Практическая работа №1

«Виды шкал»

Цель работы:

- изучить виды шкал;

- определить тип шкалы и метрологические характеристики прибора.

Основные теоретические сведения:

Измерением называется нахождение опытным путем числово­го значения физической величины в соответствии с принятой для нее единицей измерения:

х = пС,                  (1)

где х — результат измерения; п — число единиц; С — единица физической величины.

           Средство измерений  используется при измерениях и имеет нормированные метрологические свой­ства. К средствам измерений относят меры и измерительные приборы, измерительные преобразователи, а также измери­тельные установки, измерительные системы.

       Шкала средства измерений — это упорядоченная совокупность отметок и цифр, соответствующая ряду последовательных значений измеряемой величины.
       В шкале Цельсия за начало отсчета принята температура таяния льда, а в качестве основного интервала (опорной точки) — температура кипения воды. Одна сотая часть этого интервала — градус Цельсия (°С), является единицей температуры.
       В метрологической практике известны несколько разновидностей шкал: шкала наименований, шкала порядка, шкала интервалов, шкала отношений, абсолютные шкалы, условные шкалы.        Шкалы наименований — это качественные шкалы, которые не содержат нуляи единиц измерений, здесьотсутствуют отношения типа «больше - меньше». Примером можетслужить шкала цветов (атлас цветов). Измерение заключается в визуальном сравнении окрашенного предмета с образцами цветов (эталонными образцами атласа цветов). Так как каждый цвет имеет множество оттенков, такое сравнение под силу эксперту, который имеет не только опыт, но и обладает соответствующими особыми характеристиками возможностей визуального наблюдения.
       Шкалы порядка. Свойства величин описывают как отношением эквивалентности, так и отношением порядка по возрастанию или убыванию количественного проявления свойства. В этихшкалах может иметься нулевая отметка, но отсутствуют единицы измерения, поскольку невозможно установить, в какое число, раз больше или меньше проявляется свойство величины. Обычно шкалы порядка характеризуют значение измеряемой величины(сила землетрясения, сила ветра и т. п.) в баллах.

       Шкала интервалов (разностей). Описывать свойства величин можно не только с помощью отношений эквивалентности ипорядка, но и с применением суммирования и пропорциональности интервалов (разностей) между количественными проявлениями данного свойства. Шкалы интервалов имеют условные нулевые значения, а интервалы устанавливаются по согласованию. Такими шкалами являются шкалы времени и длины.

       Шкала отношений имеет естественное нулевое значение, а единица измерений устанавливается по согласованию. Например, шкала весов, начинаясь с нулевой отметки, может быть градуирована по-разному в зависимости от требуемой точности взвешивания.

       Абсолютные шкалы всегда имеют определение единицы измерения физической величины.

       Условные шкалы — это шкалы физических величин, исходные значения которых выражены в условных единицах, иногда их называют неметрическими. К ним относятся шкалы твердости минералов и металлов.

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

Чувствительность измерительного прибора — это от­ношение изменения сигнала  на выходе измерительного при­бора к вызывающему его изменению измеряемой величины , т. е.

                 (2)

Из формулы (2) следует, что чем меньше изменение из­меряемой величины, отмеченное прибором, тем выше его чув­ствительность, т. е. она обратно пропорциональна цене деле­ния шкалы.

Диапазон показаний измерительного прибора со шкальным отсчетным устройством — это область значений шка­лы, ограниченная начальным и конечным ее значениями.

Диапазон измерений — это область значений изме­рительной величины, для которой нормированы допускаемые погрешности средств измерений. Он ограничивается верхними и нижними пределами измерений.

Измерительные приборы очень разнообразны и различают­ся принципом действия, конструкцией и др. Общим для всех измерительных приборов является наличие отсчетных уст­ройств. По способу отсчета значений измеряемых величин при­боры подразделяются, на показывающие, т. е. допускающие только отсчитывание показаний, и регистрирующие приборы, в которых предусмотрена регистрация показаний. К показыва­ющим относят аналоговые и цифровые приборы. Отсчетные устройства аналоговых приборов состоят из шкалы и указате­ля - стрелки; показания прибора являются непрерывной функ­цией измеряемой величины. Цифровой измерительный прибор автоматически вырабатывает дискретные сигналы измеритель­ной информации, показания прибора представлены в цифро­вой форме.

