Лабораторная работа №2. «Оценка точности измерительных приборов»

1. В соответствии с рабочей программой учебной дисциплины ОП.06 «Метрология, стандартизация и сертификация» работа рассчитана на 2 часа.

2. Цель работы:

2.1 Ознакомится с видами, метрологическими характеристиками и погрешностями средств измерений.

2.2 Провести оценку величины абсолютной и относительной погрешности с учетом класса точности прибора.

2.3 Совершенствование навыков работы на ПК с использованием различных программных средств.

3. Теоретические сведения

3.1 Общие сведения о средствах измерений

Средства измерений (СИ) – техническое средство, предназначенное для измерений, имеющее нормированные метрологические характеристики, воспроизводящее и (или) хранящее единицу физической величины, размер которой принимается неизменным в течении известного интервала времени.

В системе единства измерений средства измерений делятся на:

- метрологические, предназначенные для метрологических целей – воспроизведения единицы и (или) хранения или передачи размера единицы рабочим средствам измерения.

- рабочие, применяемые для измерений, не связанных с передачей размера единиц.

Средства измерений, предназначенные для воспроизведения и (или) хранения единиц измерения, поверки и градуировки приборов делятся на эталоны и образцовые средства измерений.

Эталон– средство измерений, которое обеспечивает воспроизведение и (или) хранение единицы физической величины с наивысшей точностью для данного уровня развития вычислительной техники. Эталоны классифицируются в зависимости от назначения. Это назначение предполагает оснащение метрологической службы первичными, специальными, государственными, национальными, международными и вторичными эталонами (рис.3.1).

Рис.3.1 Классификация эталонов

Первичный эталон – эталон, обеспечивающий воспроизведение единицы с наивысшей в стране точностью. Они составляют основу государственной системы обеспечения единства измерений и могут быть специальными, государственными, национальными и международными.

Специальный эталон воспроизводит единицы в особых условиях и в этих особых условиях заменяет первичный эталон.

Первичные и специальные эталоны являются исходными для страны, их утверждают в качестве государственных.

Вторичный эталон – эталон, значение которого устанавливается по первичному эталону, создаются в тех случаях , когда необходимо для организации поверочных работ и обеспечения сохранности и меньшего износа государственного эталона. По назначению вторичные эталоны делятся на: эталоны-свидетели, эталоны-копии, эталоны сравнения, рабочие эталоны.

Эталон-свидетель – служит для проверки и обеспечения сохранности государственного эталона и замены его в случаи порчи и утраты.

Эталон-копия – предназначен для передачи размера единицы рабочим эталонам. Эталон-копия представляет собой копию государственного эталона только по метрологическому назначению.

Эталон сравнения – для взаимного сличения эталонов, которые по тем или иным причинам нельзя непосредственно сравнивать друг с другом (международные).

Рабочие эталоны - предназначены для поверки образцовых и наиболее точных рабочих средств измерений. Рабочие эталоны применяют во многих территориальных метрологических центрах для передачи размеров единиц физических величин от эталонов к рабочим мерам и измерительным приборам.

Широко используемыми в практике измерений являются рабочие средства измерений, к которым относят меры, устройства сравнения, измерительные преобразователи, измерительные приборы, установки и системы.

Мера - средство измерений, предназначенное для воспроизведения или хранения физической величины заданного размера. (Например, кварцевый генератор является мерой частоты электрических колебаний).

Меры могут быть однозначные, воспроизводящие величину одного размера (обычно, это стандартные образцы) и многозначные, воспроизводящие ряд одноименных величин различного размера.(резистор переменного сопротивления, конденсатор переменной емкости).

Набор мер – специально подобранный комплект однотипных элементов, применяемых не только по отдельности, но и в различных сочетаниях для воспроизведения ряда одноименных величин разного размера (магазин мер).

Устройство сравнения (компаратор) – СИ, позволяющее сравнивать друг с другом меры однородных физических величин или показания измерительных приборов.

Измерительный преобразователь - СИ, вырабатывающий сигнал измерительной информации в форме, удобной для передачи, преобразования, обработки и хранения не доступной для пользователя (АЦП, ЦАП).

Измерительный прибор – СИ, предназначенное для выработки определенного вида сигнала измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия пользователя (приборы делят на аналоговые и цифровые).

