Разработка методики измерений частоты на осциолограффе С1-72

Рисунок 15- устройство УФУ

Пренебрегая в формуле (16) погрешностью ?tд , получаем, что число импульсов в пакете Nx = T0 / Tx = T0fx и, следовательно, измеряемая частота пропорциональна числу счетных импульсов, поступающих на счетчик:

fx= Nx / T0 (17),

Для формирования строб-импульса на устройство УФУ поступают короткие импульсы с периодом T0 (на рисунке 15 для упрощения не показаны) от схемы, включающей кварцевый генератор (КГ) образцовой частоты fкв и декадный делитель частоты (ДДЧ) следования импульсов с коэффициентом деления Кд (каждая декада уменьшает частоту fкв в десять раз). Период импульсов на выходе декадного делителя частоты и длительность строб-импульса равны периоду сигнала на выходе делителя частоты, т.е. T0 = Кд / fкв. Поэтому выражение (10.5) удобнее представить в виде

fx = Nx fкв / Кд (18),

Отношение fкв / Кд можно дискретно изменять вариацией Кд , т.е. за счет изменения числа декад декадного делителя частоты.

Счетчик подсчитывает число импульсов Nx и выдает соответствующий код в цифровое отсчетное устройство (ЦОУ). Отношение fкв/Кд выбирается равным 10n Гц, где п -- целое число. При этом ЦОУ отображает число Nx , соответствующее измеряемой частоте fx в выбранных единицах. Например, если за счет изменения Кд выбран коэффициент п = 6, то число Nx , отображаемое на ЦОУ, соответствует частоте fx, выраженной в МГц. Перед началом измерений УФУ сбрасывает показания счетчика в нуль.

Погрешность измерения частоты fx этим методом имеет систематическую и случайную составляющие.

Систематическая составляющая погрешности измерения вызывается в основном долговременной нестабильностью частоты кварцевого генератора fкв.

Ее уменьшают путем термостатирования кварца или за счет применения в кварцевом генераторе элементов с термокомпенсацией. При этом относительное изменение частоты fкв за сутки обычно не выше

дкв= 5.10 -9. (19),

Погрешность измерения за счет неточности установки номинального значения частоты fкв уменьшается калибровкой кварцевого генератора по сигналам эталонных значений частоты, передаваемых по радио или с помощью перевозимых квантовых стандартов частоты. Относительная погрешность калибровки кварцевого генератора не превосходит (1...5)10 -10.

Очень часто требуемая стабильность частоты обеспечивается введением в схему кварцевого генератора системы фазовой автоподстройки (ФАПЧ).

Случайная составляющая погрешности измерения определяется погрешностью дискретизации

?tд = ?tн - ?tk . (20),

Поскольку взаимная синхронизация строб-импульса и счетных импульсов отсутствует, погрешности ?tн и ?tk , определяющие на рис. 22 положение начала и конца строб-импульса между соседними двумя счетными импульсами, могут принимать во времени с одинаковой вероятностью значения от нуля до Т0. Поэтому погрешности ?tн и ?tk являются случайными и распределены по равномерному закону. Вследствие независимости этих погрешностей общая погрешность дискретизации ?tд распределена по треугольному закону с предельными значениями ± Т0.

Максимальную погрешность дискретизации начала и конца интервала времени счета Т0, т. е. ?tд = ± Т0, удобно учитывать через эквивалентное случайное изменение числа счетных импульсов Nx на ± 1 импульс. При этом максимальная абсолютная погрешность дискретизации может быть определена разностью значений частоты fx, получаемой по формулам (10.4) или (10.5) при Nx ± 1; в этом случае ?fx = ± 1/Т0. Соответствующая максимальная относительная погрешность измерения:

д = ?fx/ fx = ±1/ Nx =± 1/ (Т0 fx). (21),

Суммарная относительная погрешность измерения частоты цифрового частотомера нормируется в процентах и определяется величиной

дx = ±? (22),

Отсюда следует, что суммарная относительная погрешность измерения из-за погрешности дискретизации увеличивается по мере уменьшения измеряемой частоты fx. При достаточно малой частоте fx она может превзойти допустимое значение даже при максимальном времени счета Т0, которое в цифровых частотомерах обычно не превышает 1 или 10 с. В этом случае целесообразно измерить период Тх = 1/ fx , а затем вычислить искомую частоту fx

Для уменьшения влияния погрешности дискретизации на результат измерения частоты fx можно провести ее многократные наблюдения, а затем выполнить их статистическую обработку.

