Раздел 3. Классификация погрешностей измерения.

Процедура измерения состоит из следующих этапов:

1. принятие модели объекта измерения;

2. выбор метода измерения;

3. выбор СИ;

4. проведение эксперимента для получения результата.

Все эти составляющие приводят к тому, что результат измерения X_ИЗМ отличается от истинного значения измеряемой величины X_И на некоторую величину, называемую погрешностью измерения.

Погрешности измерений можно систематизировать по следующим признакам:

По способу выражения погрешности измерения делят на абсолютные и относительные.

По характеру изменения погрешности подразделяются на систематические и случайные.

По месту возникновения погрешности подразделяются на инструментальные и методические.

Абсолютная погрешность измерения - это разность между измеренным значением X_ИЗМ физической величины и ее истинным значением X_И, выраженная в единицах измеряемой величины

Δ = X_ИЗМ - X_И,

Относительная погрешность измерения – это отношение абсолютной погрешности измерения к истинному значению измеряемой величины, в процентах

γ_ОТН = ( / X_И)  100%.

Систематическая погрешность (Δ_С) - составляющая погрешности измерения, остающаяся постоянной или закономерно изменяющаяся при повторных измерениях одной и той же величины.

Случайная погрешность ( ) - составляющая погрешности при повторных измерениях одной и той же величины изменяется случайным образом.

Инструментальные погрешности (Δ_ИНСТР) – составляющие погрешности измерения, зависящие от погрешностей применяемых СИ.

Методические погрешности (Δ_{МЕТОДИЧ}) – составляющие погрешности измерения, возникающие из-за несовершенства выбранного метода измерения, ограничения точности значений используемых физических констант.

Общая погрешность результата измерения является суммой инструментальной, методической и других погрешностей, причем каждая из этих составляющих может иметь систематический и случайный характер изменения во времени. Поэтому в самом широком представлении общую погрешность результата измерения мы записываем как сумму систематической и случайной составляющих.

Урок 2. Классификация средств измерений и их характеристики. Раздел 1. Классификация средств измерений.

Средства измерений (СИ) – это технические средства, используемые при измерениях и имеющие нормированные метрологические характеристики. К СИ относятся: меры, измерительные преобразователи, измерительные приборы, измерительные установки и информационно-измерительные системы.

Мерой называется средство измерений, предназначенное для воспроизведения физической величины заданного размера (образцовая катушка сопротивления (рис. 1.12), гиря, нормальный элемент и т.д.). В зависимости от той роли, какую они выполняют, они подразделяются на рабочие, образцовые. Меры также делятся на:

• однозначные - воспроизводящие физическую величину одного размера (например, ЭДС нормального элемента равна 1,0185 В);

• многозначные - воспроизводящие физическую величину разных размеров (например, штриховая мера длины);

• наборы меры - комплект мер разного размера одной и той же физической величины, предназначенных для практического применения как в отдельности, так и в различных сочетаниях (например, набор концевых мер длины).

Рис.1.12. Образцовая катушка сопротивления

Измерительные преобразователи - устройства, предназначенные для преобразования одной формы информации об измеряемой величине в другую форму. Это преобразование должно выполняться с заданной точностью и обеспечивать требуемую функциональную зависимость между выходной и входной величиной преобразователя. По характеру преобразуемых величин различаются следующие виды ИП:

1. Преобразователи электрических величин в электрические (шунты, делители напряжения, измерительные трансформаторы и пр.);

• Шунты измерительные 75 ШСММЗ

Н азначение: Шунты измерительные стационарные взаимозаменяемые предназ-начены для расширения пределов измерения амперметров постоянного тока и счетчиков ампер-часов.

Устройство и работа шунтов: Шунты (рис. 1.13) выполнены в виде пластин из манганина, впаянных твердым припоем в наконечники из латуни или меди. Наконечники имеют резьбовые отверстия для потенциальных зажимов (винтов) и отверстия для токоведущих зажимов (болтов).

Технические данные: Класс точности 0,5.

