1.5.4. Характеристики измерительных средств.

Метрологические характеристики.

• Метрологическими характеристиками называются свойства измерительных средств, которые оказывают влияние на результаты и погрешности измерений.

На метрологические характеристики средств измерений устанавлива­ются нормы. Целью нормирования является обеспечение

• возможности оценки точности измерений

• взаимозаменяемости средств измерений

• возможности сравнения средств измерений,

• возможности объективной оценки погрешности средств измерений.

Номенклатура нормируемых метрологических характеристик и полнота, с которой они должны описывать свойства средства измерения, зависят от назначения, условий эксплуатации и режима работы средства измерения. Для измерительных средств, предназначенных для технических измерений в промышленности, точность которых обычно невелика, нормирование метрологических характеристик состоит в присвоении класса точности по ГОСТ 8.401-80.

• Под точностью измерений понимается качество измерений, отражающее близость к нулю его погрешностей.

Классом точности прибора называется обобщенная характеристика, указывающая предельные значения основной и дополнительной погрешности. Класс точности не отражает погрешность конкретного измерения, а лишь указывает на пределы, в которых может находиться погрешность измерений.

Приняты следующие классы точности:

• приборы высокой точности - 0,01; 0,015; 0,02; 0,025; 0,04; 0,05, 0,06

• приборы средней точности - 0,1; 0,15; 0,2; 0,25; 0,4; 0,5; 0,6

• приборы низкой точности - 1; 1,5; 2; 2,5; 4; 5; 6

Полагается, что основная приведенная погрешность измерительного средства в рабочем диапазоне измерительной шкалы, выраженная в процентах, не превышает класса точности прибора.

В свое время понятие «класс точности» было введено применительно к стрелочным приборам и определяло основную погрешность средств измерений при статических измерениях. В настоящее время, когда все больше используются динамические методы измерения, повсеместно применяются цифровые и микропроцессорные средства измерений, а схемы и конструкции средств измерений существенно усложнились, основная погрешность измерительных приборов перестала быть действительно основной составляющей погрешности измерений. Поэтому понятие «класс точности» утрачивает свое значение. Так в международной практике "класс точности" устанавливается только для очень небольшой части приборов.

Статические характеристики.

Как и все средства автоматики, средства измерения имеют свои статические и динамические характеристики, соответствующие передаточные функции и переходные характеристики. Сигнал измерительной информации, поступающий на вход средства измерений, будем называть входным сигналом Х, а соответствующий ему сигнал, получаемый на выходе средства измерений - выходным сигналом Y.

Режим работы, при котором входной и выходной сигналы средства измерений постоянны (Х=Х₀, Y=Y₀), называется статическим или установившимся режимом. Статический режим характеризуется следующими основными характеристиками:

Статический коэффициент преобразования К определяет зависимость величины сигнала на выходе средства измерения от измеряемой величины:

K = Y/X

Коэффициент преобразования может быть линейным, когда его величина не зависит от величины входного сигнала K=const, или нелинейным. В последнем случае коэффициент преобразования зависит от величины входного сигнала K=F(X).

Чувствительность есть характеристика средства измерений, которая определяет способность средства измерений реагировать на изменение измеряемой величины.

Различают абсолютную и относительную чувствительность. Абсолютная чувствительность S есть отношение изменения сигнала Y на выходе средства измерений к вызвавшему его изменению X измеряемой величины

S=Y/X,

или в дифференциальной форме

S=dY/dX.

Для линейных устройств в статическом режиме S=K.

Относительная чувствительность (или дифференциальная чувствительность) определяется величиной изменения выходного сигнала при относительном изменении входного:

S₀=Y/(X/Х)

Эта характеристика используется в основном в случаях, когда коэффициент преобразования имеет нелинейный характер.

Чувствительность имеет размерность отношения размерности выходного сигнала к размерности входного. Например, для датчика температуры (термопары) она будет равна мВ/градус, а для ртутного термометра – деление/град.

Порог чувствительности (зона нечувствительности) – наименьшее изменение измеряемой величины, которое может быть обнаружено или зарегистрировано с помощью данного средства измерений при нормальных для данного средства измерений условиях использования.

Диапазон измерений — область значений измеряемой величины с нормированными допускаемыми погрешностями средства измерений.

Градуировочная характеристика — зависимость между значениями величин на выходе и входе средства измерений. Градуировочную характеристику снимают для уточнения результатов измерений или калибровки измерительного средства.

Вариация показаний - средняя разность между показаниями средства измерений, соответствующих данной точке диапазона измерений, при двух направлениях медленного многократного изменения измеряемой величины. Вариация показывает, насколько устойчиво повторяются результаты при измерениях одного и того же значения физической величины.

Для шкальных приборов используются также следующие определения

• Цена деления шкалы - разность значений величины, соответствующих двум соседним отметкам шкалы

• Диапазон показаний — область значений шкалы, ограниченная конечным и начальным значениями шкалы.

Динамические характеристики.

В большинстве практически важных случаев измеряемые величины непрерывно или случайно изменяются во времени. Поэтому статическими характеристиками измерительного средства можно пользоваться только в случаях, когда измеряемая величина остается неизменной за время измерений. Точнее, когда ее изменение за время измерений много меньше погрешности измерений, либо когда измеряется усредненная по большому числу периодов периодическая величина.

При медленно меняющихся сигналах динамические характеристики измерительных средств определяются понятиями:

• Время установления показаний - время с момента изменения величины до момента установления показаний измерительного прибора.

• Быстродействие – число измерений в единицу времени. Этот показатель особенно важен для цифровых приборов, а также аналоговых коммутируемых приборов, когда с помощью одного измерительного средства измеряется несколько медленно меняющихся величин.

С точки зрения теории автоматического управления эти характеристики можно трактовать как соответствующие постоянные времени измерительных приборов.

При измерении быстропротекающих процессов между амплитудами и фазами входного и выходного сигналов появляется зависимость, которая определяется частотным спектром входного сигнала и частотными свойствами средства измерения и которая может искажать результат измерений. В этих случаях для описания динамических свойств средств измерения используются его амплитудно-частотная и фазово-частотная характеристики. На основании анализа этих характеристик делается вывод о соответствии динамических свойств измерительного средства задаче измерений и, при необходимости, вводятся необходимые поправки или корректируются технические параметры измерительного прибора.

Эксплуатационные показатели.

Показатели надежности, т.е. показатели, определяющие способность прибора сохранять свои характеристики в течение установленного времени при заданных условиях эксплуатации, включают такие характеристики как среднее время безотказной работы, интенсивность отказов, вероятность отказа, гарантийный срок, срок эксплуатации.

Вероятностью безотказной работы называется вероятность того, что в течение заданного времени Т не произойдет ни одного отказа прибора. Отказом называют как выход устройства из строя, так и изменение его параметров, приводящее к неудовлетворительному выполнению своих функций. Отказы, как правило, являются следствием совокупности случайных процессов, происходящих в устройстве, и подчиняются соответствующим статистическим законам.

Часто также пользуются показателем, который определяет отношение числа приборов продолжающих после заданного времени Т безотказно работать к общему числу испытываемых приборов.

Требования к условиям эксплуатации определяют требования к электропитанию измерительного средства (напряжение питания, потребляемая мощность, стабильность и др.), к условиям его монтажа и эксплуатации, климатическому исполнению и т.п. Кроме того, должны быть определены и безопасные условия его эксплуатации.

Для средств измерений, особенно датчиков, которые всегда должны располагаться вблизи технического объекта, особенно важным является сте­пень их защиты от воздействия окружающей среды. В соответствии с меж­дународными стандартами (DIN 40050, EN 60529, IEC 529) электрическое оборудование изготавливается с различными степенями защиты от внешних воздействий, которые идентифицированы символами IP (International Protection). Сокращение "IP" сопровождается номером с двумя цифрами.

Первая цифра - степень защиты от механических повреждений (проникнове­ния твердых предметов) и поражения электрическим током. В частности:

• IP 4x - Защита от проникновения предметов > 1 мм

• IP 5x - Частичная защита от пыли

• IP 6x - Полная защита от пыли (пыленепроницаемость)

Вторая цифра обозначает степень защиты от проникновения влаги. В частности:

• IP x0 - Нет защиты

• IP x4 - Защита от водяных брызг в любом направлении

• IP x5 - Защита от водяных струй в любом направлении

• IP x6 - Защита от водяных потоков или сильных струй

• IP x8 - Защита при полном (или длительном) погружении в воду.

Класс прибора IP-65 означает прибор, полностью защищенный от пыли и водяных потоков.