4. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОТДЕЛЬНЫХ МЕТРОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ

Операции, выполняемые в процессе государственной или ведомственной поверки, в некоторых случаях дополняют исследованиями метрологических характе ристик средств измерений.

Градуировка на баллистическом маятнике. Определенное распространение имеет градуировка ударных акселерометров на баллистическом маятнике [5, 6]. Сущность метода заключается в измерении приращения скорости возникающего в

рабочем теле установки при механическом возбуждении ударного движения тела, с одновременным измерением длительности действия ударного ускорения. При этом пиковое ускорение находят по упрощенной формуле

я — характеристика формы кривой зависимости ускорения от времени) либо путем численного интегрирования выходного сигнала исследуемого преобразователя в предположении полной линейности его амплитудной характеристики! Согласно данным работы [11], определенное увеличение точности достигается при установлении верхнего предела интегрирования в точке одного из экстремумов сигнала последействия поверяемого акселерометра. В связи с тем, что данный метод обеспечивает градуировку акселерометров не по пиковому ударному ускорению, а по интегральному параметру — импульсу ускорения, он может быть рекомендован только для поверки средств измерений, амплитудная линейность которых проверена другим, независимым методом

Определение амплитудной характеристики в заданном режиме производят путем измерения коэффициента преобразования в заданном диапазоне амплитуд гармонического воздействия (или однократного сигнала) при постоянной частоте (или длительности фронта импульсного воздействия). Число уровней входной величины обычно принимают из расчета одного уровня на каждые амплитудного диапазона:

где граничные значения диапазона амплитуд.

Для снижения влияния случайных погрешностей для каждого уровня выполняют три—пять измерений.

Нелинейность амплитудной характеристики

где наибольшее и наименьшее значения средних в группах коэффициентов преобразования.

Для нахождения аналитического выражения амплитудной характеристики ее аппроксимируют степенным многочленом (или иной функцией [11]), после чего с помощью ЦВМ находят коэффициенты функции, при которых сумма квадратов остаточных разностей между экспериментальными и аппроксимирующими значениями коэффициента преобразования имеет минимум.

Если для получения заданного амплитудного диапазона необходимо использование двух и более установок, то в данные для расчета амплитудной характеристики входит разность систематических погрешностей установок Предполагая, что относительные систематические погрешности установок постоянны, допускают введение в показания, полученные на одной из установок, поправочного множителя, приводящего их в точках, воспроизводимых обеими установками, к значению, полученному на более точной установке. На рис. 3 исходные данные показаны сплошными линиями, а исправленные — штриховыми. Цифрами обозначены диапазоны амплитуд, воспроизводимых на первой и второй установках

Определение амплитудно-частотной характеристики. Измерения производят при постоянном значении амплитуды гармонического зходного воздействия. При необходимости использования двух и более установок допускается применение указанного выше метода сопряжения отдельных участков характеристики

Для получения характеристики используют два основных метода измерения на ряде фиксированных частот и при плавно изменяющейся частоте. Число

фиксированных частот зависит от степени демпфирования преобразователен [71

где - граничные частоты диапазона; -относительное демпфирование.

Скорость изменения частоты во втором методе также зависит от степени демпфирования. Учитывая, что время установления колебаний в резонансном режиме с относительной точностью

число периодов колебаний за время прохождения полосы частот

и зависимость частоты от времени

где Точное выполнение каждого из условий связано со значительныкн затратами времени. Поэтому указанные условия на тех участках диапазона частот, где резонансы не проявляются, выполняют не полностью. Индикатор резонанса должен быть безынерционным; удобно наблюдение с помощью электронного осциллографа фигуры Лиссажу, образованной входным и выходным сигналами: в момент резонанса эллипс изменяет ориентацию. Уровень входного сигнала должен поддерживаться постоянным с помощью средства измерений, амплитудно-частотная характеристика которого в заданном диапазоне частот известна.

Рис. 3. Схема построения результирующей амплитудной характеристики по результатам испытаний на двух установках

Определение фазочастотиых характеристик датчиков связано с необходимостью применения в качестве образцового высокочастотного преобразователя с малым демпфированием.

Приближенное выражение для низшей собственной частоты образцового преобразователя имеет вид [11]

где максимальная частота рабочего диапазона поверяемого преобразователя; допускаемая погрешность определения фазочастотиой характеристики, градусы.

Сдвиг фаз между выходными сигналами образцового и поверяемого средств измерений наиболее удобно находить с помощью цифровых фазометров.

