Проверка электромеханических приборов методом сравнения. Лабораторная работа 1 поверка электромеханических приборов методом сравнения
 Скачать 328.33 Kb.
|
|
Сборник лабораторных работ по метрологии ЛАБОРАТОРНАЯ РАБОТА № 1 ПОВЕРКА ЭЛЕКТРОМЕХАНИЧЕСКИХ ПРИБОРОВ МЕТОДОМ СРАВНЕНИЯ 1.1. Цель работы Ознакомиться с основными операциями, методикой поверки элек- тромеханических измерительных приборов, с расчетом погрешностей, присущих этим средствам измерений (СИ) и с критериями, позволяющими судить о пригодности данного СИ. 1.2. Задание 1. Провести внешний осмотр поверяемого прибора и установить при- годность его для поверки. 2. Оценить основные допускаемые погрешности установленных на стенде приборов и дать обоснованное заключение о возможности использования более точного из них в качестве образцового. 3. Собрать схему испытаний (для поверки вольтметра взять схему по рис. 1.1а). 4. Произвести опробование прибора. 5. После прогрева прибора, если прогрев требуется, определить вре- мя успокоения подвижной части поверяемого прибора. 6. Произвести поверку. Данные занести в таблицу (табл. 1.3). 7. Для прибора в учебных целях построить кривую поправок. 8. На основании результатов поверки сделать заключение о пригод- ности прибора к эксплуатации. 1.3. Теоретические положения Электроизмерительные приборы, независимо от того, находятся ли они в работе или хранятся на складе, не сохраняют во времени точность измерений. Нарастание погрешности вызывается воздействием множества факторов. Происходит медленное изменение физических свойств материа- лов, из которых изготовлены электронные и механические узлы приборов. В рабочих и особенно в перегрузочных режимах в приборе накапливаются необратимые изменения. Например, увеличивается утечка р-n переходов электронных компонентов, в механической части притупляются керны, выкрашиваются подпятники, из-за перегрева отжигаются растяжки и пру- жины. Применение приборов, имеющих погрешности, превосходящие до- пускаемые, влечет за собой получение неправильных результатов измере- ний. А это может привести к выпуску недоброкачественной продукции, к 6 Лабораторная работа № 1 порче технологического оборудования, перерасходу материалов, и даже к неправильным научным выводам. Для поддержания точности электроизмерительных приборов их пе- риодически поверяют. Поверкой называется определение метрологиче- ским органом погрешностей средства измерений и установление его пригодности к применению. В зависимости от принадлежности метроло- гического органа различают государственную и ведомственную поверку. Например, в ИГЭУ роль ведомственной метрологической службы выпол- няет отдел главного метролога. Несмотря на быстрый прогресс цифровой техники, электромехани- ческие приборы до сих пор составляют основную массу средств электри- ческих измерений. Сюда входят амперметры, вольтметры, ваттметры, ом- метры, фазометры, счетчики электрической энергии, а также комбиниро- ванные приборы. Разнообразие этих приборов делает невозможным созда- ние единой методики поверки. Однако для большинства приборов подхо- дит методика из ГОСТ-8.497-83 [1]. Поверка, как правило, включает в себя следующие операции: – внешний осмотр прибора; − опробование; − определение влияния наклона на показания прибора; − проверку электрической прочности изоляции; − определение основной погрешности и вариации показаний; − определение величины невозвращения указателя к нулевой отмет- ке шкалы; − определение времени успокоения подвижной части. Условия поверки и подготовка к ней Условия поверки амперметров, вольтметров, ваттметров регламен- тированы ГОСТ 8.497-83. Перечислим наиболее важные из них. Климатические условия проведения поверки и значения частот, при которых она выполняется, приведены в табл. 1.1 и 1.2. Приборы переменного тока, имеющие указатель рода тока ≃, клас- сов точности 0.05; 0.1; 0.2 и 0.5, аттестованные в качестве образцовых, должны быть поверены при двух направлениях постоянного тока при уве- личении и уменьшении показаний. Многодиапазонные приборы допускается поверять на всех числовых отметках шкалы лишь на одном диапазоне измерений. На остальных диа- пазонах достаточно проводить поверку на двух отметках шкалы: на число- вой отметке, соответствующей нормирующему значению шкалы, и число- вой отметке, по которой получена максимальная погрешность на полно- стью поверяемом диапазоне измерений. 