Меню

Какие факторы увеличивают точность измерения напряжения

Большая Энциклопедия Нефти и Газа

Точность — измерение — напряжение

Точность измерения напряжений и токов с помощью осциллографа определяется точностью калибровки масштаба амплитуд. [1]

Точность измерения напряжений и токов с помощью осциллографа сравнительно невелика, и поэтому в большинстве случаев такие измерения выполняются при осциллографировании как вспомогательные попутно с другими исследованиями. [2]

Точность измерения напряжения может быть повышена при применении вольтметра с большим сопротивлением, например прибора ТТ-1, который на шкале 200 в имеет сопротивление 1000 ком. [3]

Точность измерения напряжений и токов с помощью осциллографа сравнительно невелика, и поэтому в большинстве случаев такие измерения выполняются при осциллографировании как вспомогательные, попутно с другими исследованиями. Однако в некоторых случаях осциллограф является единственным прибором, с помощью которого можно измерять напряжения. [4]

Точность измерения напряжения в пределах от десятых долей вольта до нескольких сотен вольт приближается к 0 1 % на частотах, равных десяткам мегагерцу она падает до 1 % и ниже на сотнях мегагерц и не лучше 10 % на тысячах мегагерц. [6]

Точность измерения напряжения в данном случае будет зависеть не только от М степени точности при -, бора, но и от величины сопротивлении вольтметра и сопротивления растеканию зонда. Из многочисленных схем, существующих для измерений малых напряжений помощью катодных ламп, рекомендуется схема, приведенная на фиг. [7]

Для повышения точности измерения напряжения в последнее время начинают применяться специальные вольтметры с подавленной начальной частью шкалы — так называемые вольтметры номинального напряжения. [8]

Для обеспечения точности измерений напряжений и временных интервалов в осциллографы встраивают источники эталонны сигналов-калибраторы амплитуды и длительности, вырабатывающие соответственно калибровочное напряжение и калибровочные интервалы. Функции калибраторов амплитуды и длительности могут быть совмещены. Эталонный сигнал такого источника формируется в виде прямоугольных импульсов, размах которых используется в качестве калибровочного напряжения, а период повторения — в качестве калибровочных интервалов. При калибровочных сигналах в форме меандра погрешности калибровки коэффициента отклонения и развертки минимальны. Кроме того, такая форма сигнала позволяет использовать его для настройки выносных осциялографическ Их делителей. При этом длительность импульсов должна быть примерно равной длительности переходного процесса, возникающего в раском-пенсированном делителе при подаче эталонного сигнала. [10]

Для повышения точности измерения напряжения в более сложных приборах используют метод сравнения напряжения исследуемого сигнала с калиброванным напряжением. Калибратор в этом случае должен вырабатывать напряжение, значение которого можно устанавливать достаточно высокой точностью. Сущность метода поясняется на рис. 8.29. Напряжение калибровки ( меандр) поступает на регулятор, снабженный шкалой, позволяющей отсчитывать установленное напряжение. [11]

Точность установки коэффициентов передачи определяется точностью измерения напряжений вольтметром и может быть повышена в результате использования компенсационного метода изменения напряжений. В этом случае напряжение, снимаемое с выхода ОБ, сравнивается с помощью нуль — гальванометра с напряжением, поступающим с эталонного источника, на котором установлено заданное значение напряжения. [12]

Точность определения тока / зависит от точности измерения напряжения U12 и класса образцовой меры, а также от выполнения условия Кобр С Rn — Для повышения точности измерения Uiz применяется компенсационный метод. [13]

Указанный способ определения остаточных напряжений прост, но он страдает недочетами: необходимо разрушение всей конструкции; точность измерений напряжений при этом способе невелика. [14]

В лабораторных автоматических компенсаторах напряжения ввиду наличия простых и высокоточных источников образцового постоянного напряжения на кремниевых стабилитронах целесообразно использовать дифференциальный метод повышения точности измерения напряжений . К дополнительному источнику образцового напряжения ( ИОН) ( рис. 4.1, б) подключается делитель напряжения. [15]