Определение импульсной переходной характеристики датчиков является наиболее распространенным способом получения одной из полных динамических характеристик средств измерений параметров движения. Необходимыми условиями здесь являются получение однократного импульса входного сигнала, длительность действия которого [11]

где находят из табл. 2, в которой приведены данные для двух значений погрешности воспроизведения кривой; под понимается верхняя граница частотного диапазона, в пределах которого полученная импульсная переходная функция позволяет определять частотные свойства системы. Для создания кратковременных импульсов ускорения используют специальные электромагнитные возбудители [3].

2. Значения

Определение с помощью импульсной переходной функции динамических искажений измеряемых процессов производят численными методами [1].

Для датчиков, имеющих один четко выраженный резонанс, по импульсной переходной функции можно найти такие характеристики эквивалентной одномассовой колебательной системы, как собственная частота и относительное демпфирование. Когда датчик имеет несколько собственных частот и импульсная переходная характеристика сложна, удобнее пользоваться амплитудно-частотной характеристикой, по которой значения собственных частот находят непосредственно, а относительное демпфирование — по формулам:

ширина полосы на уровне резонансного пика (рис. 4).

Рис. 4. Амплитудно-частотная характеристика датчика, имеющего несколько собственных частот

Определение коэффициентов влияния. Методика определения коэффициентов влияния зависит от характера погрешности, возникающей под действием влияющих величии. В случае возникновения мультипликативной погрешности (пропорциональной измеряемой величине [14]) коэффициент влияния находят, согласно уравнению (3) гл. XII, в результате многократного измерения одного и того же значения параметра входной величины х при разных Уровнях влияющей величины (остальные влияющие величины, вызывающие мультипликативные погрешности, при этих измерениях должны иметь постоянные значения):

где показания средства измерений при двух измерениях; то же, при отсутствии рассматриваемой влияющей величины; значения влияющей величины при двух измерениях; одно из значений удобно принимать равным нулю.

При возникновении аддитивной погрешности (не зависящей от измеряемой величины) методикой определения коэффициента влияния предусмотрено

измерение выходного сигнала в отсутствие измеряемой величины при известном значении влияющей величины (остальные аддитивные погрешности должны быть исключены):

где нормальное значение влияющей величины.

Рассмотрим несколько методик определения коэффициентов влияния.

Коэффициент влияния поперечных составляющих движения датчика представляет собой отношение выходных сигналов преобразователя при одном и том же входном воздействии, приложенном перпендикулярно измерительной оси и вдоль нее. Коэффициент влияния поперечных составляющих движения зависит от ориентации вектора поперечной составляющей движения в плоскости, перпендикулярной измерительной осн преобразователя, и от частоты колебаний.

Пример полярной диаграммы зависимости коэффициента ориентации вектора поперечного направления представлен на рис. 5. Следует иметь в виду, что фазы выходного напряжения, вызванного влиянием поперечной составляющей движения, противоположны для противоположных направлений этого движения (см. гл. VII и IX).

Рис. 5. Диаграмма направленности коэффициента влияния поперечной составляющей векторной величины

Рис. 6. Установка для получения непрерывной зависимости коэффициента влияния поперечной составляющей векторной величины от ориентации поперечного движения

Обычно определяют максимальное значение коэффициента на частоте, при которой резонансные свойства датчика по отношению к поперечному возбуждению не вызывают увеличения этого коэффициента. Измерения производят при одном значении параметра поперечной составляющей движения в отсутствие движения вдоль измерительной оси. Простейший способ определения основан на использовании резонансной виброустановки с малым значением поперечной составляющей воспроизводимого движения, например камертонной, или системы в виде стержия. Исследуемый преобразователь устанавливают с помощью жесткого приспособления, обеспечивающего перпендикулярность измерительной оси преобразователя направлению колебаний. После измерения выходного сигнала преобразователь поворачивают в приспособлении вокруг измерительной оси на 30° и повторяют измерения. Всего выполняют шесть измерений; из результатов измерения берут наибольшее. Основным недостатком методики является нестабильность получаемых результатов вследствие влияния неизбежных при повторных закреплениях изменениях жесткости крепления на результат измерений. Большую точность обеспечивает применение установки [11] для получения непрерывной зависимости коэффициента от ориентации поперечного движения.

На рис. 6 представлена схема, иллюстрирующая принцип действия этой установки. Цилиндрический стержень 2 жестко закреплен в фундаментной плите 1. Электромагнит 6 возбуждает поперечные колебания стержня 2 на частоте, близкой

к собственной. Благодаря вращению электромагнита 6 с помощью вспомогательного двигателя 3 через редуктор 4 (или вручную) достигается плавное изменение ориентации движения в плоскости, перпендикулярной измерительной осн преобразователя 8. Постоянство амплитуды колебаний поддерживается с помощью фотоэлектрического измерителя перемещений 9. Подмагничивание стержня осуществляется с помощью катушки 5. Диаграмма зависимости коэффициента от угла ориентации движения записывается самописцем 7. Коэффициент влияния поперечных составляющих движения определяют для различных датчиков векторных величин, в том числе датчиков ускорения, скорости и перемещения.