7 Сборник лабораторных работ по метрологии Таблица 1.1. Климатические условия проведения поверки Значения для прибора класса Параметр 0.05 – 0.5 1.0 – 5.0 Температура окружающей среды ( 0 С ) 20 ± 2 20 ± 5 Относительная влажность воздуха ( % ) 30 – 80 Атмосферное давление ( кПа ) 84 – 106 Таблица 1.2. Частоты, на которых выполняется поверка приборов переменного тока Способ задания нормальных величин частот Частота Нормальное значение частоты не указано 50 Гц Указан диапазон рабочих частот, включающий 50 Гц 50 Гц Указан диапазон частот от начальной ( ) до конечной ( ), не включающий 50 Гц н f к f k н f f f ⋅ = Образцовый прибор переменного тока с диапазоном частот от н f до к f 50 Гц, k н f f f ⋅ = , н f Приборы с двухсторонней шкалой поверяют на всех числовых от- метках левой и правой частей шкалы. Щитовые приборы перед поверкой прогреваются при номинальной нагрузке в течение 15 минут. Переносные приборы прогревать не следует. Исключение составляют термоэлектрические приборы, которые прогрева- ются при номинальной нагрузке в течение 5 минут, и электронные прибо- ры, время прогрева которых указывается в инструкции по эксплуатации. Указатель поверяемого прибора устанавливают механическим кор- ректором на нулевую отметку шкалы при отключенных цепях тока и на- пряжения. При поверке необходимо исключить влияние на прибор ферромаг- нитных масс, других приборов, внешних магнитных и электрических полей. Если на приборе есть условный знак ( ), указывающий положение прибора в земном магнитном поле, то прибор устанавливают таким образом, чтобы стрелка была направлена по магнитному меридиану. Внешний осмотр Задачей внешнего осмотра является обнаружение дефектов, которые могут привести к ошибкам при измерениях и к быстрой порче приборов. К таким дефектам относятся: − трещины и щели корпуса, через которые внутрь может проникнуть пыль или влага; − непрочное крепление стекла или наличие в нем трещин; 8 Лабораторная работа № 1 − наличие внутри прибора посторонних предметов или отсоединив- шихся деталей (их легко обнаружить на слух при переворачивании прибо- ра); − отклеивание, коробление или загрязнение шкалы; − повреждение зеркальной полоски, служащей для устранения по- грешностей от параллакса; − искривление стрелки прибора; − неисправности зажимов, клемм и переключателей. При внешнем осмотре проверяется также работа корректора, кото- рый должен смещать указатель прибора в обе стороны от отметки механи- ческого нуля на 5% длины шкалы и устанавливать его точно на нуль. При обнаружении любого из перечисленных дефектов в приборе или применяемом совместно с ним измерительном преобразователе прибор признается непригодным к применению и дальнейшей поверке не подле- жит. Требования к точности образцового прибора Отношение пределов допускаемой абсолютной погрешности образ- цовых средств измерений и поверяемых приборов (амперметров, вольт- метров) для каждой поверяемой отметки шкалы должно быть не хуже 1:5 при поверке приборов всех классов точности. Если вариация показаний прибора, аттестованного в качестве образцового, не превышает половины значения его абсолютной погрешности, то допускается отношение 1:3 при поверке амперметров и вольтметров классов точности 0.05 − 0.5 и не менее 1:4 для приборов классов точности 1.0 − 5.0. Наибольшая допускаемая основная приведенная погрешность элек- тромеханического прибора равна его классу точности . Наиболь- шая допускаемая основная абсолютная погрешность доп k γ = доп доп N X 100% γ Δ = ⋅ , (1.1) где – нормирующее значение. Для приборов, у которых 0 в начале шкалы или за пределами шкалы, нормирующее значение равно пределу измерений. Для приборов с двухсторонней шкалой нормирующее значение равно сумме пределов шкалы. N X Наибольшая допускаемая основная относительная погрешность электромеханического прибора может быть выражена через абсолютную или через приведенную доп N доп доп X 100% X X Δ δ = ⋅ = γ , (1.2) где – истинное значение измеряемой величины. Допустимо в данной формуле подставлять показания прибора