Основные характеристики электромеханических приборов.

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 γ_уп =0,01 γ_кл ℓ_ш, где γ_кл - числовое обозначение класса прибора; ℓ_ш -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 %, называетсяполным диапазоном. Полный диапазон ограничивается снизу порогом чувствительности_ПОР., а сверху - конечным значением X_К, т.е. Х_П = _ПОР … X_К или Д_П = X_К/_ПОР.

Под порогом чувствительности понимается минимальное значение входной величины, которое можно обнаружить с помощью данного средства измерения без каких либо дополнительных устройств, погрешность её измерения  = 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 _З, называется рабочим диапазоном изменения измеряемой величины. Рабочий диапазон ограничивается снизу значением Х=Х_З , при котором  = _З, а сверху – конечным значением X_К , т.е. Х_Р = Х_З … Х_К или Д_р = Х_K/ Х_З. Рабочий диапазон всегда представляет часть полного диапазона.

Чувствительность определяется как отношение приращения выходного сиг­нала Х_П на выходе измерительного прибора к вызвавшему это приращение изменению входного сигналаХ. 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 X/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  - показание прибора; 1/S – постоянная прибора или цена деления.

В приборах с линейной градуировочной характеристикой цена деления постоянна в диапазоне измерений и носит название - постоянная прибора. Для получения значения величины в соответствующих единицах надо отсчет в делениях умножить на постоянную прибора.

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/R_ВХ 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 t_У отсчитывают от начала перемещения указате­ля до того момента, когда поло­жение указателя будет отличаться от установившегося не более чем на ±1% от угла шкалы (≤ 0,01α_Ш).

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 t_У 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.