Рис. 7. Установка для определения коэффициента влияния деформации места крепления датчика

Коэффициент влияния деформации учитывает влияние деформации места крепления датчика на его выходной сигнал за счет деформации корпуса датчика. Это явление свойственно главным образом высокочастотным акселерометрам. Коэффициент влияния деформации определяется как входное ускорение, вызывающее на выходе датчика сигнал, равный сигналу от деформации растяжения (сжатия) места крепления преобразователя

где выходное напряжение, вызванное деформацией места крепления преобразователя, коэффициент преобразования. Коэффициент влияния зависит от ориентации деформации в плоскости, перпендикулярной измерительной оси. Экспериментальное определение коэффициента производится на установках, в которых одновременно с деформацией сжатия происходит деформация изгиба. Одна из подобных установок, конструктивная схема которой показана на Рис. 7, состоит из сменной пластины-вибратора 4, в центре которой укреплен исследуемый датчик 6. Пластина защемлена в нейтральном сечении двумя парами захватов 5, причем верхние захваты перекрывают лишь края пластины, оставляя свободным место для крепления датчика. Свободные концы пластины снабжены пакетами из пластин 1 магнитомягкого материала, они находятся между полюсами магнитных систем 7, несущих катушки возбуждения 3 и катушки подмагничивания. Амплитуда колебаний контролируется инструментальным микроскопом 2, причем коэффициент связи между амплитудой колебаний пластины и деформацией пластины в Центре определяется предварительно с помощью тензорезисторов. Пластина возбуждается на низшей собственной частоте от генератора звуковых частот через усилитель мощности.

Используют также более простые системы с консольным закреплением балки и измерением деформации с помощью тензорезисторов. При точных измерениях возможный вклад в сигнал датчика от вибрации в месте его установки должен компенсироваться.

Коэффициент влияния температуры

выходные сигналы измерительного устройства при одном и том же значении измеряемой величины и двух значениях окружающей температуры (второе значение — нормальное); разность температур.

Измерения проводят в установившемся тепловом режиме при нескольких значе ниях температуры. Одна из применяемых для датчиков установок показана на рис. 8. Она состоит из камертона 1, возбуждаемого с помощью электромагнитной системы (на рисунке не видна) на частоте, близкой к частоте его собственных колебаний. На одной из ветвей камертона с помощью армированной текстолитовой переходной втулки 9, обеспечивающей необходимую теплоизоляцию, укреплен исследуемый датчик. Амплитуда колебаний армирующей втулки, на которой закреплен датчик, контролируется с помощью инструментального микроскопа. Датчик находится во внутренней полости камеры, изолированной от окружающего воздуха. С помощью двигателя, вентилятора и воздушной решетки во внутренней полости создается циркуляция турбулентного воздушного потока, что обеспечивает быстрое установление стационарного температурного режима.

Рис. 8. Установка для определения коэффициента влияния температуры

Температура датчика контролируется с помощью термопары, укрепленной на его поверхности, температура воздуха во внутренней полости контролируется с помощью терморезистора. При измерениях в области положительных температур используется нагревательная камера, в этом случае температура регулируется самопишущим потенциометром. При работе в области отрицательных температур взамен нагревателя используют сменные патроны с эвтектическими смесями, обладающими температурой фазового перехода —1,2, —21,2, —33,6, —40,3 и -65 °С, причем установка включает три патрона каждого типа. Патроны охлаждаются в специальном холодильнике, в котором в качестве хладагента используется жидкий азот, или в обычной криокамере при температуре на ниже номинальной. Необходимая для работы установки электронная аппаратура скомпонована в стойке.

Наряду с упомянутым выше находят коэффициенты влияния кабельного эффекта, акустического поля, магнитного поля промышленной частоты, электрического импульсного поля и др.

Определение эксплуатационных характеристик. Методы определения эксплуатационных характеристик средств измерений выбирают в процессе разработки этих средств В отличие от определения метрологических характеристик они включают не только определение коэффициентов влияния при наибольших допустимых отклонениях влияющих величин от нормальных значении, по и определение основных метрологических характеристик после пребывания средства измерений в указанных условиях.

Список литературы

(см. скан)