свойств веществ и мате риалов;
• термины и определения в области метрологии;
• организация и порядок проведения государственных испыта ний СИ, поверки и метрологической аттестации СИ и испытатель ного оборудования; калибровки СИ, метрологической экспертизы нормативно-технической, проектной, конструкторской и техноло гической документации, а также экспертизы и данных о свойствах материалов и веществ.
Лекция 2. Теоретические основы метрологии. Понятие метрологического обеспечения.
В соответствии с рекомендациями РМГ 29—99, введенными взамен ГОСТ 16263—70 метрология — это наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности.
В зависимости от цели различают три раздела метрологии: теоретический, законодательный и прикладной.
В теоретической (фундаментальной) метрологии разрабатыва ются фундаментальные основы этой науки.
Предметом законодательной метрологии является установление обязательных технических и юридических требований по приме нению единиц физических величин, эталонов, методов и средств измерений, направленных на обеспечение единства и необходи мой точности измерений.
Практическая (прикладная) метрология освещает вопросы практического применения разработок теоретической и положений законодательной метрологии.
Под метрологическим обеспечением (МО) понимается установ ление и применение научных и организационных основ, техничес ких средств, правил и норм, необходимых для достижения един ства и требуемой точности измерении. Основной тенденцией в раз витии МО является переход от существовавшей ранее сравнительно узкой задачи обеспечения единства и требуемой точности измере ний к принципиально новой задаче обеспечения качества измере ний. Качество измерений — понятие более широкое, чем точ ность измерений. Оно характеризует совокупность свойств СИ, обеспечивающих получение в установленный срок результатов измерений с требуемыми точностью (размером допускаемых погрешностей), достоверностью, правильностью, сходимостью и воспроизводимос тью.
Понятие “метрологическое обеспечение ” применяется по отношению к измерениям (испытанию, контролю) в целом. В то же время допускают использование термина “метрологическое обес печение технологического процесса (производства, организации)”, подразумевая при этом МО измерений (испытаний или контроля) в данном процессе, производстве, организации.
Объектом МО являются все стадии жизненного цикла (ЖЦ) изделия (продукции) или услуги. Под ЖЦ понимается совокуп ность последовательных взаимосвязанных процессов создания и из менения состояния продукции от формулирования исходных требо ваний к ней до окончания эксплуатации или потребления.
Так, на стадии разработки продукции для достижения высокого качества изделия производится выбор контролируемых параметров, норм точности, допусков, средств измерения, контроля и испыта ния. Так же осуществляется метрологическая экспертиза конструк торской и технологической документации.
При разработке МО необходимо использовать системный под ход, суть которого состоит в рассмотрении указанного обеспечения как совокупности взаимосвязанных процессов, объединенных од ной целью — достижением требуемого качества измерений. Такими процессами являются:
• установление рациональной номенклатуры измеряемых пара метров и оптимальных норм точности измерений при контроле ка чества продукции и управлении процессами;
• технико-экономическое обоснование и выбор СИ, испытаний и контроля и установление их рациональной номенклатуры;
• стандартизация, унификация и агрегатирование используемой контрольно-измерительной техники;
• разработка, внедрение и аттестация современных методик вы полнения измерения, испытаний и контроля (МВИ);
• поверка, метрологическая аттестация и калибровка контрольно-измерительного и испытательного оборудования (КИО), применя емого на предприятии;
• контроль за производством, состоянием, применением и ре монтом КИО, а также за соблюдением метрологических правил и норм на предприятии;
• участие в разработке и внедрении стандартов предприятия;
• внедрение международных, государственных и отраслевых стан дартов, а также иных нормативных документов Госстандарта;
• проведение метрологической экспертизы проектов норматив ной, конструкторской и технологической документации;
• проведение анализа состояния измерений, разработка на его основе и осуществление мероприятий по совершенствованию МО;
• подготовка работников соответствующих служб и подразделе ний предприятия к выполнению контрольно-измерительных опера ций.
Метрологическое обеспечение имеет четыре основы: научную, организационную, нормативную и техническую. Их содержание по казано на рисунке. Отдельные аспекты МО рассмотрены в рекомен дации МИ 2500—98 по метрологическому обеспечению малых пред приятий. Разработка и проведение мероприятий МО возложено на метрологические службы (МС). Метрологическая служба — служба, создаваемая в соответствии с законодательством для выполнения работ по обеспечению единства измерений и осуществления метро логического контроля и надзора.
Лекция 3. Основной принцип измерения. Стандартная схема измерения. Основные факторы, вызывающие погрешность результатов измерения
К общепринятым в метрологии определениям относят сле дующие понятия: измерения, средства, принцип, метод и объект измерения, алгоритм измерения и ряд других терминов.
Измерением называют процесс нахождения значения физиче ской величины опытным путем с помощью специальных техниче ских средств. Суть измерения сводят к основному уравнению:
А = kA0, ( 1.2 )
где А значение измеряемой физической величины; А0 зна чение величины, принятой за образец; k отношение измеряе мой величины к образцу.
Наиболее удобен вид основного уравнения (1.2), если вы бранная за образец величина равна единице. При этом параметр k представляет собой числовое значение измеренной величины, зависящее от принятого метода измерения и единицы измерения.
Любое измерение заключается в сравнении путем физиче ского эксперимента данной величины с некоторым ее значением, принятым за единицу сравнения и называемой мерой. Получае мая при измерениях физических величин информация называется измерительной.
Основными характеристиками измерений являются: результат, погрешность, точность, правильность, сходимость, воспроизводи мость и достоверность.
Результат измерений физической величины (кратко ре зультат измерения или, просто результат) значение физиче ской величины, полученное путем ее измерения.
Часто в полученный результат вносят поправки (поправка значение величины, одноименной с измеряемой, которая вводится в результат измерения для исключения определенных, так назы ваемых систематических составляющих погрешности, что находит отражение в терминологии.
Причинами возникновения погрешностей являются: несовершенство методов измерений, технических средств, применяемых при измерениях, и органов чувств наблюдателя. В отдельную группу следует объединить причины, связанные с влиянием условий проведения измерений. Последние проявляются двояко. С одной стороны, все физические величины, играющие какую-либо роль при проведении измерений, в той или иной степени зависят друг от друга. Поэтому с изменением внешних условий изменяются истинные значения измеряемых величин. С другой стороны, условия проведения измерений влияют и на характеристики средств измерений и физиологические свойства органов чувств наблюдателя и через их посредство становятся источником погрешностей измерения.
Описанные причины возникновения погрешностей определяются совокупностью большого числа факторов, под влиянием которых складывается суммарная погрешность измерения - см. формулу (1). Их можно объединить в две основные группы.
1. Факторы, проявляющиеся весьма нерегулярно и столь же неожиданно исчезающие или проявляющиеся с интенсивностью, которую трудно предвидеть. К ним относятся, например, перекосы элементов приборов в их направляющих, нерегулярные изменения моментов трения в опорах, малые флюктуации влияющих величин, изменения внимания операторов и др.
Доля, или составляющая, суммарной погрешности измерения (1), определяемая действием факторов этой группы, называется случайной погрешностью измерения. Ее основная особенность в том, что она случайно изменяется при повторных измерениях одной и той же величины.
При создании измерительной аппаратуры и организации про-цесса измерения в целом интенсивность проявления большинства факторов данной группы удается свести к общему уровню, так что все они влияют более или менее одинаково на формирование случайной погрешности. Однако некоторые из них, например внезапное падение напряжения в сети электропитания, могут проявиться неожиданно сильно, в результате чего погрешность примет размеры, явно выходящие за границы, обусловленные ходом эксперимента в целом. Такие погрешности в составе случайной погрешности называются грубыми. К ним тесно примыкают промахи - погрешности, зависящие от наблюдателя и связанные с неправильным обращением со средствами измерений, неверным отсчетом показаний или ошибками при записи результатов.
2. Факторы, постоянные или закономерно изменяющиеся в процессе измерительного эксперимента, например плавные изменения влияющих величин или погрешности применяемых при измерениях образцовых мер. Составляющие суммарной погрешности (1), определяемые действием факторов этой группы, называются систематическими погрешностями измерения. Их отличительная особенность в том, что они остаются постоянными или закономерно изменяются при повторных измерениях одной и той же величины. До тех пор, пока систематические погрешности больше случайных, их зачастую можно вычислить или исключить из результатов измерений надлежащей постановкой опыта.
Таким образом, мы имеем два типа погрешностей измерения:
случайные (в том числе грубые погрешности и промахи), изменяющиеся случайным образом при повторных измерениях одной и той же величины;
систематические погрешности, остающиеся постоянными или закономерно изменяющиеся при повторных измерениях.
В процессе измерения оба вида погрешностей проявляются одновременно, и погрешность измерения можно представить в виде суммы:
|
(2) |
где - случайная, а - систематическая погрешности.
Для получения результатов, минимально отличающихся от истинных значений величин, проводят многократные наблюдения за измеряемой величиной с последующей математической обработкой опытных данных. Поэтому наибольшее значение имеет изучение погрешности как функции номера наблюдения, т. е. времени . Тогда отдельные значения погрешностей можно будет трактовать как набор значений этой функции:
В общем случае погрешность является случайной функцией времени, которая отличается от классических функций математического анализа тем, что нельзя сказать, какое значение она примет в момент времени t. Можно указать лишь вероятности появления ее значений в том или ином интервале. В серии экспериментов, состоящих из ряда многократных наблюдений, мы получаем одну реализацию этой функции. При повторении серии при тех же значениях величин, характеризующих факторы второй группы, неизбежно получаем новую реализацию, отличающуюся от первой.
Лекция 4. Средство измерения и его метрологические характеристики
Средство измерений (СИ) техническое средство (или их комплекс), предназначенное для измерений, имеющее нормиро ванные метрологические характеристики, воспроизводящее и (или) хранящее единицу физической величины, размер которой прини мается неизменным в течение известного интервала времени.
Измерять с приемлемой точностью можно при условии, что средство измерений обеспечивает хранение (или воспроизведение) единицы измеряемой величины практически неизменной как во времени, так и под воздействием факторов окружающей среды. Причем эту неизменность размера единицы во времени и подвер женность ее изменениям под воздействием влияющих факторов необходимо контролировать. В зависимости от требований к каче ству измерений этот контроль осуществляют с помощью различных средств измерений.
Для средств измерений можно выделить некоторые общие признаки, присущие всем средствам измерений независимо от области применения.
По роли, выполняемой в системе обеспече ния единства измерений, различают следующие средст ва измерений:
• метрологические, предназначенные для метрологических це лей воспроизведения единицы и (или) ее хранения или пере дачи размера единицы рабочим средствам измерений;
• рабочие, применяемые для измерений, не связанных с пере дачей размера единиц.
Метрологические средства измерений весьма немногочис лены. Их разрабатывают, производят и эксплуатируют в спе циализированных научно-исследовательских центрах. Поэтому подавляющее большинство используемых на практике средства измерений принадлежат ко второй группе.
