Измерительное устройство принято рассматривать как некоторый преобразователь, служащий для преобразования входного сигнала X в выходной Y. Такое представление позволяет применять при анализе измерительных устройств аппарат теории автоматического регулирования.
Статическое состояние (режим работы) измерительного устройства – состояние, при котором значения входного X и выходного Y сигналов не изменяются, иначе, стационарное или равновесное состояние.
Статическая характеристика измерительного устройства – функциональная зависимость выходного сигнала от входного сигнала в статическом режиме работы. Статическая характеристика описывается в общем случае нелинейным уравнением
. (2.2)
Для измерительных преобразователей и измерительных приборов с неименованной шкалой или со шкалой, отградуированной в единицах, отличных от единиц измеряемой величины, статическую характеристику принято называть функцией преобразования. Для измерительных приборов иногда статическую характеристику называют характеристикой шкалы.
Градуировочная характеристика – зависимость между значениями величин на выходе и входе средства измерения, составленная в виде таблицы, графика или формулы. НСХ – номинальная статическая характеристика.
На рис. 2.9 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 характеристикой. На практике это требование реализуется в общем случае только с некоторой погрешностью, принятой заранее.
На статической характеристике 1 (см. рис. 2.9) графически представлены понятия диапазона показаний, диапазона измерений, нижнего Xн, Yн и верхнего Xв, Yв пределов измерений.
Рис. 2.9. Статическая характеристика измерительного устройства:
1 – нелинейная, 2 – линейная, 3 – пропорциональная
Диапазон измерений определяется разностью значений верхнего и нижнего пределов измерений (Xв – Xн; Yв – Yн).
Кроме статической характеристики для определения метрологических свойств измерительных устройств используется ряд параметров.
Для количественной оценки влияния на выходной сигнал измерительного устройства входного сигнала в произвольной точке (см. рис. 2.9) статической характеристики служит предел отношения приращения DY выходного сигнала к приращению DX входного сигнала, когда последний стремится к нулю, т.е. производная в выбранной точке
. (2.3)
Применительно к измерительным приборам этот параметр называют чувствительностью и определяют как отношение изменения сигнала на выходе измерительного прибора к вызывающему его изменению измеряемой величины. Графически она определяется тангенсом угла наклона a касательной (см. рис. 2.9), проведенной к выбранной точке A статической характеристики.
Если статическая характеристика измерительного прибора нелинейная (кривая 1, см. рис. 2.9), то его чувствительность будет различной в разных точках характеристики, а шкала прибора – неравномерной. Приборы с линейной и пропорциональной статической характеристикой имеют постоянную чувствительность и равномерную шкалу.
У измерительных преобразователей статическая характеристика, как правило, является линейной,
(2.4)
Здесь K – коэффициент преобразования (или коэффициент передачи при использовании преобразователя в системах автоматического регулирования), определяемый как отношение сигнала на выходе измерительного преобразователя к сигналу на его входе.
Порог чувствительности или порог реагирования – наименьшее изменение входного сигнала, которое вызывает уверенно фиксируемое изменение выходного сигнала.
Как правило, уверенно можно заметить смещение стрелки на половину деления шкалы, поэтому порог чувствительности можно считать равным половине цены деления, а если учесть при этом соотношение (2.1), то в первом приближении порог чувствительности равен классу точности L.
Одним из важнейших условий получения корректных результатов измерений является учет взаимодействия измерительных устройств между собой и с объектом измерений. Измерительное устройство потребляет некоторую энергию от объекта измерения или от предыдущего по цепи измерения преобразователя. Поэтому необходимо учитывать свойство измерительных устройств обмениваться энергией через входные и выходные цепи. В качестве характеристики указанного свойства принято использовать для измерительных приборов понятие входного импеданса (полного или кажущегося сопротивления), а для измерительных преобразователей – понятия входного и выходного импеданса.
В общем случае под импедансом Z понимают отношение обобщенной силы N к обусловленной ею обобщенной скорости W,
. (2.5)
Понятие входного и выходного импеданса широко используется для электрических измерительных устройств. При этом импеданс определяется как отношение напряжения к току.
Применительно к измерительным устройствам неэлектрических величин для установления наиболее целесообразной формы представления входного и выходного импеданса требуется проведение исследований в каждом отдельном случае.