вместо истинного значения. X 9 Сборник лабораторных работ по метрологии Для цифровых приборов класс точности c/d связан с наибольшей допускаемой основной относительной погрешностью формулой Н доп X c d 1 X ⎛ δ = + − ⎜ ⎝ ⎠ ⎞ ⎟ , (1.3) где и d – числа класса точности , – номинальное значение, равное пределу измерений прибора. c c / d Н X Для цифровых приборов зарубежного производства, как правило, нормируется наибольшая допускаемая абсолютная погрешность, причем для каждого предела измерений в паспорте приводится своя расчетная формула. Она часто сводится к сумме части показаний прибора и нескольких единиц его младшего разряда. Разумеется, перед сравнением допускаемые погрешности образцово- го и поверяемого приборов должны быть выражены в одноименных еди- ницах. Опробование прибора Опробование прибора предназначено для того, чтобы убедиться в том, что измерительный механизм прибора реагирует на изменения изме- ряемой величины. В процессе опробования следует убедиться в отсутствии «затирания» подвижной части. Для этого прибор подключают к источнику образцового сигнала и плавно изменяют значения измеряемой величины от минимального до максимального и обратно. Указатель прибора при этом должен плавно перемещаться вдоль шкалы, без рывков и заеданий. Нали- чие последних указывает на неисправность прибора, делающую его не- пригодным к использованию. В приборах со световым указателем в процессе опробования прове- ряется работа осветительного устройства при всех напряжениях питания. Отсчетная риска на световом пятне должна быть отчетливо видна и долж- на перемещаться параллельно делениям шкалы прибора. Определение влияния наклона Центр тяжести подвижной части прибора должен совпадать с ее осью вращения. Для уравновешивания на подвижной части имеются про- тивовесы, перемещением которых добиваются требуемого положения цен- тра тяжести. Под влиянием разных причин центр тяжести может сместить- ся, что приведет к зависимости показаний от угла наклона. Поэтому у всех приборов, не снабженных уровнем, проверяется влияние наклона на пока- зание приборов. Отклонение прибора на нормированный угол от обозначенного на нем рабочего положения в любом направлении не должно вызывать изме- нение показаний больше, чем на значение предела допускаемой основной погрешности. У приборов с механическим противодействующим моментом 10 Лабораторная работа № 1 определение влияния наклона можно производить только на отметке меха- нического нуля при отключенном приборе. Нормированный угол наклона зависит от конструкции прибора, его класса точности, условий применения. В проверочных лабораториях для создания соответствующих углов наклона имеются шаблоны с углами 1,5 0 , 10 0 , 20 0 , 30 0 и 45 0 Проверка электрической прочности изоляции Испытание электрической прочности изоляции токоведущих частей средств измерений производится в обязательном порядке только при вы- пуске их из производства или ремонта. Изоляция между всеми изолиро- ванными электрическими цепями и корпусом прибора должна в течение одной минуты выдерживать действие испытательного напряжения сину- соидального тока с частотой 50 Гц. Значение этого испытательного на- пряжения и сопротивление изоляции нормируется в зависимости от номи- нального напряжения средства измерения и обычно указывается на лице- вой стороне прибора. Для целого ряда приборов сопротивление изоляции в нормальных условиях должно быть не менее 40 МОм при номинальном напряжении до 1000 В, плюс 20 МОм на каждые последующие полные или неполные 1000 В номинального напряжения. Определение времени успокоения подвижной части прибора Под временем успокоения подвижной части прибора понимается время с момента изменения измеряемой величины до момента, когда отли- чие показания прибора от установившегося его значения не превысит 1% длины шкалы. Для приборов с односторонней шкалой время успокоения определяется при изменении измеряемой величины, вызывающем переме- щение указателя от нулевого показания до геометрической середины шка- лы. Для приборов с двухсторонней шкалой время успокоения определяется после отключения измеряемой величины, вызывавшей отклонение указа- теля до крайней оцифрованной отметки шкалы. Для определения