В последние годы цифровые приборы находят все более широкое применение, так как их показания легко фиксировать; они удобны для введения в ПК; устройство цифровых прибо­ров позволяет достигать большей точности измерений, чем уст­ройство аналоговых приборов, к тому же при применении циф­ровых приборов отсутствует погрешность считывания. Однако аналоговые приборы значительно проще и дешевле цифровых.

Приборы, в которых предусмотрена регистрация показаний в форме диаграммы, называют самопишущими. Регистрирующий прибор, в котором предусмотрено печатание показаний в цифровой форме, называют печатающим измерительным при­бором.

В практике измерений применяют и комбинированные при­боры, в которых шкальный или цифровой отсчет сочетаются с записью на диаграмме или с печатанием результатов изме­рений.

При шкальном отсчете шкалы могут быть неподвижными и подвижными (шкала перемещается относительно неподвижного указателя). Отметки на шкалах располагаются вдоль прямой линии или по дуге окружности на плоской или цилиндрической поверхности. На рисунке 1 показаны наиболее типичные шкалы измерительных приборов.

 

 

Рисунок1- Шкалы:

а - горизонтальная; б - вертикальная; в - дугообразная (с углом дуги до 180°);

г - ди­сковая круговая (с углом дуги более 180°); д - вращающаяся цилиндрическая; е -  про­фильная

 Начало шкалы — отметка, соответствующая наименьшему значению величины, определяемой по данной шкале (нижний предел); конец шкалы — отметка, соответствующая наиболь­шему значению измеряемой величины (верхний предел пока­заний прибора).

Ноль шкалы — отметка, соответствующая нулевому значе­нию измеряемой величины.

Шкалы, нулевая отметка которых совпадает с началом или концом шкалы, называются односторонними. Шкала называет­ся двусторонней, если нулевая отметка не совпадает с началом или концом шкалы (например, ртутный термометр с пределом показаний от —50 до 50 °С). Шкала называется безнулевой, если она не имеет нулевой отметки (например, шкала ртутного термометра с пределами показаний 50—200°С).

 

Рисунок 2- Некоторые типы шкал:

а- односторонняя; б- двусторонняя; в- безнулевая; г — неравномерная

Положение указателя определяется угловым или линейным его перемещением от начала шкалы. Зависимость между поло­жением указателя и отсчетом называется характеристикой шка­лы. Характеристика шкалы приборов с угловым перемещением указателя выражается уравнением

  ,                 (3)      

где  - угол поворота указателя от начала шкалы.

Для приборов с прямолинейными шкалами

,    (4)

где   N — линейное смещение указателя от начала шкалы.

На рисунке -3 схематически показаны шкальные отсчетные уст­ройства.

Основными характеристиками шкалы являются: длина де­ления шкалы — расстояние между осями или центрами двух соседних отметок (штрихов или точек), измеренное вдоль ее базовой линии, т. е. линии, проходящей через середины ее са­мых коротких отметок, и цена деления шкалы — значение из­меряемой величины, которое вызывает перемещение подвиж­ного элемента отсчетного устройства на одно деление, т. е. мо­дуль разности значений измеряемой величины, соответствую­щих двум соседним отметкам шкалы.

Для регистрирующих устройств (рис. 4, а и б) в этих уравнениях  и N обозначают угол поворота или смещение держателя пера от нулевой отметки линии сетки диаграммы, а q — отсчет по сетке. Для регистрирующих устройств с периоди­ческим печатанием (рис. 4,е) характеристика описывается уравнением, в котором  — угол поворота входного ва­лика, a q — отпечатанное число (отсчет).

Дисковые диаграммы могут быть с равномерными и нерав­номерными делениями. Ленточные диаграммы бывают двух типов: с прямолинейным движением пера прибора и с движе­нием пера по дуге окружности. В приборах, перемещающих указатель с малым усилием (например, в самопишущих мил­ливольтметрах), запись производится с помощью вспомога­тельного устройства (падающей дужки).

