Измерительные приборы

10.02.2017 г Макарычев П.К. КУРС ЛЕКЦИЙ: ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ ТЕХНИКА ТЕМА 1. ОСНОВЫ МЕТРОЛОГИИ ЛЕКЦИЯ 3 № СОДЕРЖАНИЕ В ВВЕДЕНИЕ. ОCНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ МЕТРОЛОГИИ (лекция 1) 1…9 1 ВИДЫ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ (ОБЗОРЫ) 1…41 1.1 Меры и калибраторы (лекция 2) 2 1.2 Измерительные преобразователи (лекция 2) 11 1.3 Измерительные приборы (лекция 3) 27 2 ВИДЫ И ОБЩИЕ МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЙ (лекция 4) 1…7 3 ПРЕДСТАВЛЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ (лекция 5) 1…11 Примечание – 1 Нумерация страниц, рисунков и таблиц сквозная в пределах раздела 1 (продолжение) 2 Материал оформлен в соответствии с требованиями ГОСТ 7.32 27 10.02.2017 г Макарычев П.К. 1.3 Измерительные приборы Измерительные приборы (ПИ) преобразуют измеряемые величины в форму, доступную для восприятия человеком, т.е. в отличие от измерительных преобразователей способны отображать результаты измерений. Примеры ПИ широкого применения: амперметры, вольтметры, омметры, ваттметры, осциллографы, частотомеры, мультиметры, счётчики электрической энергии и др. Эти приборы выпускаются массово в различным конструктивных исполнениях. Изображение некоторых из них представлены на рисунках 1.32. амперметр с аналоговым способом отображения результата измеритель фазных напряжений с цифровым способом отображения результатов осциллограф с цифровым способом отображения информации Рисунок 1.32 – Примеры измерительных приборов 1.3.1 Виды измерительных приборов, различаемые по способу отображения результатов  Аналоговые. Такие приборы способны отображать результаты измерений с помощью отсчётного устройства в виде шкалы со стрелкой или шкалы со световым маркером. Такие приборы до сих пор создаются на базе измерительных механизмов: магнитоэлектрических и электромагнитных. Примечание – Следует иметь в виду, что аналоговый способ отображения не изжит. Его преимущество в возможности быстрого качественного восприятия человеком состояния контролируемой величины, а также динамики её изменения. аналоговый частотомер тестер (авометр) узкопрофильный измеритель Рисунок 1.33 – Примеры аналоговых измерителей 28 10.02.2017 г Макарычев П.К.  Цифровые. Цифровые приборы преобразуют непрерывный контролируемый сигнал в цифровую форму и отображают результат в виде числа. Преимущество цифрового представления результатов измерения для человека – быстрое считывание в ответственных случаях. У таких приборов возможностей отображения результатов измерений существенно больше, чем у аналоговых. а) Типовые способы отображения с помощью многоразрядного цифрового дисплея. цифровой щитовой прибор мультиметр настольный (стендовый) прибор Рисунок 1.34 – Примеры несложных цифровых измерителей б) Цифровые приборы с совмещённым способом отображения. Они имеют цифровой дисплей с дополнительной псевдоаналоговой шкалой. псевдоаналоговая шкала псевдоаналоговая шкала дисплей портативного прибора узкопрофильный щитовой прибор Рисунок 1.35 – Примеры совмещения цифрового способа отображения с псевдоаналоговым в) Приборы, которые создаются на основе как цифровой, так и аналоговой схемотехники одновременно – приборы гибридного исполнения. Это редкие приборы, реализуемые немногими фирмами. 29 10.02.2017 г Макарычев П.К. мультиметр гибридного исполнения Рисунок 1.36 – Пример мультиметра гибридного исполнения г) Многофункциональные приборы со сложными графическими дисплеями, на которые выводятся помимо массивов измеренных значений также различные графические формы отображения результатов. Рисунок 1.37 – Приборы со сложными графическими способами отображения результатов 1.3.2 Виды приборов, различаемые по способу утилизации результатов измерений  Показывающие. Это обычные приборы, единственное назначение которых – оперативно предоставить результат измерения субъекту в аналоговой или цифровой форме.  