По уровню автоматизации все средства измерений делят на:
• неавтоматические;
• автоматизированные, производящие в автоматическом ре жиме одну или часть измерительной операции;
• автоматические, производящие в автоматическом режиме измерения все операции, связанные с обработкой их результатов, регистрацией, передачей данных или выработкой управляющих сигналов.
По отношению к измеряемой физической ве личине различают следующие средства измерений:
• основные средства измерений той физической величины, значение которой надо получить в соответствии с измерительной задачей;
• вспомогательные средства измерений той физической ве личины, влияние которой на основное средство измерений или объект измерения необходимо учесть для получения результатов измерения требуемой точности
По реализации процедуры измерения средства измерений бывают элементарными и комплексными.
Средства измерений разделяют на меры, устройства сравне ния (компараторы), измерительные преобразователи, измери тельные приборы, измерительные установки и измерительные системы.
Элементарные средства измерений
Элементарные средства измерений предназначены для реали зации отдельных операций прямого измерения. К ним относят ме ры, устройства сравнения и измерительные преобразователи. Каждое из них, взятое по отдельности, не может осуществить опе рацию измерения.
Мера средство измерения, воспроизводящее физическую величину заданного размера (значения). В качестве меры в ра диоизмерениях используют измерительный резистор (мера элек трического сопротивления) и т.д. Меры бывают однозначными и многозначными.
Однозначная мера воспроизводит физическую величину одно го размера.
Многозначная мера воспроизводит ряд одноименных вели чин различного размера, например, потенциометр, конденсатор переменной емкости.
Кроме этого, различают наборы мер, магазины мер, устано вочные и встроенные меры. Набор мер специально подобран ный комплект однотипных элементов, применяемых не только по отдельности, но и в различных сочетаниях для воспроизведения ряда одноименных величин разного размера, например, набор измерительных резисторов, или конденсаторов.
Устройство сравнения (компаратор) это средство изме рений, позволяющее сравнивать друг с другом меры однородных величин или же показания измерительных приборов. Примером может служить фотореле, включающее (выключающее) уличное электрическое освещение.
Измерительный преобразователь средство измерений, вы Ра батыва ющее сигнал измерительной информации в форме, удоб ной для передачи, преобразования, обработки и хранения, но не поддающейся непосредственному восприятию исследователя.
По виду входных и выходных величин измерительные пре образователи делятся на:
• аналоговые, преобразующие одну аналоговую величину в другую аналоговую величину;
• аналого-цифровые (АЦП), предназначенные для преобразо вания аналогового измерительного сигнала в цифровой код;
• цифро-аналоговые (ЦАП), предназначенные для преобразо вания цифрового кода в аналоговую величину.
Комплексные средства измерений
Комплексные средства измерений предназначены для реали зации всей процедуры измерения. К ним относят: измерительные приборы, измерительные установки и измерительные системы
Измерительный прибор средство измерения, предназна ченное для выработки определенного вида сигнала измеритель ной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия оператором.
В радиотехнике сигналом измерительной информации явля ется электрический сигнал, функционально связанный с изме ряемой физической величиной. Информативным параметром входного электрического сигнала средства измерения служит па раметр входного сигнала, функционально связанный с измеряе мой физической величиной и используемый для передачи ее значения или являющийся самой измеряемой величиной.
Измерительные приборы классифицируют по ряду признаков.
По форме индикации измеряемой величины радиоизмерительные приборы делят на показывающие и регист рирующие, среди которых есть самопишущие и печатающие.
Показывающий измерительный прибор устройство, пред назначенное только для считывания показаний, например вольт метр, амперметр.
Регистрирующий измерительный прибор прибор, в кото ром предусмотрена регистрация показаний измеряемой величи ны, например универсальный осциллограф.
Самопишущий измерительный прибор регистрирующий прибор, в котором возможна запись показаний в форме диаграммы.
Печатающий измерительный прибор регистрирующий измерительный прибор, в котором предусмотрена печать показа ний в цифровой форме.
По методу преобразования измеряемой ве личины различают приборы прямого, компенсационного (уравновешивающего) и смешанного преобразования.
По назначению измерительные приборы делят на ам перметры, вольтметры, омметры, частотомеры и т.д.
Измерительные приборы, используемые в радиотехнике, по структурной схеме можно разделить на электромеханические и электронные. К радиоизмерительным приборам относятся только электронные, в которых в качестве отсчетного узла могут входить электромеханические устройства.
По форме преобразования используемых изме рительных сигналов приборы делят на аналоговые и цифровые.
Аналоговый измерительный прибор средство измерения, показания которого являются непрерывной функцией изменения измеряемой величины. Аналоговые приборы делят на четыре ос новные группы, применяемые для разных измерительных целей.
В первую группу входят приборы для измерения параметров и характеристик сигналов (например, осциллографы, частотомеры и пр.). Вторую группу образуют приборы для измерения параметров и характеристик активных и пассивных элементов электрических схем. Это измерители сопротивления, емкости, индуктивности, а также приборы для снятия частот ных и переходных характеристик цепей. Третья группа измерительные генераторы, являющиеся источниками сигналов различной амплитуды, формы и частоты. В четвертую группу входят элементы измерительных схем преоб разователи, аттенюаторы, циркуляторы, фазовращатели и т.д.
Цифровым измерительным прибором (ЦИП) называют сред ство измерения, автоматически вырабатывающее дискретные сигналы измерительной информации, показания которого пред ставлены в цифровой форме.
Перед аналоговыми приборами ЦИП имеют преимущества:
• удобство и объективность отсчета измеряемых величин;
• высокая точность результатов измерения;
• широкий динамический диапазон;
• высокое быстродействие и возможность автоматизации про цесса измерения;
• возможность использования новых достижений цифровой и аналоговой микроэлектроники.
По принципу действия измерительные приборы де лят на ряд классов.
Измерительные приборы прямого действия, в которых пре дусмотрено одно или несколько преобразований сигнала измери тельной информации в одном направлении, т.е. без применения цепей обратной связи; например, амперметры, вольтметры.
Измерительные приборы сравнения, предназначенные для непосредственного сравнения измеряемой величины с известной величиной; например, электроизмерительный потенциометр.
Интегрирующие измерительные приборы, в которых иссле дуемая величина интегрируется по времени или по другой неза висимой переменной; например, электрический счетчик энергии.
Сложные измерительные средства могут состоять из функ ционально связанных простых измерительных средств.
Более широкой является классификация средств измерений по конкретным признакам. Одним из основных признаков служит диапазон рабочих частот, в котором данное средство измерений работает или сохраняет нормированные метрологические харак теристики.
Решением Международного консультативного комитета по радио (МККР) рекомендована определенная система разделения и наименований полос в спектре частот, применяемом для радио связи, радиовещания и телевидения. Согласно этой рекомендации установлены следующие диапазоны:
крайне низких частот (КНЧ) 3...30 Гц;
сверхнизких частот (СНЧ) 30...300 Гц;
инфранизких частот (ИНЧ) 300…3000 Гц;
очень низких частот (ОНЧ) 3...30 кГц;
низких частот (НЧ) 30…300 кГц;
средних частот (СЧ) 300... 3000 кГц;
высоких частот (ВЧ) 3...30 МГц;
очень высоких частот (ОВЧ) 30...300 МГц;
ультравысоких частот (УВЧ) 300... 3000 МГц;
сверхвысоких частот (СВЧ) 3...30 ГГц;
крайне высоких частот (КВЧ) 30... 300 ГГц;
гипервысоких частот (ГВЧ) 300...3000 ГГц.
Измерительные приборы, применяемые в радиотехнике, ха рактеризуются такими основными показателями.
Диапазон измерений область значений измеряемой вели чины, для которой нормированы допускаемые погрешности из мерительного прибора (средства измерения).
Предел измерений наибольшее или наименьшее значение диапазона измерений.
Диапазон показаний размеченная область шкалы, ограни ченная ее начальным и конечным значениями, т.е. указанными на ней наименьшим Хmin и наибольшим Хmax возможными значениями измеряемой величины (он может быть шире диапазона измерений).
Область рабочих частот (диапазон частот) полоса час тот, в пределах которой погрешность прибора, полученная при изменении частоты сигнала, не превышает допускаемого предела.
Градуировочная характеристика зависимость, опреде ляющая соотношение между сигналами на выходе и входе сред ства измерений в статическом режиме.
Чувствительность по измеряемому параметру отноше ние изменения сигнала на выходе измерительного прибора к вы звавшему его изменению измеряемой величины:
, ( 1.9 )
где х измеряемая величина; у сигнал на выходе; х измене ние измеряемой величины; у изменение сигнала на выходе.
Разрешающая способность (абсолютная) минимальная разность двух значений измеряемых однородных величин, кото рая может быть различима с помощью прибора.
Быстродействие (скорость измерения) максимальное число измерений в единицу времени, выполняемых с нормиро ванной погрешностью.
Входное сопротивление (полное) Zвх сопротивление изме рительного прибора со стороны входных зажимов. На сравни тельно низких частотах входную цепь измерительного прибора, включаемого параллельно измеряемой цепи, представляют экви валентной электрической схемой, состоящей из соединенных па раллельно резистора сопротивлением Rвх и конденсатора емкостью Свх. Чтобы не влиять на измеряемую цепь, приборы должны иметь большое активное входное сопротивление Rвх и малую входную емкость Свх. Поэтому в области низких частот = 2f, когда емко стное сопротивление велико по сравнению с активным сопротив лением практически входное сопротивление измерительного прибора Zвх = Rвх. В области высоких частот входное сопротивление прибора определяется в основном емко стью и Zвх = 1/(jСвх), так как 1/(Свх) << Rвх.
Выходное сопротивление Zвых сопротивление измеритель ного прибора со стороны его выходных зажимов. Это сопротив ление определяет допустимую нагрузку измерительного прибора при подключении его, например, к компьютеру.
Собственная потребляемая мощность Рсоб мощность, по требляемая от измеряемой цепи (чем Рсоб меньше, тем точнее измерения).
Погрешности измерительного прибора инструменталь ные погрешности.
Измерительная установка совокупность функционально объединенных средств измерений и вспомогательных устройств, предназначенная для выработки сигналов измерительной инфор мации в форме, удобной для непосредственного восприятия на блюдателем.
Измерительная система (ИС) совокупность средств изме рений и вспомогательных устройств, соединенных между собой каналами связи, пред назначенная для выработки сигналов измери тельной информации в удобной для автоматической обработки форме, ее передачи и использования в системах управления. Изме рительные системы условно делят на информационно-измерительные системы (ИИС), измерительно-вычисли тель ные комплексы (ИВК) и компьютерно-измерительные системы (КИС).
