Виды и характеристики средств измерений

МОСКОВСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

Учебно-научный комплекс информационных технологий

Кафедра специальных информационных технологий

УТВЕРЖДАЮ

Начальник кафедры

специальных информационных

технологий

Е.Г. Белоглазов

« » ________ 2008 г.

Щерба Вадим Викторович, ст. преподаватель

Лекция

по дисциплине «Основы измерений в радиотехнике» на тему:

«Средства и методы измерений»

Материалы обсуждены и одобрены

на заседании кафедры, протокол №

от « » ________ 2008 г.

Москва - 2008

ПЛАН

Введение - 3

Виды и характеристики средств измерений - 3

Виды и методы измерений - 8

Прямое и уравновешивающее преобразования

измеряемой величины -12

Заключение -14

Литература -16

Введение

Материалы настоящей лекции продолжают знакомить обучающегося с основными понятиями теории измерений, видами и основными характеристиками средств измерений.

Важную роль для дальнейшего усвоения материалов дисциплины играет и рассматриваемая классификация методов измерений, основные характеристики и особенности применения различных методов.

Наконец, своеобразным ключом к последующему пониманию принципов действия различных измерительных приборов, их структурных схем, свойств является сущность прямого и уравновешивающего преобразования измеряемой величины, представленная в последнем разделе лекции.

Виды и характеристики средств измерений

Средство измерений – это техническое средство, используемое при из­мерениях и имеющее нормированные метрологические свойства. Средства измерений в зависимости от их роли в процессе измерений разделяются на следующие виды (см. рис. 1).

Мера – средство измерения в виде тела или устройства, предназначенное для хранения и/или воспроизведения физической величины заданного значе­ния. Мера может быть однозначной (например, катушка с известным значе­нием индуктивности) и многозначной (например, магазин сопротивлений, генератор стандартных сигналов).

Измерительный преобразователь – средство измерения, предназна­ченное для формирования под воздействием измеряемой величины сигнала измерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и (или) хранения, но не поддающейся непосред­ственному восприятию наблюдателем.

Одной из важнейших характеристик измерительного преобразователя явля­ется функция преобразования Y=f(X), то есть функциональная зависимость выходной величины Y от входной Х, представленная или анали­тическим выражением, или графиком, или табли­цей.

Измерительные преобразователи должны иметь нормированные метрологические характеристики. Конструктивно они, как правило, оформлены в виде самостоятельных средств измерений, но иногда могут являться встроенной составной частью измерительного прибора. Одними из основных требований, предъявляемых к измерительным преобразователям, являются их унификация и стандартизация.

Рис.1. Классификация средств измерений

Измерительный прибор – это средство измерений, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем.

Измерительная система – совокупность средств измерений и вспомога­тельных устройств, соединенных между собой каналами связи, предназна­ченная для выработки сигналов измерительной информации в форме, удоб­ной для автоматической обработки, передачи и (или) использования в авто­матических системах управления.

По метрологическому иерархическому признаку все средства измерений делятся на рабочие, образцовые и эталоны. К рабочим относятся средства измерений, не предназначенные для воспроизведения и хранения единиц физических величин, а также для передачи их значений другим средствам измерений. К образцовым средствам измерений относятся меры, измерительные приборы или измерительные преобразователи, применяемые для поверки по ним других средств измерений (рабочих или образцовых меньшей точности). Образцовые средства измерений обычно специально разрабатываются и аттестуются. В радиоизмерительной технике, особенно при высокоточных измерениях, не всегда удаётся создавать образцовые приборы и тогда в их качестве используются специально отобранные и аттестованные приборы из числа рабочих.

Эталоны представляют собой средства измерений (обычно комплекс средств измерений), предназначенные для воспроизведения и/или хранения единицы физической величины с целью передачи её значения низшим по точности средствам измерений (как правило, образцовым). Эталон официально утверждается Госстандартом в качестве такового.

Помимо точностных параметров средства измерений характеризуются диапазоном измерений (для измерительных приборов), допустимыми усло­виями применения, чувствительностью, быстродействием, стабильностью, помехозащищённостью, надёжностью, значением входного сопротивления, потребляемой мощностью и др.

Диапазон измерений представляет собой область значений измеряемой величины, в пределах которой нормированы погрешности средства измере­ний.

Условия измеренийопределяют совокупность условий, при которых возможно проведение измерений с допустимыми изменениями метрологиче­ских характеристик; пределы изменения влияющих величинуказываются в технической документации на средство измерений.

К таким величинам, например, относятся температура, давление, влаж­ность окружающей среды, частота, при которой производится измерение, на­пряжённость окружающего магнитного или электрического поля и т.п.

Чувствительностьсредства измерений представляет собой способность реагировать на изменения входного сигнала и оценивается отношением из­менения выходного сигнала к вызвавшему его изменению входного сигнала. Например, чувствительность каналов отклонения луча осциллографа выражается в миллиметрах на вольт.

Обычно чувствительность оценивается как отношение изменения сигнала на выходе dY к вызывающему его малому из­менению входного сигнала dX:

S=dY/dX≈∆Y/∆X

Очевидно, предпочтительней иметь линейную функцию преобразования вида: Y=S·X, где чувствительность (коэффициент передачи) S=Y/X есть постоянная вели­чина.

При нелинейной функции преобразования Y=f(X)чувствительность S, очевидно, зависит от величины входного сигнала. Чувствительность не следует путать с порогом чувствительности прибора, под которым понимают наименьшее значение измеряемой величины, вызывающее достоверное отличимое от нуля показание прибора.

Быстродействие характеризуется интервалом времени, необходимым для выполнения единичного измерения. Например, современные цифровые электрон­ные приборы имеют быстродействие в несколько тысяч и даже сотен тысяч измерений в секунду, тогда как приборы со стрелочным индикатором, с учё­том времени успокоения стрелки, позволяют производить одно измерение за несколько секунд.

Стабильность отражает постоянство во времени метрологических пока­зателей средства измерений. Часто эта характеристика представляется обрат­ной величиной – нестабильностью показателей во времени.

Например, для квантовых стандартов частоты пользуются понятиями кратковременной нестабильности частоты (за одну секунду) и долговремен­ной нестабильностью частоты (за одни сутки).

Помехозащищённостью называется способность средства измерений сохранять в процессе измерений свои характеристики при наличии внешних радиопомех.

Рис. 2. Основные характеристики средств измерений

Надёжность представляет собой свойство средства измерений функ­ционировать при сохранении метрологических и других показателей в задан­ных пределах и режимах работы. Обычно надёжность характеризуется свой­ствами безотказности, ремонтопригодности, долговечности и сохраняемости.

Для средств измерений показатели безотказности оцениваются средней наработкой на отказ (среднее значение наработки средства измерений между отказами) и вероятностью безотказной работы за заданный промежуток вре­мени.

В качестве показателя ремонтопригодности обычно указывается сред­нее время восстановления. Долговечность средств измерений оценивается гамма-процентным ресурсом – величиной наработки, в течение которой средство измерений не достигает предельного состояния с вероятностью γпроцентов, и сроком службы – календарной продолжительностью эксплуата­ции средства измерений до предельного состояния. Предельное состояние наступает тогда, когда обычные виды ремонта не позволяют поддерживать работоспособность прибора на требуемом уровне.

Входное (выходное) сопротивление определяет степень влияния сред­ства измерений на характеристики объекта измерений или другие приборы при их подключении друг к другу.