Падение напряжения на потенциальных зажимах для всех шунтов при номинальном токе составляет 75 мВ. Предел допускаемой основной погрешности 0,5%. Приборы предназначены для работы при температуре окружающего воздуха от минус 40 до плюс 50С и относительной влажности 95% (при температуре 40 °С) исполнения М и ОМ категории 3.

Шунты предназначенные для поставки на экспорт в районы с умеренно-холодным и тропическим климатом поставляются для работы при температуре от минус 40 до плюс 50°С и при относительной влажности 90% при температуре 35°С и имеют обозначение 75 ШСМ МЗ и 75 ШСМ Т2.

• Делитель напряжения ДН-2, ДН-4

Д елитель напряжения «ДН» (рис. 1.14) предназначен для преобразования высоковольтного входного напряжения от 0 кВ до 2 кВ (ДН-2) или до 4 кВ (ДН-4) в напряжение от 0 мВ до 75 мВ для дальнейшего его использования в системах измерения.

Область применения:

автоматизированные системы управления, сбора информации и измерения параметров высоковольтных цепей (напряжение),

• аппаратура железнодорожной автоматики, телемеханики и связи,

• предприятия энергетики,

• измерительные и испытательные лаборатории.

Принцип работы:

Принцип работы ДН-2 (ДН-4) заключается в делении входного напряжения с помощью калиброванного резистивного делителя.

Основные функции:

• Преобразование входного напряжения до 2 кВ в напряжение до 75 мВ (ДН-2).

• Преобразование входного напряжения до 4 кВ в напряжение до 75 мВ (ДН-4).

ДН пассивный прибор и не производит электромагнитных помех. Порядок работы с ДН-2, ДН-4 определяется работой системы, в которой он используется.

• Измерительный трансформатор тока с преобразователем, серия ТСМ-420

Рис. 1.15. Измерительные трансформаторы тока

Основные параметры TCM 420-25/-35:

• диаметр окна под кабель 25/-35 мм

• максимальный ток в первичной обмотке I_max от 2,5 до 300 А

• ток во вторичной обмотке 4-20 мА

• рабочее напряжение до 0,72 кВ

• напряжение питания 230 В переменного тока

• монтаж на DIN – рейку

• класс точности 1,5

• пластиковый невоспламеняющийся корпус ,

2. Преобразователи магнитных величин в электрические (измерительные катушки, феррозонды, и т.д.);

• К атушки электрического сопротивления Р-310 измерительные.

Катушки электрического сопротив­ления (рис. 1.16) измерительные Р310,Р321,Р331 (далее катушки) представляют собой меры электрического сопротивления классов 0,01 и 0,02 с номинальными значениями сопротивления от 0,001 до 100000 Ом и предназначаются для работы в цепях постоянного тока. Катушки электрического сопротивления измерительные предназначены для работы при температуре окружающей среды от 15 до 25°С и относительной влажности от 25 до 80% в рабочем диапазоне температур.

Условное обозначение	Класс точности	Номинальное значение - сопротивления, Ом
Р310 Р310 Р321 Р331	0,01 0,02 0,01 0,01	0,001; 0,01 0,001; 0,01 0,1; 1; 10 100;1000;10000;100000

Допускаемое отклонение действи­тельных значений сопротивлений катушек измерительных от их номинальных значений из-за неточности подгонки не превышает ±0,01% для класса 0,01 при первичной по­верке и ;0,02%, для класса 0,02 при пер­вичной и последующих поверках при темпе­ратуре 20°С и мощности не выше номиналь­ной.

Изменение действительного зна­чения сопротивления катушек при измене­нии мощности от номинальной до максималь­ной не превышает при установившемся теп­ловом состоянии ±0,01% для катушек клас­са 0,01 и ±0,02% - для катушек клас­са 0,02.

При температуре в пределах от 15 до 25°С отклонение действительного сопротивления катушек от значения, определенного по выше указанной формуле, выраженное в процентах от номинального сопротивления катушки, не должно превышать при номинальной мощности 0,002 для катушек класса 0,01 и 0,00556 для катушек класса 0,02.

