Методические указания к лабораторной работе Классификация СИ. Методические указания к лабораторной работе классификация средств измерений и нормируемые метрологические характеристики
 Скачать 253.27 Kb.
|
|
МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЕ «КЛАССИФИКАЦИЯ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ И НОРМИРУЕМЫЕ МЕТРОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ» Томский политехнический университет 2019 2 Классификация средств измерений и нормируемые метрологи- ческие характеристики 1.1 Основные понятия и определения В соответствии с РМГ 29 [1] средство измерений – это техниче- ское средство, предназначенное для измерений, имеющее нормирован- ные метрологические характеристики, воспроизводящее и (или) храня- щее единицу физической величины, размер которой принимают неиз- менным (в пределах установленной погрешности) в течение известного интервала времени. Средства измерений (СИ), используемые в различных областях науки и техники, чрезвычайно разнообразны. Однако для этого множе- ства можно выделить некоторые общие признаки, присущие всем СИ независимо от области применения. Эти признаки положены в основу различных классификаций СИ, некоторые из них приведены далее. Классификация СИ по роли в процессе измерения и выполняе- мым функциям является основной и представлена на рисунке 1.1. Рис. 1.1 По роли в процессе измерения и выполняемым функциям средства измерений подразделяют на следующие виды: меры, измери- Средства измерений Элементарные Комплексные Измерительные преобразовате- ли Устройства сравнения (компарато- ры) Меры Измеритель- ные приборы Измери- тельные системы Измеритель- ные установки Однозначные Многознач- ные Наборы мер Магазины мер Цифро- аналоговый Аналого- цифровой Аналоговый Аналоговые Цифровые Регистрирующие Показывающие 3 тельные приборы, измерительные преобразователи, измерительные уста- новки, измерительные системы. Мера: Средство измерений, предназначенное для воспроизведения и (или) хранения физической величины одного или нескольких заданных размеров, значения которых выражены в установленных единицах и из- вестны с необходимой точностью. Различают следующие разновидности мер: - однозначная мера — мера, воспроизводящая физическую вели- чину одного размера (например, гиря 1 кг, конденсатор постоянной ем- кости); - многозначная мера — мера, воспроизводящая физическую ве- личину разных размеров (например, штриховая мера длины, конденса- тор переменной емкости); - набор мер — комплект мер разного размера одной и той же фи- зической величины, предназначенных для применения на практике, как в отдельности, так и в различных сочетаниях (например, набор конце- вых мер длины); - магазин мер — набор мер, конструктивно объединенных в еди- ное устройство, в котором имеются приспособления для их соединения в различных комбинациях (например, магазин электрических сопротив- лений). Измерительный прибор: Средство измерений, предназначенное для получения значений измеряемой физической величины в установ- ленном диапазоне. Измерительный прибор, как правило, содержит устройство для преобразования измеряемой величины в сигнал измери- тельной информации и его индексации в форме, наиболее доступной для восприятия. Во многих случаях устройство для индикации имеет шкалу со стрелкой или другим устройством, диаграмму с пером или цифровое табло, благодаря которым может быть произведен отсчет или регистрация значений физической величины. В зависимости от вида выходной величины различают аналого- вые и цифровые измерительные приборы. Аналоговый измерительный прибор – это измерительный при- бор, показания (или выходной сигнал) которого являются непрерывной функцией измеряемой величины (например, стрелочный вольтметр, стеклянный ртутный термометр). Цифровой измерительный прибор – это измерительный прибор, показания которого представлены в цифровой форме. В цифровом приборе происходит преобразование входного анало- гового сигнала измерительной информации в цифровой код, и результат измерения отражается на цифровом табло. 4 По форме представления выходной величины (по способу инди- кации значений измеряемой величины) измерительные приборы разде- ляют на показывающие и регистрирующие измерительные прибо- ры. Показывающий измерительный прибор – измерительный при- бор, допускающий только отсчитывание показаний значений измеряе- мой величины (микрометр, аналоговый или цифровой вольтметр). Регистрирующий измерительный прибор – измерительный прибор, в котором предусмотрена регистрация показаний. Регистрация значений измеряемой величины может осуществляться в аналоговой или цифровой форме, в виде диаграммы, путем печатания на бумажной или магнитной ленте (термограф или, например, измерительный при- бор, сопряженный с компьютером, дисплеем и устройством для печата- ния показаний). Измерительный преобразователь: Техническое средство с нор- мативными метрологическими характеристиками, служащее для преоб- разования измеряемой величины в другую величину или измерительный