Источник



ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА ТОЧНОСТЬ ИЗМЕРЕНИЙ

Стремление к повышению точности измерений — одно из направлений постоянных метрологических работ. Наряду с этим следует особо подчеркнуть, что в повседневной практи­ке, в обиходе, в технических и технологических измерениях нужно стремиться не к наивысшей точности, цена которой, как правило, велика, а к целесообразной, оптимальной в смысле технико-экономических показателей.Основной целью метрологического обеспечения является не достиже­ние высокой точности, а гарантия единства и достоверности результатов измерений.

Научно-технический прогресс всегда обеспечивался адек­ватной точностью измерений. История науки содержит немало примеров того, как повышение точности измерений приводи­ло к фундаментальным научным открытиям. Многие техно­логические процессы в промышленности стали возможны только потому, что точность технических измерений достиг­ла соответствующего уровня. Под углом зрения обеспечения высоких темпов научно-технического прогресса и должен рассматриваться вопрос о точности измерений.

На рис. 160 приведены результаты анализа точности об­работки линейных размеров механических деталей электрон­ных изделий и оптических устройств за большой истори­ческий отрезок времени с прогнозом на обозримое буду­щее. Заштрихованная область относится к производству интегральных микросхем. Обобщение данных об их тополо­гических размерах и требованиях к допускам по совме­щению при литографических операциях показывает, что создание интегральных схем основывается на высокоточной обработке и прецизионных измерениях, точность которых примерно на порядок выше точности обработки обычных изделий, В перспективе ожидается создание нанотехнологии, представляющей комплексную технологию промышленной обработки изделий с точностью около 1 нм. При этом имеет­ся в виду объединение в единую взаимосогласованную систему многочисленных обрабатывающих инструментов, конт­рольно-измерительных и управляющих устройств с использо­ванием ЦЭВМ.

В режиме формообразования точность обработки традицион­ными способами принципиально ограничена областью 0,3 . 1 нм, соответствующей размерам отдельных молекул и расстояни­ем в кристаллической решетке. Более отдаленная перспектива связана, поэтому с развитием молекулярной электроники. Приборы молекулярной элект­роники опираются на техноло­гию, использующую процессы само сборки. Подобная принципи­ально новая технология с атомной детализацией не может сравниваться с традиционной технологией формообразования и потребует развития нового подхода к оценке точности на молекулярном уровне.

Читайте также:  Как посчитать напряжение батарейки

Выход на уровни точности, близкие к предельно достижи­мой, ставит вопрос о потенци­альной точности измерений. Ответ на него зависит от уров­ня развития науки и техники.

Наиболее просто ответ на вопрос о потенциальной точ­ности измерений формулируется следующим образом: точ­ностьизмерений не может быть выше точности воспроиз­ведения единицы государственным первичным или специаль­нымэталоном (по определению). Никакое техническое уст­ройство не может рассматриваться в качестве измеритель­ного прибора, если ему установленным порядком не переда­на информация о размере единицы. А передача этой инфор­мации от государственного эталона всегда сопровождается потерей точности. Кроме того, точность измерений зависит от множества других факторов.

Не в последнюю очередь она зависит от количества апри­орной информации об объекте измерения. Чем ее больше, тем выше точность измерений. Априорная информация об объекте измерения позволяет сконструировать адекватную его модель, синтезировать оптимальную измерительную про­цедуру, правильно выбрать или синтезировать средство из­мерений. Важное значение для синтеза имеет априорная ин­формация о свойствах полезного сигнала и помех на входе средства измерений. Дефицит априорной информации огра­ничивает точность измерений и любые меры, направленные на его преодоление, приближают точность к потенциально возможной.