Информационно-измерительные системы совокупность функционально объединенных средств измерений, средств вы числительной техники и вспомогательных устройств, соединен ных между собой каналами связи, предназначенных для выработки сигналов измерительной информации о физических величинах, свойственных данному объекту, в форме, удобной для автоматической обработки, передачи и (или) использования в ав томатических системах управления.
Измерительно-вычислительные комплексы представляют собой совокупность средств измерений и компьютеров, объеди ненных с помощью устройств сопряжения и предназначенных для измерений, научных исследований и расчетов.
Компьютерно-измерительная система (виртуальный при бор) состоит из стандартного или специализированного компью тера со встроенной в него платой (модулем) сбора данных.
Лекция 5. Измерения напряжения, силы тока и мощности
Напряжение и силу тока измеряют приборами непосред ственной оценки или приборами, использующими метод сравнения (компенсаторы). По структурному построению приборы, измеряющие напряжение и силу тока, условно можно разделить на три основных типа:
• электромеханические;
• электронные аналоговые;
• цифровые.
Электромеханические приборы
По физическому принципу действия, положенному в основу построения и конструктивному исполнению, электромеханиче ские приборы относят к группе аналоговых средств измерения, показания которых являются непрерывной функцией измеряемой величины.
Электромеханические приборы непосредственной оценки измеряемой физической величины представляют класс прибо ров аналогового типа, обладающих рядом положительных свойств: просты по устройству и в эксплуатации, обладают высокой надежностью и на переменном токе реагиру ют на среднее квадратическое значение напряжения. Последнее об сто ятельство позволяет производить измерение наиболее ин формативного параметра сигнала без методических ошибок. Электромеханические приборы строят по обобщенной струк турной схеме, представленной на рис. 3.2.
Измерительная схема электромеханического прибора со держит совокупность сопротивлений, индуктивностей, емкостей и других элементов электрической цепи прибора и осуществляет количественное или качественное преобразование входной вели чины х в электрическую величину х, на которую реагирует из мерительный механизм. Механизм преобразует электрическую величину х' в механическое угловое или линейное перемещение , значение которого отражается на шкале отсчетного устройства прибора, проградуированной в единицах измеряемой величины N(x). Для этого необходимо, чтобы каждому значению измеряемой величины соответствовало одно и только одно, определенное от клонение . При этом параметры схемы и измерительного меха низма не должны меняться при изменении внешних условий: температуры окружающей среды, частоты питающей сети и дру гих факторов.
Классификацию электромеханических приборов проводят на основании типа измерительного механизма. Наиболее распро странены в практике радиотехнических измерений следующие системы: магнитоэлектрическая, электромагнитная, электроди намическая, электростатическая.
Данные измерительные системы представлены в табл. 3.2, где приведены также формулы передаточной функции (уравне ния шкалы) измеритель ного механизма и ряд его технических характеристик. В добавление помещенным в табл. 3.2 сведениям и рисункам сделаем следующие пояснения.
Магнитоэлектрическая система. В данной системе измери тельный механизм состоит из проволочной рамки с протекающим в ней током, помещенной в поле постоянного магнита (магнитопровода). Поле в зазоре, где находится рамка, сделано равномер ным за счет особой конфигурации магнитопровода. Под воздействием протекающего тока / рамка вращается в магнитном поле, угол поворота а ограничивают специальной пружиной, по этому передаточная функция (часто называемая уравнением шка лы) линейна:
= I0/W, ( 3.7 )
где 0 удельное потокосцепление, определяемое параметрами рамки и магнитной индукцией; W удельный противодейст вующий момент, создаваемый специальной пружинкой.
Для расширения пределов измерения амперметров и вольт метров применяют шунты и добавочные сопротивления, которые включают соответственно параллельно и последовательно изме рительным механизмам в схемы этих приборов.
Гальванометры. Особую группу измерителей силы тока представляют высокочувствительные магнитоэлектрические при боры нуль-индика торы, называемые гальванометрами. Задача гальванометров показать наличие или отсутствие тока в цепи, поэтому они работают в начальной точке шкалы и должны обла дать большой чувствительностью. Гальванометры снабжают только условной шкалой. Поскольку чувствительность гальвано метров очень высока, их градуировочная характеристика неста бильна и зависит от совокупности внешних влияющих факторов. Поэтому при выпуске на производстве чувствительные гальвано метры не градуируют в единицах измеряемой физической вели чины и им не присваивают классы точности (не нормируют по классам точности). В качестве же метрологических характеристик гальванометров обычно указывают их чувствительность к току или напряжению и сопротивление рамки. Чувствительность гальвано метров выражается в миллиметрах или делениях шкалы (напри мер, Si109 мм/А). Такая высокая чувствительность достигается за счет особой конструкции прибора. Современные гальванометры позволяют измерять токи 105...1012 А и напряжения до 104 В.
Электромагнитная система. Принцип действия этой сис темы основан на взаимодействии катушки с ферромагнитным сердечником. Ферромагнитный сердечник втягивается в катуш ку при любой полярности тока. Это обусловлено тем, что фер ромагнетик располагается в магнитном поле так, чтобы поле усилилось. Следовательно, прибор электромагнитной системы может работать на переменном токе. Однако он является низко частотным, так как с ростом частоты сильно возрастает индук тивное сопротивление катушки.
Достоинствами приборов электромагнитной системы явля ются простота конструкции, способность выдерживать значи тельные перегрузки, возможность градуировки приборов, предназначенных для измерений в цепях переменного тока и на постоянном токе. Недостатки приборов большое потребление энергии, невысокая точность, малая чувствительность и сильное влияние магнитных полей. Приборы электромагнитной системы применяют в основном в качестве щитовых амперметров и вольтметров переменного тока промышленной частоты. Класс точности щитовых приборов составляет 1,5 и 2,3.
Электродинамическая система измерительный механизм содержит две измерительные катушки: неподвижную и подвиж ную. Принцип действия основан на взаимодействии катушек, электромагнитные поля которых взаимодействуют в соответствии с формулой:
, ( 3.8 )
где Мвр вращающий момент; I1 ток через неподвижную катушку; I2 ток через подвижную катушку; фазовый сдвиг между синусоидальными токами; М коэффициент взаимной индуктивности катушек.
На основе электродинамического механизма в зависимости от схемы соединения обмоток выполняют вольтметры, амперметры, ваттметры. Достоинством электродинамических вольтметров и ам перметров является высокая точность на переменном токе. Предел основной приведенной погрешности может составлять 0,1...0,2 % что является наилучшим достижимым показателем для измеритель ных приборов переменного тока. Электродинамические приборы используют как образцовые лабораторные измерительные приборы.
Электростатические приборы принцип действия электро стати че ского механизма основан на взаимодействии электрически заряженных про водников. Подвижная алюминиевая пластина, за крепленная вместе с указателем, перемещается, взаимодействуя с неподвижной пластиной. Движение ограничивает пружинка. Элек тростатические приборы по принципу действия механизма явля ются вольтметрами. Достоинства этих приборов: широкий частотный диапазон (до 30 МГц) и малая мощность, потребляемая из измерительной цепи. Приборы измеряют среднее квадратическое значение напряжения.
Компенсаторы постоянного тока. Наиболее точные измерения можно выполнить методом сравнения с мерой. Приборы, в которых измерение производится методом сравнения измеряемой величины с эталонной, называют компенсаторами. Принцип действия компенсатора основан на уравновешивании (компенсации) измеряемого напряжения из вестным падением напряжения на образцовом резисторе. Момент полной компенсации фиксирует нуль-индикатор (НИ), реаги рующий на очень маленькие постоянные токи. Разработаны ком пенсаторы переменного и постоянного тока.
Аналоговые электронные вольтметры
При измерении напряжения методом непосредственной оценки вольтметр подключают параллельно участку исследуемой цепи. Для уменьшения методической погрешности измерения собственное потребление вольт метра должно быть мало, а его входное сопротивление велико. Поэтому в последние годы в основном используют электронные вольтметры.
Электронные вольтметры представляют собой сочетание электронного преобразователя и измерительного прибора. В от личие от вольтметров электромеханической группы электронные вольтметры постоянного и переменного токов имеют высокие входное сопротивление и чувствительность, широкие пределы измерения и частотный диапазон (от 20 Гц до 1000 МГц), малое потребление тока из измерительной цепи.
Классифицируют электронные вольтметры по ряду признаков:
• по назначению вольтметры постоянного, переменного и импульсного напряжений; универсальные; фазочувствительные; селективные;
• по способу измерения приборы непосредственной оценки и приборы сравнения;
• по характеру измеряемого значения напряжения ампли тудные (пиковые), среднего квадратического значения, средневыпрямленного значения;
• по частотному диапазону низкочастотные, высокочастот ные, сверхвысокочастотные.
Кроме того, все электронные приборы можно разделить на две большие группы: аналоговые электронные со стрелочным отсчетом и приборы дискретного типа с цифровым отсчетом.
Структурные схемы аналоговых вольтметров показаны на рис. 3.5. В настоящее время аналоговые электронные вольтметры постоянного тока (рис. 3.5, а) находят ограниченное применение, так как они по своим техническим свойствам сильно уступают цифровым вольтметрам. Поэтому дальше рассматриваются толь ко аналоговые вольтметры переменного тока. Изображенная на рис. 3.5, б структурная схема используется в вольтметрах пере менного тока для измерения напряжении значительного уровня.
а)
б)
в)
Рис. 3.5. Структурные схемы аналоговых электронных вольтметров:
а постоянного тока; б напряжении большого уровня; в милливольтметра
(УПТ усилитель постоянного тока; МЭС усилитель переменного тока;
МЭС магнитоэлектрическая система)
Цифровые вольтметры
Принцип работы цифровых измерительных приборов осно ван на дискретном и цифровом представлении непрерывных измеряемых физических величин. Упрощенная структурная схема цифрового вольтметра (рис. 3.10) состоит из входного устройства, АЦП, цифрового отсчетного устройства ЦОУ и управляющего устройства.
Рис. 3.10. Упрощенная структурная схема цифрового вольтметра
Входное устройство содержит делитель напряжения; в вольтметрах переменного тока оно включает в себя также преоб разователь переменного тока в постоянный.
Аналого-цифровой преобразователь преобразует аналоговый сигнал в цифровой, представляемый цифровом кодом. Процесс аналого-цифрового преобразования составляет сущность любого цифрового прибора, в том числе и вольтметра. Использование в АЦП цифровых вольтметров двоично-десятичного кода облегчает обратное преобразование кода в десятичное число, отражаемое цифровым отсчетным устройством. Цифровое отсчетное устрой ство регистрирует измеряемую величину. Управляющее устрой ство объединяет все узлы вольтметра.
По типу АЦП цифровые вольтметры делят на две основные группы:
• кодоимпульсные (с поразрядным уравновешиванием);
• времяимпульсные.