Диапазон измеряемых частот цифровых частотомеров ограничен снизу погрешностью дискретизации, а сверху -- конечным быстродействием используемых счетчиков и делителей частоты. Верхний предел измерения частоты достигает 500 МГц, и его расширяют способом гетеродинного преобразования (переноса) измеряемой частоты в область более низких частот. Один из способов такого преобразования рассмотрен в предыдущем разделе.

Необходимо отметить, что в структурную и принципиальную схемы цифрового частотомера обязательно включают схемы автоматической регулировки усиления (АРУ) и подавления внешних помех. При малом уровне входного сигнала (ниже милливольта) измерения прекращаются и показания счетчика сбрасываются на нуль. В устройстве предусмотрены также меры защиты от перегрузок.

В современных цифровых частотомерах широко применяются кварцевые синтезаторы частот, создающие сигналы с дискретной сеткой частот. Цифровые частотомеры с программно-управляемыми синтезаторами частот и микропроцессорами являются перспективными измерительными приборами благодаря высокой точности, широкому диапазону измеряемых частот, надежности и удобству включения в автоматизированные измерительные системы.

5. Методика измерений

Методика (метод) измерений - совокупность конкретно описанных операций, выполнение которых обеспечивает получение результатов измерений с установленными показателями точности.

Аттестация методик измерений - исследование и подтверждение соответствия методик измерений установленным метрологическим требованиям к измерениям.

Метрологическая экспертиза методик измерений - анализ и оценка выбора методов и средств измерений, операций и правил проведения измерений, а также обработки их результатов в целях установления соответствия методики измерений предъявленным к ней метрологическим требованиям.

Показатель точности измерений - установленная характеристика точности любого результата измерений, полученного при соблюдении требований и правил данной методики измерений. В качестве показателя точности методики измерений могут быть использованы характеристики погрешности измерений, показатели неопределенности измерений, показатели точности по ГОСТ Р ИСО 5721-1.

Арбитражная методика измерений - методика измерений, применяемая при возникновении разногласий относительно результатов измерений, полученных с использованием нескольких аттестованных методик измерений одной и той же величины в одних и тех же условиях, установленная компетентным федеральным органом исполнительной власти или соглашением заинтересованных сторон.

5.1 Общие положения

1. Методики измерений разрабатывают  и применяют с целью обеспечить  выполнение измерений с требуемой  точностью.

2. Методики измерений в зависимости  от сложности и области применения  излагают:

- в отдельном документе (нормативном  правовом документе, документе в  области стандартизации, инструкции  и т.п.);

- в разделе или части документа (разделе документа в области  стандартизации, технических условий, конструкторского или технологического  документа и т.п.).

3. Документы, предназначенные для  применения в сфере государственного  регулирования обеспечения единства  измерений и содержащие методики  измерений (стандарты, технические  условия, конструкторские, технологические  документы и т.п.), должны включать  в себя сведения об аттестации  методик измерений, а также сведения  о наличии их в Федеральном  информационном фонде по обеспечению  единства измерений.

Методики, включенные в проекты нормативных правовых актов и документов в области стандартизации, подлежат обязательной метрологической экспертизе, которую проводят государственные научные метрологические институты.

4. Аттестация методик измерений, применяемых вне сферы государственного  регулирования обеспечения единства  измерений, может быть проведена  в добровольном порядке в соответствии  с настоящим стандартом.

5.2 Разработка методик измерений

1 Разработку методик измерений  осуществляют на основе исходных  данных, которые могут быть приведены  в техническом задании, технических  условиях и других документах.

