Метрологические основы поверки и калибровки средств измерений

КРАТКИЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ СВЕДЕРИЯ

1. Средства измерений

Средство измерений (СИ) - это техническое средство, предназначенное для измерений, имеющее нормированные метрологические характеристики, воспроизводящее и хранящее единицу физической величины, размер которой принимается неизменным в течение известного интервала времени.

Измерительный прибор (прибор) - СИ, предназначенное для получения значений измеряемой физической величины в установленном диапазоне.

Аналоговые измерительные приборы - приборы, показания которых являются непрерывной функцией изменений измеряемой величины.

Цифровые измерительные приборы - приборы, в которых в процессе измерения осуществляется автоматическое преобразование непрерывной измеряемой величины в дискретную с последующей индикацией результата измерений в цифровой форме в виде числа или кода.

Метрологическая характеристика - характеристика одного из свойств СИ, влияющая на результат измерений и на его погрешность.

Измерительный механизм аналогового прибора - совокупность элементов СИ, которые обеспечивают необходимое перемещение указателя (стрелки, светового пятна и т.д.).

Показывающее устройство - совокупность элементов СИ, которые обеспечивают визуальное восприятие значений измеряемой величины или связанных с ней величин.

Указатель - часть показывающего устройства, положение которой относительно отметок шкалы определяет показания средства измерений.

Шкала - часть показывающего устройства СИ, представляющая собой упорядоченный ряд отметок вместе со связанной с ними нумерацией.

Отметка шкалы - знак на шкале СИ (черточки, зубец, точка и др.), соответствующий некоторому значению физической величины.

Числовая отметка шкалы - отметка шкалы СИ, у которой проставлено число.

Деление шкалы - промежуток между двумя соседними отметками шкалы СИ.

Цена деления шкалы - разность значений величины, соответствующих двум соседним отметкам шкалы СИ.

Длина шкалы - длина линии, проходящей через центры всех самых коротких отметок шкалы СИ и ограниченной начальной и конечной отметками.

Начальное значение шкалы - наименьшее значение измеряемой величины, которое может быть отсчитано по шкале СИ.

Конечное значение шкалы - наибольшее значение измеряемой величины, которое может быть отсчитано по шкале СИ.

Табло прибора - показывающее устройство цифрового измерительного прибора.

Показание - значение величины или число на показывающем устройстве СИ.

Диапазон показаний СИ - область значений шкалы прибора, ограниченная начальным и конечным значениями шкалы.

Диапазон измерений СИ - область значений величины, в пределах которой нормированы допускаемые пределы погрешности СИ. Значения величины, ограничивающие диапазон измерений снизу и сверху (слева и справа), называют соответственно «нижним пределом измерений» или «верхним пределом измерений».

Чувствительность - свойство СИ, определяемое отношением изменения выходного сигнала этого СИ к вызывающему его изменению измеряемой величины. Для показывающего прибора

где ?? - изменение отношения указателя в делениях или миллиметрах шкалы; ?X - изменение измеряемой величины.

Для равномерной шкалы

где N - число делений шкалы; XН - нормирующее значение шкалы прибора.

Порог чувствительности - характеристика СИ в виде наименьшего значения изменения физической величины, начиная с которого может осуществляться ее измерение данным средством.

Порог чувствительности для показывающего прибора - значение величины, соответствующее толщине указателя, для цифрового измерительного прибора -значение единицы величины младшего разряда табло прибора для данного предела измерения.

Градуировочная характеристика СИ - зависимость между значениями величины на входе и выходе СИ, полученное экспериментально. Может быть выражена в виде формулы, графика или таблицы. Для показывающих приборов градуировочная характеристика a = f ( X ) - это уравнение шкалы прибора.

Метрологическая погрешность - состояние СИ, при котором все
нормируемые метрологические характеристики и свойства соответствуют установленным требованиям.

2 Погрешности средств измерений

Погрешность СИ - разность между показанием СИ и истинным (действительным) значением измеряемой величины.