 

 

 

Рисунок - 3 Шкальные отсчетные устройства:

а - с дугообразной шкалой; б - с горизонтальной шкалой

 

 

Рисунок-4 Регистрирующие устройства:

а - с записью в полярных координатах; б - с записью в прямоугольных координатах;

  в - с печатающим устройством

Измерительным преобразователем называется средство из­мерений, предназначенное для выработки сигнала измеритель­ной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и (или) хранения, но не поддаю­щейся непосредственному восприятию наблюдателем. Преобразуемая физическая величина называется входной, а результат преобразования — выходной величиной. Связь меж­ду выходной и входной величинами преобразователя устанав­ливается функцией преобразования.

Измерительные преобразователи являются составной частью измерительных приборов, различных измерительных систем, системы автоматического контроля или регулирования тех или иных процессов. Измерительный преобразователь, к которому подведена измеряемая величина, называется пер­вичным преобразователем, например, термопара в термоэлектрическом термометре. Измерительный преобразователь, предназначенный для из­менения величины в заданное число раз, называется мас­штабным, например, делитель напряжения на входе вольт­метра или электронных осциллографов.

Измерительный преобразователь, предназначенный для ди­станционной передачи сигнала измерительной информации, на­зывается передающим. Например, индуктивные и пневма­тические передающие преобразователи.

Нормирование метрологических характеристик средств из­мерений. Метрологические характеристики средств измерений (характеристики свойств средств измерений) оказывают влия­ние на результаты и погрешности измерений. Результаты из­мерения можно использовать лишь в том случае, если оценены точность, правильность, сходимость и воспроизводимость измерения, т. е. должно быть определено числовое значение погрешности измерения, составной частью которой является погрешность средства измерений.

ГОСТ 8.009—72 устанавливает номенклатуру нормируемых метрологических характеристик (MX) средств измерений, ко­торые независимо от вида измеряемых величин и принципов действия средств измерений необходимы для обоснованной оценки погрешностей измерений, выполняемых в известных рабочих условиях как в статическом, так и в динамическом ре­жиме.

Комплекс MX средств измерений должен быть составлен из следующих метрологических характеристик:

- номинальная статическая характеристика преобразования измерительного преобразователя ;

- номинальное значение номинальной меры ;

- цена деления равномерной шкалы измерительного прибора, или многозначная мера, минимальная цена деления неравно­мерной шкалы измерительного прибора, или многозначная мера;

- пределы шкалы измерительного прибора, или многозначная мера;

- выходной код, число разрядов кода, номинальная цена еди­ницы наименьшего разряда кода средств измерений, предна­значенных для выдачи результатов в цифровом коде;

- характеристика погрешности  средства измерений;

- характеристика систематической составляющей  погреш­ности средства измерений;

- характеристика случайной составляющей  погрешности средства измерений;

- вариации выходного сигнала измерительного преобразова­теля; вариации показаний измерительного прибора b;

- входной импеданс измерительного устройства Z_BX;

- выходной импеданс измерительного преобразователя (меры) ;

- динамические характеристики средств измерений;

- неинформативные параметры выходного сигнала измери­тельного преобразователя (меры);

- функция влияния ;

- наибольшие допускаемые изменения метрологических ха­рактеристик средств измерений, вызванных изменениями внеш­них влияющих величин и неинформативных параметров вход­ного сигнала ;

- характеристики погрешности  средства измерений в ин­тервале значений влияющей величины и неинформативного па­раметра входного сигнала.

Зависимость информативного параметра выходного сигна­ла Y от входной величины X при условии ее неизменности называют статической характеристикой преобразования. Обрат­ная зависимость называется градуировочной характеристикой.

Характеристика преобразования и градуировочная характе­ристика — функции, выражающие обратные по отношению од­на к другой преобразования (прямое и обратное).

Вид статической характеристики преобразования определя­ется схемой и конструкцией средства измерений. Приписанную данному типу средств измерений статическую функцию пре­образования называют номинальной статической функцией преобразования

         (5)

Индивидуальную для конкретного средства измерений ха­рактеристику преобразования определяют в результате экспе­риментального исследования данного экземпляра в нормаль­ных условиях.