В свою очередь, как бы удачно не было синтезировано средство измерений оно не будет совершенным из-за недос­татков при изготовлении: конструктивных, технологических, дефектов комплектующих изделий, неточности настройки и регулировки, поддержания режимов работы и т.д. и т.п., а также вследствие нестабильности элементов и материалов, обусловленной старением, износом и другими причинами. Невозможно создать измерительный прибор, метрологи­ческие характеристики которого абсолютно точно соответ­ствовали бы проектным, а определение их эксперименталь­ным путем имеет ограниченную точность. Таким образом, несовершенство средств измерений и некоторая неопреде­ленность их реальных метрологических характеристик вно­сят свой вклад в ограничение точности результатов измере­ний.

На точности измерений сказываются также внешние и внутренние влияющие факторы. К внутренним относятся взаимные электромагнитные влияния элементов и их соеди­нений друг на друга, паразитные ТЭДС, тепловыделение, трение, акустическая эмиссия и т. д. Внешние влияющие фак­торы включают в себя изменение параметров окружающей среды (температуры, влажности, давления), напряжения в сети питания, наводки от расположенных поблизости электри­ческих машин и механизмов, всевозможные вибрации и сотря­сения, влияние электрических, магнитных, электромагнитных и гравитационных полей, ускорений и т. п. Их исключение, компенсация и учет в рабочих условиях измерений с помощью функций влияния далеки еще от совершенства.

В процессе измерения объект и средство измерений всту­пают во взаимодействие. В процессе этого взаимодействия средство измерений оказывает влияние на объект, прояв­ляющееся в изменении измеряемой величины. Результат измерения оказывается искаженным по сравнению с тем, каким он должен был бы быть, если бы средство изме­рений не влияло на объект. Как бы ни учитывалось это обстоятельство (а во многих случаях им просто пренебре­гают), оно снижает точность результата измерения.

Нельзя, наконец, не отметить и несовершенство самой измерительной процедуры (неточность установки прибора и снятия показаний, конечное время выполнения измере­ния, в течение которого происходит изменение внешних условий и ряда влияющих факторов, зависимость качест­ва измерения от квалификации оператора и многое другое). Это также обусловливает недостижимость потенциальной точности измерений.

Все вышеперечисленные факторы, влияющие на точность измерений, учитываются при разработке, стандартизации и аттестации методик выполнения измерений. В стандартах на методики (или в соответствующих разделах стандартов тех­нологических процессов, методов испытаний и контроля, методов и средств поверки) согласно ГОСТ 8.010—72 ука­зываются:

назначение и область применения стандартизованной методики выполнения измерений;

требования к средствам измерений и вспомогательным устройствам, необходимым для выполнения измерений (в том числе к уровню их автоматизации);

порядок подготовки и выполнения измерений;

нормы на показатели точности измерений и зависимости, выражающие связи между этими показателями и всеми фак­торами, существенно влияющими на них при выполнении измерений, а также диапазоны значений влияющих величин, для которых эти зависимости справедливы. Указанные зави­симости могут быть представлены в виде таблиц,графиков, уравнений;

способы обработки результатов измерений и оценки по­казателей точности измерений;

требования к квалификации операторов;

требования к. технике безопасности.

В аттестатах на методики выполнения измерений указы­вают:

назначение и область применения методики;

типы и номера экземпляров средств измерений, используемых для проведения измерений. Номер экземпляра сред­ства измерений в аттестате не указывается, если значения показателей точности измерений, указанные в аттестате, оп­ределены с учетом возможности применения любого экземп­ляра средства измерений данного типа;

технические характеристики вспомогательных устройств, необходимых для выполнения измерений;

порядок подготовки и выполнения измерений;

численные значения показателей точности измерений;

межповерочные интервалы для средств измерений и но­менклатуру нормативных документов, согласно которым должна проводиться их поверка;

требования к квалификации операторов;

требования техники безопасности.

Точность измерений во многом зависит также от алго­ритма обработки экспериментальных данных. Этим обуслов­лено требование аттестации алгоритмов.

