Основні метрологічні характеристики вимірюваних перетворювачів

Метрологічні характеристики - характеристики засобів вимірювальної техніки, які нормуються для визначення результату вимірювання, їхніх основних і додаткових похибок за визначених умов проведення вимірювань (повірок).

У технічній документації на засоби вимірювань визначаються умови контролю метрологічних характеристик; об'єм вибірки, кількість точок вимірювань, їх розміщення у діапазоні вимірювань, допустимі похибки вимірювань, умови проведення експериментів. Метрологічні характеристики контролюються щодо відповідності регламентованих значень, як експериментальними, так і розрахунковими методами.

До нормованих метрологічних характеристик відносять такі:

– розмах шкали засобу вимірювальної техніки вибирається зі стандартного ряду шкал для відповідних вимірюваних величин. Шкала засобу вимірювань може виражатися, як в одиницях вимірюваної величини (відсотках), так і у нормованих одиницях (сигналах), які відповідають розмаху шкали і використовуються під час імітаційних методах повірки;

– межі допустимої похибки засобу вимірювальної техніки нормуються приведеною похибкою, яка відповідає його класу точності.

– основні похибки засобу вимірювальної техніки відповідно до нормативно-технічної документації для відповідного засобу наводяться у вигляді сумарної похибки:

∆ – межа допустимої абсолютної похибки під час довірчої ймовірності не менше 0,95;

∆в – межа допустимої випадкової складової похибки під час довірчої ймовірності не менше 0,95;

σ(∆в) – межа допустимого середнього квадратичного відхилення випадкової складової похибки;

∆с – межа допустимої систематичної складової похибки під час довірчої ймовірності – 0,95;

М(∆С) – математичне сподівання систематичної складової похибки.

В інтервал, обмежений допустимими основними похибками ∆, ∆в і ∆с, мають вкладатися не менше 90 % усіх можливих значень основних похибок.

– Додаткові похибки визначаються для кожної із величин, що впливають на вимірювання, відповідно до нормативно-технічної документації, а також регламентуються межі цих похибок. Додаткові похибки регламентуються зазвичай для нових або закордонних засобів вимірювань, які використовуються у промисловості.

– Час проведення вимірювання фізичної величини чи технологічного параметра.

– Термін експлуатації засобів вимірювальної техніки.

Вимірювальний перетворювач – це вимірювальний пристій, який застосовується для перетворення сигналу вимірювальної інформації у форму, зручну для опрацювання або зберігання, а також передачі у показуючий пристрій. Вимірювальні перетворювачі або входять в конструктивну схему вимірювального приладу, або застосовуються спільно з ним, але сигнал перетворювача не піддається безпосередньому сприйняттю спостерігачем. Перетворювану величину називають вхідною, а результат перетворення – вихідною величиною. Основною метрологічною характеристикою вимірювально пе-ретворювача є співвідношення між вхідною і вихідною величинами – яке називається функцією передачі або передавальною функцією.

Перетворювачі поділяють на первинні (які безпосередньо сприймають вимірювальну величину), передавальні (на виході яких величина набуває форму, зручну для реєстрації чи передачі на відстань), проміжні (працюють у поєднанні із первинними і не впливаючими на зміну роду фізичної величини)

В залежності від фізичних явищ, які мають місце в чутливих елементах первинних перетворювачів неелектричних величин з електричним вихідним сигналом, первинні перетворювачі можна розділити на такі групи:

– реактивні перетворювачі механічних величин – принцип роботи чутливих елементів таких перетворювачів оснований на зміні електричного опору під впливом вхідної механічної величини;

– електростатичні перетворювачі – носієм вимірювальної інформації в чутливих елементах таких перетворювачів є електричний заряд;

– електромагнітні перетворювачі – принцип дії чутливих елементів оснований на використанні електромагнітних явищ (індуктивність, взаємоіндуктивність);

– теплові перетворювачі – робота чутливих елементів таких перетворювачів основана на теплових і зв’язаних з ними інших процесах, що виникають під впливом вимірювальної величини;

– електрохімічні перетворювачі – робота чутливих елементів таких перетворювачів пов’язана із залежністю електричних параметрів електролітичної комірки від складу концентрації і інших властивостей досліджуваного розчину;

– оптико-електричні перетворювачі – в основу роботи чутливих елементів таких перетворювачів покладено перетворення потоку оптичного випромінювання під впливом вимірювального параметра;

– іонізаційні перетворювачі – принцип роботи чутливих елементів таких перетворювачів базується на перетворенні інтенсивності іонізуючого випромінювання, яке змінюється в залежності від досліджуваного параметра.

Передавальна функціяперетворювача – функція, яка встановлює взаємозв’язок між вихідним електричним сигналом давача і зовнішньою дією . Ця функція може бути, як лінійною, так і нелінійною (наприклад логарифмічною, експоненціальною або степеневою). Ця функція взаємозалежності між вхідним і вихідним сигналом може бути виражена у вигляді графіка, таблиці або математичного виразу.

Діапазон вимірюваних значень (максимальний вхідний сигнал) – динамічний діапазон зовнішніх впливів, які давач може сприйняти. Ця величина показує максимально можливе значення вхідного сигналу, яке давач може перетворити в електричний сигнал, не виходячи за межі допустимих похибок. Для давачів з дуже широкою і нелінійною амплітудно-частот-ною характеристикою (АЧХ) динамічний діапазон зовнішніх впливів часто виражається в децибелах, які є логарифмічною мірою відношень або потужностей, або напруг.