Измерительная установка – совокупность функционально объединенных мер, измерительных приборов и других устройств, предназначенная для измерения одной или нескольких физических величин, размещенных в одном месте.

Измерительная система – совокупность функционально объединенных мер, измерительных приборов, преобразователей, компьютеров и других технических устройств, размещенных в разных точках контролируемого объекта с целью измерения одной или нескольких физических величин. Измерительные системы условно принято делить на: информационно-измерительные системы (ИИС), измерительно-вычислительные комплексы (ИВК), компьютерно-измерительные системы (КИС) или виртуальные приборы, состоят из ПК и встроенного в него аналого-цифровой платой сбора данных.

3.2 Метрологические характеристики средств измерений

Техническое средство можно использовать для измерений только в том случае, если оно имеет нормированные метрологические характеристики.

Основные метрологические характеристики оценивают пригодность СИ к измерениям в известном диапазоне с известной точностью. На практике используются следующие метрологические характеристики:

· диапазон измерений – область значений измеряемой величины, для которой нормированы допускаемые погрешности измерительного прибора (средства).

· диапазон показаний - размеченная область шкалы измерительного прибора, ограниченная ее начальным и конечным значениями, т.е. указанными на ней наименьшим Х_min и наибольшим Х_max значениями.

· предел измерений – наибольшее или наименьшее значение диапазона измерений.

· шкала измерительного прибора – градуированная совокупность отметок и цифр на отсчетном устройстве СИ, соответствующих ряду последовательных значений измеряемой величины. Различают равномерные и неравномерные шкалы.

· цена деления шкалы – разность значений величин, соответствующим двум соседним отметкам шкалы. Приборы с равномерной шкалой имеют постоянную цену деления, а с неравномерной - переменную.

· чувствительность – отношение изменения сигнала Δ_у на выходе СИ к вызывающему его изменению Δ_х сигнала на входе: S = Δ_у / Δ_x Параметры х и у выражаются в различных единицах (напр. мм и А, градусах и вольтах). Поэтому величину S выражают в (мм/ A; ^o/ B). Чувствительность нельзя путать с порогом чувствительности – наименьшим значением измеряемой величины, способным вызвать заметное изменение показаний прибора.

Основная нормируемая метрологическая характеристика СИ - это погрешность, т.е. разность между показаниями средств измерений и истинными (действительными) значениями физических величин.

Все погрешности в зависимости от внешних условий делятся, но основные и дополнительные.

Основная погрешность (абсолютная, относительная и приведенная) – это погрешность при нормальных условиях эксплуатации. Нормальными условиями являются:

- температура 20 ± 5^◦ С;

- относительная влажность воздуха 65 ± 1,5 % , при t = 20◦ C ;

- напряжение в сети питания 220 В ± 10% с частотой 50 Гц ± 1%;

- атмосферное давление от 97,4 до 104 кПа;

- отсутствие электрических и магнитных полей.

Когда имеется более широкий диапазон влияющих величин, нормируется и дополнительная погрешность СИ.

Класс точности – это обобщенная метрологическая характеристика, определяющая различные свойства средств измерения.

Введение класса точности преследовало цель классификацию средств измерений по точности. Классы точности присваивают средствам измерений при их разработке по результатам государственных приемочных испытаниях.

В настоящее время установлено три вида классов точности СИ:

· для пределов допускаемой абсолютной погрешности в единицах измеряемой величины или делениях шкалы;

· для пределов допускаемой относительной погрешности в виде ряда чисел

δ = ± А · 10ⁿ , где А= 1; 1,5; 2; 2,5; 4; 5; 6; n = 1; 0; -1; -2; … и т.д.;

• для пределов допускаемой приведенной погрешности с тем же рядом γ = ± А ·10ⁿ .

Класс точности средства измерений выраженный через абсолютную погрешность, обозначают прописными буквами латинского алфавита или римскими цифрами, причем, чем дальше буква от начала алфавита, тем больше значение допускаемой абсолютной погрешности. Например СИ класса С более точно, чем класса М.