Читайте также:  Схема с положительной обратной связью по напряжению

В отдельных областях и видах измерении при совре­менной эталонной базе достигнута точность, обеспечивающая возможность выполнения измерений намолекулярном уровне. Формальным отражением этого служит появление пос­тоянной Больцмана k = 1,38 • 10 -23 Дж/К в выражениях, опи­сывающих влияющие факторы, с которыми нужно считаться. Частицы вещества — атомы, молекулы, а также электричес­кие заряды совершают непрерывные хаотические движения, интегральная интенсивность которых характеризуется тер­модинамической температурой Т. Чем интенсивнее движе­ния, называемые флюктуациями, тем выше абсолютная температура Т. Флюктуации создают шумовой эффект, ог­раничивающий точность измерения физических величин. Мощность шума РШ определяется уравнением Найквиста:

,

где f — ширина полосы пропускания прибора. Иногда это выражение дополняется спектральным коэффициентом N, учитывающим дробовый эффект в электронных приборах и другие явления.Тогда

.

Вместо мощности РШ можно рассмотреть энергию шума GШ , причем

Если исходить из того, что энергия полезного сигнала Р × t, где Р — мощность, a t — время измерения, должна быть боль­ше энергии шума, то возможность выполнения измерений на молекулярном уровне будет ограничиваться требованием выполнения неравенства

Р × t GШ .

Используя различия в статистической природе шумов и полезных сигналов, во многих случаях удается преодолеть ограничения, обусловленные законами термодинамики. В частности, не когерентность шума позволяет при многократ­ном измерении, накоплении, оптимальной фильтрации и пу­тем использования других приемов обеспечить выполнение

измерений при отношении .

Принциальные ограничения следующего уровня обуслов­лены дискретностью измеряемых величин (нельзя, например, измерить заряд, меньший заряда электрона) или флюктуация­ми, определяемыми дискретностью вещества и энергии. Точ­ность измерений на этом уровне ограничивается законами квантовой механики.

Формальным отражением выхода на квантовомеханический уровень точности измерений служит появление в ма­тематическом описании факторов, которыми нельзя пренеб­регать, постоянной Планка h = 6,63ּ10 — 34 Дж/Гц. Одним из таких факторов является принцип неопределенности Гейзенберга, связывающий (через постоянную Планка) точность измерения координаты и импульса частицы, времени и энер­гии, а также других пар физических величин. Точность измерений в таких условиях становится предметом разум­ного компромисса.

8.2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТОЧНОСТИ ИЗМЕРЕНИЙ РАСЧЕТНЬМ ПУТЕМ

Потенциальная точность измерений, определяемая на любом уровне развития науки и техники точностью госу­дарственных эталонов, в обиходе недостижима. Поэтому естественно встает вопрос о реально достижимой точности измерений. При решении этого вопроса всегда исходят из анализа конкретной измерительной задачи и стараются, как можно полнее учесть всевозможные ограничения.

Пусть, предположим, apriori известно, что сигнал X(t) на выходе линейного измерительного преобразователя с ко­эффициентом преобразования, равным 1, будет представлять собою смесь полезного сигнала X(t) = Q = const и шумовой помехи N(t) в виде нормального стационарного случайного процесса со средним значением, равным нулю, обусловлен­ной внешними и внутренними влияющими факторами. Воз­можны следующие способы измерения неизвестного значе­ния Q:

усреднение Х (t) по времени (в течение одной реализа­ции);

усреднение Х (t) по множеству значений, относящихся в каждой реализации к одному и тому же моменту вре­мени;

усреднение Х (t) и по множеству, и по времени. Наряду с этим метрологическое обеспечение измерений мо­жет быть организовано по-разному. В одном из вариантов (см. рис. 161, а) информация о размере единицы передает­ся только измерительному преобразователю. В этом слу­чае в сигнал на выходе измерительного преобразователя

может вноситься поправка. Точное значение ее обычно не­известно, что учитывается ситуационной моделью поправ­ки. Усредняющее устройство затем выполняет необходимые математические операции.