Аналого-цифровой преобразователь вольтметров преобразу ют сигнал постоянного тока в цифровой код, поэтому и цифровые вольтметры также считают приборами постоянного тока. Для из мерения напряжения переменного тока на входе вольтметра ста вится преобразователь в постоянное напряжение, чаще всего средневыпрямленного значения.
Измерение мощности
В радиотехнике мощность измеряют практически во всем частотном диапазоне от постоянного тока до миллиметровых и более коротких длин волн. Измерять уровни мощности приходит ся в очень широких пределах от 1018 до 108 Вт. В последние годы при измерениях наряду с абсолютными (ватт, милливатт и т.д.) широко используют относительные (логарифмические) еди ницы мощности (децибелы). Относительные единицы из мерения имеют ряд существенных преимуществ, их применяют для оцен ки мощности источников радиотехнических сигналов, степени их усиления или ослабления, чувствительности приемных уст ройств, погрешностей измерений и пр.
Как физическую величину, электрическую мощность определя ют работой, совершаемой источником электромагнитного поля в единицу времени. Размерность электрической мощности записыва ют следующим образом: Дж/с = Вт.
Измерение мощности в разных частотных диапазонах имеет оп ре де ленные особенности. Измерители мощности промышленной частоты наряду со счетчиками энергии являются основой дейст вующей системы учета потребления электрической энергии в на родном хозяйстве. Измерение мощности на постоянном токе, а также в диапазоне звуковых и высоких частот имеет ограничен ное значение, поскольку на частотах до нескольких десятков ме гагерц часто удобнее измерять напряжения, токи и фазовые сдви ги, а мощность определять расчетным путем. На частотах свыше 300 МГц вследствие волнового характера процессов значения на пряжения и токов теряют однозначность и результаты измерений, начинают зависеть от места подключения прибора. Поскольку поток мощности через любое поперечное сечение линии передачи всегда остается неизменным, то основным параметром, характери зующим режим работы устройства СВЧ, становится мощность.
Активную (поглощаемую электрической цепью) мощность однофазного переменного тока определяют по формуле
P = UIcos, ( 8.1 )
где U, I средние квадратические значения напряжения и тока; сдвиг фазы между их мгновенными значениями.
Если нагрузка Rн в электрической цепи активная ( = 0), то мощность переменного тока
P = UI =I2Rн = U2/Rн. ( 8.2 )
Для сигнала произвольной формы, имеющего периодиче скую структуру, электрическую мощность можно оценить с по мощью ряда Фурье:
Р = U0I0 + U1I1 cos1 + U2I2 cos2 +…+ UnIncosn. ( 8.3 )
где U0, I0 постоянные составляющие; Un, In средние квадра тические значения гармоник напряжения и тока; n фазовый сдвиг между гармониками напряжения Un и тока In.
Электрическую мощность переменного тока можно измерять непосред ственно с помощью специальных приборов ватт метров, или косвенно путем измерения величин, входящих в приведенные соотношения. Принцип действия ваттметров осно ван на реализации операции умножения. Применяют устройства прямого и косвенного перемножения. Примерами устройств пря мого перемножения являются измерительные механизмы ватт метров электродинамической системы. Прямое перемножение напряжения и тока можно обеспечить с помощью преобразовате лей Холла, или специальных схем на полевых транзисторах и т.д.
В устройствах косвенного перемножения произведение ве личин находят путем сложения (вычитания), возведения в сте пень, логарифмирования, интегрирования и пр. Для этих целей служат аналоговые интегральные перемножители. Современные ваттметры на частоты 1…10 МГц создают на основе интеграль ных перемножителей с использованием термопреобразователей.
Лекция 6. Измерение параметров радиоцепей. Исследование формы сигнала
Радиотехнические цепи, физические размеры которых го раздо меньше рабочей длины волны, называют цепями с сосре доточенными параметрами. Свойства таких цепей практически не зависят от конфигурации выводов (электродов) активных и пассивных элементов и размеров соединительных проводов. Радиотехнические цепи, физические размеры которых соизме римы с рабочей длиной волны колебаний, относятся к цепям с распределенными параметрами. Каждый элемент или соедини тельный провод этой цепи обладает сопротивлением (активны ми, т.е. невозвратимыми, потерями мощности), индуктивностью и емкостью. Подобные цепи называют длинными линиями или СВЧ-трактами.
Элементы радиотехнической цепи можно соединить в двух полюсники и четырехполюсники Двухполюсник (одиночный эле мент или сложная электрическая цепь) имеет два вывода по люса, четырехполюсник пару входных и пару выходных выводов четыре полюса.
В электрических цепях с сосредоточенными параметрами широко применяют линейные компоненты общего назначения: резисторы, катушки индуктивности и конденсаторы. При опреде ленных допущениях эти элементы рассматривают как линейные пассивные двухполюсники, характеризуемые некими идеальны ми параметрами сопротивлением R (величина, обратная сопро тивлению проводимость Y), индуктивностью L, емкостью С.
При измерениях не всегда удается определить значение того или иного параметра, соответствующее идеальному виду элемен та. Несовершенство конструкции и характеристик применяемых материалов является причиной появления паразитных парамет ров элементов. Так, наряду с главным параметром резистора активным сопротивлением, он имеет и определенную индуктив ность, катушка индуктивности, обладая индуктивностью, имеет паразитную емкость и активное сопротивление (сопротивление потерь) и т.д.
С учетом паразитных параметров резистор, конденсатор или катушку индуктивности можно соответственно характеризовать некоторым эффективным значением сопротивления, емкости, ин дуктивности, которые зависят от частоты протекающих по ним токов. Поэтому эффективные параметры компонентов необходи мо измерять на рабочих частотах, если их влиянием на результат измерения нельзя пренебречь. Необходимо еще знать и ряд вто ричных параметров этих элементов, например: добротность Q катушки индуктивности, тангенс угла потерь конденсатора, характеристическое сопротивление контура, что позволяет бо лее точно определять измеряемые параметры.
Параметрами длинных линий, по аналогии с цепями с сосре доточен ными постоянными, являются погонные активное сопро тивление, индуктивность и емкость. Однако в отличие от цепей с сосредоточенными постоянными, эти параметры не имеют такого четкого физического смысла и поэтому их не измеряют. В то же время элементы СВЧ-трактов служат аналогами двух- и четырех полюсников, из которых состоят цепи с сосредоточенными по стоянными. Эта аналогия позволяет рассматривать параметры СВЧ-трактов как параметры двух- и четырехполюсников.
Лекция 7. Измерение частоты, интервалов времени и фазового сдвига
Частота f или период Т относятся к основным параметрам любого гармонического или периодического процесса. В общем случае под частотой понимают число идентичных событии, происходящих за единицу времени. Для периодических, но не гармонических колебаний строго справедливо лишь понятие пе риода. Однако и в этом случае часто говорят о частоте, понимая под этим величину, обратную периоду.
Единица циклической частоты f герц (Гц) соответст вует одному колебанию за 1 с. Исторически в радиотехнике высо кие частоты принято обозначать буквой f, а низкие F.
Известно, что гармонический сигнал записывается в сле дующем виде:
u(t) = Umcos(t + ) = Ucos(t), ( 6.1 )
где Um амплитуда; угловая (круговая) частота; на чальная фаза; (t) = t + полная (текущая, мгновенная) фаза.
Угловая частота = 2f выражается в рад/с и равна измене нию текущей фазы сигнала (t) за единицу времени (секунду). Угловая частота записывается для высоких и низких частот соот ветственно как =2f и =2F. Для гармонических сигналов частоту определяют числом переходов через ось времени (т.е. че рез нуль) за единицу времени.
При непостоянстве частоты используется понятие мгновен ной угловой частоты (t) = d(t)/dt = 2f(t), где f(t) мгновен ная циклическая частота. В настоящем разделе при описании методов измерения частоты имеется в виду ее среднее значение за время измерения. Различают также долговременную и кратковре менную нестабильности частоты, связанные соответственно с по стоянным изменением частоты за длительный и короткий интер валы времени и с ее флуктуационными изменениями. Граница между этими нестабильностями условна и задается путем указа ния времени измерения.
Интервал времени t время, прошедшее между моментами двух последовательных событии. К числу таких интервалов отно сятся, например, период колебаний, длительность импульса или интервала, определяемая разносом по времени двух импульсов.
Периодом Т называют интервал времени, через который ре гулярно повторяются мгновенные значения гармонического или периодического сигнала u(t). Отсюда следует, что u(t) = u(t + пТ), где п = 1, 2, 3, ... . Для гармонического сигнала, например для u(t) = Umsin(2t/T) = Umsin(t), период колебания Т можно также определить, как интервал времени, в течение которого фаза сиг нала (t) (в радианах) изменяется на 2.
Частота f и период любого периодического колебания T свя заны формулой f = 1/Т, и поэтому измерение одной величины можно заменить другой. На практике чаще измеряют частоту.
Аппаратура для частотно-временных измерений образует еди ный комплекс приборов, обеспечивающий возможность проведения измерений с непосредственной их привязкой к Государственному эталону частоты и времени. Это фактически гарантирует возмож ность принципиально высокой точности измерений.
Основными измерительными приборами и средствами час тотно-временных измерений являются осциллографы, частотоме ры резонансные, цифровые измерители частоты и интервалов времени пр.
Базой для частотно-временных измерений служит группа Го сударственных стандартов частоты высокоточных мер частоты и времени, объединяющая рубидиевый, цезиевый, водородный и кварцевый стандарты. Привязку к ним практических измерений осуществляют приемниками сигналов эталонных частот, переда ваемых радиостанциями Государственной службы частот и вре мени, а также компараторами и преобразователями частоты сигнала, применяемые для переноса частоты или спектра сигнала в диапазон частот, где более целесообразно проводить измерение.
В зависимости от участка частотного спектра и допустимой погрешности для измерения частоты используют различные спо собы и приемы измерения, основанные на методах сравнения и не посредственной оценки.
В методах сравнения (резонансный, гетеродинный и осцилло графиче ский) измеряемую частоту сравнивают с частотой ис точника образцовых колебаний. Эти методы применяют в основ ном для градуировки генераторов измерительных приборов. Для их реализации необходим образцовый генератор более высокой точности и устройство сравнения (сличения) частот.
К осциллографическим методам относят:
• определение частоты методом фигур Лиссажу;
• определение интервалов времени (периода, длительности им пульса или пачки импульсов и т.д.) с использованием калиброван ной развертки осциллографа;
• определение частоты с помощью яркостных меток на круговой развертке.
Все осциллографические ме тоды имеют невысокую точность (относительная погрешность изме рений порядка 0,1-0,05). Верхняя граница диапазона измеряемых частот определяется параметрами осциллографа и для большинства из них не превышает 500 МГц.
