Статические характеристики и параметры измерительных устройств

В общем случае состояние (режим работы) измерительного устройства, при котором значения входного Х и выходного Y сигналов не изменяются, называют статическими (стационарными или равновесными).

Статической характеристикой измерительного устройства называют функциональную зависимость выходного сигнала от входного в статическом режиме работы указанного устройства. Более точно статическую характеристику можно определить как зависимость информативного параметра выходного сигнала от информативного параметра его входного сигнала в статическом режиме. Статическая характеристика описывается в общем случае некоторым нелинейным уравнением (уравнением преобразования):

 

Y=ƒ(X)

(1.1)

 

Для измерительных преобразователей, а также измерительных приборов с неименованной шкалой или шкалой, отградуированной в единицах, отличных от измеряемой величины, статическую характеристику принято называть функцией преобразования. Для измерительных приборов иногда статическую характеристику называют характеристикой шкалы.

Определение статической характеристики cвязано с выполнением градуировки, поэтому для всех средств измерений используют понятие градуировочной характеристики, под которым понимают зависимость между значениями величин на выходе в ходе средства измерений, составленную в виде таблицы, графика или формулы.

 

Рис. 1.4. Статическая характеристика измерительного устройства

 

На рис. 1.4 показаны виды статических характеристик измерительных устройств. За исключением специальных случаев, основное требование, предъявляемое к статической характеристике измерительных устройств, сводится к получению линейной зависимости между выходной и входной величинами. На практике это требование реализуется в общем случае только с некоторой принятой заранее погрешностью.

Кроме статической характеристики для определения метрологических свойств измерительных устройств используется ряд параметров.

На рис. 1.4 на статической характеристике 1 графически представлены упомянутые понятия диапазона показаний, диапазона измерений, диапазона измерений нижнего Х_н и Y_н и верхнего Х_в и Y_в пределов измерений (см. также рис. 1.3).

Диапазон показаний – область значений шкалы, ограниченная конечным и начальным значениями шкалы.

Диапазон измерений (рабочая часть шкалы) – область значений измеряемой величины (на шкале прибора), для которой нормированы допускаемые погрешности средств измерений (см параграф 1.6).

В частном случае указанные диапазоны могут совпадать.

Примечательно к измерительным устройствам вообще диапазон измерений часто называют рабочим диапазоном преобразований – наибольшее значение диапазона измерений. Нижний предел измерений – наименьшее значение диапазона измерений.

Из сказанного следует, что диапазон измерений определяется разностью значений верхнего и нижнего пределов измерений (X_в–X_н; Y_в–Y_н). Для количественной оценки влияния на выходной сигнал измерительного устройства входного сигнала в произвольной точке (рис. 1.4) статической характеристики служит предел отношения приращения ΔY выходного сигнала к приращению ΔХ входного сигнала, когда последнее стремится к нулю, т. д. произвольная выбранной точке

 

.

(1.2)

 

Применительно к измерительным приборам этот параметр называют чувствительностью и определяют как отношение измерения сигнала на выходе измерительного прибора к вызывающему его изменению измеряемой величины. Графически она определяется тангенсом угла наклона касательной (рис. 1.4), приведенной к выбранной точке A статической характеристики.

Если статическая характеристика измерительного прибора нелинейна (кривая 1 на рис. 1.4), то его чувствительность будет различной в разных точках характеристики, а шкала прибора – неравномерной. Приборы с линейной (прямая 2 на рис. 1.4) или пропорциональной (прямая 3 на рис. 1.4) статической характеристикой имеет неизменную в любой точке шкалы чувствительность и равномерную шкалу.

У измерительных преобразователей статическая характеристика, как правило, является линейной:

 

Y=KX.

(1.3)

 

Здесь К – коэффициент преобразования (или при использовании преобразователя в системах автоматического регулирования – коэффициент передачи), определяемы как отношение сигнала на выходе измерительного преобразователя, отражающего измеряемую величину, к вызывающему его сигналу на выходе преобразователя.

Для измерительных приборов важным параметром является цена деления, определяемая как разность значения величин, соответствующих двум соседним отметкам шкалы. Физически цена деления определяется количеством единиц входной величины, содержащихся в одном делении шкалы измерительного прибора.

Цена деления однозначно связана с числом делений n шкалы измерительного прибора. Последнее в свою очередь связано с погрешностью измерительного прибора, обычно представляемой его классом точности (см параграф 1.6). Число делений шкалы измерительного прибора, как правило, в первом приближении определяется из соотношения

 

.

(1.4)

 

При выполнении условия (1.4) число делений шкалы выбирают таким, чтобы цена деления составляла целое число единиц измеряемой величины.

В научно-технической литературе используется понятие порога чувствительности (порога реагирования) измерительного устройства, под которым понимают то наименьшее изменение входного сигнала, которое вызывает уверенно фиксируемое изменение выходного сигнала.

Как правило, наблюдатель, осуществляющий измерение, уверенно может заметить смещение стрелки на половину деления шкалы, поэтому порог чувствительности можно считать равным половине цены деления, а если учесть при этом соотношение (1.4), то в первом приближении порог чувствительности равен классу точности Λ.

Одним из важнейших условий получения корректных результатов измерений является учет взаимодействия измерительных устройств между собой и с объектом измерений.

При подключении измерительного устройства или преобразователя к объекту измерений последний потребляет некоторую энергию или мощность от объекта. Аналогичная ситуация имеет место при подключении измерительного прибора или преобразователя к выходу предыдущего по цепи измерения преобразователя. Это определяет необходимость учитывать свойства измерительных устройств отбирать или отдавать энергию через свои входные или выходные цепи.

В качестве характеристики указанного свойства принято использовать для измерительных устройств понятие входного импеданса (полного или кажущегося сопротивления), а для измерительных преобразователей – понятия входного и выходного импедансов. В общем случае под импедансом Z понимают отношение обобщенной силы N к обусловленной ею обобщенной скорости W:

 

Z=N/W.

(1.5)

 

В настоящее время понятие входного и выходного импедансов широко используется для электрических измерительных устройств. При этом импеданс определяется как отношение напряжения к току. Применительно к измерительным устройствам для неэлектрических величин в каждом отдельном случае требуется проведение исследований для установления наиболее целесообразной формы представления входного и выходного импедансов.