Электрическое сопротивление изоляции между корпусом катушки и изоли­рованными по постоянному току электрическими цепями в рабочих условиях примене­ния не менее величин:

Класс точности	Сопротивление изоляции, МОм
	Номинальное сопротивление катушки, Ом
	0,001и 0,01	от 0,1 до 1000	10000	100000
0,01 0,02	1000 1000	1000 -----	1000 ------	1000 -----

Электрическая прочность изоля­ции между корпусом и токоведущей цепью выдерживает в течение одной минуты дейст­вие испытательного напряжения величиной 2 кВ практически синусоидальной формы и частоты 50 Гц.

Габаритные размеры не более: высота 170 мм, диаметр 110 мм.

Масса катушки без масла не должна быть более I кг.

• Феррозонды для измерения напряженности магнитных полей.

Значение напряженности измеряемых магнитных полей 0,1..2000 А/м. Возможно расширение верхнего диапазона до 10000 А/м. Размеры: длина 0,5..5 мм, диаметр 0,3..3 мм.

3. Преобразователи неэлектрических величин в электрические (термо- и тензо- преобразователи, реостатные, индуктивные, емкостные и т.д.);

• Термопреобразователи сопротивления платиновые ТСП-Н, ТСП-Р

Термопреобразователи сопротивления (рис. 1.18) предназначены для измерения температуры твердых, сыпучих, жидких и газообразных сред в различных областях народного хозяйства. Межповерочный интервал на термопреобразователи сопротивления — 4 года

Основные технические данные термопреобразователей ТСП-Н, ТСП-Р:

Класс допуска	Rном / 0ºС	Допускаемое отклонение сопротивления от номинального при 0 ºС, в %	Номинальное значение W 100	Диапазон измеряемых tºС
А B C	50 100 500 1000	0,05; 0,1; 0,2	1,385	-200...+850

Термопреобразователи с НСХ Pt50 изготавливаются с пределами измерений в диапазоне температур от минус 50 до плюс 400 ºС.

Для измерений температур в пределах от минус 50 до плюс 600 ºС, в термопреобразователях используются пленочные элементы чувствительные.

Термопреобразователи с НСХ Pt500 и Pt1000 изготавливаются для диапазона измерений температур в пределах от минус 50 до плюс 600 ºС.

• Тензопреобразователи давления серии "Д"

Т ензопреобразователи давления (рис. 1.19) серии «Д» используются для пропорционального преобразования давления в электрический сигнал. Верхние пределы давлений: 0,6; 1; 2,5; 6; 10; 16;25;40; 60; 100 МПа. Диапазон рабочих температур - от -50 до +80 °С. Группа 1: сопротивление моста - (3,25 ± 0,25) кОм, питание - постоянный ток 2 мА. Группа 2: сопротивление моста - (4,5 ± 0,35) кОм, питание -постоянный ток 1,5 мА. Начальное значение выходного сигнала - ±15 мВ. Диапазон при номинальной нагрузке Uд - 170-370 мВ (для Д0,6 и Д0,1); 270-440 мВ (для остальных). Нелинейность выходного сигнала - 0,2 % Uд. Вариация выходного сигнала - 0,1 % Uд . Присоединительная резьба - М12х1,25-8g. Габариты - не более 20х35,5 мм. Масса - не более 19 г. Защита корпуса - 1РОО.

• Преобразователь индуктивный Б165.01.000 (рис. 1.20)

И спользование: как самостоятельное контактное устройство для двухстороннего торцевого шлифования и др.

Присоединительный размер, мм	14Н7
Свободный ход наконечника, мм	3
Контактное усилие, Н	2 ± 0,5

• Емкостные датчики положения для промышленного применения

Е мкостные датчики позволяют контролировать положение неметаллических и металлических объектов, независимо от их магнитных свойств. Емкостные датчики (рис. 1.21) нечувствительны к пыли и другим загрязнениям. В промышленном оборудовании используются в качестве концевых и путевых выключателей, а также в качестве указателей уровня заполнения резервуаров жидкостями и сыпучими материалами. Большинство датчиков имеет регулировку чувствительности или возможность программирования («обучения»).