К приборам, работающим по методу непосредственной оценки, относятся резонансные частотомеры и измерители часто ты, использующие метод заряда и разряда конденсатора. Совре менное измерение частоты методом непосредственной оценки главным образом выполняется электронно-счетным, или цифро вым (дискретного счета) методом, в основе которого лежат цифровые (или электронно-счетные ЭСЧ) частотомеры. К дос тоинствам этого метода относится высокая точность измерений, широкий диапазон измеряемых частот, возможность обработки результатов наблюдений с помощью вычислительных устройств (микропроцессоров, персональных компьютеров и пр.). Цифро вые частотомеры позволяют измерять не только частоту колеба ний, но и интервалы времени.
Одним из основных параметров электрических колебаний, определяющих состояние колебательного процесса в любой за данный момент времени, является фаза. Наряду с фазой одного колебания интерес представляет соотношение фаз двух колеба ний. Необходимость в измерениях этих параметров возникает при исследовании усилителей, фильтров, линейных цепей, гра дуировке фазовращателей, снятии фазочастотных характеристик различных радиотехнических устройств и т.п.
Понятие «фаза» характеризует гармоническое (синусои дальное) колебание в любой конкретный момент времени. Для гармонического колебания u1(t) = Um1sin(t + 1), имеющего амплитуду Um1 и круговую частоту , текущая (мгновенная) фаза в любой момент времени t представляет собой весь аргу мент функции (t) = t + 1, где 1 начальная фаза.
Фазовым сдвигом двух гармонических сигналов одина ковой частоты u1(t) = Um1sin(t + 1) и u2(t) = Um2sin(t + 2) называют модуль разности их начальных фаз
= |1 2|. ( 7.1 )
Общепринято величину 1 2 называть разностью фаз двух сигналов. Если начальные фазы 1 и 2 сигналов остаются неиз менными, то фазовый сдвиг не зависит от времени.
Для двух гармонических колебаний с разными круговыми частотами 1, 2 и начальными фазами 1, 2, у которых нулевые значения амплитуд при переходе через ось абсцисс сдвинуты на интервал времени , разность фаз
= (1 2) + 1 2.
Для негармонических колебаний понятие фазового сдвига заменяют понятием их сдвига во времени. В этом случае измеря ют время задержки одного сигнала относительно другого.
В зависимости от конкретной измерительной задачи и диапа зона частот, в котором производятся измерения, требования к точности измерения фазового сдвига могут быть разными от достаточно грубых измерений (с погрешностью измерения 1…5°) до весьма точных (0,01°)
Рис. 7.1. Графики двух сигналов с одинаковыми периодами:
а гармонических; б гармонического и негармонического
Измерение разности фаз колебаний с разными частотами редко представляет практический интерес. Поэтому обычно ре шают задачу измерения разности фаз двух гармонических коле баний с равными частотами. При этом фазовый сдвиг удобно представить в виде зависимости от сдвига сигналов во времени t, соответствующего их идентичным фазам. В частности, для двух гармонических сигналов u1(t) = Umsint и u2(t) = Umsin(t t), имеющих одинаковый период Т = 2/ (рис.7.1, а), фазовый сдвиг в радианах
. ( 7.2 )
Два сигнала с одинаковыми частотами называют синфазны ми, находящимися в квадратуре и противофазными, если фазо вый сдвиг между ними равен 0, /2 и соответственно. Примени тельно к периодическим гармоническому и негармоническому сигналам (рис. 7.1, б) и двум негармоническим сигналам с одина ковым периодом Т используют понятие об их сдвиге (задержке) во времени t.
Измерение фазового сдвига осуществляют приборами, назы ваемыми фазометрами, а в качестве мер сдвига применяют фазовращатели, т.е. линейные четырехполюсники, у которых выход ной сигнал сдвинут по фазе относительно входного. Фазовращатели бывают регулируемыми и нерегулируемыми.
Для измерения фазового сдвига применяют различные мето ды измерений: осциллографические, компенсационный, преобра зования фазового сдвига во временной интервал, цифровой (дис кретного счета), преобразования частоты. Приборы для измере ний фазового сдвига, реализующие перечисленные способы (кроме осциллографических), представлены аналоговыми и циф ровыми электронными фазометрами, обеспечивающими измере ния в диапазоне от инфразвуковых до высоких частот.
Осциллографические методы измерения фазового сдвига
Для измерения фазового сдвига с помощью осциллографа применяют методы линейной, синусоидальной и круговой раз верток, а также метод полуокружности и компенсационный метод.
Метод линейной развертки
Рассматриваемый метод реализуют при наблюдении на эк ране одновременно двух сигналов (см. рис. 7.1, а). Способ ли нейной развертки состоит в подаче напряжений u1(t) = u1 и u2(t) = u2 в каналы вертикального отклонения двухлучевого или двухканального осциллографа (на входы Y1 и Y2) и последую щем измерении интервалов t и Т. Применяют и однолучевой осциллограф (рис. 7.2), если на его вход Y подавать иссле дуемые сигналы поочередно через быстродействующий элек тронный коммутатор. Электронный коммутатор периодически переключают с помощью импульсов типа «меандр», поступаю щих с генератора и следующих с частотой F25…100 Гц. В том и другом вариантах горизонтальные развертки осциллог рафов (Внутр. синхр.) должны быть синхронизированы одним из исследуемых сигналов Полезно перед измерением уравнять амплитуды обоих входных напряжений.
Рис. 7.2. Метод линейной развертки
Измерив временные отрезки t и Т (рис. 7.1), вычисляют фа зовый сдвиг сигналов в радианах по формуле (7.2) или в градусах
. ( 7.3 )
При данном методе измерения погрешность измерения фазо вого сдвига составляет ±5…7° и вызвана нелинейностью раз вертки, неточностью замера интервалов t и Т, а также ошибками определения положения оси времени.
Метод синусоидальной развертки или метод эллипса
Данный метод можно реализовать с помощью однолучевого универсального осциллографа при подаче одного сигнала на вход Y, а второго на вход Х отклонения луча. При этом гене ратор развертки осциллографа должен быть выключен. Пусть на входы Х и Y осциллографа одновременно поданы исследуемые напряжения u1(t)=u1=Um1sint и u2(t)=u2=Um2sint, для которых фазовый сдвиг = (далее в формулах для u1(t) и u2(t) аргумент t для упрощения записей везде опущен). Мгновенные отклонения электронного луча на экране по горизонтали и верти кали равны (рис. 7.3):
х = hxUm1sint = asint, ( 7.4 )
у = hyUm2sin(t + ) = bsin(t + ), ( 7.5 )
где коэффициенты hx, hy соответственно чувствительности осциллографа к отклонению электронного луча по горизонтали и вертикали; а=hxUm1, b=hyUm2 амплитуды отклонения луча. Электронный луч вычертит на экране осциллографа эллипс (см. рис. 7.3).
Пусть амплитуды от клонений напряжений по входам Х = Y. Это условие легко выполнить, подавая исследуемые напряжения поочередно на входы кана лов вертикального и гори зонтального отклонений осциллографа. Регулируя коэффициенты усиления каналов, добиваются рав ных отклонений луча. Если а = b, измеряемый фазовый сдвиг связан с размерами эллипса следующим выражением
tg(/2) = A/B,
где А малая, В большая оси эллипса.
Рис. 7.3. К измерению разности фаз методом эллипса
Таким образом, необходимо измерить малую А и большую В оси эллипса и вычислить фазовый сдвиг по формуле
= 2arctg(A/B). ( 7.6 )
Метод эллипса не позволяет однозначно определить фазо вый сдвиг в диапазоне 0…360°. Неоднозначность измерения име ет место для фазовых сдвигов:
0 < < 90° и 270° < < 360°;
90° < < 180° и 180° < < 270°, = 90° и = 270°.
Для получения правильного результата измерения , необ ходимо подавать сигнал u2 на вход Y осциллографа через фазовращатель, создающий дополнительный фазовый сдвиг на 90°. По изменению осциллограммы можно сделать вывод о значении .
Погрешность измерения фазового сдвига между синусои дальными сигналами методом эллипса составляет ± (2…5)°. Она зависит от точности измерения длин отрезков, входящих в вы ражение (7.6), размера осциллограммы и точности фокусировки луча на экране осциллографа. Эти причины оказывают тем большее влияние, чем ближе значение измеряемого сдвиг фаза к нулю или к 90°. Возможна и систематическая погрешность измерения из-за наличия разного фазового сдвига, создаваемого уси лителями каналов вертикального и горизонтального отклонения. Для ее устранения можно (перед началом измерений) один из исследуемых сигналов подать на вход Y осциллографа непосредст венно, а на вход Х через регулируемый фазовращатель. Изменяя настройку фазовращателя, надо добиться появления на экране ос циллографа наклонной прямой линии, расположенной под углом 45°. Затем, сохраняя эту настройку, подают на вход фазовращате ля второй сигнал и проводят измерение фазового сдвига.
Лекция 8. ИЗМЕРЕНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК СЛУЧАЙНЫХ СИГНАЛОВ
В радиотехнике большую роль играют случайные процессы: напряжение собственных шумов радиотехнической аппаратуры, сигналы других радиосистем, шумовые сигналы и т.д. Изучение радиотехнических случайных процессов требует применения ста тистических методов анализа. При статистическом подходе нет не обходимости определять точный результат отдельного измерения, а можно основываться на исследовании множества таких измерений. В этом случае удается найти закономерности и количественные со отношения, характеризующие случайный процесс в среднем. Если повторять измерения в течение длительного времени, численные значения измеренной величины будут иные, т.е. они также явля ются случайными величинами.
Случайным процессом X(t) называется процесс (функция), значение которого при любом фиксированном значении t = t0 яв ляется случайной величиной Х(t0). Конкретный вид процесса, по лученный в результате опыта, называется реализацией. При про ведении серии измерений можно получить группу или семейство реализации случайной функции, называемую ансамблем реализа ции (рис. 11.1). Ансамбль реализации случайного процесса явля ется основным экспериментальным материалом, на основе кото рого можно получить его характеристики и параметры.
Рис. 11.1. Ансамбль реализации случайного процесса
Конкретные реализации, наблюдаемые при исследованиях, представляют собой физические процессы и входят в ансамбль как его неотъемлемая часть. Например, ансамблем реализации случайного процесса является группа сигналов, наблюдаемых одновременно на выходах идентичных генераторов шумового напряжения.
Вероятностные характеристики случайных процессов
Пусть случайный процесс описан некоторой обобщенной случайной функцией X(t). Конкретный вид x1(t), x2(t), .., xk(t), ... этой функции процесса, полученной в результате проведенного эксперимента (например, измерения), позволяет определить все ее параметры. Поэтому каждая реализация является неслучайной функцией времени. При фиксированном значении аргумента t случайная функция X(t) превращается в случайную величину, а в результате каждого отдельного опыта становится детерминиро ванной функцией. Выберем некоторый момент времени t1. Со вокупность отдельных мгновенных значений всех реализации ансамбля в заданный момент времени t1, также будет некоторой случайной величиной X(t1), называемой сечением случайного про цесса. Эта случайная величина может иметь любые заранее неиз вестные значения в возможном интервале ее изменения.
