1-6. ОСНОВНЫЕ СВОЙСТВА СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЯ

Средства измерений характеризуются следующими свойствами: чувствительностью, пределами измерения, вариацией показаний, погрешностью, входным и выходным

сопротивлением, динамическими характеристиками, условиями применения, стабильностью и надежностью. Рассмотрим определения этих свойств, в основном применительно к измерительным приборам.

Чувствительностью измерительного прибора называется отношение изменения величины на выходе (например, показание а) к вызывающему его изменению величины х на входе: При равномерной (линейной) шкале для неравномерной шкалы чувствительность в разных ее точках различна: где Да и приращения показания и входной величины соответственно. Чувствительность измеряется в различных единицах, например: вольт на деление, миллиметр на вольт и т. д. Иногда удобно характеризовать прибор порогом чувствительности, под которым понимают изменение измеряемой величины, вызывающее наименьшее изменение показания прибора, различимое без дополнительных устройств. Порог чувствительности цифровых приборов совпадает с единицей младшего разряда.

Пределом измерения называют область значений измеряемой величины от до ямакс, для которой нормированы допустимые погрешности. Предел измерения часто разделяют на несколько участков со своими пределами; в этом случае приборы называют многопредельными.

Диапазон рабочих частот — полоса частот, в пределах которой погрешность прибора нормирована.

Вариация показаний измерительного прибора, вычисляемая как средняя разность показаний в данной точке шкалы при медленном подходе к ней с двух направлений — со стороны меньшего и большего значений измеряемой величины:

Погрешностью измерительного прибора называется разность между показанием прибора А и истинным значением измеряемой величины

Практически вместо истинного значения, которое неизвестно, используют значение, воспроизводимое мерой, или действительное значение, найденное экспериментально. Погрешностью меры называется разность между номинальным значением меры и истинным значением воспроизводимой ею величины. За истинное значение принимается размер единицы, воспроизводимой эталоном данной величины. Погрешность, вычисляемая по формуле называется абсолютной погрешностью и выражается в единицах

измеряемой величины. Относительной погрешностью называется отношение абсолютной погрешности к измеренному значению:

Значение относительной погрешности зависит от значения измеряемой величины и при постоянной абсолютной погрешности возрастает с уменьшением А. Отсюда вытекает правило: следует выбирать прибор с таким пределом измерения, чтобы показания были в последней трети шкалы. Для удобства сравнения приборов между собой введено понятие приведенной погрешности,

где некоторое нормированное значение, например конечное значение шкалы, сумма значений двусторонней шкалы и т. п.

Многие измерительные приборы различаются по классам точности. Класс точности прибора — обобщенная характеристика его точности, но не непосредственный ее показатель. Класс точности прибора численно равен наибольшей допустимой приведенной основной погрешности, выраженной в процентах, т. е. макс. Класс точности присваивают из ряда: где Из определения следует, что значение максимальной абсолютной погрешности данного прибора можно вычислить по его классу точности:

Погрешности некоторых измерительных приборов зависят от текущего значения измеряемой величины вследствие сопутствующего изменения их чувствительности. Поэтому погрешности таких приборов представляют не одночленным выражением, подобным и а двучленным, в котором первое слагаемое не зависит от значения измеряемой величины, т. е. является аддитивной погрешностью, а второе зависит, т. е. является мультипликативной погрешностью. Двучленное выражение абсолютной погрешности где а — аддитивная составляющая (постоянное число); постоянное число, выраженное в относительных единицах. Двучленное выражение относительной погрешности где постоянные числа. Применяются и другие формы выражения погрешности.

Погрешности мер и измерительных приборов зависят от условий, в которых они работают.

Нормальные условия применения средств измерений — условия, при которых влияющие величины имеют нормальные значения или находятся в пределах нормальной области значений. Влияющая величина — внешнее воздействие, влияющее на показания прибора, но не являющееся измеряемой им величиной. К главным влияющим величинам относятся: температура, влажность и давление окружающей среды; частота или диапазон частот, в котором производится данное измерение; напряженность электрического или магнитного поля, в котором находится средство измерения; напряжение и частота источника питания; механические воздействия и т. д.

При нормальных условиях погрешность называют основной; при нарушении нормальных условий появляется дополнительная погрешность. Различают статическую погрешность, проявляющуюся при измерении постоянной величины, и динамическую погрешность, возникающую при измерении переменной во времени величины. В соответствии с этим динамическая погрешность средства измерения определяется как разность между погрешностью средства измерения в динамическом режиме и его статической погрешностью в данный момент времени.

Входное сопротивление измерительного прибора характеризует реакцию входного сигнала на подключение данного прибора к источнику входного сигнала с фиксированным выходным сопротивлением. При измерении на постоянном токе или токе низкой частоты эта реакция заключается в потреблении мощности от источника измеряемого сигнала. Предположим, что нужно измерить ток, текущий в некоторой цепи. Прибор (амперметр) включается последовательно в разрыв цепи и при измерении потребляет мощность где сопротивление амперметра (очевидно, что его значение должно быть минимальным — единицы или доли ома). При измерении напряжения прибор (вольтметр) подключается параллельно измеряемому участку цепи и потребляемая мощность где сопротивление вольтметра, которое должно быть максимальным (тысячи или миллионы ом).

При измерениях на высоких частотах входное сопротивление представляет собой комплексное сопротивление, так как входная цепь любого измерительного прибора представляется эквивалентной схемой (рис. 1-7, а), состоящей из сосредоточенных индуктивности, емкости и

сопротивления На входном сопротивлении рассеивается некоторая мощность, а индуктивность и емкость входной цепи образуют колебательный контур, в котором при добротности возможно явление электрического резонанса. Резонанс возникает на собственной резонансной частоте входной цепи Частота измеряемой величины (назовем ее рабочей частотой должна быть ниже собственной резонансной частоты входной цепи в 3—10 раз. При этом условии явлением резонанса можно пренебречь и эквивалентную схему входной цепи можно представить в виде параллельного соединения входного сопротивления и входной емкости (рис. 1-7, б).

Рис. 1-7. Эквивалентная схема входной цепи измерительного прибора: а - полная; б - для низких частот

Входное сопротивление зависит от частоты, на которой производится измерение поэтому оно характеризуется раздельно активным сопротивлением и входной емкостью

Выходное сопротивление характеризует реакцию выходного сигнала на подключение к выходным зажимам фиксированной нагрузки. Выходное сопротивление часто определяется выходным сопротивлением между выходными зажимами данного устройства, например генератора. В процессе измерения в большинстве случаев выходные зажимы источника измеряемого сигнала соединяются с входными зажимами измерительного прибора. При этом возникает необходимость согласования выходного и входного сопротивлений, что достигается при выполнении равенства

Динамические характеристики средств измерений характеризуют их инерционные свойства. Удобными динамическими характеристиками являются переходная характеристика, передаточная функция и совокупность амплитудно- и фазочастотной характеристик. Если средство измерения предназначено для работы в установившемся режиме или возможно пренебречь динамической погрешностью измерения, в качестве динамической характеристики можно принять время установления выходного сигнала.

Стабильность средства измерения является качественным показателем, отражающим неизменность во времени его метрологических свойств.

Надежностью называется свойство выполнять свою функцию, сохраняя установленные эксплуатационные характеристики в определенных пределах в течение заданного времени, в заданных условиях. Надежность характеризуется средним временем безотказной работы при установленной доверительной вероятности.

Для некоторых измерительных приборов вводится понятие помехоустойчивости — свойства прибора правильно воспроизводить значение измеряемой величины при наличии внутренних (флуктуации, фон) и внешних помех.