2. К исходным данным относится  следующее:

- область применения (объект измерений, в том числе наименование продукции  и контролируемых параметров, а  также область использования - для  одного предприятия, для сети  лабораторий и т.п.);

- если методика измерений может  быть использована для оценки  соответствия требованиям, установленным  техническим регламентом, то в  документе на методику измерений  указывают наименование технического  регламента, номер пункта, устанавливающего  требования (при необходимости и  наименование национального стандарта  или свода правил), а также указывают, войдет ли документ, в котором  изложена методика измерений, в  перечень национальных стандартов, содержащих правила и методы  исследований (испытаний) и измерений [либо в состав правил и методов исследований (испытаний) и измерений], в том числе правила отбора образцов, необходимые для применения и исполнения технического регламента и осуществления оценки соответствия;

- наименование измеряемой величины  в единицах величин, допущенных  к применению в Российской  Федерации;

- требования к показателям точности  измерений; -требования к условиям выполнения измерений;

- характеристики объекта измерений, если они могут влиять на  точность измерений (выходное сопротивление, жесткость в месте контакта  с датчиком, состав пробы и  т.п.);

- при необходимости другие требования  к методике измерений.

3. Требования к точности измерений  приводят путем задания показателей  точности и ссылки на документы, в которых эти значения установлены.

При описании требований к выражению погрешности и неопределенности измерений, выполненных с использованием теории шкал, применяют положения рекомендаций с учетом особенностей конкретных шкал измерений.

4. Методики измерений должны  обеспечивать требуемую точность  оценки показателей, подлежащих  допусковому контролю, с учетом  допусков на эти показатели, установленных  в документах по стандартизации  или других нормативных документах, а также допустимых характеристик  достоверности контроля и характера  распределения контролируемых показателей.

5. Условия измерений задают в  виде номинальных значений с  допускаемыми отклонениями и (или) границ диапазонов возможных  значений влияющих величин. При  необходимости указывают предельные  скорости изменений или другие  характеристики влияющих величин, а также ограничения на продолжительность  измерений, число параллельных определений  и т.п. данные.

6. Если измерения предполагают  выполнять с использованием измерительных  систем, для которых средства  измерений, входящие в состав  измерительных каналов, пространственно удалены друг от друга, то условия измерений указывают для мест расположения всех средств измерений, входящих в измерительную систему.

7. Разработка методик измерений, как правило, включает в себя  следующее:

- формулирование измерительной  задачи и описание измеряемой  величины; предварительный отбор  возможных методов решения измерительной  задачи;

- выбор метода и средств измерений (в том числе стандартных образцов), вспомогательных устройств, материалов  и реактивов;

- установление последовательности  и содержания операций при  подготовке и выполнении измерений, включая требования по обеспечению  безопасности труда и экологической  безопасности и требования к  квалификации операторов;

- организацию и проведение теоретических  и экспериментальных исследований  по оценке показателей точности  разработанной методики измерений; экспериментальное опробование  методик измерений; анализ соответствия  показателей точности исходным  требованиям;

- обработку промежуточных результатов  измерений и вычисление окончательных  результатов, полученных с помощью  данной методики измерений;

- разработку процедур и установление  нормативов контроля точности получаемых результатов измерений;

- разработку проекта документа  на методику измерений;

- аттестацию методик измерений;

- утверждение и регистрацию  документа на методику измерений, оформление свидетельства об  аттестации;

- передачу сведений об аттестованных  методиках измерений в Федеральный  информационный фонд по обеспечению  единства измерений.

8. Методы и средства измерений  выбирают в соответствии с  документами, относящимися к выбору  методов и средств измерений  данного вида, а при отсутствии  таких документов - в соответствии  с общими рекомендациями.

Если методика измерений предназначена для использования в сфере государственного регулирования обеспечения единства измерений, то средства измерений, стандартные образцы, испытательное оборудование должны быть метрологически обеспечены в системе измерений Российской Федерации.

Требования к точности измерений устанавливают с учетом всех составляющих погрешности (методической, инструментальной, вносимой оператором, возникающей при отборе и приготовлении пробы).

Если полученное значение погрешности измерений выходит за заданные пределы, то погрешность измерений может быть уменьшена в соответствии с рекомендациями.