Наиболее полно случайные процессы описывают законами распределения: одномерным, двумерным и т.д. Однако опериро вать с такими функциями очень сложно, поэтому стараются обойтись характеристиками и параметрами этих законов, кото рые описывают случайные процессы не полностью, а частично.
Важной характеристикой случайной величины X(t1) является интегральная функция распределения F(x). Эту функцию опреде ляют как вероятность того, что все значения случайной величины X(t1) не превышают некоторого заданного уровня переменной х:
F(x) = P[X(t1) < x], ( 11.1 )
где Р символ, характеризующий вероятность события.
Интегральную функцию распределения определяют на интер вале 0F(x)1.
Если случайная величина X(t1) является непрерывной во времени, то удобнее пользоваться производной функции распре деления одномерной плотностью распределения вероятности
p(х,t1) = . ( 11.2 )
Зададим какой-либо интервал a, b изменения параметра х случайной величины X(t1) (см. рис. 11.1). Тогда из формулы (11.2) следует, что значение
p(х,t1)dx = F(b) F(a) = Р[а < X(t1) < b] ( 11.3 )
есть вероятность попадания случайной величины X(t1) в заданный интервал а, b.
Пусть параметр а , а параметр b принимает текущее значение переменной х. Тогда интегральная функция распределе ния случайного процесса
F(x) = Р[ < X(t1) < х] = . ( 11.4 )
Числовые характеристики случайных процессов
Случайные процессы наиболее полно описывают законами распределения плотности вероятности: одномерным, двумерным и т.д. Однако оперировать с такими функциями зачастую сложно, поэтому в практической метрологии стараются обойтись характе ристиками и параметрами этих законов, которые описывают слу чайные процессы не полностью, а частично. К важнейшим из них относятся математическое ожидание и дисперсия.
Измерение параметров и характеристик случайного процесса существенно упрощается при его стационарности и эргодичности.
Стационарными называют случайные процессы, статистиче ские характеристики которых не изменяются во времени. Свой ства стационарных процессов характеризуют следующими условиями: математическое ожидание стационарного случайного процесса постоянно, т.е. mx(t)=т = const; для стационарного случайного процесса дисперсия по сечениям является постоян ной величиной: Dx(t) = Dx = const.
Практически все реальные радиотехнические случайные процессы относятся к стационарным. Подавляющее большинство стационарных случайных процессов обладают свойством эрго дичности, при котором усреднение по ансамблю реализации можно заменить усреднением по времени одной реализации в пределах бесконечно длинного интервала Тx. Конечно понятие «бесконечно длинного интервала» здесь достаточно условно.
Определим основные числовые характеристики стационар ного эргодического случайного процесса.
Математическое ожидание (среднее значение) случайного процесса вычисляют путем усреднения (эта операция обозначена чертой над функцией) значений заданной реализации (жирная ли ния, представлена как т на рис. 11.1)
. ( 11.5 )
Дисперсия случайного процесса
. ( 11.6 )
определяет мощность его флюктуаций.
Параметр x= называют средний квадратическии от клонением (СКО).
На практике вместо среднего значения, дисперсии и СКО ре зультата измерений случайного процесса находят их оценки, обо значая соответственно как , , .
Различают две группы статистических характеристик, содер жащих информацию о случайном процессе, распределение его значений во времени (математическое ожидание, дисперсия, функ ция распределения, функция корреляции); распределение энергии процесса по частоте (спектральная плотность).
Измерение математического ожидания и дисперсии
Oценка математического ожидания. Усредняющее устрой ство, выполняющее функции согласно формуле (11.5), является идеальным интегратором. Если функция X(t) представляет ток или напряжение, то в роли аналогового интегратора могут выступать ин тегрирующие RС-цепочки или ин тегрирующее устройство, постро енное на основе операционного усилителя ОУ, охваченного глубо кой отрицательной обратной свя зью (рис. 11.2).
Рис. 11.2. Интегратор на ОУ с емкостной обратной связью
С помощью ключа Кл задают время интегрирования (опроса) входного сигнала Tоп = Тх. При t = 0 ключ размыкается и находится в этом положении до мо мента t = Tоп, после чего замыкается. За время Tоп осуществ ляют усреднение входного сигнала uвх(t). Через замкнутый ключ и ОУ конденсатор разряжается практически мгновенно. Для получения оценки среднего значения исследуемого на пряжения u(t) необходимо измерить выходное напряжение uвых(Топ) на интервале времени Топ. Среднее значение входного напряжения (формула приведена без вывода)
, ( 11.7 )
где К коэффициент усиления усилителя, входящего в схему.
Оценка дисперсии Для оценки дисперсии в соответствии с (11.6) можно использовать вольтметр, имеющий квадратичный преобразователь, т.е. определять среднее квадратическое значе ние Вольтметр должен иметь «закрытый вход», т.е. не пропус кать постоянную составляющую для получения центрированной величины.
Цифровые измерители математического ожидания и дисперсии
При измерении оценок математического ожидания и диспер сии цифровыми приборами интегралы в формулах (11.5) и (11.6) заменяют суммами:
; ( 11.8 )
. ( 11.9 )
Здесь Тизм заданный интервал времени измерения, п = Тизм/Топ общее количество выборок за время измерения.
Структурная схема цифрового измерителя математического ожидания и временные диаграммы, поясняющие его работу, пред ставлены на рис. 11.3.
а)
б)
Рис. 11.3. Цифровой измеритель математического ожидания
а упрощенная структурная схема; б временные диаграммы
Среднее значение (оценка) исследуемого напряжения
. ( 11.11 )
Подсчитанное значение оценки среднего значения отражают на дисплее ЦОУ.
При вычислении дисперсии необходимо провести центриро вание сред него значения , а затем возвести в квад рат полученную величину. Структурная схема цифрового измери теля дисперсии представлена на рис. 11.4. С помощью центри рующего устройства ЦУ из исследуемого сигнала выделяют его переменную составляющую u(t), которая поступает на двухполупериодный выпрямитель В.
Рис. 11.4. Структурная схема цифрового измерителя дисперсии
В результате получим значение оценки дисперсии:
. ( 11.15 )
Цифровой измеритель дисперсии случайного процесса также управляется импульсами тактового генератора, для упрощения на рис. 11.4 не показанного. Поэтому напряжение иоп представляет собой импульсный сигнал тактового генератора. Полученные ре зультаты измерения отображают на табло ЦОУ.
Измерение распределения вероятностей
В приборах для измерения интегральной функции распреде ления F(x) и плотности вероятности р(х) используют методы, ос нованные на связи между функциями вероятностей и временем пребывания случайного процесса в интервале заданных значений х.
Измерение интегральной функции распределения. Оценка интегральной функции распределения иллюстрирует рис. 11.5, где показаны структурная схема измерителя и графики, пояс няющие ее работу. Структурная схема измерителя (рис. 11.5, а) содержит входное устройство ВУ, компаратор К, источник регули руемого напряжения ИРН, усредняющее устройство УУ и цифро вое отсчетное устройство ЦОУ. Анализируемая реализация ивх(t) (рис. 11.5, б) через входное устройство, обеспечивающее необхо димую интенсивность исследуемого процесса на входе основных блоков, подают на компаратор. Компаратор выполняет роль ам плитудного селектора с определенным порогом срабатывания U0, устанавливаемого источником регулируемого напряжения.
Рис. 11.5. Измерение функции распределения вероятностей:
а структурная схема; б анализируемая реализация;
в импульсы на выходе компаратора
Измерение плотности вероятности
Плотность распределе ния вероятности анализируют с помощью устройства (рис.11.6, a), содержащего два одинаковых канала, подобных каналу схемы рис. 11.5, а. В обоих каналах измерителя устанавливают уровни селекции по напряжению U0 и U0+U. В этой схеме: ВУ вход ное устройство; К1, К2 компараторы; ИРН источник регули руемого напряжения, вырабатывающий фиксированные уровни напряжений U0 и (U0+U); ФУ1, ФУ2 формирующие устройства; СВ схема вычитания, УУ усредняющее устройство, ЦОУ цифровое отсчетное устройство.
Рис. 11.6. Измерение плотности вероятности:
а структурная схема, б анализируемая реализация; в импульсы ФУ1;
г импульсы ФУ2; д напряжение на выходе СВ
В соответствии с определением плотности вероятности (11.2), (11.3) для интервала наблюдения Топ
p(u)u =P[U0 <u(t) < U0+U] = . ( 11.17 )
Таким образом, проводя измерения, соответствующие раз личному порогу U0, на основании формул (11.17) можно построить кривые оценки интегральной функции распределения и распределения плотности вероятности.
Математическое ожидание и дисперсия не полностью опре деляют случайный процесс, поскольку не могут характеризовать связь между двумя сечениями при различных значениях времени t1 и t2. Для этого используют корреляционную функцию, часто на зываемую автокорреляционной (АКФ). Корреляционная функция неслучайная функция R(t1, t2), описывающая статистическую связь между мгновенными значениями случайной функции, раз деленными заданным значением времени t = t1 t2. При равен стве аргументов, т.е при t1 = t2, корреляционная функция равна дисперсии. Корреляционная функция всегда неотрицательна.
Приборы, измеряющие значения функции корреляции, назы вают коррелометрами. Устройства, позволяющие получить при измерениях график всей функции корреляции (коррелограмму), получили название коррелографов.
Оценку функции корреляции можно находить последова тельно во времени или одновременно (параллельно; многока нальные коррелометры). Соответственно различают корреломет ры последовательного и параллельного анализа. По принципу действия коррелометры делят на два типа. Работа первых осно вана на перемножении исследуемых процессов; вторых на представлении (аппроксимации) искомой функции корреляции тригонометрическим рядом Фурье.
Оценку спектральной плотности мощности (спектра мощно сти) случайного процесса проводят двумя методами: по выбороч ной оценке функции корреляции и путем фильтрации процесса.
Выборочная оценка функции корреляции
Из радиотехники известно, что спектральная плотность и функция корреляции случайного процесса связаны теоремой Хинчина-Винера, выражаемой в виде прямого и обратного преоб разований Фурье:
; ( 11.27 )
, ( 11.28 )
где Wx() спектральная плотность мощности; Rx() корре ляционная функция мощности случайного процесса.
Вычислив функцию корреляции, по формуле (11.27) находят спектральную плотность.
Данный способ оценки спектральной плотности мощности широко распространен в связи с применением алгоритмов быст рого преобразования Фурье, резко облегчающего вычислитель ные операции. Пользуясь БПФ, можно определить спектральную плотность на основании исследуемой реализации стационарного эргодического случайного процесса.
Метод фильтрации
Метод фильтрации основан на пропускании реализации ux(t) через измерительное устройство, состоящее из каскадного соеди нения узкополосного фильтра с полосой пропускания f и на строенного на определенную частоту f, квадратичного элемента (квадратора), интегратора и дисплея (рис. 11.11).