Регистрирующие. Назначение этих приборов – сохранить результаты продолжительных измерений тем или иным способом. Актуальных способов регистрации два: на бумаге или на электронных носителях – энергонезависимой памяти, например, хорошо известной flash-памяти.  Системного назначения. Это приборы, которые способны транслировать информацию удалённому потребителю посредством стандартных интерфейсов. 30 10.02.2017 г Макарычев П.К.  С комбинированными возможностями. Это приборы, которые наделены указанными функциями в большей или меньшей степени. Так функция регистрации в настоящее время не являются чем-то сложно реализуемым, поэтому многие измерители имеют эти возможности штатно или опционально. В этом случае информация хранится в микросхемах энергонезависимой памяти, а запомненные результаты измерений выводятся на дисплей по вызову субъекта по мере необходимости. показывающий прибор со встроенной энергонезависимой памятью регистрирующий прибор с выводом результатов на графический дисплей регистратор температуры со встроенным термопринтером Рисунок 1.38 – Примеры приборов с различными способами регистрации 1.3.3 Виды приборов, различаемые по принципу действия или внутренней структуре.  Электромеханические приборы. Это наиболее старые виды измерителей: амперметры, вольтметры, омметры, частотомеры, фазометры … Основой этих приборов являются измерительные механизмы. Актуальными из них остаются два: магнитоэлектрические и электромагнитные. Они непосредственно измеряют токи и на их основе создаются вольтметры и др. измерители (рисунки 1.39, подробности в лекции 6). Рисунок 1.39 – Устройства актуальных измерительных механизмов  Электронные аналоговые приборы 31 10.02.2017 г Макарычев П.К. Отличительная особенность электронных приборов – наличие в структуре электронного усилителя с управляемым коэффициентом усиления и электронного детектора. Структура электронного амперметра представлена на рисунке 1.42. Рисунок 1.42 – Структура электронного амперметра  (Электронные) цифровые приборы Типовая структурная схемы цифрового амперметра (в качестве примера) представлена на рисунке 1.43. Рисунок 1.43 – Структурная схема цифрового амперметра В отличие от аналоговых электронных цифровые включают в структуру аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и соответственно – цифровое отсчётное устройство. АЦП преобразует аналоговый сигнал в цифровой код, который соответствует измеренному значению. 1.3.4 Виды приборов, различаемые по конструктивным особенностям  портативные (носимые);  переносные малогабаритные;  переносные настольные (стендовые);  встраиваемые (щитовые);  другие. 32 10.02.2017 г Макарычев П.К. портативный (тепловизор) портативный (тестер) переносной настольный (стендовый) переносной малогабаритный для установки на DIN-рейку встраиваемые в электротехнические щиты и пульты размещаемый в электрической розетке осциллографическая USB-приставка сложный переносимый измеритель, размещённый в чемодане крейтовые измерительные приборы имеет встраиваемые функциональные модули (в т.ч. измерительные) Рисунок 1.44 – Примеры конструктивных исполнений приборов Здесь представлены основные виды измерительных приборов. Эта область приборостроения постоянно развивается, поэтому уже имеют место и другие разновидности. 33 10.02.2017 г Макарычев П.