Погрешности СИ:

1 в зависимости от условий возникновения - основные и дополнительные;

2 в зависимости от изменения во времени измеряемой величины - статические и динамические;

3 в зависимости от значения измеряемой величины - аддитивные и мультипликативные;

4 по закономерности проявления - систематические и случайные;

5 по числовому выражению - абсолютные, относительные приведенные. Основная погрешность - погрешность СИ, применяемого в нормальных условиях. Определяется конструкцией измерительного механизма и измерительной цепью прибора.

Дополнительная погрешности - составляющая погрешность СИ, возникающая дополнительно к основной погрешности вследствие отклонения какой-либо из влияющих величин от нормального ее значения или вследствие ее выхода за пределы нормальной области значений.

Статическая погрешность - погрешность СИ, применяемого при измерении физической величины, принимаемой за неизменную.

Динамическая погрешность - погрешность СИ, возникающая при измерении изменяющейся в процессе измерений физической величины.

Аддитивная погрешность - составляющая абсолютной погрешности СИ, остающаяся постоянной во всем диапазоне измерений: ± a.

Мультипликативная погрешность - составляющая абсолютной погрешности СИ, линейно зависящая от значения измеряемой величины: ± b Ч X.

Систематическая погрешность - составляющая погрешности СИ, которая остается постоянной или закономерно изменяется. К систематическим погрешностям относят погрешности градуировки шкалы, погрешности, обусловленные неточностью меры и т.п.

Случайная погрешность - составляющая погрешности СИ, изменяющаяся случайным образом. Случайные погрешности вызываются большим числом отдельных причин, действующих независимо друг от друга, поэтому нельзя заранее предвидеть их появление и исключить опытным путем.

Абсолютная погрешность - погрешность СИ, выраженная в единицах измеряемой величины.

Абсолютная погрешность D есть разность между показанием прибора X и истинным (действительным) значением X_д измеряемой величины

т.е.

Действительное значение - значение физической величины, полученное экспериментально и настолько близкое к истинному значению, что может быть использовано вместо него. Действительное значение может быть получено по показанию эталонного прибора.

Поправка - абсолютная погрешность, взятая с обратным знаком. Поправка есть та величина, которую следует алгебраически прибавить к показанию прибора, чтобы получить действительное значение измеряемой величины.

Относительная погрешность d - погрешность СИ, выраженная отношением абсолютной погрешности D СИ к результату измерений Х или к действительному значению X измеряемой величины. Выражается в процентах.

Класс точности СИ - обобщенная характеристика, отражающая уровень точности СИ, выражаемая пределами допускаемых основной и дополнительных погрешностей, а также другими характеристиками, влияющими на точность.

Класс точности может выражаться одним числом или двумя числами (в виде их отношения).

Если D = ±a, т.е. мультипликативная погрешность отсутствует, абсолютная и приведенная погрешности прибора оказываются постоянными в любой точке шкалы. В этом случае класс точности К - есть максимальное значение основной приведенной (реже относительной) погрешности, выраженной в процентах, т.е.

Зная класс точности, можно рассчитать пределы допускаемой относительной погрешности измерений (в процентах) для любого показания прибора по формуле

где K и X_N - обозначены на циферблате прибора, а X - измеренное значение.

К приборам, у которых класс точности выражается одним числом, относятся электромеханические аналоговые (стрелочные) и самопишущие приборы. Так, для электромеханических амперметров и вольтметров установлены следующие классы точности: 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5; 4,0; 5,0.

Если? ? ?(a ? b ? X ) , т.е. аддитивная и мультипликативная составляющие основной абсолютной погрешности соизмеримы, то класс точности обозначается в виде отношения двух чисел c/d, например, класс точности 0,1/0,05. В этом случае предельное значение основной относительной погрешности (в процентах) определяется по формуле:

где Xk - конечное значение выбранного диапазона измерений; X - измеренное значение; c и d - числа, обозначающие класс точности.

К приборам, класс точности которых выражается двумя числами, относятся цифровые приборы, а так же мосты и компенсаторы.

Вариация показаний - разность показаний прибора в одной и той же точке диапазона измерений при плавном подходе к этой точке со стороны меньших и больших значений измеряемой величины. Главной причиной вариации электромеханических приборов является трение в опорах подвижной части измерительного механизма. Для электронных (цифровых в том числе) приборов вариация - это колебание показаний около среднего (установившегося) значения. Предел допускаемой вариации показаний не должен превышать предела допускаемой основной погрешности.