Рис. 11.11. Структурная схема измерителя спектра мощности
Напряжение на выходе устройства можно приближенно оце нить по формуле (вывод для упрощения опущен)
Wu(f) u2(t)/f. ( 11.29 )
Для уменьшения погрешностей измерений необходимо про извести сглаживание оценки спектральной плотности мощности случайного процесса, которое заключается в следующем. Находят выборочную спектральную плотность для k реализации случай ного процесса. Сглаженную оценку спектральной плотности для каждой частоты вычисляют как среднее арифметическое значе ние выборочных оценок (f), соответствующих отдельным реализациям за период накопления (опроса) Топ, т.е.
. ( 11.30 )
Если случайный процесс является стационарным и эргодическим, то требуемые наборы реализации можно получить из одной реализации путем разбиения ее по времени на части нужного ин тервала. Дисперсия оценки зависит от количества реализации, по которым производят усреднение. Чем больше число реализации и больше k в формуле (11.30), тем меньше дисперсия сглаженной оценки спектральной плотности.
Лекция 9. Автоматизация измерений
Современные средства измерений в основном являются цифровыми и поэтому достигли достаточно высокого уровня развития и имеют наивысшие точ ности. Именно переход к построению цифровых средств измере ний позволил создавать автоматизированные средства измерения. Автоматизация процесса различных видов измерений дает значи тельный выигрыш во времени и в большинстве случаев значи тельно повышает точность измерений.
По уровню автоматизации все средства измерений делят на три основные группы:
• неавтоматические, позволяющие непосредственно операто ру выполнить измерения;
• автоматизированные, способные провести в автоматиче ском режиме одну или часть измерительной операции;
• автоматические, проводящие в автоматическом режиме из мерения все операции, связанные с обработкой их результатов, регистрацией, передачей, хранением данных и выработкой управляющих сигналов.
В настоящее время все большее распространение получают автоматизированные и автоматические средства измерений. Это связано с широким использованием в средствах измерений но вейшей электронной, микропроцессорной и компьютерной тех ники. Все эти средства часто называют обобщенным термином «автоматизированные средства измерений».
К автоматизированным средствам измерений относят авто номные многофункциональные цифровые приборы на основе микропроцессоров и измерительные системы.
Автономный многофункциональный цифровой прибор со держит микропроцессор, работает по жесткой программе и пред назначен для измерений заданных физических величин, а также параметров и характеристик радиотехнических сигналов или це пей. К ним относятся цифровые измерительные приборы, в кото рых большую часть операций осуществляют автоматически. В ав тономных микропроцессорных приборах нет отдельной магистрали и все элементы подключают к магистрали микропро цессора. В них может быть не предусмотрено программирование или перепрограммирование микропроцессора в процессе работы. Необходимые программы обработки хранятся в ПЗУ, по мере на добности оператор вызывает их с помощью клавиатуры.
Современный микропроцессор способен выполнять сервис ные и вычислительные функции, а также самодиагностику при бора в целом. К сервисным функциям относят выбор диапазона измерений, переключение диапазонов, коммутацию входных це пей и определение полярности входного напряжения. Так, на пример, в цифровых осциллографах автоматически устанавлива ют длительность развертки, осуществляют ее синхронизацию, выбор масштаба по оси ординат. К сервисным функциям можно отнести и некоторые операции по коррекции погрешностей: ка либровку прибора, коррекцию смещения нулевого уровня (так называемого «дрейфа нуля») в УПТ.
К вычислительным функциям микропроцессора относится статистическая обработка результатов измерений: определение математического ожидания и СКО. Возможно проведение математических операций с измеряемой величиной: ее умножение и деление на константу, вычитание констант, что удобно при вве дении поправок, представлении измеряемой величины в лога рифмическом масштабе. Часть сервисных функций можно реали зовать и без микропроцессора на жесткой логике, однако вычислительные функции могут быть выполнены только с по мощью микропроцессоров.
Измерительные системы (ИС) совокупность функцио нально связанных средств измерений, компьютерной техники и вспомогательных устройств, соединенных между собой каналами связи, предназначенных для выработки сигналов измерительной информации о физических величинах в форме, удобной для ав томатической обработки, передачи и использования в автомати ческих системах управления. Примерами ИС могут служить сис темы, развернутые на крупных предприятиях и предназначенные для измерения большого количества параметров и контроля тех нологического процесса производства какого-либо изделия, на пример изделий микроэлектроники.
Назначение любой измерительной системы, необходимые функциональные возможности, технические параметры и харак теристики в решающей степени определяются объектом иссле дования, для которого данную систему создают. Структура со временных ИС довольно разнообразна, быстро развивается и существенно зависит от решаемых задач, а их деление в настоя щее время не имеет достаточно полного и четкого толкования. Приведем одну из возможных на данный момент упрощенных классификаций ИС, относящуюся к специфике электрорадиоизмерений (рис. 12.1). Основные элементы классификации пояс няют непосредственно рисунком, ряд других приведен ниже.
Рис. 12.1. Упрощенная классификация измерительных систем
В зависимости от выполняемых функций из мерительные системы можно условно разделить на три основных вида: измерительные системы измерения и хранения информации (условно назовем их прямыми измерительными системами), контрольно-измерительные (автоматического контроля) и теле измерительные системы. К ИС относят также системы распозна вания образов и системы технической диагностики, которые в радиоизмерениях не изучаются.
По числу измерительных каналов измеритель ные системы подразделяются на одно-, двух-, трех- и многока нальные (многомерные). Для совместных и совокупных измерений часто используют многоканальные, аппроксимирующие системы.
Наиболее бурно в настоящее время разрабатываются и вне дряются прямые измерительные системы. Иногда эти системы называют гибкими измерительными системами (ГИС). Основной особенностью прямых измерительных систем является возмож ность программным способом перестраивать систему для изме рений различных физических величин и менять режим измере ний. Изменений в аппаратной части при этом не требуется.
Прямые измерительные системы условно классифицируют как-
• информационно-измерительные системы (ИИС);
• измерительно-вычислительные комплексы (ИВК);
• компьютерно-измерительные системы (КИС).
Информационно-измерительные системы
Самым широким классом прямых измерительных систем яв ляются информационно-измерительные системы (иногда их обо значают термином измерительные информационные системы; аббревиатура одинакова ИИС). Назначение ИИС определяют как целенаправленное оптимальное ведение измерительного про цесса и обеспечение смежных систем высшего уровня достовер ной информацией. Основные функции ИИС получение изме рительной информации от объекта исследования, ее обработка, передача, представление информации оператору или/и компью теру, запоминание, отображение и формирование управляющих воздействий.
Информационно-измерительная система должна управлять измерительным процессом или экспериментом в соответствии с принятым критерием функционирования, выполнять возложен ные на нее функции в соответствии с назначением и целью; об ладать требуемыми показателями и характеристиками точности, помехоустойчивости, быстродействия, надежности, пропускной способности, адаптивности, сложности и прочее; отвечать эко номическим требованиям, предъявляемым к способам и форме представления информации, размещения технических средств; быть приспособленной к функционированию с измерительными информационными системами смежных уровней иерархии и дру гими ИИС, т.е. обладать свойствами технической, информацион ной и метрологической совместимости, а также допускать воз можность дальнейшей модернизации и развития. Процессом функционирования информационно-измерительной системы, как и любой другой технической системы, является целенаправлен ное преобразование входной информации в выходную. Это пре образование выполняют либо автоматически с помощью аппара туры технического обеспечения, либо совместно оперативным персоналом и аппаратурой технического обеспечения в сложных ИИС, ИВК и КИС.
Измерительно-вычислительные комплексы
Важной разновидностью ИИС являются измерительно-вычислительные комплексы функционально объединенная с помощью специальной многоканальной магистрали система (со вокупность) средств измерений, вычислительной техники, уст ройств отображения информации и вспомогательных устройств, предназначенная для выполнения конкретной измерительной за дачи. Основными признаками принадлежности измерительной системы к ИВК служат: наличие компьютера; программного управления средствами измерений; нормированных метрологи ческих характеристик; блочно-модульной структуры, состоящей из технической (аппаратной) и программной (алгоритмической) подсистем.
По назначению ИВК делят на типовые, проблемные и специализированные.
Типовые ИВК предназначены для решения широкого круга типовых задач автоматизации измерений, испытаний или иссле дований независимо от области применения.
Проблемные ИВК разрабатывают для решения специфичной задачи в конкретной области автоматизации измерений.
Специализированные ИВК используют для решения уни кальных задач автоматизации измерений, для которых разработка типовых и специализированных комплексов экономически неце лесообразна.
Измерительно-вычислительные комплексы предназначены для следующих задач:
• осуществления прямых, косвенных, совместных или сово купных методов измерений физических величин;
• представления оператору результатов измерений в требуемом виде и управления процессом измерений и воздействия на объект измерений.
Чтобы реализовать эти функции, ИВК должен:
• эффективно воспринимать, преобразовывать и обрабатывать электрические сигналы от первичных измерительных преобразо вателей, а также управлять средствами измерений и другими тех ническими устройствами, входящими в его состав;
• вырабатывать нормированные сигналы, являющиеся вход ными для средств воздействия на объект, оценивать метрологи ческие характеристики и представлять результаты измерений в установленной форме.
Компьютерно-измерительные системы
В последние годы сформировалось совершенно новое на правление в метрологии и измерительной технике компьютер но-измерительные системы, и их разновидность, или направле ние развития виртуальные (виртуальный кажущийся) измерительные приборы (проще, виртуальные приборы). Компь ютерно-измерительная система обязательно включает в себя ком пьютер, работающий в режиме реального масштаба времени или, как теперь принято говорить, в режиме on-line.
В настоящее время персональные компьютеры используют не только как вычислительные средства, но и как универсальные измерительные приборы. Компьютерно-измерительные системы на основе персонального компьютера заменяют стандартные из мерительные приборы (вольтметры, осциллографы, анализаторы спектра, генераторы и пр.) системой виртуальных приборов. Причем ряд этих приборов может быть активизирован (воспроиз веден) на одном персональном компьютере одновременно.
К отличительным особенностям КИС по сравнению с микро процессорными приборами относятся:
• обширный фонд стандартных прикладных компьютерных программ, доступных для оператора, позволяющий решать ши рокий круг прикладных задач измерений (исследование и обра ботка сигналов, сбор данных с датчиков, управление различными промышленными установками и т.д.);
• возможность оперативной передачи данных исследований и измерений по локальным и глобальным компьютерным сетям (например, сети Internet);
• высокоразвитый графический интерфейс пользователя, обес печивающий быстрое освоение взаимодействия с системой;
• возможность использования внутренней и внешней памяти большой емкости, а также составления компьютерных программ для решения конкретных измерительных задач;
• возможность оперативного использования различных уст ройств документирования результатов измерений.