К. 1.3.5 Типовые характеристики измерительных приборов Диапазон измерения, диапазон показания На рисунке 1.45 показан пример циферблата (лицевой панели) вольтметра с четырьмя пределами измерения, которые выбираются кнопками (четыре нумерованных вертикальных прямоугольника вверху циферблата). Рисунок 1.45 – Циферблат четырёхдиапазонного аналогового вольтметра Верхние пределы измерения: 7,5; 15; 30 или 60 В соответственно (обозначения под кнопками) Нижние пределы измерения: 1; 2; 4 или 8 В соответственно. Диапазоны измерений ограничены жирными точками. Диапазоны показаний: 0–7,75; 0–15,5; 0–31 или 0–62 В. Метрологические характеристики вольтметра гарантируются в пределах диапазона измерения. У приборов с равномерной шкалой диапазоны измерений и показаний совпадают. Примечания – 1 Существуют приборы с двусторонними шкалами, например: – 5 мА ÷ 0 ÷ 5 мА; с безнулевыми шкалами, например: 49 ÷ 50 ÷ 51 Гц (50 Гц – номинальное значение прибора); 2 Верхний предел диапазона показаний может быть бесконечностью. Часто у омметров. Цена деления шкалы и значение единицы младшего разряда. Цена деления шкалы – это характеристика аналоговых приборов. В нашем вольтметре на первом поддиапазоне с1 = 7,5/150 = 0,05 В/дел., а на последнем с4 = 60/150 = 0,4 В/дел. 34 10.02.2017 г Макарычев П.К. Зачем это нужно? Можно сделать отсчёт в делениях и для получения результата умножить на цену деления: U (В) = α (дел.)×с (В/дел.). Конечно, в таких простых случаях всё это можно проделывать в уме. Но вот ещё пример – ваттметр (рисунок 1.46). У ваттметра две пары зажимов: для тока и для напряжения. В каждой паре один зажим помечен звёздочкой, а около другого указано номинальное значение тока и напряжения соответственно. При номинальных значениях стрелка отклониться «на всю шкалу». Рисунок 1.46 – Циферблат аналогового ваттметра Пусть мы видим, что показание прибора в делениях α = 61 дел. Но сколько это в ваттах? В данном случае обязательно нужно определить цену деления. Шкала содержит 75 делений. Мощность, соответствующая отклонению стрелки «на всю шкалу» – это произведение номинальных значений тока I = 5 А и напряжения U = 150 В. Следовательно, цена деления с = (5×150) / 75 = 10 Вт /дел и показание в ваттах Р = 61×10 = 610 Вт. Значение единицы младшего разряда различают у цифровых измерительных приборов. Пусть показание цифрового вольтметра 025,134 мВ . Единица младшего разряда в данном примере равна 1 мкВ. Точность Количественная характеристика точности – погрешность. Чем меньше погрешность, тем выше точность. Прежде всего, существуют два понятия:  погрешность измерения  погрешность измерительного прибора 35 10.02.2017 г Макарычев П.К. Это не одно и то же. Можно взять дорогой, очень точный прибор, но получить при неграмотном использовании очень плохой результат. Существует три формы выражения погрешностей:  абсолютная Δ  относительная δ  приведённая γ (частный случай относительной) Погрешность измерения может быть выражена в форме Δ или δ, а погрешность измерительного прибора – в любой из трёх форм. Абсолютная погрешность измерительного прибора: Δ = Х – Хи ≈ Х – Хд (1.1) где Х – показание прибора; Хи – истинное значение измеряемой величины; Хд – действительное значение измеряемой величины. Относительная погрешность измерительного прибора: Δ Δ  = Хи ≈ Х (1.2) Приведённая погрешность измерительного прибора: γ Δ (1.3) ХN где ХN – нормирующее значение измеряемой величины. Что значит «нормирующее значение? Рассмотрим на примерах: 1) У вольтметра с диапазоном измерения от 0 до 15 В в качестве нормирующего значения принимается конечное значение шкалы прибора Uк ХN = UN = Uк= 15 В. 2) У миллиамперметра с двусторонней шкалой – 5 мА ÷ 0 ÷ 5 мА в качестве нормирующего значения принимается значение 10 мА ХN = Iк = 10 мА 3) У аналогового частотомера с узким диапазоном измерения 49 Гц ÷ 50 Гц ÷ 51 Гц нормирующим значением принимается его номиналь= ное значение ХN = fном = 50 Гц Основная погрешность и дополнительные погрешности. Погрешность Δ зависит от влияющих величин ξ: Δ = f(ξ1; ξ2;… ξn). Влияющие величины – это: 36 10.02.2017 г Макарычев П.К. а) внешние факторы – температура, напряжение питания (если оно есть у прибора), влажность и давление атмосферы, вибрация, электромагнитное излучение и др.; б) неинформативные параметры входного сигнала. Пример: u(t) = Umsinωt = 2 Usin2πft Случай 1. Вольтметром измеряют среднее квадратическое значение U синусоидального напряжения u(t); в этом случае частота f этого напряжения – неинформативный параметр входного сигнала, т.е. такой параметр, который не несёт полезной информации о значении U, но влияет на результат измерения U; Случай 2. Частотомером измеряют частоту f синусоидального напряжения u(t); в этом случае U – неинформативный параметр входного сигнала. Нормальные условия применения прибора – это такие условия, когда все влияющие величины ξi либо имеют нормальные значения ξi = ξi,норм, либо находятся в пределах нормальных областей значений ξi,норм,мин ≤ ξi ≤ ξi,норм,макс. Примеры: а) θ = 20 ºС – нормальное значение температуры, принятое в нашей стране; б) относительная влажность воздуха от 30 до 80 % – нормальная область значений. Примечание – Обеспечить при метрологических испытаниях средства измерений точное значение 20 ºС невозможно, поэтому допускаются отклонения, например, в пределах (20 ± 2) 0С. Этот допуск обусловлен заявленной точностью испытуемого прибора; для самых точных он может составлять ещё меньшее значение и все метрологические испытания для него проводятся в специальных камерах «тепла-холода». Основная погрешность Δо – это погрешность, полученная в нормальных условиях. Рабочие условия применения прибора – это такие условия, когда влияющие величины ξi находятся в пределах рабочих диапазонов значений ξi,раб,мин ≤ ξi ≤ ξi,раб,макс. Примеры рабочих диапазонов значений для температуры: - температура в пределах (10 0С ≤ θ ≤ 35) ºС - температура в пределах (- 40 0С ≤ θ ≤ 50) ºС. Примечание – Для актуальных влияющих величин диапазоны значений задаются аналогично. Они фиксируются в паспорте на СИ. 37 10.02.2017 г Макарычев П.К. Дополнительная погрешность Δд – это прибавка к основной погрешности, вызванная отклонением одной из влияющих величин ξi от её нормального значения ξi,норм или выходом за пределы нормальной области значений ξi,норм,мин ÷ ξi,норм,макс. Систематическая и случайная погрешности. Систематическая погрешность Δс остаётся постоянной или закономерно изменяется в зависимости от времени (или другого аргумента). o Случайная погрешность  изменяется случайным образом. Пусть Х=const. Производятся повторные измерения Х. Если Х1, Х2, …, Хn отличаются друг от друга – значит, проявляет себя случайная погрешность. Что при этом принять за результат измерения? Ответ известен: среднее значение: X ср  1 n  Xi n i1 (1.4) В вероятностном смысле Хср ближе к истинному значению Хи, чем любое Хi. Это объясняется тем, что одни Хi отличаются от Хср в одну сторону (меньше среднего), другие – в другую (больше среднего). Чем больше n, тем меньше влияние случайной погрешности, но тем дольше процесс измерения. Такое измерение с повторами и усреднением называют измерением с многократными наблюдениями: Хi – это наблюдения, а Хср – результат измерения. Таким образом, простой приём – многократные наблюдения – позволяет обнаружить присутствие случайной погрешности, а их усреднение – снизить её влияние. Заметим, что этот приём не обнаруживает систематическую погрешность и не снижает её. Для нахождения Δс нужен более точный прибор, показание которого можно считать действительным значением Хд, и тогда Δс = Х–Хд (1.5) или, если выявлено присутствие случайной погрешности и произведены многократные наблюдения: Δс = Хср–Хд, Если Δс найдена, её можно исключить, введя поправку: 38 (1.6) 10.02.2017 г Макарычев П.К. η = – Δс, (1.7) Тогда Х + η – это будет исправленный результат измерения. Получается, что если погрешность найдена – это уже не погрешность. Погрешность остаётся погрешностью лишь до тех пор, пока в ней есть неопределённость, случайность. После внесения поправки остаются не исключённые остатки Δс, но они уже случайны. Итак, погрешность – в принципе случайная величина. Случайные величины можно изучать, у них есть определённые законы. Этим занимается одна из отраслей математики – теория вероятностей. Мы рассмотрели случай, когда с помощью более точного прибора находят Δс и вводят поправку η. Может возникнуть вопрос: если у нас