Все средства измерений можно
характеризовать некоторыми общими свойствами - метрологическими характеристиками.
Метрологическими характеристиками
средств измерений называются такие характеристики их свойств, которые оказывают
влияние на результаты и погрешности измерений и предназначены для оценки
технического уровня и качества средств измерений, для определения результатов
измерений и расчетной оценки характеристик инструментальной и методических
составляющих погрешности измерений.
Основными характеристиками
электромеханических приборов являются: точность, чувствительность, диапазон
измерений, собственное потребление мощности, время успокоения, устойчивость к
перегрузкам (электрическим и механическим), надежность и др.
Точность средства измерений есть качество средства измерений,
отражающее близость нулю его погрешностей. Чем меньшие погрешности имеет
средство измерений, тем оно считается более точным.
Свойства электромеханического прибора в отношении
точности характеризуется классом точности и другими свойствами прибора,
влияющими на его точность, значения которых устанавливаются в стандартах на
отдельные виды приборов.
Класс
точности - обобщенная характеристика
прибора, определяемая пределами допускаемой основной и дополнительных погрешностей (т. е. наибольшими погрешностями,
при которых прибор по техническим требованиям может быть допущен к применению).
Способы нормирования и формы выражения
пределов основной и дополнительных погрешностей (абсолютная, относительная и
приведенная), а также обозначения
классов точности приведены в ГОСТ 8.401—80. Нормальные значения влияющих величин и рабочие условия применения
установлены ГОСТ 22261-82.
Показателями
качества рассматриваемых приборов в отношении точности являются также вариация показаний и невозвращение указателя к отметке
механического нуля.
Вариация
выходного сигнала (показаний) средства измерений есть
средняя разность между значениями выходного сигнала (показаниями) средства
измерений, соответствующими данной точке диапазона измерения, при двух
направлениях медленного многократного измерения входного сигнала в процессе подхода к данной точке диапазона
измерения. Вариация определяется по значениям выходного сигнала при
подходе к одному и тому же значению
входного сигнала сначала со стороны больших, а затем - меньших значений. В отличие
от чувствительности вариация характеризуется изменением не входного, а
выходного сигнала.
Вариация показаний имеет место в приборах с подвижной
частью на кернах (вызывается в основном трением в опорах), а также в приборах с
магнитомягкими сердечниками или магнитопроводами при работе на постоянном токе.
Для большинства приборов вариация не должна превышать абсолютного значения
допускаемой основной погрешности.
Невозвращение
указателя к отметке механического нуля
определяется при плавном подводе указателя к этой отметке от наиболее удаленной
от нее отметки шкалы. Оно обусловлено упругим последействием растяжек или
спиральных пружин и не должно превышать (для приборов с подвижной частью на
растяжках) значения γуп
=0,01 γкл ℓш, где γкл
- числовое обозначение класса прибора;
ℓш -длина шкалы, мм.
Диапазон измерений – область значений
величины, в пределах которой нормированы допускаемые пределы погрешности
средства измерений.
Значения
величины, ограничивающие диапазон измерений снизу и сверху (слева и справа), называют
соответственно «нижним пределом измерений прибора» или «верхним пределом
измерений прибора».
Нижний
предел измерения реально не бывает равным нулю, так как он ограничивается
обычно порогом чувствительности, помехами или погрешностями измерений. Поэтому
для многих измерительных приборов, на шкале которых имеется отметка « 0 »,
нижний предел измерения в действительности не равен нулю.
Различают полный и рабочий диапазоны измерения измеряемой величины
(рис.3.2).
Диапазон, в котором относительная
погрешность не превышает 100 %, называется полным
диапазоном. Полный диапазон
ограничивается снизу порогом чувствительности DПОР., а
сверху - конечным значением XК, т.е. ХП
= DПОР … XК или ДП
= XК/DПОР.
Под порогом чувствительности понимается
минимальное значение входной величины,
которое можно обнаружить
с помощью данного
средства измерения без каких
либо дополнительных устройств, погрешность её измерения d = 100 % . Порог чувствительности выражается в
единицах измеряемой величины. В электромеханических измерительных приборах
порог чувствительности не равен нулю вследствие трения подвижной части.
Диапазон, в котором относительная
погрешность не превышает некоторого заранее заданного значения dЗ, называется рабочим диапазоном
изменения измеряемой величины. Рабочий
диапазон ограничивается снизу значением Х=ХЗ , при котором d = dЗ, а сверху – конечным значением XК , т.е. ХР = ХЗ … ХК или Др
= ХK/ ХЗ. Рабочий диапазон всегда представляет
часть полного диапазона.
Чувствительность определяется как
отношение приращения выходного сигнала DХП на выходе измерительного прибора к
вызвавшему это приращение изменению входного сигнала DХ. В общем случае чувствительность определяется как
(3.3)
и называется абсолютной
чувствительностью. Эта величина является размерной и зависит от единиц, в
которых выражаются X и Y . Для линейной градуировочной характеристики
чувствительность S = const, для
нелинейных характеристик чувствительность является переменной величиной,
различной для разных значений Х.
В
практике пользуются относительной
чувствительностью
, (3.4)
где DX/X -
относительное изменение входной величины, выражаемое чаще всего в процентах.
Относительная чувствительность S0 имеет размерность
выходной величины на 1% изменения входной величины.
Для стрелочных приборов . Поэтому измеряемая величина
, (3.5)
где a - показание прибора;
1/S – постоянная прибора или цена деления.
Измеряемый объект и средство измерений связаны
и взаимодействуют между собой.
Такое взаимодействие необходимо для проведения измерения.
Для приведения в действие
измерительного прибора необходима энергия, которая потребляется от объекта
измерения. Естественно, эта энергия должна быть небольшой, чтобы измерительный
прибор не вносил заметного искажения в измеряемый процесс. Поскольку мощность,
потребляемая входной цепью прибора,
конечна, ее значение является
важным показателем средства измерения.
У электромеханических приборов потребляемая мощность определяется
входным сопротивлением прибора. Для приборов, реагирующих на напряжение
(включаемых параллельно участку цепи), входное сопротивление должно быть
большим, тогда входная мощность Р = U2/RВХ будет
невелика. У приборов, чувствительных к току (включаемых последовательно в
электрическую цепь), входное сопротивление, наоборот, должно быть минимальным
(по крайней мере, намного меньшим, чем сопротивление участка цепи).
Входное
сопротивление является важным параметром средства измерений. Оно показывает
степень приспособленности данного средства к измерениям в маломощных
измерительных цепях. Если мощность, потребляемая входной цепью прибора, одного
порядка с мощностью входного сигнала, приходится вводить поправки или
обеспечивать согласование прибора с источником измерительного сигнала.
Динамические характеристики средства измерений описывают инерционные свойства средств измерений и
определяют зависимость выходного сигнала средств измерений от меняющихся во
времени величин: входного сигнала, нагрузки, влияющих величин.
При изменении измеряемого значения подвижная часть ИМ,
обладающая определенным моментом инерции, не сразу устанавливается в положение
равновесия, а совершает во время переходного процесса колебательное, или
апериодическое, движение.
Временем
успокоения подвижной части ИМ
называется промежуток времени, прошедший с момента изменения измеряемой
величины до момента, когда отличие показания прибора от установившегося его показания
не превысит ±1% от длины шкалы.
Время успокоения tУ отсчитывают от начала
перемещения указателя до того момента, когда положение указателя будет
отличаться от установившегося не более чем на ±1% от угла шкалы (≤ 0,01αШ).
Для измерительных приборов обычно указывается время установления показания: промежуток
времени с момента начала измерения до момента установления показаний (т.е.
когда переходный процесс закончился). Значение
tУ для большинства электромеханических приборов не должно
превышать 4 с (для электростатических и термоэлектрических приборов 6 с).
Отношение первого отброса α1 указателя
(размаха первого колебания подвижной части при внезапном изменении измеряемой
величины) к установившемуся отклонению α0 для показывающих
приборов не должно превышать 1,5 (ε = α1/α0
≤ 1,5). Это отношение является характеристикой переходного процесса в
рассматриваемых приборах.
Надежностью
измерительного прибора называется его
свойство выполнять заданные функции, сохраняя во времени значения установленных
эксплуатационных показателей в заданных пределах, соответствующих заданным
условиям использования, хранения и транспортирования. Надежность прибора – это,
прежде всего его безотказность, т. е. свойство непрерывно сохранять
работоспособность в течение некоторого времени. Нарушения работоспособности
или отказы характеризуются изменениями одного или нескольких заданных
параметров прибора, которые могут быть скачкообразными (внезапные отказы) или
постепенными (постепенные отказы).
Для щитовых приборов и переносных показывающих
приборов основными контролируемыми параметрами, по которым определяют отказы,
являются основная погрешность, вариация, невозвращение указателя, влияние
наклона, электрическая прочность и сопротивление изоляции, время успокоения.
Показатели надежности приведены в ГОСТ 22261—82, 27.003—83, 4.194—85.