1.3.Метрологические характеристики датчиков.

Датчик — первый элемент измерительного канала — является основным источником электрического сигнала, тогда как остальная часть цепи должна обеспечить обработку и использование сигнала. Надлежащий выбор датчика и правильное построение измерительного канала означают, что в сигнал не вносится дополнительных погрешностей или ограничений сверх тех, которые были ему присущи изначально. Следовательно, от высокого качества датчика в первую очередь зависят как более или менее точное соответствие между истинным значением измеряемой величины и полученным при измерениях значением, так и пределы вносимых в эту полученную величину погрешностей.

1.3.1. Погрешности измерений

Единственными измеряемыми величинами, значения которых достаточно точно известны, являются величины, воспроизводимые эталонами. Значения всех других измеряемых величин становятся известными только после обработки результатов измерений с помощью измерительной схемы. Воздействие на датчик определяется истинным значением измеряемой величины, но экспериментатор воспринимает только общую реакцию всей измерительной цепи; эта реакция, выраженная в единицах измеряемой величины, и есть ее измеренное значение. Разность между измеренным и истинным значениями величины называется погрешностью измерения; она возникает из-за несовершенств измерительной цепи, в которой частично теряется информация о сигнале в процессе его обработки. Погрешность измерений можно оценить лишь приближенно, поскольку истинное значение измеряемой величины нам неизвестно. Однако строгое и точное понимание особенностей измерительного канала позволяет уменьшить погрешность измерений и, следовательно, более уверенно приблизиться к истинному значению измеряемой величины.

Систематические погрешности.

Для данного значения измеряемой величины систематическая погрешность постоянна или меняется медленно по сравнению с продолжительностью измерения; она, следовательно, вносит постоянное расхождение между истинным и измеренным значениями величины. В общем, систематические погрешности возникают из-за ошибочного или неполного представления о характеристиках измерительной системы или неправильного ее использования. Наличие систематической погрешности можно установить по расхождению между наиболее вероятными значениями величины, полученными из двух серий измерений, проведенных для одной и той же измеряемой величины с помощью различных методик и аппаратуры.

Погрешности значения опорной величины. Смещение нуля прибора при регистрации отклонения стрелки, ошибка при определений опорной температуры термопары (например загрязнение смеси воды со льдом), неточная величина напряжения питания в мосте — эти погрешности могут быть уменьшены при тщательной проверке используемой аппаратуры.

Погрешности, связанные с определением характеристик датчика. К ним относят погрешности, связанные с чувствительностью или градуировочной кривой. Так, например, коэффициент преобразования К тензодатчика обычно определяют при изготовлении, измеряя коэффициент К одного датчика из партии, так что какой-то конкретный датчик может иметь коэффициент К, несколько отличающийся от величины К для испытывавшегося датчика. В более общем случае это может быть старение датчика — механическая усталость его деталей или ухудшение его параметров вследствие химических воздействий, что приводит к прогрессирующим изменениям первоначальной градуировочной кривой; этот случай особенно характерен для термопар и термисторов.

Специальная градуировка датчика для более жестких условий применения часто позволяет уменьшить, хотя и не полностью устранить, погрешности этого типа. Кроме того, градуировка датчика, включающая целую совокупность экспериментальных операций, сама вносит некоторые дополнительные погрешности, которые влияют на результаты последующих измерений.

Погрешности, связанные со способом или условиями применения. Динамическая погрешность вызывается либо ограниченностью скорости нарастания выходного сигнала датчика или всего измерительного канала, либо завершением измерения до момента достижения установившегося режима. Так, например, скорость реакции одного и того же температурного зонда значительно изменяется в зависимости от того, помещают ли его в покоящуюся или движущуюся жидкость.

Погрешности из-за использования не обработанных надлежащим образом данных измерений. Эти погрешности возникают из-за неправильного введения поправок в результаты измерений, например:

• не учитывается отклонение от линейности датчика или электрической схемы формирования сигнала (например, моста Уитстона), ошибочно предполагаемых линейными;

• не учитывается самонагрев термометрического сопротивления измерительным током;

• не учитывается разность между температурами датчика и исследуемой среды, обусловленная теплопроводностью корпуса датчика или подводящих проводов.

Случайные погрешности

Проявление этих погрешностей происходит со случайной амплитудой и случайным знаком. Причины их возникновения могут быть ясны, однако величины погрешностей в момент измерений неизвестны.

Погрешности, связанные с собственными параметрами измерительной аппаратуры.

Порог чувствительности, Ниже определенного значения вариации измеряемой величины уже не вызывают обнаруживаемых изменений электрического сигнала датчика. Это характерно, например, для катушки потенциометра, перемещение по которой скользящего движка на величину, меньшую, чем расстояние между двумя витками, не вызовет никакого изменения напряжения на движке. Порог чувствительности определяется как максимальное изменение измеряемой величины, которое еще не вызывает обнаруживаемого изменения выходного сигнала датчика.

Погрешность считывания отклонения стрелки прибора. С одной стороны, это следствие квалификации оператора, а с другой — качества аппаратуры, например, толщины стрелки.

Совокупность порога чувствительности ( ) и погрешности считывания ( ) определяет погрешность разрешения ( ), которая представляет собой минимальную вариацию измеряемой величины, измеримую с помощью данной аппаратуры:

.

Погрешности из-за появления в измерительной цепи паразитных сигналов случайного характера. К ним относятся:

• шумы, возникающие в результате теплового возбуждения носителей заряда в резисторах или активных элементах, которые вызывают появление на их зажимах флуктуаций напряжения, накладывающихся на полезный сигнал;

• наводки от электромагнитных полей промышленной частоты, а также иных частот;

• флуктуации напряжения питающих устройств, изменяющие характеристики измерительной аппаратуры (электрических схем формирования сигнала, усилителей и пр.), а также искажающие амплитуду обрабатываемого сигнала, причем так, что эти искажения нельзя отделить от изменений, связанных с измеряемой величиной;

• временной дрейф напряжения на выходе усилителя.

Погрешности, вызванные влияющими величинами. Если последствия вариаций влияющих на измерение величин не учтены при градуировке, то можно считать, что их вклад носит случайный характер. Если градуировка производилась при 20°С, то вариации температуры или отличная от 20°С постоянная температура будут влиять на характеристики измерительной системы, а следовательно, и на измеряемый сигнал. Следует отметить, что погрешности, связанные с влияющими величинами, могут относиться как к систематическим, так и к случайным в зависимости от того, является ли продолжительность измерений соответственно слишком малой или слишком большой по сравнению с «периодом» влияющего явления. Так, если на результат измерений влияет окружающая температура, то ее изменение в течение дня может привести

• к систематической погрешности, если все измерения проводятся в течение нескольких минут;

• к случайной погрешности, если измерения занимают несколько дней.

Уменьшение случайных погрешностей. Величина случайных погрешностей может быть в определенных случаях уменьшена путем применения соответствующих устройств или экспериментальных методов.

Защита измерительного канала от причин погрешностей. Поддержание стабильной температуры и контролируемой влажности; применение антивибрационных оснований; стабилизация напряжения питания; применение усилителей с малым дрейфом и АЦП с достаточным разрешением; надлежащее заземление экранов и установок; применение усилителей с высокой степенью подавления синфазных помех; применение фильтров.

Рациональные измерительные процедуры.

Методы дифференциальных измерений (например, применение пушпульных схем); устранение паразитных сетевых наводок путем применения преобразователей с подводкой сигнала по двухпроводной линии; извлечение сигнала из шумов, его селекция путем синхронного детектирования и использования корреляционных методов.