Компьютерно-измерительную систему можно строить двумя способами: с последовательной или параллельной архитектурой.
Обобщенная структурная схема КИС, отражающая обе архи тектуры построения, показана на рис. 12.3.
Рис. 12.3. Обобщенная структурная схема КИС
Лекция 10. Научные и правовые основы стандартизации. Сущность и задачи стандартизации. Понятие о Государственной системе стандартизации. Нормативно-техническая база стандартизации. Виды стандартов и порядок их разработки.
Стандартизация – это установление и применение правил с целью упорядочения деятельности в определённой области на пользу и при участии всех заинтересованных сторон, в частности для достижения всеобщей оптимальной экономии при соблюдении условий эксплуатации и требований безопасности. Стандартизация, основанная на объединённых достижениях науки, техники и передового опыта, определяет основу не только настоящего, но и будущего развития промышленности.
Из определения следует, что стандартизация – это плановая деятельность по установлению обязательных правил, норм и требований, выполнение которых обеспечивает экономически оптимальное качество продукции, повышение производительности общественного труда и эффективности использования материальных ценностей при соблюдении требований безопасности.
Стандарт – нормативно-технический документ по стандартизации, устанавливающий комплекс норм, правил, требований к объекту стандартизации и утверждённый компетентным органом. Главная цель Государственной системы стандартизации (ГСС) - с помощью стандартов, устанавливающих показатели, нормы и требования, соответствующие передовому уровню отечественной и зарубежной науки, техники и производства, содействовать обеспечению пропорционального развития всех отраслей народного хозяйства страны. Эта система имеет также следующие цели:
улучшение качества работы, качества продукции и обеспечение его оптимального уровня;
обеспечение условий для развития специализации в области проектирования и производства продукции, снижения её трудоёмкости, металлоёмкости и улучшения других показателей;
обеспечение увязки требований продукции с потребностями обороны страны;
обеспечение условий для широкого развития экспорта товаров высокого качества, отвечающих требованиям мирового рынка;
рациональное использование производственных фондов и экономия материальных и трудовых ресурсов;
развитие международного экономического и технического сотрудничества;
обеспечение охраны здоровья населения, безопасности труда рабочих, охраны природы и улучшения использования природных ресурсов.
Одной из основных задач Госстандарта является разработка мер по повышению эффективности стандартизации в улучшении качества выпускаемой продукции и экономичности её производства путём внедрения систем стандартов при комплексной и опережающей стандартизации, развития межотраслевой унификации, создания общетехнических систем стандартов, обеспечения единства и достоверности измерений в стране и др.
Руководство стандартизацией в каждой отрасли осуществляют: отделы стандартизации министерств, а также отделы в главных управлениях министерств; головные организации по стандартизации, создаваемые при наличии в системе министерства нескольких базовых организаций по стандартизации; базовые организации по стандартизации, выделяемые из ведущих научно-исследовательских, проектно-конструкторских организаций и предприятий; научно-исследовательские и конструкторские отделы (лаборатории, бюро) стандартизации в НИИ, КБ и на предприятиях.
В зависимости от сферы действия ГСС предусматривает следующие категории стандартов: государственные (ГОСТ), отраслевые (ОСТ), республиканские (РСТ) и стандарты предприятий (СТП). Государственные стандарты обязательны для всех предприятий, организаций и учреждений страны в пределах сферы их действия. Отраслевые стандарты используют все предприятия и организации данной отрасли (например, станкостроительной), а также другие предприятия и организации (независимо от ведомственной принадлежности), разрабатывающие, изготовляющие и применяющие изделия, которые относятся к номенклатуре, закреплённой за соответствующим министерством. Республиканские стандарты обязательны для предприятий республиканского и местного подчинения данной республики независимо от их ведомственной принадлежности. Стандарты предприятий (объединений) действуют только на предприятии, утвердившем данный стандарт.
Государственные стандарты устанавливают требования преимущественно к продукции массового и крупносерийного производства широкого и межотраслевого производства, к изделиям, прошедшим государственную аттестацию, экспортным товарам; они устанавливают также общие нормы, термины и т. п.
Отраслевые стандарты устанавливают требования к продукции, не относящейся к объектам государственной стандартизации, к технологической оснастке, инструменту, специфическим для отрасли, а также на нормы, правила, термины и обозначения, регламентация которых необходима для обеспечения взаимосвязи в производственно-технической деятельности предприятий и организаций отрасли и для достижения оптимального уровня качества продукции.
Республиканские стандарты устанавливают требования к продукции, выпускаемой предприятиями союзно-республиканского и местного подчинения республики. Номенклатура продукции, на которую утверждают республиканские стандарты, должна быть согласована с Госстандартом и соответствующими ведущими министерствами и ведомствами по закреплённым группам продукции.
Стандарты предприятий (объединений) распространяются на нормы, правила, методы, составные части изделий и другие объекты, имеющие применение только на данном предприятии; на нормы в области организации и управления производством; на технологические нормы и требования, типовые технологические процессы, оснастку, инструмент и т. п. Стандарты предприятий могут также устанавливать ограничения по применяемой номенклатуре деталей, составных частей, материалов, предусмотренные государственными, отраслевыми или республиканскими стандартами.
МЕТОДИКА РАЗРАБОТКИ И УТВЕРЖДЕНИЯ СТАНДАРТОВ
Целесообразность разработки каждого стандарта обосновывается потребностями народного хозяйства и ожидаемым техническим и экономическим эффектом. Для этого предварительно подбирают и анализируют литературные и производственные данные, устанавливают тенденции развития и перспективные потребности промышленности по стандартизуемым объектам или параметрам. Обязательным этапом является анализ зарубежного опыта и достигнутого там уровня качественных показателей стандартизуемых объектов.
Номенклатура показателей качества должна быть достаточной, чтобы всесторонне и полно характеризовать изделие не только с точки зрения изготовителя, но и с точки зрения потребителя. Например, для покупателя телевизора важны размеры экрана, четкость изображения, гарантийный срок, внешний вид и его ремонтопригодность, т.е. возможность быстрого обнаружения повреждений и замены неисправных элементов. Для завода- изготовителя, кроме указанного, важное значение имеют совершенство конструкции и технологичность составных частей телевизора, определяющих трудоемкость и экономичность его производства, и т.д.
ГСС устанавливает шесть стадий разработки стандартов:
организация разработки стандарта, составление и утверждение технического задания;
разработка проекта стандарта и рассылка его на отзыв;
анализ отзывов и разработка окончательной редакции проекта стандарта;
подготовка, согласование и представление стандарта на утверждение;
рассмотрение, утверждение и регистрация стандарта;
издание стандарта и информации о нем.
Лекция 11. Основные цели, объекты, и системы сертификации; правила и порядок проведения сертификации
Устанавливая требования на продукцию, стандарты и технические условия вынуждают изготовителя добиваться достижения необходимых потребительских свойств и качества продукции, чтобы обеспечить ее конкурентоспособность и сбыт. При этом в условиях рыночной эконо мики, изготовитель, с одной стороны, и потребитель, с другой, особо заинтересованы в официальном подтверждении высокого уровня качест ва продукции.
Еще в далеком прошлом таким подтверждением являлось, например, клеймо мастера на изделии. В роли свидетельства качества могло высту пать просто заявление продавца, если этот продавец обладал высокой и безупречной репутацией.
В настоящее время такого рода деятельность по подтверждению качества продукции получила название сертификация (от французско го слова certificat — документ, удостоверяющий качество). В соответ ствии с рекомендациями ИСО «сертификация соответствия представ ляет собой действие, удостоверяющее посредством сертификата соот ветствия или знака соответствия, что изделие (услуга) соответствует определенным стандартам или другому нормативно-техническому до кументу». Установлено три варианта свидетельствования о соответст вии: заявление о соответствии, аттестация соответствия и сертифика ция соответствия.
Заявление о соответствии — заявление поставщика под его полную ответственность, вне рамок сертификационной системы, что продукция, технологический процесс, услуга соответствует определенному стандар ту или другому нормативно-техническому документу.
Аттестация соответствия — заявление испытательной лаборато рии третьей стороны (независимой стороны), что определенный образец находится в соответствии с определенными стандартами или другими документами, устанавливающими требования к продукции. Из этого определения следует, что аттестация соответствия не подтверждает соот ветствия всей серийно выпускаемой продукции требованиям нормативно-технической документации, а относится лишь к конкретному образ цу, представленному для испытаний. Аттестация соответствия также вы полняется вне рамок сертификационной системы.
Сертификация соответствия — гарантия третьей стороны того, что с определенной достоверностью продукция, технологический процесс, услуга соответствуют стандартам или другим требованиям. Сертифика ция соответствия предусматривает проведение объективных испытаний продукции, не подверженных влиянию ни изготовителя, ни потребителя. Сертификация соответствия проводится в рамках систем сертификации, которые могут быть созданы на трех уровнях: национальном, регио нальном и международном.
По статусу системы сертификации могут быть обязательными или факультативными. Обязательные системы сертификации действуют на законодательной основе (например, сертификация чистоты драгоценных металлов). Системы сертификации, имеющие характер факультативных, основываются на их авторитете. Не являясь обязательными, они, тем не менее, оказывают большое влияние на качество продукции, вызывают доверие потребителя к поставщику, повышают конкурентоспособность продукции.
В зависимости от объема и содержания сертификационных работ различают несколько вариантов систем сертификации. В каждом из ва риантов предусмотрено выполнение определенных аттестационных и контрольных функций, при положительных результатах которых может быть выдан соответствующий сертификат качества. Так, например, один из вариантов системы сертификации предусматривает аттестацию пред приятия-изготовителя продукции, проведение типовых испытаний об разцов продукции в испытательных центрах, а в последующем — испы тания образцов, взятых из торговли и образцов, взятых с производства.
Следует иметь в виду, что все системы сертификации базируются на испытаниях, т.е. практически на измерениях и измерительном контроле. Поэтому основным структурным элементом всех систем сертификации являются испытательные лаборатории. На рис. 13.1 приведена типовая структура системы сертификации, наглядно показывающая взаимодей ствие сертификационных органов, службы стандартизации и метроло гической службы.
Рис 13.1. Структура системы сертификации продукции
Основными функциями органа сертификации являются: разработка порядка проведения сертификации; аттестация и аккредитование испы тательных лабораторий; допуск предприятий к сертификации; выдача сертификатов соответствия или лицензий на право маркировки продук ции Знаком соответствия; рассмотрение споров о качестве сертификаци онной продукции.
Сертификационные органы по своему статусу и структуре в разных странах различны. Многое зависит от специфики их взаимоотношений с национальными органами по стандартизации и метрологии, с государ ственными учреждениями и промышленностью. В Российской Федера ции руководство работами по сертификации возложено на Госстандарт РФ.
PAGE 54