сигнал, удобный для обработки, хранения, дальнейших преобразований, индикации или передачи. Полученные в результате преобразования ве- личина или измерительный сигнал, не доступны для непосредственного восприятия наблюдателем, они определяются через коэффициент пре- образования. Измерительный преобразователь или входит в состав какого-либо измерительного прибора (измерительной установки, измерительной си- стемы), или же применяется вместе с каким-либо средством измерений. Измерительная установка: Совокупность функционально объ- единенных мер, измерительных приборов, измерительных преобразова- телей и других устройств, предназначенная для измерений одной или нескольких физических величин и расположенная в одном месте. Измерительная система: Совокупность функционально объеди- ненных мер, измерительных приборов, измерительных преобразовате- лей, ЭВМ и других технических средств, размешенных в разных точках контролируемого объекта и т.п. с целью измерений одной или несколь- ких физических величин, свойственных этому объекту, и выработки из- мерительных сигналов в разных целях. По метрологическому назначению все СИ подразделяются на эталоны, рабочие эталоны и рабочие СИ. Эталон единицы физической величины (эталон): Средство из- мерений (или комплекс средств измерений), предназначенное для вос- произведения и (или) хранения единицы и передачи ее размера ниже- стоящим по поверочной схеме средствам измерений и утвержденное в 5 качестве эталона в установленном порядке. Рабочий эталон: Эталон, предназначенный для передачи размера единицы рабочим средствам измерений. Рабочее средство измерений: Средство измерений, предназна- ченное для измерений, не связанных с передачей размера единицы дру- гим средствам измерений. Метрологическая характеристика средства измерений (метро- логическая характеристика; MX): Характеристика одного из свойств средства измерений, влияющая на результат измерений и на его по- грешность. Для каждого типа средств измерений устанавливают свои метроло- гические характеристики. Метрологические характеристики, устанавли- ваемые нормативно-техническими документами, называют нормируе- мыми метрологическими характеристиками, а определяемые экспе- риментально — действительными метрологическими характеристи- ками. Номенклатура метрологических характеристик и способы их нор- мирования установлены ГОСТ 8.009 [2]. Все метрологические характеристики СИ можно разделить на две группы: - характеристики, влияющие на результат измерений (определя- ющие область применения СИ); - характеристики, влияющие на точность (качество) измерения. К основным метрологическим характеристикам, влияющим на ре- зультат измерений, относятся: - диапазон измерений измерительных приборов; - значение однозначной или многозначной меры; - функция преобразования измерительного преобразователя; - цена деления шкалы измерительного прибора или многозначной меры; - вид выходного кода, число разрядов кода, цена единицы наименьшего разряда кода средств измерений, предназначенных для выдачи результатов в цифровом коде. Диапазон измерений средства измерений (диапазон измерений): Область значений величины, в пределах которой нормированы допуска- емые пределы погрешности средства измерений (для преобразователей – это диапазон преобразования). Значения величины, ограничивающие диапазон измерений снизу и сверху (слева и справа), называют соответственно нижним пределом измерений или верхним пределом измерений. Для мер – пределы вос- произведения величин. 6 Однозначные меры имеют номинальное и действительное значе- ние воспроизводимой величины. Номинальное значение меры: Значение величины, приписанное мере или партии мер при изготовлении. Пример — Резисторы с номинальным значением 1 Ом, гиря с но- минальным значением 1 кг. Нередко номинальное значение указывают на мере. Действительное значение меры: Значение величины, приписан- ное мере на основании ее калибровки или поверки. Пример — В состав государственного эталона единицы массы входит платиноиридиевая гиря с номинальным значением массы 1 кг, тогда как действительное значение ее массы составляет 1,000000087 кг, полученное в результате сличений с международным эталоном кило- грамма, хранящимся в Международном Бюро Мер и Весов (МБМВ) (в данном случае это калибровка). Диапазон показаний средства измерений (диапазон показаний): Область значений шкалы прибора, ограниченная начальным и конеч- ным значениями шкалы. Цена деления шкалы (цена деления): Разность значения величи- ны, соответствующих двум соседним отметкам шкалы средства измере- ний. К метрологическим характеристикам, определяющим точность измерения, относится погрешность средства измерений и класс точно- сти СИ. Погрешность средства измерений: Разность между показанием средства измерений и истинным (действительным) значением измеряе- мой физической величины. d x x x (1.1) В качестве d x выступает либо номинальное значение (например, меры), либо значение величины, измеренной более точным (не менее чем на порядок, т.