Діапазон вихідних значень – алгебраїчна різниця між електричним вхідними сигналами, виміряними максимальними і мінімальними зовнішніми діями. В цю величину повинні входити всі можливі відхилення від ідеальної передаточної функції.

Точність – під точністю зазвичай розуміють неточність або похибку вимірювань. Похибка вимірювань – це, як правило, величина максимального розходження між показниками реального і ідеального давача. Вважається, що виміряне значення відповідає реальному із визначеною ступінню достовірності.

На точність давачів впливають такі характеристики як: гістерезис; мертва зона; параметри калібрування; повторюваність давачів від партії до партії.

Похибка давачів може бути представлена у наступних видах:

- безпосередньо у одиницях вимірюваної величини,

- у відсотках від значення максимального вхідного сигналу,

- в одиницях вихідного сигналу.

В сучасних давачах точність часто характеризується величиною статистичної похибки вимірювань – яка враховує вплив, як систематичних так і випадкових похибок, і не залежить від помилок, допущених під час визначення передаточних функцій.

Помилка калібрування – це похибка, яка допущена виробником під час проведенняі калібрування давача на заводі. Ця похибка носить систематичний характер, і додається до всіх реальних передаточних функцій. Помилка калібрування зсуває характеристику перетворення давача в кожній точці на визначену величину. Вона необов’язково повинна бути рівномірною у всьому діапазоні вимірювань і може залежати від типу помилки, допущеної в процесі калібрування.

Гістерезис – це різниця значень вихідного сигналу для одного і того ж вхідного сигналу, отриманого під час його зростання і спадання. Типовою причиною виникнення гістерезису є тертя і структурні зміни матеріалів.

Нелінійність визначається для давачів, передавальну функцію яку можливо апроксимувати прямою лінією. Під нелінійністю розуміють максимальне відхилення реальної передаточної функції від апроксимуючої прямої лінії. Нелінійність зазвичай виражається або в процентах від максимального вхідного сигналу, або в одиницях вимірюваних величин. В залежності від способу проведення апроксимуючої лінії розрізняють декілька типів лінеаризації. Один із способів – проведення прямої через кінцеві точки передаточної функції. Для цього спочатку визначаються вихідні значення, які відповідають найбільшому і найменшому зовнішньому впливу, а потім через ці точки проводиться пряма лінія. Лінеаризаційна помилка нелінійності мінімальна в кінцевих точках і максимальна десь в проміжку між ними.

Метод незалежної лінеаризації (метод «найкращої прямої») полягає у знаходженні лінії, яка проходить посередині між двома паралельними прямими, розташованими якомога ближче одна до одної, і охоплюючої всі вихідні значення реальної передаточної функції.

Інший спосіб лінеаризації базується на застосуванні методу найменших квадратів. Для цього в широкому діапазоні вимірюваних величин для ряду значень зовнішніх впливів х виміряються вихідні сигнали у. Після цього застосовують рівняння лінійної регресії.

Коефіцієнти лінійної регресії знаходяться за методом найменших квадратів, згідно з якими рівняння лінійної регресії має такий вигляд:

 

, (8.1)

 

, (8.2)

 

, (8.3)

 

де , – коефіцієнти лінійної регресії;

, – відповідно N значень вхідної і вихідної величин конкретного перетворювача.

Похибка у відсотках від нелінійності статичної характеристики визначається таким чином:

, (8.4)

 

де – максимальне відхилення реального значення від лінійної залежності із врахуванням розрахункових значень і ,

– діапазон зміни вихідної величини перетворювача під час зміни вхідної величини від 0 до x_{вх.макс..}

Відтворюваність – це здатність давача під час дотримання однакових умов видавати ідентичні результати. Відтворюваність результатів визначається за максимальною різницею вихідних значень давача, отриманих в двох циклах калібрування. Зазвичай вона виражається у відсотках від максимального значення вхідного сигналу. Причинами поганої відтворюваності часто є тепловий шум, поверхневі заряди, пластичність матеріалів і т.д.

Мертва зона – це нечутливість давача у визначеному діапазоні вхідних сигналів. В межах цієї зони вихідний сигнал залишається майже постійним (часто рівним нулю).

Роздільна здатність – характеризує мінімальну зміну вимірюваної величини, яку може відчути давач. Під час неперервної зміни зовнішнього впливу в межах діапазону вимірюваних значень вихідні сигнали давачів не будуть завжди абсолютно гладкими, навіть під час відсутності шумів. На них завжди буде видно невеликі сходинки. Величина зміни вхідного сигналу давача під час визначення умов, називається його роздільною здатністю. Роздільна здатність може визначатися у відсотках від максимального значення вхідного сигналу. Слід зазначити, що розмір сходинки може змінюватися всередині діапазону вимірюваних значень, тому, як правило, роздільна здатність визначається, як середня або, як найгірша величина.

Вихідний імпеданс є характеристикою, яка вказує наскільки легко давач узгоджується з електричною схемою.

Сигнал збудження – це електричний сигнал, необхідний активному давачу для роботи. Сигнал збудження описується інтервалом напруг і/або струмів. Вихід сигналу збудження за наведені межі може призвести до зміни передаточної функції давача, і, відповідно, до спотворення вихідного сигналу.