3. Поверка СИ. Калибровка СИ.

Поверка СИ - установление органом государственной метрологической службы (ГМС) пригодности СИ к применению на основании экспериментально определяемых метрологических характеристик и подтверждения их соответствия установленным обязательным требованиям. Поверке подвергаются СИ, подлежащие государственному метрологическому контролю и надзору.

Калибровка СИ - совокупность операций, устанавливающих соотношение между значением величины, полученным с помощью данного СИ и соответствующим значением величины, определяемым с помощью эталонного прибора с целью определения действительных метрологических характеристик этого СИ.

Результаты калибровки позволяют определить действительные значения измеряемой величины, показываемые СИ или поправки к его показаниям и оценить погрешности этих СИ. При калибровке могут быть определены и другие метрологические характеристики.

Калибровке подвергаются СИ, не подлежащие государственному метрологическому контролю и надзору.

Рабочий эталон - эталон (эталонный прибор), предназначенный для передачи размера единицы рабочим СИ.

Поверка (калибровка) каждого прибора в общем случае разделяется на две части. В первую часть входит осмотр и все испытания, устанавливающие исправность прибора по внешним признакам и исправность изоляции. Во вторую часть - определение погрешностей прибора и других нормированных характеристик.

Поверку (калибровку) электроизмерительных приборов производят при выпуске их из производства или ремонта, при ввозе по импорту и эксплуатации.

Основную погрешность чаще всего определяют путем сравнения показаний испытуемого прибора с показаниями эталонного прибора. Погрешность эталонного прибора по ГОСТ 8711-78 для амперметров и вольтметров не должна превышать 1/5 предела допускаемой основной погрешности испытуемого прибора. Допускается это соотношение 1/3.

Основную погрешность определяют только на числовых отметках шкалы. Конечные значения шкал образцового и поверяемого приборов не должны отличаться более чем на 25 %.

Поверочная схема для СИ - нормативный документ, устанавливающий соподчинение СИ, участвующих в передаче размера единицы от эталона рабочим СИ с указанием методов и погрешности при передаче, утвержденной в установленном порядке.

Государственная поверочная схема - распространяется на все СИ данной физической величины, имеющиеся в стране.

Локальная поверочная схема - распространяется на СИ данной физической величины, применяемые в регионе, отрасли, ведомстве или на отдельном предприятии (в организации).

4. Нормируемые свойства СИ

Время установления показаний и переброс указателя. После включения измерительного прибора в цепь или изменения измеряемой величины подвижная часть измерительного механизма не сразу занимает положение равновесия, а совершает затухающие колебания около него. Чтобы ускорить процесс установления показаний, измерительный механизм снабжается приспособлением - успокоителем, поглощающим кинетическую энергию подвижной части. По конструкции и принципу действия успокоители подразделяются на:

1 воздушные;

2 жидкостные;

3 магнитоиндукционные.

Под временем установления показаний прибора понимается время, прошедшее с момента подключения или изменения измеряемой величины до момента, когда отклонение указателя от установившегося значения не превышает 1,5 % длины шкалы. Время установления показаний для большинства типов показывающих приборов не должно превышать 4 секунды.

Переброс указателя определяется по первому, наибольшему отклонению указателя за положение равновесия. Переброс не должен превышать установившегося отклонения более чем на 20 % длины шкалы.

Собственное потребление мощности приборами. При включении электроизмерительного прибора в цепь, находящуюся под напряжением, прибор потребляет от этой цепи некоторую мощность. В большинстве случаев эта мощность мала с точки зрения экономии электроэнергии. Но при измерении маломощных цепях в результате потребления приборами мощности может измениться режим работы цепи, что приведет к увеличению методической погрешности измерения. Поэтому малое потребление мощности от цепи, в которой осуществляется измерение, является достоинством прибора. Для различных конструкций и систем собственное потребление мощности колеблется в широких пределах от 10-¹² до 15 Вт. Ориентировочные значения для некоторых измерительных приборов:

1. магнитоэлектрической системы, Вт 0,01…2;

2. электромагнитной системы, В-А 0,1…5;

3. электродинамической системы, В-А 0,1…2.