есть этот более точный прибор, почему бы им и не измерять? Дело в том, что поправка вносится в результаты многих измерений, а определяется редко. Для её нахождения используются эталонные средства измерения. Они служат не для измерений, а для поверки и аттестации рабочих средств измерения. Если бы эталонные средства использовались для измерений, они быстро бы перестали быть эталонными. Но вообще внесение поправки – довольно редкий случай в практике измерений: это точные лабораторные измерения, научные исследования. Большей частью Δс есть, но её не выявляют для каждого данного экземпляра средств измерений. На множестве экземпляров данного типа средств измерений она проявляет себя, как случайная величина. o Таким образом,  проявляет себя, как случайная величина на множестве многократных наблюдений, если таковые производятся, а Δс проявляет себя, как случайная величина даже при одном измерении – на множестве экземпляров приборов данного типа. Нормирование погрешностей средств измерений Нормируют (задают, устанавливают норму) предельно допускаемые значения погрешностей средств измерений, в первую очередь для основной погрешности. Существуют разные формы нормирования: 1) Нормируют предельно допускаемые значения основной приведённой погрешности, например, γо,п = ± 0,5 %. Так нормируют погрешности аналоговых вольтметров, амперметров и т.п. Это означает, что – 0,5 % ≤ γо ≤ 0,5 %. 39 10.02.2017 г Макарычев П.К. Возможно, нам попался экземпляр прибора, у которого γо = 0, но мы этого не знаем. Мы знаем, что гарантируется – 0,5 % ≤ γо ≤ 0,5 %. 2) Гораздо реже гарантируется предельно допускаемые значения основной относительной погрешности, например, δо,п = ± 0,02 %. Так, например, нормируют погрешность измерительных мостов (приборы для измерения электрических сопротивлений). 3) Нормируют предельно допускаемые значения основной относительной погрешности, но в более сложном виде:   Xк  (1.8)  о,п   с  d  1 Х    Так нормируют погрешность для цифровых измерительных приборов, например:  Х  о,п   0,01  0,005 к  1,%  Х   Дополнительные погрешности. Рассмотрим на примере. Пример. В документации читаем: «Дополнительная температурная погрешность не превышает половины основной на каждые 10 ºС, отличные от нормальной в рабочем диапазоне». Расшифруем эту фразу. Пусть известно, что для данного прибора: – рабочий диапазон температур 5 ºС ≤ θ ≤ 40 ºС; – предельные значения основной приведённой погрешности γо,п = ± 0,5 %. Это значит, что при 10 и при 30 ºС к γо добавляется ещё ± 0,25 %. Есть основания считать, что зависимость дополнительной температурной погрешности от температуры близка к линейной. Поэтому, если, например, температура эксперимента известна и равна θ = 35 ºС, то предельные значения дополнительной температурной приведённой погрешности будут 0,5 о,п 0,5  0,5  15  д , ,п  (35  20)    0,375% . 10 10 Здесь 0,5 о, п 10  0,05 о, п – температурный коэффициент дополнительной температурной погрешности. Если бы вместо «…не более половины основной…» было «…не более основной…», то температурный коэффициент был бы 0,1γо,п. 40 10.02.2017 г Макарычев П.К. Классы точности. Класс точности – комплексная характеристика, которая говорит нам и об основной и о дополнительных погрешностях. Обозначение классов точности:  на лицевой панели аналогового прибора проставлено число, например, 0,5. Это означает, что γо,п = ± 0,5 %.  на лицевой панели прибора проставлено число внутри окружности, например, 0,2 Это значит, что δо,п = ± 0,2 %.  В документации на цифровой измерительный прибор его класс точности обозначен как 0,01/0,005. Это значит, что  Х  о,п   0,01  0,005 к  1,% .  Х   Кроме основной погрешности класс точности даёт информацию о дополнительных погрешностях, например, так, как это было показано в приведённых выше примерах, но как именно, в частности, «…не более половины основной…» или «…не более основной…» – это надо уточнять по документации на прибор. 41