Во втором варианте информация о размере единицы пе­редается измерительному прибору в целом, включающему в себя и измерительный преобразователь и усредняющее устройство. Поправка в таком случае вносится при необ­ходимости в показание прибора— рис. 161, б.

Показателем точности служит аналог стандартного откло­нения результата измерения . Выражения для него при­ведены в табл. 50, где — дисперсия шумовой помехи;

аналог среднего квадратического отклонения в ситуа­ционной модели поправки; — интервал корреляции нор­мального стационарного случайного процесса Х (t) ; ТP — дли­тельность реализации того же процесса; п — число реализа­ции. При составлении табл. 50 учтено, что в первом ва­рианте поправка вносится в мгновенные значения X(t) с последующим цифровым усреднением полученного массива. Поправка на неточность дискретного усреднения имеет дисперсию .

Табл. 50 позволяет проанализировать зависимость точ­ности измерений от множества факторов. Так, например, очевидна зависимость точности от объема экспериментальных данных (п, Тр). Ограничение объема экспериментальных дан­ных ограничивает точность измерений. Видна зависимость точности от конструктивных и схемотехнических решений (способа усреднения, значения ). Есть возможность аль­тернативного выбора, а в случае ограничений на выбор — непосредственного расчета точности измерений. Двумя вариантами представлены подходы к метрологическому обеспечению, качество которого определяется значениями и . Весьма наглядна зависимость точности от априорной

ной информации о влияющих факторах ( , ). Если точ­ной информации о параметрах помехи нет, а известен лишь закон распределения их вероятности, то

При р( , ) = р( ) р( ) этот двойной интеграл в каж­дом конкретном случае вычисляется просто.

По табл. 50 в каждом конкретном случае легко найти минимальное значение , т.е. определить максимально воз­можную точность при выбранных условиях и ограничениях.

Подобным образом рассчитывается и анализируется точ­ность измерений и в более сложных случаях, отличающих­ся тем, что приходится учитывать большее количество фак­торов.

Источник

Факторы, влияющие на точность измерений

date image2018-01-21
views image17313

facebook icon vkontakte icon twitter icon odnoklasniki icon

Точность измерений не может быть выше точности воспроизведения единицы государственным первичным или специальным эталоном (по определению). Никакое техническое устройство не может рассматриваться в качестве измерительного прибора, если ему установленным порядком не передана информация о размере единицы. А передача этой информации от государственного эталона всегда сопровождается потерей точности.

Читайте также:  Формула потерь напряжения 12в

Однако, кроме этого, точность измерений зависит от множества других факторов, связанных с измерительным процессом. Рассмотрение этих факторов следует начать с рассмотрения самого понятия «измерительный процесс», под которым понимают весь объем информации, оборудования и операций, относящихся к данному измерению (МОЗМ, МД № 16).

При этом под понятием – «элемент измерительного процесса» понимают любой отдельный фактор, способный повлиять на результат измерений. Такими факторами являются:

— субъект измерения (оператор);

— метод (способ) измерения;

Объект измерения должен быть достаточно изучен и сформирована его модель, степень детализации которой (глубина изучения объекта измерения) должна быть адекватна цели измерения.

Например, при наличии задания — «измерить диаметр вала», можно предположить (составить модель объекта), что сечением вала является круг и провести только одно измерение диаметра, а можно измерить эллиптичность сечения вала. Или, при измерениях площади сельхозугодий обычно пренебрегают кривизной поверхности Земли, чего нельзя делать при определении площади поверхности океанов.

Оператор вносит в измерительный процесс элемент субъективизма, который, по возможности, должен быть уменьшен. Субъективизм оператора зависит от его квалификации, психофизиологического состояния, комфортности (санитарно-гигиенических) условий труда и многого другого. Оператор может оказывать существенное влияние на точность измерений.