времени успокоения прибор с односторонней шка- лой присоединяют к источнику питания и, плавно повышая измеряемую величину, устанавливают указатель прибора на середину шкалы. Затем, не меняя значение сигнала, прибор отключают, и после успокоения колеба- ний указателя вновь включают, засекая секундомером время успокоения. Характер успокоения может быть апериодическим или колебатель- ным. В первом случае указатель прибора плавно, без колебаний подходит к установившемуся значению. Во втором случае указатель, прежде чем ос- тановиться, совершает одно или несколько колебаний около отметки шка- лы, соответствующей установившемуся положению. Измерения производят не менее трех раз. Среднее арифметическое значение полученных результатов измерения и будет временем успокоения подвижной части. Для приборов термоэлектрической, электростатической 11 Сборник лабораторных работ по метрологии систем и приборов с длиной стрелки более 100 мм время успокоения не должно превышать 6 с, а для остальных приборов максимальное время ус- покоения 4 с. Проведение поверки Для питания поверочной схемы используются специальные стабили- зированные источники тока и напряжения. Некоторые из них, позволяю- щие точно выставлять заданные значения, называются калибраторами. По- казания поверяемых приборов сравниваются либо со значениями, задан- ными на калибраторе, либо с показаниями образцового прибора, изме- ряющего ту же самую величину. ГОСТ 8.497-83 регламентирует методы поверки приборов в зависи- мости от их класса точности. Так, амперметры постоянного тока классов точности 0.1 ÷ 0.5 поверяют с помощью калибратора, а амперметры клас- сов точности 1.0 ÷ 5.0 поверяют методом непосредственного сличения при помощи образцовых амперметров. На переменном токе амперметры клас- сов точности 0.1 ÷ 0.2 поверяют при помощи поверочных установок, а классов точности 0.5 ÷ 4.0 − методом непосредственного сличения с об- разцовыми амперметрами. Основную погрешность и вариацию показаний приборов классов точности 0.05, 0.1 и 0.2 определяют на каждой числовой отметке шкалы. Для приборов классов точности 0.5 и менее точных, а также для приборов с равномерной шкалой, у которых число отметок более 10, допускается определять основную погрешность и вариацию показаний лишь на пяти отметках шкалы, равномерно распределенных по диапазону измерений. В процессе поверки плавно увеличивают показания поверяемого прибора и устанавливают его стрелку поочередно на числовые отметки шкалы . При этом записывают показания образцового прибора Пройдя таким образом всю шкалу, дают небольшую перегрузку так, чтобы стрелка дошла до упора, и начинают плавно уменьшать показания, вновь останавливаясь на каждой числовой отметке и записывая показания образ- цового прибора . Во время опыта необходимо следить за тем, чтобы указатель поверяемого прибора подходил к следующей отметке шкалы плавно и только с одной стороны. При возрастании измеряемой величины – слева, а при убывании – справа. Если указатель случайно перешел за от- метку, то надо вернуться к краю шкалы и снова подойти к отметке с тре- буемой стороны. X восх X нисх X Для каждой оцифрованной отметки шкалы вычисляют три значения абсолютной погрешности: абсолютную погрешность при подходе слева восх восх X X Δ = − , (1.4) при подходе справа 12 Лабораторная работа № 1 нисх нисх X X Δ = − (1.5) и среднюю восх нисх ср 2 Δ + Δ Δ = . (1.6) Поправка к показаниям прибора равна средней погрешности, взятой с противоположным знаком ср П = −Δ . (1.7) Наибольшая относительная погрешность прибора на каждой оциф- рованной отметке шкалы также имеет две оценки: восх восх восх 100% X Δ δ = ⋅ , (1.8) нисх нисх нисх 100% X Δ δ = ⋅ . (1.9) При обычных измерениях, когда надо получить возможно более точ- ный результат, применяют усреднение результатов нескольких измерений, что уменьшает погрешности. При поверке задача обратная – обнаружить максимальные погрешности прибора, поэтому усреднение здесь неумест- но. Надо выбирать наибольшую по модулю из двух получившихся по- грешностей и : восх δ нисх δ восх нисх max( , ) δ = δ δ . (1.10) Именно ее и следует указывать как наибольшую относительную по- грешность поверяемого прибора на данной отметке шкалы. Аналогично в каждой поверяемой точке шкалы вычисляем по два значения приведенной погрешности и выбираем наибольшее из них: восх восх N 100% X Δ γ = ⋅ , (1.11) нисх нисх N 100% X Δ γ = ⋅ , (1.12) восх нисх max( , ) γ = γ γ , (1.13) где − нормирующее значение. N X 13 Сборник лабораторных работ по метрологии Поверяемый прибор соответствует своему классу точности, если приведенная погрешность на поверяемых отметках шкалы не превышает его класса точности . Кроме того, все абсолютные погрешности должны быть меньше допускаемой погрешности, найденной по классу точности: γ k доп доп N X 100% γ Δ = ⋅ , (1.14) где – наибольшая допускаемая приведенная погрешность, равная классу точности . доп γ k Для всех проверяемых отметок шкалы исправного прибора должно соблюдаться условие восх нисх доп max( , ) Δ Δ < Δ . (1.15) При поверке вариация находится как разность действительных зна- чений измеряемой величины при одних и тех же показаниях поверяемого прибора. Абсолютная вариация вычисляется по формуле В восх нис X X Δ = − х , (1.16) а приведенная восх нисх В N N X X В 100% 100% X X − Δ = ⋅ = ⋅ . (1.17) Оформление результатов поверки Результаты поверки приборов классов точности 1.0 ÷ 5.0 оформля- ются протоколом произвольной формы, а классов точности 0.05 ÷ 0.5 – протоколом, в котором приводятся условия поверки, результаты поверки в форме таблицы, указывается специальной строкой наибольшее значение вариации показаний, остаточное отклонение указателя от нулевой отметки шкалы. В учебных целях таблица поверки несколько изменена. В ней введе- ны дополнительные графы. Форма табл. 1.3 для поверки вольтметра при- водится ниже. Для приборов высоких классов точности по данным табл.1.3 строят кривую поправок (рис.1.1). В учебных целях эта кривая в лабораторной работе строится для приборов любых классов точности. 14 Лабораторная работа № 1 Таблица 1.3. Результаты поверки вольтметра Поверяемый прибор Образцовый прибор Абсолютная погрешность Δ Отчеты по шкале, Показания прибора, X восх X нисх X восх Δ нисх Δ ср Δ П δ γ В Деления В В В В В В В % % % 0 Нуль устанавливается корректором 10 20 : : 150 1.4. Описание лабораторной установки ГОСТ 8.497-83 устанавливает основные требования к образцовым средствам измерений и представляет широкие возможности для выбора метода поверки и вида образцовой аппаратуры. Выбор метода поверки и вида образцовых средств измерений для каждой поверочной лаборатории определяется техническими и экономическими факторами. B П 0.15 0.1 0.05 1 2 3 4 5 В U Рис.1.1. Кривая поправок В лаборатории поверка амперметров и вольтметров классов точности 0.5 ÷ 4 проводится методом непосредственного сличения с образцовыми, аналоговыми или цифровыми приборами. Схемы поверки приведены на рис. 1.2. Основными из них являются 1.2 , а и 1.2,б. 15 Сборник лабораторных работ по метрологии а) б) в) г) РИН РИН РИТ РИТ V п V п V 0 V 0 А 0 А 0 А п А п МП 0 МП 0 Рис. 1.2. Схемы поверки Схемы запитаны от регулируемых источников напряжения РИН и регулируемых источников тока РИТ. К источникам РИН и РИТ предъяв- ляются определенные требования, ограничивающие допустимые значения переменной составляющей, коэффициента нелинейных искажений, ста- бильности и плавности регулирования тока и напряжения. На рис. 1.2 образцовые приборы помечены индексом (о), а поверяемые − (п). Применение схем, содержащих масштабные преобразователи МПо в цепи образцовых приборов (рис. 1.2 в, г), менее желательно, однако в ряде случаев позволяет обеспечить поверку широкого круга приборов. Под МПо в данном случае подразумеваются: измерительные трансформаторы, шунты, добавочные сопротивления. 1.5. Требования к отчету Отчет должен содержать: ♦ титульный лист с названием работы и фамилиями студентов; ♦ список оборудования. Указать тип, систему, заводской номер и класс точности каждого прибора; ♦ расчеты, подтверждающие соответствие образцового прибора требова- ниям, предъявляемым к его точности; ♦ схему поверки прибора; ♦ таблицу с опытными и расчетными данными; 16 Лабораторная работа № 1 ♦ расчетные формулы с примерами подстановки чисел; ♦ кривую поправок (зависимость поправок от показаний прибора); ♦ обоснованное заключение о годности или негодности поверяемого при- бора. 1.6. Контрольные вопросы 1. Раскройте содержание понятий: абсолютная погрешность прибора; наибольшая допускаемая основная абсолютная погрешность прибора? 2. Что означают термины: относительная погрешность прибора; наи- большая допускаемая основная относительная погрешность прибора? 3. Объясните содержание понятий: приведенная погрешность прибора; наибольшая допускаемая основная приведенная погрешность прибора? 4. Что означает термин «нормирующее значение» и как это значение оп- ределяется для приборов с односторонней и двухсторонней шкалами? 5. Какое значение имеет выражение «класс точности», напишите фор- мулы для расчета погрешностей приборов через «класс точности». 6. Дайте определение понятию «вариация показаний прибора». 7. Напишите формулы для расчета абсолютной и приведенной вариации. 8. В каком соотношении должны находиться абсолютные погрешности образцового и поверяемого приборов? 9. Как определяется поправка к показаниям прибора? 10. Объясните содержание понятия «кривая поправок». Как с помощью этой кривой уточнить показания прибора? 11. Как определяется время успокоения прибора, каковы его допустимые значения? 12. Какие приборы и сколько времени следует прогревать перед поверкой? 13. Какие приборы поверяют сразу без прогрева? 14. Как по табл.1.3 проверяется соответствие прибора указанному на нем классу точности? 15. Следует ли поверять прибор, имеющий трещину на стекле? 16. Как связаны между собой абсолютные, относительные и приведенные погрешности прибора? 17. С какой целью на шкалах некоторых приборов размещают зеркальную полоску и как ее использовать при поверке? 18. При поверке прибора абсолютная погрешность немного превысила до- пускаемую при подходе к отметке шкалы слева, а при подходе справа была меньше допускаемой. Во всех остальных точках шкалы погрешно- сти меньше допускаемых Можно ли такой прибор признать годным? 19. Можно ли признать годным прибор, имеющий время успокоения под- вижной части 10 секунд? 20. На каких частотах должны поверяться приборы переменного тока, на которых не указано номинальное значение частоты? 17 Сборник лабораторных работ по метрологии 21. Расскажите, какие климатические условия пригодны для поверки при- бора. Найдите на лабораторном стенде термометр и дайте обосно- ванное заключение о соответствии температуры в лаборатории усло- виям поверки. 22. Объясните, чем отличается погрешность измерения от погрешности прибора, которым это измерение выполнено. 23. Объясните, почему можно определить абсолютные и относительные погрешности для прибора и для выполненного им измерения, а вот при- веденную погрешность результата измерения найти нельзя. 24. Расскажите, какие вам известны формы записи классов точности из- мерительных приборов. 25. Расскажите, каким образом определяется нормирующее значение для приборов с нулем в начале шкалы, нулем внутри шкалы и нулем за пре- делами шкалы. 26. С какой целью в отчеты по лабораторным работам следует включать информацию об использованных приборах? 27. Какая погрешность (абсолютная, относительная или приведенная) за- дается классом точности для цифровых приборов, выпущенных в Рос- сии и СССР? 28. Какая погрешность нормируется для цифровых приборов иностранно- го производства? 29. Следует ли поверять прибор, если одна из его клемм шатается? Мож- но ли совместить поверку прибора с его ремонтом? 30. С какой целью в схемах поверки, показанных на рис.1.2, включены мас- штабные преобразователи? 31. Зачем необходимо периодически проводить поверку измерительных приборов? Какие организации должны ею заниматься? 32. Раскройте содержание понятия «истинное значение измеряемой вели- чины». 33. Раскройте содержание понятия «действительное значение измеряе- мой величины». Библиографический список 1. ГОСТ 8.497-83 (СТ СЭВ 1709-79). ГСИ. Амперметры, вольтметры, ваттмет- ры, варметры. Методы и средства поверки. 2. Основы метрологии и электрические измерения /Под ред. Е. М. Душина. - Л.: Энергоатомиздат, 1987. 3. Любимова Л. И., Форсилова И. Д., Шапиро Е. З. Проверка средств электри- ческих измерений: Справ. - Л.: Энергоатомиздат, 1987. 4. Измерения в электронике: Справ. пособие /Под ред. В. А. Кузнецова. - М.: Энергоатомиздат, 1987. 18 |