Izmeritelnye_preobrazovateli_Mironov

цового средства измерения принимают за действительное значение измеряемой величины. Не противоречит сказанному и принятый порядок оценки погрешностей средств измерений в соответствии с требованиями нормативных документов (ГОСТ 8.009–84 [44] и ГОСТ 8.508–84 [47]). Таким образом, заменять понятие «погрешность средства измерения» на понятие «неопределенность средства измерения», со всеми вытекающими отсюда последствиями, не следует.

Порядок оценки неопределенностей изложен в руководстве по выражению неопределенностей результатов измерений [41] и нормативно закреплен в рекомендациях РМГ 43–2001 [42].

В соответствии с [41, 42] неопределенность подразделяют на две составляющие: неопределенность типа A и неопределенность типа B. Неопределенность типа A оценивается статистическими методами и описывает случайные отклонения при повторных измерениях. Неопределенность типа B оценивается в основном другими способами, отличными от статистических, и близка по своей сути к неисключенным систематическим погрешностям.

Говоря о «близости» неопределенностей и погрешностей результатов измерений следует помнить, что термины «неопределенность» и «погрешность» – не синонимы и представляют собой различные понятия; их не следует путать друг с другом или заменять одно понятие другим.

Рассмотрим порядок оценки неопределенностей при проведении прямых многократных измерений. Предполагаем, что получен ряд значений x1, x2, xn при измерении физической величины с помощью прибора, метрологические характеристики которого известны. Считаем также, что известна методическая погрешность измерения, известен закон распределения результатов измерений и задана доверительная вероятность, с которой должны быть найдены рассматриваемые величины.

Неопределенности типа A

Для оценки неопределенностей типа A проводятся следующие расчеты: 1) вычисляется среднее арифметическое значение результатов измере-

ний:

131

_

где x – среднее арифметическое, принимаемое за результат измерения;

xi – результат i-го измерения;

n– число измерений;

2)вычисляется стандартная неопределенность результатов однократных измерений:

где u A – стандартная неопределенность результата измерений типа A.

Полученное значение u A характеризует случайную составляющую неоп-

ределенности результата измерений. Расчет случайной неопределенности руководством [41] и рекомендациями [42] не предусматривается.

Неопределенности типа B

В качестве исходных данных для вычисления неопределенностей типа B используют:

1)сведения о виде распределения вероятностей;

2)неопределенности констант и справочных данных;

3)сведения изготовителя о средстве измерения;

4)данные поверки и калибровки средства измерения;

5)данные о методе измерения;

6)опытные данные о поведении и свойствах соответствующих приборов

иматериалов и т. п.

132

Точностные характеристики исходных данных обычно представляют в виде неисключенных систематических погрешностей. При этом предполагается, что рассматриваемые величины подчиняются равномерному закону распределения.

Для оценки неопределенности типа B проводятся следующие расчеты: 1) вычисляются составляющие неопределенности типа B по формуле

где uB j – j-я составляющая стандартной неопределенности типа B;

θj – j-я составляющая неисключенной систематической погрешности результа-

та измерения;

2) вычисляется стандартная неопределенность типа B:

где UP – расширенная неопределенность результата измерений для довери-

тельной вероятности P ;

k p – коэффициент, зависящий от принятой доверительной вероятности и закона распределения результатов измерений;

uC – определено выше.

133

Во многих практических случаях при вычислении неопределенностей результатов измерений делают предположение о нормальности закона распределения возможных значений измеряемой величины и полагают:

k p = 2 для P = 0,95 и k p = 3 для P = 0,99.

При предположении о равномерности закона распределения полагают: k p = 1,65 для P = 0,95 и k p = 1,71 для P = 0,99.

Окончательно результат измерения T может быть представлен в виде

(x −U p ) ≤ T ≤ (x +U p ) или (x ±U p ) с доверительной вероятностью P .

При описании результатов измерений руководство [41] рекомендует приводить достаточное количество информации для возможности проанализировать или повторить весь процесс получения результата измерений и вычисления неопределенностей результата измерений, а именно:

1)алгоритм получения результата измерений;

2)алгоритм вычисления всех поправок и неопределенностей;

3)неопределенности всех используемых данных и способы их получе-

ния;

4) алгоритмы вычисления суммарной и расширенной неопределенностей

(включая значение коэффициента k p ).

Отношение отечественных метрологов к предложениям, изложенным в руководстве [41], значительно изменилось за последнее время. Первые отклики на замену погрешностей неопределенностями были резко отрицательными [43]. Главные критические замечания касались предполагаемого отказа от понятия истинного (действительного) значения измеряемой величины, замены понятия «погрешность» на понятие «неопределенность», необходимости переработки многочисленных нормативных документов и применения новой терминологии и методики оценивания неопределенности результатов измерений. Особенно большая критика досталась «неопределенности типа B», призванной заменить неисключенную систематическую погрешность.