Для оценки инерционных свойств СИ при измерении переменных пользуются динамическими характери­стиками, которые определяют зависимость информативного или неинформативного параметров выходного сигнала средств из­мерений от изменяющихся во времени величин: параметров входного сигнала, внешних влияющих величин, нагрузки.

Инерционные свойства средств измерений влияют не толь­ко на динамическую погрешность измерений, но и на статиче­ские погрешности тех измерительных информационных систем, которые представляют собой последовательное соединение не­скольких средств измерений.

В ГОСТ 8.009—72 предусмотрено нормирование таких ди­намических характеристик, которые позволяют оценивать иска­жения средствами измерений любых изменяющихся сигналов, поступающих на их вход: исследуемых при измерениях сигна­лов (динамические погрешности измерений) и сигналов, экви­валентных статической погрешности средств измерений, вклю­ченных перед данным средством измерений в измерительной информационной системе (статическая погрешность).

Для линейных средств измерений такими характеристиками являются: передаточная функция (или комплексная частотная характеристика), переходная характеристика, импульсная весо­вая функция и т. п. Эти характеристики однозначно связаны одна с другой, поэтому для конкретного случая следует норми­ровать ту из них, которой удобнее пользоваться и которую удобно контролировать.

Для нелинейных средств измерений допускается нормиро­вать любые характеристики, позволяющие установить связь изменяющихся входного и выходного сигналов в реальных ус­ловиях работы средства измерений. Нормирование и определе­ние динамических характеристик аналоговых средств измере­ний установлены ГОСТ 8.256—77.

Класс точности — это обобщенная метрологическая характеристика, определяющая различные свойства средства измерения.  Например, у показывающих электроизмерительных приборов класс точности помимо основной погрешности включает в себя также вариацию показаний, а у мер электрических величин — величину нестабильности (процентное изменение значения меры в течение года). Класс точности средства измерения уже включает систематическую и случайную погрешности. Однако, он не является непосредственной характеристикой точности измерений, выполняемых с помощью этих СИ, поскольку точность измерения зависит и от методики измерения, взаимодействия СИ с объектом, условий измерения и т. д. В частности, чтобы измерить величину с точностью до 1 %, недостаточно выбрать средство измерения с погрешностью 1 %. Выбранное СИ должно обладать гораздо меньшей погрешностью, так как нужно учесть как минимум еще погрешность методики. Существует несколько способов назначения классов точности. При этом в основу заложены следующие положения:

• в качестве норм служат пределы допускаемых погрешностей, включающие в себя систематические и случайные составляющие;

• основная ∆_о и все виды дополнительных погрешностей ∆ _i, нормируются порознь.
       Первое положение свидетельствует о необходимости разрабатывать СИ с учетом однократного отсчета показаний по величине общей погрешности. Классы точности присваивают средствам измерений при их разработке по результат государственных приемочных испытаний. В настоящее время в качестве основных установлены три вида классов точности средств измерений:

• для пределов допускаемой абсолютной погрешности в единицах измеряемой величины или делениях шкалы;

• для пределов допускаемой относительной погрешности в виде ряда чисел , где А= 1; 1,5; 2; 2,5; 4; 5 и 6; n = 1; 0; -1;-2; … и т. д.;

       • для пределов допускаемой приведенной погрешности с тем же рядом .
       Классы точности средств измерений, выраженные через абсолютные погрешности, обозначают прописными буквами латинского алфавита или римскими цифрами. При этом чем дальше буква от начала алфавита, тем больше значение допускаемой абсолютной погрешности. Например, средство измерения класса С более точно, чем средство измерения класса М.        Наиболее широкое распространение получило нормирование класса точности по приведенной погрешности:

.          (6)

Условное обозначение класса точности в этом случае зависит от нормирующего значения , т. е. от шкалы СИ. Если  представляется в единицах измеряемой величины, то класс точности обозначается числом, совпадающим с пределом допускаемой приведенной погрешности. Например, класс 1,5 означает, что  = 1,5 %. Если  длина шкалы (например, у амперметров), то класс 1,5 означает, что  = 1,5 %длины шкалы.