Примеры взаимодействия датчиков с объектом измерений

Объект измерения - электрическая цепь. Измерению подлежит параметр этой цепи, а именно, постоянное напряжение на ее участке, сопротивление которого равно  (см. рис. 7 а). Эквивалентное сопротивление остальной части цепи равно .  Истинное значение измеряемого напряжения, которое было на сопротивлении  до подключения вольтметра, равно . Средство измерений - стрелочный вольтметр, собственное сопротивление которого указано в его технической документации. Для расчета эффекта, производимого взаимодействием, будем считать, что инструментальная погрешность вольтметра равна нулю.

           ,           ,

           .

В этих формулах - напряжение, которое образуется после подключения вольтметра и оказывается меньше исходного истинного напряжения в силу шунтирования этого участка цепи сопротивлением вольтметра, общий ток в цепи увеличивается на значение тока, потребляемого вольтметром, и тем самым объект измерений изменяется. В результате этого влияния возникает систематическая погрешность, обозначенная здесь через DU. По отношению к результату измерения эта погрешность вычисляется по формуле

.

Умножив числитель и знаменатель полученного выражения на , увидим, что относительная погрешность, вызванная взаимодействием вольтметра и цепи, равна отношению энергий, то есть частному от деления энергии, потребляемой вольтметром, на энергию, рассеиваемую объектом:

                   ,

где  - сопротивление, “видимое” со стороны вольтметра и равное сопротивлению, образованному параллельным соединением сопротивления нагрузки  и сопротивления цепи .

В данном случае эта погрешность может быть почти полностью исключена путем введения поправки. Остаточная погрешность будет определяться точностью, с которой известны значения величин, входящих в выражение для DU.

В соответствии с определением, приведенным в п. 1.2, сопротивление вольтметра  есть одна из его метрологических характеристик, поскольку оказывает влияние на погрешность результата измерений.

Объект измерения - хорошо перемешиваемая жидкость в сосуде (рис. 7 б).

Измерению подлежит параметр объекта: температура жидкости. Масса жидкости , удельная теплоемкость , истинная температура . Средство

измерений - ртутный термометр, который будем считать абсолютно точным. Его масса , удельная теплоемкость погружаемой части . Собственная температура термометра до его погружения в жидкость равна , ее значение может быть считано со шкалы. Считаем, что теплообмена с внешней средой нет. В таком случае общее количество теплоты сохраняется неизменным, и уравнение теплового баланса имеет вид:

                     ,

где  - установившаяся температура жидкости, а, следовательно, погружаемой части термометра и результат измерения.

Понятно, что если температура термометра была ниже истинной температуры жидкости, температура жидкости снизится и наоборот, поднимется в противном случае. В результате такого взаимодействия термометра с объектом (жидкостью) возникает систематическая погрешность

                     .

По отношению к результату измерения эта погрешность вычисляется по формуле

,

то есть относительная погрешность измерения температуры, вызванная взаимодействием средства измерений с объектом, равна частному от деления количества теплоты (то есть энергии), необходимой для нагревания (или охлаждения) термометра до измеряемой температуры, на количество общей теплоты, содержащейся в объекте и термометре.

В данном случае эта погрешность систематическая и может быть почти полностью исключена путем введения поправки. Неисключенный остаток погрешности будет определяться точностью, с которой известны величины, входящие в формулу для .

В соответствии с определением, приведенным в п. 1.2, масса и теплоемкость погружаемой части ртутного термометра являются его метрологическими характеристиками, поскольку оказывают влияние на погрешность результата измерений.

Объект измерения - цилиндр двигателя внутреннего сгорания  (рис. 7 в). Параметр, подлежащий измерению, - давление газов внутри цилиндра. Присоединение датчика  Д с помощью трубки приводит к увеличению объема камеры сгорания и тем самым - к изменению объекта. Погрешность, возникающая при этом взаимодействии датчика с объектом, будет систематической.

Объект измерения - трубопровод с потоком жидкости или газа (рис. 7 г, д). Параметр, подлежащий измерению - давление транспортируемого вещества. В одном случае (рис. 7 г) погрешность, вызванная нежелательным взаимодействием,  будет отрицательной, в другом (рис. 7 д) - положительной.

Объект измерения - механическая конструкция. Параметр, подлежащий измерению - деформация участка конструкции. Средство измерений (датчик) - проволочный тензорезистор. Принцип действия - изменение сопротивления проволоки, из которой изготовлен датчик, при его деформации в пределах упругости. Для передачи деформации от объекта к датчику он приклеивается к объекту специальным неэластичным клеем (рис. 7 е). Погрешность от взаимодействия будет вызвана следующими обстоятельствами:

- неудовлетворительным качеством приклеивания датчика,

- увеличением жесткости объекта за счет приклеивания к нему датчика,

- неточным позиционированием датчика в направлении измеряемой деформации.

Погрешность, возникающая при этом взаимодействии датчика с объектом, будет систематической, отрицательной.

Объект измерения - транспортное средство, механическая конструкция, строительное сооружение. Параметр, подлежащий измерению - ускорение вибраций в заданной точке. Средство измерений - датчик ускорения, жестко устанавливаемый на объекте (рис. 7 ж). Погрешность  будет вызвана следующими обстоятельствами:

- недостаточная жесткость крепления датчика к объекту, вследствие чего ускорение виброперемещений объекта передается к датчику не полностью,

- увеличением массы объекта на величину массы датчика, вследствие чего изменяется частота собственных колебаний объекта и амплитуда виброускорений,

- неточным позиционированием датчика в направлении измеряемых ускорений.

Для ограничения разброса жесткости крепления датчика ускорений к объекту в технической документации на подобные датчики должно сообщаться значение усилия завинчивания крепящих винтов (при винтовом креплении). Обеспечение заданного усилия крепления датчика осуществляется за счет применения динамометра либо ключей, снабженных устройством дозирования усилия.

Для оценки степени влияния массы датчика на объект измерений в технической документации должно быть приведено значение массы датчика с указанием пределов допускаемых отклонений от номинального значения, как одной из метрологических характеристик, обусловливающих степень взаимодействия с объектом и соответствующую погрешность.