134

Впоследнее время отношение к руководству [41] несколько изменилось

[40].Многие метрологи склоняются к мнению, что понятие «неопределенность результата измерения» надо постепенно вводить в практику, но пока не вместо понятия «погрешность результата измерения», а наряду с ним. По нашему мнению, понятие «неопределенность» может успешно применяться в качестве показателя точности результата измерений. При этом, правда, потребуется значительная доработка руководства [41], РМГ 43–2001 [42] и разработка новых нормативных документов. Особенно большие изменения, видимо, должны быть сделаны в части применения понятия «неопределенность типа B». Что же касается средств измерений, то здесь пока должна быть сохранена традиционная терминология: «погрешность» и «истинное (действительное) значение измеряемой величины». Распространять понятие «неопределенность» в существующем виде на точностные характеристики средств измерений не представляется возможным.

Таким образом, целесообразно, видимо, использовать в практической работе два показателя точности: неопределенность результатов измерений и погрешность средств измерений[67; 68].

8.ИЗМЕРЕНИЯ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

8.1.Общие положения

Измерения физических величин осуществляются, как правило, путем преобразования измеряемых величин в целях приведения их к виду, удобному для считывания, обработки и представления получаемой измерительной информации. Измеряемые величины при этом часто преобразуются в величины другой физической природы [1–9].

Например, при измерении температуры ртутным термометром измеряемая температура преобразуется в длину столбика ртути. Больше температура – и больше длина столбика ртути, меньше температура – и столбик ртути меньше. Таким образом, о значении температуры судят по длине столбика ртути. Здесь измеряемая величина одной физической природы («температура») для

135

определения ее искомого значения преобразуется в физическую величину другой природы («длину» столбика ртути). Можно привести и другие примеры. Так, измерение давления газа с помощью трубчатого манометра осуществляется за счет деформации (скручивания или раскручивания) трубчатой пружины под воздействием измеряемого давления газа. Скручивание (или раскручивание) трубчатой пружины передается указательной стрелке, перемещающейся вдоль оцифрованной шкалы манометра, с которой и производится отсчет показаний. Таким образом, для измерения давления газа проводится целый ряд последовательных преобразований, что и позволяет в итоге оценить значение искомой величины. Измерение расхода жидкости можно провести, например, оценивая перепад давления на специальном сужающем устройстве, т. е. в этом случае расход жидкости преобразуется в перепад давления, измерение которого и дает значение искомой величины.

При проведении технических измерений неэлектрических величин (температуры, давления, расхода и т. д.) эти величины, довольно часто, преобразуют в электрические величины, которые и подвергаются дальнейшим преобразованиям и измерениям (рис. 8.1).

Рис. 8.1. Структура устройства при электрических измерениях неэлектрических величин: q – измеряемая неэлектрическая величина; qэ ,q'э – электрические величины; Д – датчик; ИС – измерительная схема; И – измеритель (средство измерения электрической величины); Р – регистратор (регистратор электрической величины)

Датчик Д преобразует измеряемую неэлектрическую величину q в электрическую qэ. Эта величина в общем случае может быть преобразована в измерительной цепи (ИС) в другую электрическую величину q'э = f(qэ). При этом величина qэ может быть усилена или ослаблена, преобразована из аналоговой величины в дискретную или из дискретной в аналоговую и т. д. Полученная величина q'э подвергается измерению или регистрации с помощью электрических

136

средств, а также может быть передана по линии связи на значительное расстояние для дальнейшей обработки и использования. Обработка величин q'э может проводиться с использованием универсальных ЭВМ или специализированных вычислительных устройств.

Измерения неэлектрических величин электрическими методами имеют ряд отличительных достоинств, к которым можно отнести:

1)возможность измерять малые значения искомых величин;

2)использовать электронные усилители, что дает возможность измерять такие сигналы, которые невозможно измерить другими методами;

3)возможность дистанционно измерять параметры искомых величин;

4)возможность дистанционно управлять как производственными, так и другими процессами;

5)возможность использовать высокоточную и малоинерционную электроизмерительную аппаратуру;

6)возможность комплектовать различные измерительные установки однотипными электрическими блоками;

7)возможность широко использовать современную вычислительную технику в измерительных системах.

Впоследующих параграфах учебного пособия подробно рассмотрены элементы, составляющие измерительное устройство, структура которого приведена на рис. 8.1. Так, отдельные параграфы пособия посвящены датчикам, измерительным схемам, электроизмерительным приборам и методам измерения конкретных физических величин, наиболее часто встречающихся в практике технических измерений.

8.2. Датчики

Основное назначение датчиков, применяемых при измерениях физических величин, заключается в восприятии и преобразовании исследуемых величин в вид, удобный для дальнейшего использования.

Следует отметить, что в настоящее время не существует единого и обще-

принятого определения термина «датчик».

137

Одни авторы рассматривают датчик как простейший элемент, осуществляющий преобразование неэлектрической величины в электрическую. Другие авторы, например в [1–3, 32], вообще избегают использовать термин «датчик» и заменяют его термином «первичный измерительный преобразователь». В [32] отмечается, правда, что кроме термина «первичный измерительный преобразователь» используется близкий к нему термин – «датчик». При этом под датчиком подразумевается один или несколько измерительных преобразователей, служащих для преобразования измеряемой неэлектрической величины в электрическую и объединенных в единую конструкцию. Аналогичную позицию занимают авторы учебника [1], в котором отмечается, что первичные измерительные преобразователи, размещаемые непосредственно на объекте исследования и удаленные от места обработки, отображения и регистрации измерительной информации, называют иногда датчиками. При изложении материала в [1] термин «датчик» не используется. Вместо него фигурируют термины «измерительный преобразователь» и «преобразователь». В учебном пособии [3] автор применяет термин «измерительный преобразователь», но не отказывается и от термина «датчик», под которым понимает конструктивную совокупность ряда измерительных преобразователей, размещаемых непосредственно у объекта измерения. Есть авторы, которые считают, что датчик должен выполнять ряд преобразований одних величин в другие, усиливать и распределять сигналы и производить некоторые вычислительные операции.

Международный электротехнический словарь дает следующее определение термина «датчик»: «Датчик – это измерительный орган, включающий наряду с чувствительным элементом усилитель или преобразователь сигнала, видоизменяющий форму выходного сигнала в соответствии с заданной».

На основании изложенного можно сформулировать основные положения, которые необходимо учесть при определении термина «датчик».

Датчик как функциональный элемент измерительной системы должен воспринимать и преобразовывать измеряемую величину, и его можно рассматривать как устройство, состоящее из воспринимающего (чувствительного) эле-

138

мента и промежуточных преобразователей. Вопрос заключается в том, какие преобразователи относить к датчикам, а какие – к другим функциональным элементам устройства. Исходя из этого, можно дать следующее определение: датчиком называется конструктивно единый измерительный преобразователь измеряемой неэлектрической величины в электрическую. Такое определение правомерно применительно к задаче электрических измерений неэлектрических величин.

Термин «датчик» обычно применяют в сочетании с физической величиной, для преобразования которой он предназначен: датчик температуры, датчик давления, датчик ускорения и т. д. Датчики могут выполняться как в виде простейших по устройству и схеме функциональных элементов (термопары, проволочные тензодатчики и т. п.), так и в виде более сложных устройств, состоящих из ряда самостоятельных элементов (например, датчик давления, состоящий из упругого элемента, рычажной системы и переменного электрического сопротивления; в этом случае измеряемое давление воздействует на упругий элемент, который через рычажную систему перемещает движок переменного сопротивления, и, таким образом, давление преобразуется в электрическое сопротивление). Необходимость разработки и применения сложных датчиков обусловлена главным образом тем, что они позволяют получить большие, чем простейшие датчики, чувствительность, точность и линейность преобразования.

8.3. Измерительные схемы

Измерительные схемы служат для включения датчиков, что необходимо для их нормальной работы. В простейшем случае роль измерительных схем могут выполнять соединительные провода (например, при подключении термопары к измерительному прибору, когда не используются какие-либо согласующие или усилительные устройства). В более сложных случаях измерительные схемы могут быть достаточно сложными устройствами и содержать в своем составе, например, усилители, генераторы, компенсаторы и т. д. Часто в качестве таких устройств используются равновесные и неравновесные мостовые измеритель-

ные схемы, которые могут быть как постоянного, так и переменного тока.

139

Наибольшее распространение получили следующие схемы включения датчиков: токовые, потенциальные и частотные.

Пример токовой схемы включения датчиков приведен на рис. 8.2, а на рис. 8.3 приведен график статической характеристики для этой схемы.

Рис. 8.2. Пример токовой схемы включения датчиков

IH

I K

Рис. 8.3. График зависимости I = f (Rg )

На рис. 8.2 и рис. 8.3 приняты следующие обозначения: Rg – сопротивление датчика; R – балластное сопротивление; U – напряжение питания; I – измеряемый ток; А – амперметр (измеритель тока); RgH – начальное сопротивление датчика; RgK – конечное сопротивление датчика; Iн и I K – начальное и конечное значения тока

Мостовые измерительные схемы имеют исключительно большое значение при измерении физических величин (как электрических, так и неэлектрических), в силу чего эти схемы подробно описаны ниже и им посвящены отдельные главы учебного пособия.

140