Электронные приборы (цифровые и аналоговые) практически не отбирают мощности из контролируемой цепи - они работают от вспомогательных источников энергии.

Сопротивление изоляции. Недостаточное сопротивление изоляции токоведущих частей может в некоторых случаях привести к заметным погрешностям измерений за счет токов утечки. В соответствии с ГОСТ 22261-94 сопротивление изоляции между корпусом и изолированными электрическими цепями прибора для рабочих напряжений до 500 В должно быть не менее 20 МОм при нормальных условиях эксплуатации.

Влияние частоты. Причины возникновения частотной погрешности у электроизмерительных приборов различных систем разные. Изменение показаний приборов может быть вызвано изменением величины реактивного сопротивления рамки и добавочного резистора, наличием вихревых токов и потерь на гистерезис в металлических деталях измерительного механизма, перераспределением токов в параллельных ветвях измерительной цепи вследствие различия реактивных сопротивлений этих ветвей и т.д.

Отклонение частоты от номинального значения, на которое рассчитан прибор, вызывает изменение показаний, т.е. прибор имеет дополнительную погрешность от частоты. Предел допускаемой дополнительной погрешности приборов переменного тока должен быть равен пределу допускаемой основной погрешности при отклонении частоты на ± 10 % от номинальной. Если на приборе указана номинальная область частот, для которой он предназначен, то в пределах этой области он может иметь только основную погрешность.

Если на приборе указана еще и расширенная область частот, то в пределах этой области прибор может иметь дополнительную погрешность, равную значению максимальной основной погрешности

ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ РАБОТЫ

1. Ознакомиться с приборами, входящими в лабораторную установку. С циферблатов поверяемого и эталонного вольтметров списать все условные обозначения и расшифровать их. Если эталонный вольтметр цифровой, то его метрологические характеристики выписать из справочника [Л. 7.3].

2. Изобразить циферблат поверяемого вольтметра (PV1) и определить следующие показатели:

а) диапазон показаний;

б) диапазон измерений;

в) цену деления шкалы;

г) чувствительность;

д) порог чувствительности для поверяемого PV1 и эталонного PV2 вольтметров).

3. Внешним осмотром поверяемого вольтметра установить исправность корпуса (видимой его части), стекла, циферблата, стрелки, корректора. Корректор должен обеспечить точную установку стрелки в нулевое положение. Отметить в отчете результаты внешнего осмотра.

4. Определение основной погрешности вольтметра PV1

Основная погрешность является главной метрологической характеристикой, определяющей класс точности СИ.

Основная погрешность прибора устанавливается при поверке (калибровке) СИ. Она определяется при нормальных условиях:

а) прибор установлен в нормальное (указанное на циферблате) положение;

б) температура окружающего воздуха равна 20 ± 5° С;

в) ферромагнитные массы и внешние магнитные поля (кроме земного магнитного поля) практически отсутствуют.

Подсоединить эталонный вольтметр PV2 к клеммам 1, 2 установки. Движки R1 и R2 установить в крайнее левое положение. SA1 - выключен.

Включить рубильник стенда. Включить питание PV2 и осуществить его калибровку и установку на нуль последовательно несколько раз. Включить SA1.

Определение максимальной основной погрешности вольтметра осуществляется методом сличения показаний поверяемого прибора с показаниями эталонного прибора. Операция сличения проводится на всех числовых отметках шкалы (кроме нулевой) поверяемого прибора (PV1) при двух направлениях изменения напряжения: первое - при увеличении напряжения от нуля до номинального значения («вверх» по шкале), второе - при уменьшении напряжения от номинального значения до нуля («вниз» по шкале). При соответствующем направлении («вверх» или «вниз») потенциометром R1 (грубо) подводят стрелку поверяемого прибора к числовой отметке, не переходя ее, а затем потенциометром R2 (точно) плавно, без колебаний устанавливают стрелку точно на числовую отметку шкалы. По эталонному прибору (PV2) определяют действительное значение напряжения. Измеренное значение - это значение, соответствующее числовой отметке шкалы поверяемого прибора.

Результаты измерений записать в табл. 5.1.

Абсолютная погрешность

Наибольшая относительная погрешность

где ?max - большая из двух абсолютная погрешность, соответствующая каждой числовой отметке.

Наибольшая нормированная относительная погрешность в процентах

где K - класс точности поверяемого вольтметра, указан на циферблате PV1; U_N - нормирующее значение напряжения, равное верхнему пределу измерения поверяемого вольтметра PV1.

Наибольшая относительная погрешность в процентах эталонного цифрового вольтметра PV2 (в частности для В7 - 16 А с классом точности 0,05/0,05)

где U_k - конечное значение выбранного диапазона измерений PV2.

Наибольшая приведенная погрешность вольтметра PV1

Вариация показаний вольтметраPV1

где U_ВВ и U_ВН - показания эталонного прибора при направлениях «вверх» и «вниз» соответственно.

5. Построить график поправок при возрастании и убывании показаний. Поправка - это абсолютная погрешность, взятая с противоположным знаком,

т.е. П=-

6. Пользуясь определением класса точности и данными таблицы 5.1, сделать вывод о соответствии поверяемого вольтметра своему классу точности.

7. Определение времени установления t_у указателя вольтметра PV1.

Потенциометрами R1 и R2 установить стрелку на числовую отметку, соответствующую примерно 2/3 верхнего предела измерений. Мысленно отметить на шкале по обе стороны от отметки, на которую установлена стрелка. Разомкнуть ключ SA1. Нажать кнопку SB1. При этом одновременно будет подано напряжение на PV1 и включится секундомер РТ1. Когда стрелка вольтметра начнет колебаться, не выходя за мысленно отмеченные на шкале точки, отпустить кнопку SB1. По шкале секундомера отсчитать время установления указателя. Повторить эту операцию три раза и вычислить t_у как среднее арифметическое из трех значений. Время установления не должно превышать четырех секунд.

8. Определение переброса указателя вольтметра PV1.

При заданном в п.7 напряжении U выключить, а затем включить ключ SA1 и заметить значение напряжения U₁ при максимальном отклонении указателя вольтметра PV1.

Переброс e в процентах рассчитать по формуле:

где U_N - нормирующее значение напряжения.

Повторить опыт три раза и определить e как среднее арифметическое из трех значений. Переброс не должен превышать 20 %.

9. Определение сопротивления вольтметра PV1.

С помощью потенциометров R1 и R2 установить на эталонном вольт-метре PV2 напряжение U_N, равное верхнему пределу измерения поверяемого вольтметра PV1. Нажать кнопку SB2 и по показанию PA1 определить ток I поверяемого вольтметра PV1.

Сопротивление вольтметра PV1 вычисляют по формуле:

где I - показание, а R_A - сопротивление миллиамперметра PA1 (указано на циферблате).

Для сравнения R_V экспериментально определить мегаомметром или цифровым вольтметром. Для этого ключ SA1 разомкнуть, а мегаомметр или цифровой вольтметр подключить к клеммам 1, 2 установки.

10. Определение собственной потребляемой мощности поверяемым вольтметром PV1 производится по формуле:

где U_N - верхний предел измерения вольтметра PV1.

11. Измерение сопротивления изоляции между корпусом и изолированными от корпуса электрическими цепями приборов производят мегаомметром с номинальным напряжением, зависящим от величины номинального напряжения испытуемого прибора. Испытание приборов с номинальным напряжением от 100 В до 650 В должно производиться мегаомметром с номинальным напряжением 500 В.

Подсоединить мегаомметр к зажимам 1(+) и 3 (корпус) установки. Вращать ручку мегаомметра с равномерной частотой, примерно равной 120 об/мин.

12. Определение влияния частоты напряжения на показания вольтметров различных систем.

Собрать схему, как показано на рис. 5.1. Привести полные технические характеристики вольтметров PV1, PV2 и PV3, пользуясь обозначениями на циферблатах приборов и справочными данными.

Электронный вольтметр PV1 имеет верхний предел частотного диапазона, равный 5 МГц, что значительно выше, чем у вольтметров PV2 и PV3, поэтому по частотным свойствам вольтметр PV1 принимается за эталонный.



Рис. 5.1

PV1 - электронный вольтметр типа В3-38А; PV2 - электромагнитный вольтметр типа Э59; PV3 - электродинамический вольтметр типа Д566; Г3-33 - генератор сигналов.

При частоте f = 20 Гц, ручкой «Выход» генератора Г3-33 установить по вольтметру PV1 напряжение в пределах 80…100 В. Увеличивать частоту генератора и, поддерживая (ручкой «Выход») по вольтметру PV1 напряжение постоянным, записывать показания вольтметров PV2 и PV3. Шаг D f изменения частоты переменный, он увеличивается с ростом частоты. Всего должно быть проведено не менее 10…15 измерений. Измерения заканчиваются, когда показания вольтметров PV2 и PV3 выйдут за нижний предел измерений. Результаты измерений занести в табл. 5.2

Таблица 5.2

f	lgf	U1 (PV1)	U2 (PV2)	U3 (PV3)
Гц		В	В	В

По данным табл. 5.1 построить на одном графике частотные характеристики вольтметров: U1 = F₁(f); U₂ = F₂(f); U₃ = F₃(f). Частоту f откладывать в логарифмическом масштабе. Указать область рабочих частот вольтметров PV2 и PV3, если максимальное значение дополнительной погрешности от частоты не превышает значения основной погрешности. Сравнить экспериментально полученные частотные диапазоны с нормированными (указаны на циферблатах PV2 и PV3).

Пример построения частотной характеристики вольтметра приведен на рис. 5.2.

Df - расширенная область рабочих частот, полученная экспериментально; D_max - основная абсолютная погрешность.

где k - класс точности; U_N- нормирующее значение шкалы испытуемого вольтметра.

КОНТРОЛЬНЫЕ ВОПРОСЫ

1.В чем разница между эталонными и рабочими средствами измерений?

2.Объясните принцип работы прибора:

а) магнитоэлектрической системы;

б) электромагнитной системы;

в) электродинамической системы.

3.Как определяются диапазон показаний и диапазон измерений прибора?

4.Что такое чувствительность и цена деления прибора?

5.Что такое отсчетное устройство?

6.Какие обозначения должны быть нанесены на циферблате прибора?

7.Какими способами создается противодействующий момент в электромеханических приборах?

8.Как защищают измерительный механизм от внешних полей?

9.Для чего служит корректор и как он действует?

10.Что такое абсолютная, относительная и приведенная погрешности?

11.Что характеризует относительная погрешность?

12.Какие классы точности установлены ГОСТ 8711-78 для амперметров и вольтметров и что означают числовые значения класса точности?

13.Дайте определение термина «вариация» прибора и объясните существо этого явления.

14.Почему о точности прибора судят по приведенным погрешностям, а не по абсолютным или относительным?

15.Опишите способы исключения и учета систематических погрешностей.

16.Как уменьшают влияние случайных погрешностей на результат измерения?

17.Что такое погрешности метода измерения?

18.Дайте определение основной и дополнительной погрешности. По каким погрешностям определяется класс точности прибора?

19.Что представляет собой собственное потребление мощности прибором?

20.Что такое «время установления показаний» и «переброс указателя» прибора и как они определяются?

21. Объясните причины появления частотной погрешности у приборов различных систем.

Литература

Тартаковский Д.Ф. Метрология, стандартизация и технические измерения [Текст] : учеб. для вузов / Д.Ф. Тартаковский, А.С. Ястребов.- М. : Высшая школа, 2001.-205 с.

Тартаковский Д.Ф., Ястребов А.С. Метрология, стандартизация и технические средства измерений: Учеб. - М.: Высш. шк., 2001, 205 с.

Красных А.А., Епифанов С.Н. Метрология, стандартизация и сертификация. Учебн. пособие. ВятГУ, 2001.

Епифанов С.Н., Красных А.А. Электроизмерительные приборы. Справочно-методическое пособие. ВятГУ, 1997.

Размещено на Allbest.ru