Большое значение имеют используемые методы и способы измерений. Очень часто измерения одной и той же величины различными способами и с помощью различных средств измерений дают совершенно различные результаты. Каждый из этих вариантов имеет свои достоинства и свои недостатки и выбор наиболее оптимального (для данной измерительной задачи) является искусством экспериментатора. В таких случаях не может быть готовых решений и рекомендаций.

Практикой измерений накоплен значительный арсенал приемов, позволяющих существенно уменьшить отдельные составляющие погрешности измерений. Целесообразность применения тех или иных приемов определяется по результатам анализа источников возникновения погрешностей и их возможного влияния на конечный результат измерения для каждой конкретной измерительной задачи.

Необходимо отметить и несовершенство самой измерительной процедуры -неточность установки прибора и снятия показаний, конечное время выполнения измерения, в течение которого происходит изменение внешних условий и ряда влияющих факторов, зависимость качества измерения от квалификации оператора и многое другое. Это также влияет на потенциальную точность измерений.

Средства измерений должны выбираться в соответствии с назначением (целью) измерительного процесса и условиями его проведения. Любые средства измерений имеют ограниченную точность, обусловленную наличием проектных, конструктивных и технологических дефектов конструкции прибора, неточности его настройки и регулировки, неточности поддержания режимов работы и т.д., а также вследствие нестабильности параметров элементов и материалов из-за старения, износа и другими причинами.

Кроме того, невозможно создать измерительный прибор, метрологические характеристики которого абсолютно точно соответствовали бы проектным, а определение их экспериментальным путем, в свою очередь, имеет ограниченную точность.

Необходимо также помнить, что в процессе измерения объект и средство измерений вступают во взаимодействие. В процессе этого взаимодействия средство измерений оказывает влияние на объект, проявляющийся в изменении измеряемой величины. Например, подключение амперметра или вольтметра для измерений характеристик электрических сигналов меняет параметры самой контролируемой электрической цепи и, соответственно, вносит погрешность в результат измерений.

В итоге результат измерения оказывается искаженным по сравнению с тем, каким он должен был бы быть, если бы средство измерений не влияло на объект. Как бы ни учитывалось это обстоятельство (а во многих случаях им просто пренебрегают), оно снижает точность результата измерения.

Таким образом, несовершенство средств измерений, некоторая неопределенность их реальных метрологических характеристик и взаимодействие средства измерения с объектом измерения вносят свой вклад в ограничение точности результатов измерений.

Условия проведения измерений, влияющие на точность измерений, включают в себя внешние и внутренние влияющие факторы. Под внутренними понимаются факторы, действующие внутри самого средства измерения. К ним относятся взаимные и паразитные электромагнитные влияния элементов и их соединений друг на друга, тепловыделение, трение, акустическая эмиссия и т.д.

Внешние влияющие факторы включают в себя изменение параметров окружающей среды (температуры, влажности, давления), напряжения в сети питания, наводки от расположенных поблизости электрических, магнитных, электромагнитных гравитационных полей, ускорений и т.п. Исключение, компенсация и учет влияющих факторов в рабочих условиях измерений с помощью функций влияния являются не только наукой, но и искусством.

Условия проведения измерений влияют на все остальные элементы измерительного процесса — на объект измерений, способ и средства измерений, самого оператора. Например, температура окружающей среды может изменить геометрические размеры измеряемой детали или плотность контролируемой жидкости, т. е. изменить саму измеряемую величину. С другой стороны, изменение температуры окружающей среды изменяет характеристики средств измерений (влияет на инструментальную составляющую погрешности измерений) и влияет на физиологические свойства оператора, т.е. на субъективную погрешность измерений.

Все вышеперечисленные факторы, влияющие на точность измерений, учитываются при разработке, стандартизации и аттестации методик выполнения измерений.

Источник