В зависимости от функций, выполняемых преобразователями в измерительной цепи, их подразделяют на первичные, промежуточные, передающие и масштабные.

Измерительные приборы - устройства, представляющие совокупность измерительных преобразователей, выполняющих определенные функции, и отсчетного устройства.

По физическим явлениям, положенным в основу работы, ИП можно разделить на электроизмерительные и электронные приборы.

По применению – на амперметры, вольтметры, частотомеры, фазометры, осциллографы и т.д.

По назначению их подразделяют на приборы для измерения электрических и неэлектрических (магнитных, тепловых, химических и др.) физических величин.

По способу представления результатов - показывающие и регистрирующие.

По методу преобразования измеряемой величины – непосредственной оценки (прямого преобразования) и сравнения.

В зависимости от регистрации измеряемой величины - аналоговые и цифровые.

Измерительные установки - комплекс средств измерений, включающий в себя меры, измерительные приборы и преобразователи, вспомогательные устройства, объединенные общей схемой, с помощью которой можно измерить одну или несколько физических величин.

Измерительная установка К2-75, представленная на рис. 1.22 предназначена для диагностирования, ремонта и поверки средств измерительной техники. Установка совместно с ПЭВМ, при использовании параллельного интерфейса ЕРР, обеспечивает следующие измерительные функции высокочастотного цифрового осциллографа:

Параметры тракта вертикального отклонения

1. Прибор обеспечивает предварительное преобразование измеряемых сигналов при помощи стробоскопического смесителя (СС):

• вариант поставки №1(сечение коаксиального тракта 7х3 мм) – от 0 до 18 ГГц

• вариант поставки №2(сечение коаксиального тракта 3,5х1,5 мм) – от 0 до 26 ГГц

2. Количество измерительных каналов СС сквозного типа – два.

3. Волновое сопротивление каждого измерительного канала СС (50 ± 1) Ом, сечение коаксиального тракта 7х3.04 мм.

4. Коэффициент развязки между каналами СС на частоте 500 МГц не менее 500.

5. Среднее квадратическое значение уровня собственных шумов в каждом канале СС не превышает 3 мВ.

6. Прибор обеспечивает установку коэффициентов отклонения (К_о) от 2 до 200 мВ/дел. с шагом 1 мВ/дел. Калиброванные коэффициенты отклонения соответствуют ряду чисел 1-2-5 (2, 5, 10, 20, 50, 100, 200 мВ/дел.).

7. Прибор обеспечивает измерение напряжения в диапазоне от 10 мВ до 1 В при подаче измеряемого сигнала непосредственно на вход одного из каналов СС и до 10 В при использовании делителей напряжения ДН4 (6, 10, 15, 20 дБ) из комплекта прибора.

8. Пределы допускаемых значений основной погрешности измерения напряжения постоянного тока (U₌) в диапазоне от 10 мВ до 1 В не превышают ± (0.003U₌ + 1 мВ).

9. Пределы допускаемых значений дополнительной погрешности измерения мгновенных значений импульсных напряжений с длительностью фронта более 40 пс не превышают ±0.03U_и на интервале времени до 150 пс и ±0.01U_и на интервале времени более 150 пс.

Параметры тракта горизонтального отклонения

1. Прибор обеспечивает установку коэффициентов развертки (К_р) от 10 пс/дел до 1 мкс/дел с шагом, соответствующим ряду чисел 1-2-5.

2. Прибор обеспечивает измерение временных интервалов в диапазоне от 20 нс до 10 мкс.

3. Пределы допускаемых значений основной погрешности измерения временных интервалов не превышают , где Т_х – измеряемый временной интервал.

Информационно-измерительные системы - это сложные измерительные устройства, обеспечивающие автоматическое измерение по определенной программе большого числа физических величин и передачу результатов измерений в единый Центр контроля или управления (рис. 1.23). Основное отличие ИИС от других СИ является автоматический сбор измерительной информации от ряда источников и многократное использование преобразователей в процессе измерения.

Рис.1.23. Обобщенная структура измерительной системы для прямых измерений