Наибольшее распространение получило нормирование класса точности по приведенной погрешности: γ= ± А ·10ⁿ = Δ / X_N 100 % , где X_N – нормирующее значение, зависящее от шкалы средств измерений. Если X_N представляется в единицах измеряемой величины, то класс точности обозначается числом, совпадающим с пределом допускаемой приведенной погрешности. Например, класс 1,5 означает, что γ = 1,5 %. Если X_N длина шкалы, то класс 1.5 означает γ = 1,5 % длины шкалы.

Если известен класс точности средства измерения, то из формулы приведенной погрешности γ = Δ / Х_N 100% можно найти максимально допустимое значение абсолютной погрешности (Δ_{СИ доп} ) для всех для всех точек диапазона измерений:

Δ_{СИ доп} = γ_СИ Х_Ν / 100.

Например, при использовании вольтметра со шкалой 0 – 100 В (Х_ном = 100 В) класса точности 1,5 на любой отметке его шкалы основная абсолютная погрешность не превышает значения ΔХ_п ≤ ± К_п Х_ном / 100 = ± 1,5 ∙ 100 / 100 = 1,5 В.

4.Оснащение.Персональные компьютеры. Интернет ресурсы.

R

Рис. 5.1 Схема измерения

Данные показаний и параметры измерительных приборов приведены в таблице 5.1

Таблица 5.1 Показания и параметры измерительных приборов

U_K - конечное значение шкалы вольтметра;

U - показание вольтметра;

K_V – класс точности вольтметра;

I_K - конечное значение шкалы амперметра;

I – показание амперметра

K_i - класс точности амперметра

6. Порядок выполнения работы

6.1 Приведите таблицу 5.2 с данными Вашего варианта.

Таблица 5.2 Результаты

6.2 Используя закон Ома, рассчитайте величину резистора и мощность, выделяемую на резисторе:

R =

Р =

6.3 Определите, исходя из данных приборов, предельную абсолютную погрешность приборов.

Предельная абсолютная погрешность вольтметра: ΔU = K_V ∙ U_K / 100 =

Предельная абсолютная погрешность амперметра: ΔI = K_i ∙ I_K / 100 =

6.4 Определите абсолютную и относительную погрешность косвенного измерения сопротивления резистора R по формулам:

ΔR = ± √ (ΔU / I) ² + (U ∙ΔI / I² )² =

δR = ± √ (ΔU / U) ² + (ΔI / I )² =

6.5 Определите абсолютную и относительную погрешности косвенного измерения мощности, рассеиваемой на резисторе R:

ΔP = ± √ (U ∙ΔI) ² + (I∙ΔU )² =

δР = ± √ (ΔU / U) ² + (ΔI / I )² =

6.6. Сделайте вывод по работе

7. Контрольные вопросы

7.1 Что представляет собой средство измерений?

7.2 По каким признакам классифицируются средства измерений?

7.3 Что такое эталон, мера?

7.4 Дайте определение измерительному прибору.

7.5 На какие виды подразделяются измерительные приборы?

7.6 В чем отличие аналогового измерительного прибора от цифрового?

7.7 Что представляет собой измерительная система? Виды измерительных систем.

7.8 Какие метрологические характеристики описывают погрешность средств измерений? Как их нормируют?

Литература

ОИ - Основные источники учебной литературы:

1. Метрология, стандартизация и сертификация: учебник / А.С., Сигов В.И., Нефедов, В.К. Битюков и др; под ред. А.С. Сигова. – 3-е изд, – М.: ФОРУМ, 2013. – 336 с.

2. Шишмарев В.Ю., Метрология, стандартизация, сертификация и техническое регулирование: учебник для студ. учреждений сред. проф. образования / В.Ю. Шишмарев, - 4-е изд., стер. – М.: Издательский центр «Академия», 2011. – 320 с.

ДИ -Дополнительные источники (печатные издания, электронные ресурсы):

1. Архипова, А.М. Метрология. Стандартизация. Сертификация [Электронный ресурс].: Профессиональный учебник – М.: ЮНИТИ - ДАНА, 2013. – 495 с.

2.www. rostest.ru/termins/ (ФБУ РОСТЕСТ-МОСКВА- официальный сайт, метрология, стандартизация, сертификация).

3.www. metrob. ru/ (Метрология – наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности).

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском по сайту: