Выбор цифрового вольтметра для допускового контроля параметров напряжения постоянного тока

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

федеральное государственное автономное образовательное учреждение

высшего образования

«Северный (Арктический) федеральный университет имени М.В. Ломоносова»

Высшая школа энергетики нефти и газа

КУРСОВАЯ РАБОТА

По дисциплине/междисциплинарному курсу/модулю «Методы и средства измерений, испытаний и контроля»

На тему: «Выбор цифрового вольтметра для допускового контроля параметров напряжения постоянного тока»

Выполнил (-а) обучающийся (-аяся):

Нивина Наталья Валерьевна

Архангельск 2019

Оглавление

• Введение
• 1. Сведения о допусковом контроле и его организации
• 2. Цифровые вольтметры
• 3. Выбор измерительного прибора для допускового контроля параметров
• 3.1 Упрощенный алгоритм выбора СИ для допускового контроля
• 3.2 Ориентировочный выбор вольтметра по его основной допускаемой погрешности
• 3.3 Определение абсолютной основной погрешности для выбираемых приборов
• 3.4 Введение поправки
• 3.5 Определение доверительных границ неисключенной доверительной погрешности результата измерения ?(P)
• 3.6 Представление результатов измерения
• 3.7 Графическое представление пределов основной погрешности прибора и результирующей погрешности измерения18
• 3.8 Обоснование необходимости выбора вновь предлагаемого вольтметра более грубого класса точности и расчет его основной допускающей погрешности
• 4. Описание устройства и работы вольтметра В7-16А
• Заключение
• Список использованных источников
• Приложение
• Введение

Целью курсового проектирования является получение навыков в решении инженерных задач, возникающих при выборе технического средства при организации и проведении измерений, базируясь на полученных знаниях и практических навыках области методов и средств измерений, испытания и контроля.

В процессе выполнения курсового проекта необходимо:

- получить навыки самостоятельной творческой работы в решении инженерных задач по использованию конкретных средств измерений с составлением обоснования их выбора;

• - уметь производить необходимые расчеты оценки погрешностей результата измерения в реальных условиях эксплуатации средств измерений (СИ);

- изучить цифровые методы измерения напряжения и принцип действия цифровых универсальных вольтметров и их составных частей, отличительные характеристики и особенности применения используемых вольтметров.

Предлагаемая работа является примером выбора СИ при выполнении однократного технического измерения в производственных условиях и выбора СИ для допускового контроля параметров.

• 1. Сведения о допусковом контроле и его организации.
• Допусковый контроль-процедура, результатом которой должно быть логическое суждение о принадлежности (непринадлежности) контролируемой величины заранее определенной области значений, заданной границами допуска.[1]
• Зоны допускового контроля:

· ниже допускаемого значения Х ?Хн

· выше допускаемого значения Хв ? Х

· больше нижнего допускаемого значения, но меньше высшего допускаемого значения Хн ? Х?Хв

Выводы допускового контроля:

· не соответствует допусковому значению;

· результат попал в третью зону

· результат попал в первую или вторую зону

· соответствует.

Возможные ситуации:

· принято решение «годен», если контролируемый параметр находится в пределах допускаемых значений;

· принято решение «не соответствует», но действительное значение находится в пределах допуска. Ошибка первого рода;

· Принято решение о годности, но объект таковым не является. [2]

2. Цифровые вольтметры

Универсальные цифровые вольтметры. Предназначены для автоматизированного измерения:

- напряжений постоянного тока;

- напряжений переменного тока;

- сопротивления постоянному току;

- силы постоянного тока.

ЦВ обеспечивают индикацию измеряемой величины в цифровом виде на табло, а также выдачу результатов измерений в виде цифрового кода на специальный разъем. ЦВ обладают высокой точностью измерений, высоким быстродействием, возможностью использования в системах автоматизации и электронно-вычислительной техники. Цифровые вольтметры использованием время - импульсного преобразования являются наиболее простыми по схемному решению и характеризуются малой относительной погрешностью измерения постоянного напряжения. Однако эти вольтметры подвержены влиянию помех, приводящих к значительным погрешностям измерений, достигающим амплитудного значения помехи. Принцип действия цифрового вольтметра с время - с последующим заполнением этого интервала импульсами с известным периодом следования (Тэт = const). Структурная схема ЦВ импульсным преобразованием заключается в преобразовании измеряемого постоянного напряжения в пропорциональный интервал времени путем сравнения U, с напряжением, изменяющимся по линейному закону, с время - импульсным преобразованием изображена на рис. 2.

Во входном устройстве производится выбор масштаба, определение полярности измеряемого напряжения и нормирование его к заданному уровню. Компаратор вырабатывает импульсы в момент равенства линейно падающего и измеряемого напряжений. В исходном состоянии напряжение на выходе генератора линейного напряжения имеет максимальное значение. На рис.1 представлены временные диаграммы, иллюстрирующие принцип действия прибора. [3]

Рис.1 Временные диаграммы, иллюстрирующие принцип действия прибора

Рис. 2 Структурная схема цифрового вольтметра время - импульсного преобразования

3. Выбор измерительного прибора для допускового контроля параметров

3.1 Упрощенный алгоритм выбора СИ для допускового контроля

Выбор средств измерений. Включает следующие операции:

- определение исходных данных;

- определение первоначальной совокупности средств измерений;

- расчет требуемой точности средств измерений;

- выбор конкретного средства измерений из первоначальной совокупности.

Определение исходных данных необходимо для выявления состава характеристик и условий проведения измерений. Исходные данные включают:

-состав измеряемых параметров, диапазоны изменения их значений;

-значения доверительных вероятностей для измеряемых параметров;

-особенности подключения средств измерений к объекту;

-климатические условия.

Перечисленные исходные данные позволяют выявить совокупность средств измерений, из которых будет произведен выбор прибора, необходимого для измерения. После выбора первоначальной совокупности средств измерений необходимо рассчитать требуемые значения точности средств измерений. Требования к точности формулируются следующим образом: предел суммарной погрешности измерений параметра выбранным средством не должен превышать допустимого значения погрешности измерений:

,

где предел суммарной погрешности измерений параметра с помощью выбранного средства измерений;

допустимое значение погрешности результата измерения параметра, указанное в исходных данных.

Рис.3 Блок-схема упрощенного алгоритма выбора СИ для допускового контроля

При определении фактического значения предела суммарной погрешности выбранного средства измерений учитывают ее следующие составные части: основную погрешность, дополнительную погрешность за счет влияния внешних факторов, динамическую погрешность, энергетическую погрешность. В соответствии с ГОСТ 8.009-84 систематическую и случайную составляющие погрешностей этих частей оценивают на основании нормируемых метрологических характеристик средств измерений. Если в технической документации некоторые составляющие погрешности СИ не нормируются, то полагают, что они равны нулю и для средства измерений данного типа несущественны.

Оценивание погрешности результатов прямых однократных измерений проводится при следующих условиях:

- составляющие погрешности результата измерения известны;

- случайные погрешности составляющих распределены нормально;

- неисключенные систематические погрешности распределены равномерно.

До измерения проводится априорная оценка составляющих погрешности с использованием всех доступных данных. При определении доверительных границ погрешности результата измерения доверительная вероятность принимается, как правило, равной 0,90;0,95;0,99. За результат однократного измерения Г принимают значение величины, полученное при отдельном измерении.

Суммарная допускаемая погрешность измерения является функцией трех составляющих:

,

где погрешность средств измерений, рассчитываемая по его метрологическим характеристикам;

погрешность используемого метода измерений;

личная погрешность, вносимая конкретным оператором.

Методические погрешности не указываются в технической документации на средства измерений и должны оцениваться самим экспериментатором при разработке измерительной технологии. Одним из источников методической погрешности является взаимодействие средств измерений и объекта измерений,

Задача выбора средств измерений решается в предположении, что методические и личностные погрешности измерений пренебрежимо малы по сравнению с погрешностью используемых СИ (не превышают 15 % от погрешности средств измерений) и за погрешность результата измерения принимают погрешность используемых средств измерений:

.

Выполняемые однократно технические измерения не позволяют по данным эксперимента разделить случайные и систематические погрешности, поэтому при определении точности результата измерения, как правило, оценивают только границы суммарной инструментальной погрешности средств измерений.

Инструментальная составляющая погрешности определяется основной и дополнительными погрешностями. Основная погрешность обусловлена отличием действительной функции преобразования в нормальных условиях от номинальной функции и является основной погрешностью средства измерений, применяемого в нормальных условиях эксплуатации. Нормальные условия измерений устанавливаются в нормативной документации конкретного средства измерений и характеризуются совокупностью значений или областей значений влияющих величин, при которых изменением результата измерений пренебрегают. Рабочие условия измерений - условия измерений, при которых значения влияющих величин находятся в пределах рабочих областей. Если основная погрешность применяемого средства измерений и его дополнительные погрешности ( ) заданы границами, следует рассматривать эти погрешности как неисключенные систематические. Дополнительные погрешности, обусловленные различными влияющими величинами, считаются соизмеримыми, если они различаются не более чем на 30 %. При измерениях в условиях, отличающихся от нормальных, случайная погрешность средств измерений обычно изменяется мало, и доминирующее значение приобретают дополнительные погрешности. Эти погрешности обусловлены реакцией средств измерений на изменения внешних влияющих величин и неинформативных параметров входного сигнала относительно их номинальных значений. Влияющей называют физическую величину, характеризующую условия выполнения измерений (температура, влажность окружающего воздуха, напряжение питания сети и т.д.). Нормальное значение влияющей величины и ее нормальную область, точностные характеристики (погрешность прибора, нестабильность, порог чувствительности, дрейф нуля и др.) указывают в технических условиях на прибор.

Основная погрешность и все виды дополнительных погрешностей цифровых вольтметров нормируются порознь. В большинстве случаев для цифровых вольтметров нормировано приведенное значение относительной погрешности. Пределы допускаемой дополнительной погрешности устанавливаются в виде дольного (кратного) значения ( ).

В общем случае использования цифрового вольтметра при наличии нескольких неисключенных систематических погрешностей ( ), заданных своими границами, доверительную границу неисключенной доверительной погрешности результата измерения (без учета знака) вычисляют по формуле:

,

где k - поправочный коэффициент, определяемый принятой доверительной вероятностью и числом m составляющих доверительной погрешности результата измерения.

Если число суммирующих составляющих , то при доверительной вероятности Р = 0,90 принимают k = 0,95; при P=0,95 k=1,1; при P=0,99 k=1,45. При m = 4 к?1,4; при m = 3 к ? 1,3; при m = 2 к ?1,2. При этом предполагается, что каждая из составляющих подчиняется равномерному закону распределения. В этом случае плотность распределения результирующей погрешности, состоящей из двух равных составляющих, имеет вид треугольника, а состоящей из двух неравных составляющих - вид трапеции. При наличии трех составляющих плотность распределения результирующей приближенно можно считать нормальной, и при m = 4 ее функция распределения не отличается от нормальной.

В общем случае использования цифрового вольтметра

,

Где предел допускаемой основной погрешности измерения постоянного напряжения цифровым вольтметром;

предел допускаемой дополнительной погрешности вольтметра от изменения температуры окружающей среды на каждые 10 °С;

предел допускаемой дополнительной погрешности вольтметра за счет изменения напряжения питающей сети на 10 %;

предел допускаемой дополнительной погрешности от изменения влажности окружающей среды;

методическая погрешность из-за несоответствия свойств объекта и средства измерения, а именно из-за потребления вольтметром некоторой мощности цепи, напряжение которой он измеряет. При измерении напряжения на нагрузке R_НГ вольтметр включают параллельно нагрузке, при этом часть тока протекает через вольтметр с входным сопротивлением Rv, и напряжение на нагрузке R_НГ уменьшается. Погрешность определяется соотношением между сопротивлением участка цепи и сопротивлением вольтметра Rv. Сопротивление вольтметра известно из технических условий. [3]

1. Определение предела основного допускаемого значения погрешности при доверительной вероятности Р.

1. Определим минимальное значение r, при котором:

При r = 0,35

При r = 0,15

2. Выбираем наименьшее значение и используем его для определения допустимого среднего квадратического значения погрешности измерений:

3. Определим предел допускаемого значения погрешности измерения:

4. Выразим значение в относительной форме

3. Расчет результирующей погрешности измерения и выбор конкретного средства измерения.

1. Определение сопротивления нагрузки цепи.

2. Ориентировочный выбор вольтметра по его основной допускаемой погрешности.

На основе анализа технических характеристик вольтметров рассматриваем применение каждого прибора, который подходит по рабочим условиям для решения конкретной измерительной задачи.

1. Цифровой вольтметр Щ4313.

Напряжение, равное 17,4 В, измеряется в диапазоне 5…50 В.

Полученный результат не удовлетворяет условию , следовательно, прибор не подходит для данных измерений.

2. Цифровой вольтметр В7-16.

Напряжение, равное 17,4 В, может быть измерено в диапазоне 10…100В.

Для времени преобразования 20 мс предел допускаемой основной погрешности:

Для времени преобразования 2 мс предел допускаемой основной погрешности:

Полученный результат полностью удовлетворяет условию

3. Цифровой вольтметр В7-16А.

Напряжение, равное 17,4 В, может быть измерено в диапазоне 10…100 В. Предел допускаемой основной погрешности:

Так как значение существенно меньше, чем , то анализ других составляющих погрешности измерения этого прибора является нецелесообразным по экономическому фактору.

4. Цифровой вольтметр В7-22.

Напряжение, равное 17,4 В, может быть измерено в диапазоне 2…20 В. Предел допускаемой основной погрешности:

Так как значение существенно меньше, чем , то анализ других составляющих погрешности измерения этого прибора является нецелесообразным по экономическому фактору.

5. Цифровой вольтметр В7-27.

Напряжение, равное 17,4 В, может быть измерено в диапазоне 10…100 В.

Полученный результат полностью удовлетворяет условию , следовательно, цифровой вольтметр В7-27 подходит для данных измерений.

6. Цифровой вольтметр Ф203.

Напряжение, равное 17,4 В, может быть измерено в диапазоне 10…100 В.

Полученный результат удовлетворяет условию .

3. Определение абсолютной основной погрешности для выбираемых приборов.

Дополнительная погрешность, вызванная отклонением рабочей температуры( 30єС) от нормальной не превышает половины предела допускаемой основной погрешности на каждые 10єС изменения температуры.

Следовательно,

После подключения вольтметра напряжение изменятся и определяется выражением



В абсолютной форме:

- входное сопротивление вольтметра, Ом

В относительной форме:

4. Введение поправки

Для этой систематической погрешности поправка

.

Исправленное значение показания вольтметра

Для определения погрешности поправки допустим:

измерено с погрешностью ± 50 Ом;

измерено с погрешностью ± 1 кОм.



Предел погрешности поправки

Так как поправка меньше погрешности ее определения, то поправка не вводится.

5. Определение доверительных границ неисключенной доверительной погрешности результата измерения ?(P)

Доверительные границы погрешности (в абсолютной форме) результата измерения

Полученный результат полностью удовлетворяет условию , следовательно, цифровой вольтметр В7-27 выбран правильно.

Доверительные границы погрешности результата измерений:

5. Представление результатов измерения.



7. Графическое представление пределов основной погрешности прибора и результирующей погрешности измерения.

Таблица 1-Зависимость д_осн от U

Ux, В	10	25	40	55	70	85	100
досн, %	1,6	0,7	0,47	0,37	0,31	0,28	0,25

Таблица 2-Зависимость д(Р) от U

Ux, В	10	25	40	55	70	85	100
д(Р), %	1,84	0,93	0,74	0,66	0,63	0,61	0,59

Таблица 3-Зависимость Д(Р) от U

Ux, В	10	100
Д(Р),В	0,19	1,90

Таблица 4-Зависимость Д_осн от U

Ux, В	10	100
Досн ,В	0,16	0,25

Рис. 4 Графики основной погрешности вольтметра д_осн и результирующей погрешности измерения д(Р) в относительной форме представления погрешностей.



Рис. 5 Графики изменения основной погрешности вольтметра ?(Р) и результирующей погрешности измерения ?_осн в абсолютной форме представления погрешностей.

8. Обоснование необходимости выбора вновь предлагаемого вольтметра более грубого класса точности и расчет его основной допускающей погрешности.

Из экономических соображений и правил использования СИ следует выбрать вольтметр более грубого класса точности, так чтобы измеряемое значение находилось в последней трети диапазона вновь предлагаемого вольтметра. Измерение напряжения 17,4 В должно осуществляться в диапазоне выбранного предела измерения от 5 В до 50 В. При расчете предела допускаемой основной погрешности прибора предполагаем, что ему соответствует такое же значение в рабочей точке диапазона, которое было получено ранее, то есть значение 0,96%. Это значение должно определяться по формуле



для верхнего предела диапазона предположим

Из совместного решения этих уравнений получим: d=0.03, c=0.9

В итоге для предлагаемого вольтметра

При использовании этого вольтметра для при получим, что практически не отличается от рассчитанного ранее, поэтому дальнейшие расчеты можно не проводить.

Таблица 5- Зависимость д_осн от U (для вновь предлагаемого вольтметра)

Ux, В	5	20	35	50
досн, %	1,17	0,95	0,92	0,90



Рис.4 Графики основной допускаемой погрешности вольтметра В7-27(а) и вновь предлагаемого вольтметра (б).

4. Описание устройства и работы вольтметра В7-16А

Назначение. Вольтметр универсальный В7-16А предназначен для измерения напряжений постоянного и переменного токов и активного сопротивления при регламентных, ремонтных и регулировочных работах в различных областях электроники. Прибор предназначен для эксплуатации в лабораторных и цеховых условиях. Принцип действия. Цифровой вольтметр В7-16А является сложным измерительным устройством, его функциональные части выполняются на основе элементов электронной техники. Структурная сема В7-16А изображена на рис.6

Напряжение постоянного или переменного тока подается на входные гнезда. Во входном устройстве напряжение постоянного тока приводится с помощью делится к номинальному пределу 1 В и далее поступает на вход усилителя дифференциального (УД). Напряжение переменного тока 20 Гц … 20 кГц приводится к пределу 1В и поступает на преобразователь напряжения переменного тока в напряжение постоянного тока, а затем на вход УД. Напряжение переменного тока частотой 20 кГц … 50 МГц амплитудой до 10 В измеряется с помощью выносного щупа.

Измеряемое активное сопротивление подсоединяется к входным гнездам, которые являются при измерении сопротивлений прямым входом УД. Измерение осуществляется путем преобразования Rx в пропорциональное напряжение постоянного тока Ux. Преобразование осуществляется УД.(рис.5) УД предназначен для обеспечения высокого входного сопротивления вольтметра и преобразования измеряемого сопротивления в напряжение. УД состоит из операционного усилителя, генератора тока и делителя цепи обратной связи R3 - R5.

Операционный усилитель усиливает входной сигнал в два раза. Выходная характеристика усилителя смещена таким образом, что входному постоянному напряжению -1 В соответствует выходное напряжение 0 В, входному напряжению 0 В соответствует выходное напряжение 2 В, входному постоянному напряжению -2 В соответствует выходное напряжение 4 В.

В режиме измерения напряжения выходное напряжение УД определяется по формуле

Uвых = U0 + kUх ,

где Uх-измеряемое напряжение, В;

U0 = 2 В - начальное смещение;

K коэффициент усиления УД.

В режиме измерения активного сопротивления Uвых определяется по формуле

Uвых = (1 + Rx / Rэт) U0,

где Rэт - токозадающее сопротивление, Ом;

Rx - измеряемое сопротивление, Ом.

Соответствующее смещение выходной характеристики УД необходимо для создания условного нуля, относительно которого в блоке компараторов, производится сравнение пилообразного напряжения с выходным напряжением УД. Блок компараторов состоит из сигнального и нулевого компараторов, каждый из которых имеет два входа. На первый вход компараторов подается пилообразное напряжение с генератора пилообразного напряжения. Второй вход нулевого компаратора заземлен. Нулевой компаратор срабатывает в момент равенства нулевого потенциала с пилообразным напряжением. Выходное напряжение УД, связанное с величиной и знаком измеряемого напряжения, поступает на вход сигнального компаратора, который срабатывает в момент равенства измеряемого и пилообразного напряжений.

Интервал времени ф между моментами срабатывания компараторов пропорционален измеряемому напряжению Uх.

Устройство автоматики формирует: импульс длительностью 100, 20 или 1 мс (в зависимости от выбранного времени преобразования), отпирающий устройство логическое; импульсы с частотой 1000 Гц и скважностью 10. используемые для управления работой генератора пилообразного напряжения и компараторов; импульсы запуска распределителя, индикатора полярности и перегрузки; импульсы опроса декад; импульсы сброса и памяти. Работа автоматики, а тем самым и работа вольтметра в целом, синхронизируется от сети.

Сигналы с выхода компаратора поступают на логическое устройство, на которое поступают импульсы от генератора счетных импульсов и импульс цикла от устройства автоматики. На выходе логического устройства формируется последовательность радиоимпульсов длительностью ф, заполненных счетными импульсами.

Радиоимпульсы поступают на счетный блок, включающий в себя четыре декадных делителя с памятью, где происходит подсчет количества импульсов заполнения.

Полярность постоянного напряжения определяется положением триггера полярности индикатора полярности и перегрузки, зависящим от состояния счетного блока счетчика. До начала измерения триггер знака находится в положении, соответствующем индикации на табло отрицательного напряжения при отсутствии импульса переполнения с выхода счетного блока триггер знака перебрасывается в положение, соответствующее индикации положительного напряжения.

При измерении положительного напряжения происходит вторичное заполнение емкости счетчика, в этом случае положение триггера полярности не меняется. При измерении отрицательного напряжения происходит уменьшение пачки счетных импульсов на величину, пропорциональную измеряемому напряжению, в этом случае емкость счетчика недозаполняется и положение триггера полярности меняется. Перезагрузка определяется положением триггера перезагрузки индикатора и перегрузки, зависящим от наличия импульса перезагрузки счетного блока. При превышении измеряемых напряжением предела измерения загорается знак перегрузки «П».

После окончания импульса длительностью 100 мс в блоке автоматики за время обратного хода пилообразного напряжения формируется импульс памяти, предназначенный для переписки информационных счетных триггеров и триггера памяти, и импульс сброса, предназначенный для установления схемы счетного блока в исходное состояние.

Длительность цикла измерения определяется синхронизатором и может регулироваться и в пределах 0,1 … 5 с. [3]

Рис.7 Структурная схема усилителя дифференциального

Технические характеристики вольтметра В7-16А:

- предел допускаемой относительной основной погрешности в зависимости от диапазона измерений:

- выбор поддиапазонов измерения осуществляется ручным способом;

- выбор полярности при измерении постоянного напряжения осуществляется автоматически;

- входное сопротивление прибора не менее 10 МОм;



Рис.8 Схема электрическая структурная вольтметра В7-16А

Таблица 6

- нормальные условия применения прибора: температура окружающего воздуха 20 ± 5 ?С, относительная влажность окружающего воздуха 30...80 %, напряжение питающей сети переменного тока при частоте 50 Гц равно 220 ± 4,4 В;

- прибор предназначен для работы в закрытых отапливаемых помещениях при температуре окружающего воздуха от -10 ?С до +50 ?С и относительной влажности до 95 % при температуре 30 ?С;

- предел допускаемой дополнительной погрешности прибора от изменения температуры окружающей среды на каждые 10 ?С не должен превышать половины предела основной погрешности;

- предел дополнительной погрешности от воздействия повышенной влажности не должен превышать предела основной погрешности;

- питание вольтметра осуществляется от сети переменного тока напряжением (220 ± 22) В;

- габаритные размеры прибора 348 160 425 мм;

- масса прибора не более 10 кг. [3]

измерительный вольтметр погрешность контроль

Заключение

В данном курсовом проекте был произведен выбор измерительного прибора для выполнения однократного технического измерения напряжения постоянного тока. В ходе курсового проекта был выбран вольтметр В7-27, данный прибор обеспечивает измерение с подходящей точностью в заданном диапазоне значений измеряемой величины, при определенных условиях окружающей среды.

Во время выполнения курсового проекта мной были получены навыки в решении инженерных задач, которые возникли при выборе технического средства

Список использованных источников

1. ГОСТ Р 8.731-2010 Государственная система обеспечения единства измерений (ГСИ). Системы допускового контроля. Основные положения

2. Лекции по средствам и методам измерений и контроля.

3. Розова Н.В., Коряковская Н.В. Выбор средств измерений: метод. указания. - Архангельск: АГТУ-, 2007

4. СТО 60-02.2.3-2018. Общие требования и правила оформления. Архангельск: АГТУ-, 2018

Приложение А



Размещено на Allbest.ru