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
5. Средства измерений
5.1. Классификация средств измерений.
Средства измерений - техническое средство, предназначенное для измерений, имеющее нормированные метрологические характеристики, воспроизводящее и (или) хранящее единицу физической величины.
По метрологическому назначению различают рабочие и эталонные средства измерений. Рабочее средство измерений – средство измерений, предназначенное для измерений, не связанных с передачей размера единицы другим средствам измерений. Эталонные средства применяются при поверке в соответствии с установленными правилами.
В зависимости от функционального назначения и конструктивного исполнения различают такие виды средств измерений, как:
1. Мера физической величины – средство измерений, предназначенное для воспроизведения и (или) хранения физической величины заданного размера.
Различают однозначные, многозначные меры, а также наборы мер. Однозначные меры воспроизводят физическую величину одного размера. В качестве примеров однозначных мер можно назвать гирю (мера массы), угольник (мера прямого угла). Многозначные меры могут воспроизводить ряд размеров ФВ. К многозначным мерам следует отнести измерительную линейку, транспортир, измерительный сосуд, а также ступенчатый шаблон, угловую концевую меру с несколькими рабочими углами. Меры могут комплектоваться в наборы или конструктивно объединяться в так называемые «магазины». Набор мер состоит из нескольких мер, которые могут выполнять свои функции как в отдельности, так и в различных сочетаниях друг с другом, например, набор концевых мер длины, набор гирь). Магазин мер – набор мер, конструктивно объединенных в единое устройство, в котором имеются приспособления для их соединения в различных комбинациях (например, магазин электрических сопротивлений).
К однозначным мерам относятся также Стандартные образцы состава и свойств веществ и материалов, которые представляют собой специально оформленные тела или пробы вещества определенного и строго регламентированного содержания. К ним относятся образцы твердости, шероховатости.
2. Измерительные преобразователи предназначены для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и хранения, но не поддающейся непосредственному восприятию наблюдателем.
По месту, занимаемому в измерительной цепи, различают преобразователи первичные, промежуточные и передающие
1. Первичные преобразователи (датчики), к которым подводится измеряемая величина. Эти преобразователи являются первыми в измерительной цепи и предназначены для первичного преобразования физической измеряемой величины в форму, удобную для дальнейшего использования.
2. Промежуточные преобразователи, которые занимают в измерительной цепи место после первичного преобразователя и предназначены для осуществления необходимых преобразований (усиление, выпрямление, сглаживание и т.п.).
3. Передающие преобразователи, предназначенные для дистанционной передачи сигналов измерительной информации
3. Измерительные приборы (или просто приборы) предназначены для выработки сигнала измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем.
В зависимости от функции измерительные приборы подразделяются на следующие группы:
1. Показывающие - приборы, которые обеспечивают только отсчет показаний.
2. Регистрирующие - приборы, которые обеспечивают регистрацию показаний.
3. Интегрирующие - приборы, в которых измеряемая величина интегрируется по времени или другой независимой переменной.
4. Суммирующие - приборы, показания которых функционально связаны с суммой двух или нескольких величин, подводимых к прибору по различным каналам.
Некоторые виды приборов выполняют несколько функций, обеспечивая, например, одновременно и выдачу показаний и запись измеряемой величины.
4. Индикатор – техническое средство или вещество, предназначенное для установления наличия какой-либо физической величины или превышения уровня ее порогового значения.
5. Измерительные установки предназначены для выработки сигналов измерительной информации в форме, удобной для непосредственного восприятия наблюдателем, и представляют собой совокупность функционально объединенных мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей и других вспомогательных устройств, расположенных в одном месте и связанных единством конструктивного исполнения.
6. Измерительная система – совокупность функционально объединенных мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей, ЭВМ и других технических средств, размещенных в разных точках контролируемого объекта с целью измерений одной или нескольких физических величин, и выработки измерительных сигналов в разных целях.
7. Измерительно-вычислительный комплекс – функционально объединенная совокупность средств измерений, ЭВМ и вспомогательных устройств, предназначенная для выполнения в составе измерительной системы конкретной измерительной задачи.
5.2.Типовые элементы СИ
Чувствительный элемент средства измерений (чувствительный элемент) – часть измерительного преобразователя в измерительной цепи, воспринимающая входной измерительный сигнал.
Показывающее устройство средства измерений – совокупность элементов средства измерений, которые обеспечивают визуальное восприятие значений измеряемой величины или связанных с ней величин. Очевидно, показывающие устройства приборов чаще всего выполнены в виде системы шкала-указатель или числового табло.
Шкала средства измерений – часть показывающего устройства средства измерений, представляющая собой упорядоченный ряд отметок вместе со связанной с ними нумерацией. Отметки на шкалах могут быть нанесены равномерно (равномерная шкала) или неравномерно (неравномерная шкала).
Отметка шкалы – знак на шкале средства измерений (черточка, зубец, точка и др.), соответствующий некоторому значению физической величины.
Различают начальное значение шкалы (наименьшее значение измеряемой величины, которое может быть отсчитано по шкале средства измерений) и конечное значение шкалы (наибольшее значение измеряемой величины, которое может быть отсчитано по шкале средства измерений).
Показывающее устройство «цифрового» измерительного прибора называется табло цифрового измерительного прибора.
Регистрирующее устройство средства измерений – совокупность элементов средства измерений, которые регистрируют значение измеряемой величины. Это самописцы, печатающие устройства, устройства с фоторегистрацией или магнитной регистрацией данных и другие.
5.3. Статические и динамические характеристики средств измерения.
Статическая характеристика средства измерений есть функциональная зависимость между входной и выходной величиной в установившихся режимах работы. В неустановившихся режимах работы статическая зависимость нарушается в силу присущей средствам измерений инерционности. В этих случаях средства измерений характеризуются динамическими характеристиками, которые являются функциональными зависимостями входных и выходных величин в динамических условиях преобразования.
Статическая характеристика.
Если работа СИ рассматривается в предположении, что входная (измеряемая) величина x и выходная (измеренная) величина y являются постоянными во времени, то связь между ними устанавливается некоторой функцией y=f(x). Статическое рассмотрение не учитывает временной аспект процесса измерения и такая характеристика, называемая еще градуировочной, может быть выражена в виде уравнения, графика или таблицы. В метрологической практике наиболее часто встречаются линейные статические характеристики, (рис. 2).
Рис. 2. Статическая характеристика линейного звена.
Звенья, не отвечающие требованиям линейности, называются нелинейными. Статические характеристики нелинейных звеньев приведены на рис.5.
Рис.3. Статические характеристики нелинейных звеньев.
Нелинейность звеньев может быть связана с гистерезисом (рис.3,а), явлением насыщения (рис.3, б), а также наличием зоны нечувствительности (рис.3, в).
Динамическая характеристика СИ
Если измеряемая и измеренная величины x (τ) и y(τ) являются функциями времени τ, или когда x (τ) является константой, следует учитывать динамические свойства СИ. Для аналитического описания динамической модели СИ используются дифференциальные уравнения. Существует два способа составления и решения дифференциальных уравнений, описывающих поведение СИ в динамике:
1) экспериментальное определение реакции СИ на входные возмущения, т.е. на изменение во времени входной величины ХВХ. Наблюдаемая при этом выходная величина YВЫХ дает графическое решение дифференциального уравнения, описывающее поведение СИ в динамике. С помощью соответствующих методов обработки полученных графиков могут быть получены дифференциальные уравнения, а также параметры, характеризующие данную динамическую систему.
2) аналитическое составление дифференциальных уравнений СИ на основе изучения их структурных схем и происходящих в них физических и химических явлений. Первый способ применяется значительно чаще при изучении динамики СИ.
Наглядное представление о динамических свойствах измерительных устройств дают графики переходных процессов – кривые разгона (рис.4), возникающих при единичном скачкообразном изменении (возмущении) входной величины (ХВХ = 1) . Графики переходных функций могут иметь различный вид, который определяется свойствами данного СИ.
Рис.4. Виды переходных характеристик СИ
5.4. Метрологические показатели средств измерений
При выборе средства измерения в зависимости от заданной точности проведения измерений необходимо учитывать их метрологические показатели. К ним относятся:
1. Цена деления шкалы есть разность значений величины, которая соответствует двум соседним отметкам шкалы.
2. Градуировочная характеристика – зависимость между значениями величин на входе и выходе СИ.
3. Диапазон показаний – область значений шкалы, ограниченная конечным и начальным значениями шкалы.
4. Чувствительность прибора – отношение измерения сигнала на выходе измерительного прибора к изменению измеряемой величины на входе. Для вольтметра это значение определяют как число делений шкалы, приходящееся на 1 В, а для амперметра - число делений шкалы, приходящееся на 1 А. В общем случае, чувствительность определяется как величина обратная цене деления шкалы.
5.5. Метрологические характеристики средств измерений
Технические характеристики, оказывающие влияние на результаты и погрешности измерений, называются метрологическими характеристиками. Номенклатура метрологических характеристик зависит от назначения средств измерений, условий эксплуатации и режима работы нормируются.
Для систематической составляющей Δсист погрешности средств измерений выбирают характеристики из числа следующих:
Для случайной составляющей Δсл погрешности нормируется среднее квадратическое отклонение σ[Δсл] случайной составляющей погрешности;
По степени полноты описания инерционных свойств средств измерений динамические характеристики делятся на полные и частные.
К полным динамическим характеристикам относятся:
Частными динамическими характеристиками могут быть отдельные параметры, (например, время реакции, коэффициент демпфирования).
Нормы на отдельные метрологические характеристики приводятся в эксплуатационной документации.
5.6. Нормирование классов точности средств измерений.
Учет всех нормируемых метрологических характеристик средств измерений при оценивании погрешности результата измерений сложная и трудоемкая процедура, поэтому информация о возможной инструментальной составляющей погрешности измерения дается в виде класса точности средства измерения.
Погрешности приборов подразделяют на основную, присущую прибору при нормальных условиях применения, и дополнительную, обусловленную влиянием на показания прибора различных внешних факторов.
Нормальными рабочими условиями считают температуру окружающей среды (20 5)°С при относительной влажности (65 15)%, атмосферном давлении (750 30) мм рт. ст., в отсутствие внешних магнитных полей, при нормальном рабочем положении прибора и т. д. В условиях эксплуатации, отличных от нормальных, в электроизмерительных приборах возникают дополнительные погрешности, возникающие при отклонении внешних факторов от нормальных условий.
Класс точности - обобщенная метрологическая характеристика средств измерений, определяющая пределы допускаемых основных и дополнительных погрешностей. Под пределом допускаемой погрешности понимается наибольшая (без учета знака) погрешность средства измерений при которой оно может быть признано годным к эксплуатации.
Классы точности присваивают средствам измерений при их разработке на основании испытаний представительной партии средств измерения данного типа. При этом пределы допускаемых погрешностей нормируют и выражают в виде абсолютных, относительных и приведенных погрешностей .
Формы выражения пределов допускаемых погрешностей
• Пределы допускаемой абсолютной погрешности могут быть постоянны
(1)
или зависеть от измеряемой величины
, (2)
где: - предел допускаемой абсолютной погрешности, выражаемой в единицах на входе (выходе) СИ;
а, в – положительные числа, не зависящие от х;
х – значение измеряемой величины;
Нормирование в соответствии с (2) означает, что в составе погрешности средства измерений присутствует две составляющие погрешности, например, для генератора низкой частоты Г3-36
Пределы допускаемой относительной погрешности:
(3)
, (4)
где - предел допускаемой относительной погрешности, %;
с,d –положительные числа, выбираемые из стандартизованного ряда (1;1.5; 2; 2.5; 3; 4; 5; 6) 10n, где n=(1.0; 0; -1; -2; и т.д.);
с = b+d d = a / | xк |
хк – больший по модулю из пределов измерений;
x – показания прибора.
• Пределы допускаемой приведенной погрешности определяют по формуле:
где - предел допускаемой приведенной погрешности, %;
хN – нормирующее значение, равное большему из модулей пределов измерения;
q –положительное число, выбираемое из стандартизованного ряда (1;1.5; 1,6; 2; 2.5; 3; 4; 5; 6) 10n, где n=(1.0; 0; -1; -2; и т.д.);
Пределы допускаемых дополнительных погрешностей устанавливают
в виде дольного значения предела допускаемой основной погрешности.
5.7. Обозначение классов точности средств измерений
1. Для средств измерений, пределы допускаемой основной погрешности которых принято выражать не в соответствии с выражениями (1,2,3,4,5 ), классы точности следует обозначать в документации прописными буквами латинского алфавита (например, М, С) или римскими цифрами (I, II).
2. Для измерительных приборов пределы допускаемой погрешности которых выражены как приведенные погрешности согласно выражению (5), или относительной погрешности, согласно (3) классы точности обозначаются числами, равными этим пределам в процентах. Чтобы отличить относительную погрешность от приведенной, обозначение класса точности измерительного прибора для которого пределы допускаемой погрешности выражены в виде относительной погрешности, согласно (3), обводят кружком.
3. Для измерительных приборов, предел допускаемых погрешностей которых выражается относительной погрешностью в процентах, согласно выражению (4) класс точности определяется совокупностью значений с и d, разделяя их косой чертой.
Нанесение обозначения класса точности осуществляется на циферблаты (шкалы), щитки и корпуса приборов.
Вопросы:
Классификация средств измерений по функциональному назначению.
PAGE 11