Статические и динамические характеристики средств измерений

Характеристики средств измерений при статических измерениях

При статических измерениях значения входного и выходногосигналов средств измерений не изменяются во времени. К статическим характеристикам средства измерения относят функцию преобразования, номинальное значение меры, диапазон и пределы измерений, цену деления шкалы, чувствительность, порог чувствительности средств измерений и др.

Основной характеристикой средства измерения при статических измерениях является функция преобразования. Она устанавливает функциональную зависимость информативного параметра выходного сигнала Y от информативного параметра входного сигнала Х средства измерения. Функция преобразования описывается в общем случае уравнением

.(2.1)

Функция преобразования, представленная в виде формулы, графика или таблицы, используется в рабочих условиях для определения значений измеряемой с помощью средства измерения величины по известному информативному параметру его выходного сигнала. Для первичных преобразователей информативным параметром входного сигнала является сама измеряемая величина; для промежуточных измерительных преобразователей и для вторичных показывающих приборов – это параметр входного сигнала, функционально связанный с измеряемой величиной и используемый для передачи ее значений. Соответственно, информативный параметр выходного сигнала средств измерения – это параметр, используемый для передачи информации о значении информативного параметра входного сигнала. Например, для электрических преобразователей информативным параметром выходного сигнала может являться напряжение, или сила тока, или фаза, или частота. Причем, если информативным параметром является, например, напряжение, то все остальные параметры (сила тока, фаза, частота) рассматриваются как неинформативные параметры сигнала. Для мер информативным параметром выходного сигнала является их номинальное или действительное значение.

На рис. 2.2 показаны виды функций преобразования средств измерений. За исключением специальных случаев, основное требование, предъявляемое к функции преобразования – это линейная зависимость выходной величины от входной, т.е.

Y= kX, (2.2)

где k – коэффициент преобразования, равный отношению сигнала Y на выходе измерительного преобразователя, отражающего измеряемую величину, к вызывающему его сигналу Х на входе преобразователя.

k не изменяется во всем диапазоне изменения входной величины и не изменяется во времени.

Рис. 2.2. Функция преобразования средств измерений: 1 – нелинейная; 2 – линейная; 3 – пропорциональная; Х_Н, Y_Н – нижние пределы измерений; Х_В, Y_В – верхние пределы измерений

Функция преобразования может быть представлена формулой, таблицей, графиком. Различают номинальную и реальную функции преобразованиясредств измерений. Для данного типа средств измерений функция преобразования является номинальной. Реальная функция преобразования конкретного экземпляра средства измерения отличается в большей или меньшей мере от номинальной. Это отличие и определяет погрешность данного средства измерения (подробнее – см. в п. 3.5 «Погрешности средств измерений»). Поэтому в технической документации на средства измерений устанавливают область допускаемых отклонений реальной функции преобразования от номинальной.

Для однозначных или многозначных мер вместо функции преобразования нормируют номинальные или индивидуальные значения мер.

Для показывающих измерительных приборов принято использовать ряд характеристик, сущность большинства из которых легко установить из рис. 2.3.

Рис. 2.3. Внешний вид отсчетного устройства вольтметра

Диапазон показаний – это область значений шкалы, ограниченная конечным и начальным значениями шкалы. Диапазон измерений – это область значений измеряемой величины на шкале прибора, в пределах которой нормированы допускаемые погрешности средств измерений (т.е. это рабочая частьшкалы). В частном случае указанные диапазоны могут совпадать, как например, на рис. 2.3. Верхний предел измерений – это наибольшее значение диапазона измерений. Нижний предел измерений – это наименьшее значение диапазона измерений.

Таким образом, диапазон измерений определяется разностью значений верхнего и нижнего пределов измерений (Х_В – Х_Н; Y_B – Y_Н).

Ценой деления называют разность значения величины, соответствующих двум соседним отметкам шкалы. Физически цену деления определяют количеством единиц входной величины, содержащихся в одном делении шкалы измерительного прибора.

Для количественной оценки влияния на выходной сигнал средства измерения входного сигнала в произвольной точке функции преобразования служит чувствительность S. Чувствительность – это свойство средства измерений, определяемое отношением изменения выходного сигнала этого средства к вызывающему его измерению измеряемой величины.

. (2.3)

Графически S определяется тангенсом угла наклона касательной (рис. 2.2), проведенной к выбранной точке Астатической характеристики. Если статическая характеристика измерительного прибора нелинейна (кривая 1 на рис. 2.2), то его чувствительность будет различной в разных точках характеристики, а шкала прибора – неравномерной. Приборы с линейной (прямая 2на рис. 2.2) или пропорциональной (прямая 3на рис. 2.2) статическими характеристиками имеют неизменную в любой точке шкалы чувствительность и равномерную шкалу.

Иногда считают, что чувствительность – это величина, обратная цене деления. Это верно только в том случае, когда шкала равномерная. В случае, когда шкала неравномерная, но цена деления по всей шкале не изменяется, а чувствительность может изменяться в несколько раз. Например, если в начале шкалы длина деления равна 1 мм, а в конце 4 мм, то при неизменной цене деления чувствительность прибора в конце шкалы будет в четыре раза больше, чем в начале.

Порог чувствительности (порог реагирования) средства измерения – это наименьшее значение изменения величины, начиная с которого может осуществляться ее измерение данным средством. Как правило, наблюдатель, осуществляющий измерение, уверенно может заметить смещение стрелки на половину деления шкалы, поэтому порог чувствительности можно считать равным половине цены деления.

Эту характеристику (порог чувствительности) было бы точнее назвать «порогом нечувствительности» прибора. Это действительно порог: стоит измеряемой величине измениться чуть меньше, и мы уже не обнаружим этого изменения по указателю прибора, он будет для нас неподвижным. Эта неподвижность может быть кажущейся: перемещение есть, но глаз человека его не улавливает. С помощью лупы можно обнаружить перемещение, соответствующее меньшему изменению измеряемой величины. Таким образом, можно снизить порог нечувствительности. Однако неподвижность может быть и действительной. Например, изменение измеряемой величины настолько мало, что силы, развиваемые в измерительном механизме, не могут преодолеть противодействующие силы, в первую очередь, силы трения. Сказанное справедливо для любого измерительного прибора с любым способом отсчета, а не только связанного с механическим перемещением подвижной части и указателя.

Не следует смешивать понятия чувствительности и порога (не)чувствительности. Например, если измеряемой величиной является длина, то значение чувствительности будет выражаться безразмерным числом, а порог чувствительности – единицей длины.