е. в 10 раз) СИ. Считается, что чем меньше погрешность, тем точнее средство из- мерений. Погрешности СИ могут быть классифицированы по ряду призна- ков, в частности: - по отношению к условиям измерения – основные, дополнитель- ные; - по способу выражения (по способу нормирования МХ) – абсо- лютные, относительные, приведенные. Основная погрешность средства измерений (основная погреш- ность): Погрешность средства измерений, применяемого в нормальных 7 условиях. Как правило, нормальными условиями эксплуатации являются: - температура (293 5) К или (20 5) 0 С; - относительная влажность воздуха (65 15) % при 20 0 С; - напряжение в сети 220 В 10 % с частотой 50 Гц 1 %; - атмосферное давление от 97,4 до 104 кПа. Дополнительная погрешность средства измерений (дополни- тельная погрешность): Составляющая погрешности средства измерения, возникающая дополнительно к основной погрешности вследствие от- клонения какой-либо из влияющих величин от нормального ее значения или вследствие ее выхода за пределы нормальной области значений. При нормировании характеристик погрешностей средств измере- ний устанавливают пределы допускаемых погрешностей (положитель- ный и отрицательный). Пределы допускаемых основной и дополнительной погрешностей выражаются в форме абсолютных, приведенных или относительных по- грешностей в зависимости от характера изменения погрешностей в пре- делах диапазона измерений. Пределы допускаемой дополнительной по- грешности можно выражать в форме, отличной от формы выражения пределов допускаемой основной погрешности. Абсолютная погрешность средства измерений (абсолютная по- грешность): Погрешность средства измерений x , выраженная в едини- цах измеряемой физической величины. Абсолютная погрешность определяется по формуле (1.1). Пределы допускаемой основной абсолютной погрешности могут быть заданы в виде: a (1.2) или a bx , (1.3) где - пределы допускаемой абсолютной погрешности, выра- женной в единицах измеряемой величины на входе (выходе) или услов- но в делениях шкалы; x - значение измеряемой величины на входе (выходе) средств из- мерений или число делений, отсчитанных по шкале; , a b - положительные числа, не зависящие от x . Приведенная погрешность средства измерения (приведенная погрешность): Относительная погрешность, выраженная отношением абсолютной погрешности средства измерений к условно принятому значению величины (нормирующему значению), постоянному во всем диапазоне измерений или в части диапазона. 8 Приведенная погрешность средства измерений определяется по формуле: 100 N x %, (1.4) где - пределы допускаемой приведенной основной погрешно- сти, %; - пределы допускаемой абсолютной основной погрешности, устанавливаемые по формуле (1.2); N x - нормирующее значение, выраженное в тех же единицах, что и ; Пределы допускаемой приведенной основной погрешности следу- ет устанавливать в виде: p , (1.5) где p - отвлеченное положительное число, выбираемое из ряда 1·10 n ; 1,5·10 n ; (1,6·10 n ); 2·10 n ; 2,5·10 n ; (3·10 n ); 4·10 n ; 5·10 n ; 6·10 n (n=1, 0, - 1, -2 и т.д.). Нормирующее значение N x принимается равным: - конечному значению рабочей части шкалы ( ê x ), если нулевая отметка находится на краю или вне рабочей части шкалы (равномерной или степенной); - сумме конечных значений шкалы (без учета знака), если нулевая отметка – внутри шкалы; - модулю разности пределов измерений для СИ, шкала которых имеет условный нуль; - длине шкалы или ее части, соответствующей диапазону измере- ний, если она существенно неравномерна. В этом случае абсолютную погрешность, как и длину шкалы, надо выражать в миллиметрах. Относительная погрешность средства измерений (относительная погрешность): Погрешность средства измерений, выраженная отношени- ем абсолютной погрешности средства измерений к результату измерений или к действительному значению измеренной физической величины. Относительная погрешность средства измерений вычисляется по формуле: 100 x %, (1.6) где - пределы допускаемой относительной основной погрешно- сти, %; - пределы допускаемой абсолютной погрешности, выра- женной в единицах измеряемой величины на входе (выходе) или услов- но в делениях шкалы; 9 x - значение измеряемой величины на входе (выходе) средств измерений или число делений, отсчитанных по шкале. Пределы допускаемой относительной основной погрешности устанавливают: если bx , то в виде: q , (1.7) где q - отвлеченное положительное число, выбираемое из ряда, приведенного выше; или, если à âõ , то в виде: 1 xk c d x (1.8) где k x - больший (по модулю) из пределов измерений; , c d - положительные числа, выбираемые из ряда, приведен- ного выше, , c b d k a d x , где , a b - положительные числа, не зависящие от x (см. форму- лу 1.3). В обоснованных случаях пределы допускаемой относительной основной погрешности определяют по более сложным формулам либо в виде графика или таблицы. Характеристики, введенные ГОСТ 8.009, наиболее полно описы- вают метрологические свойства СИ. Однако в настоящее время в экс- плуатации находится достаточно большое количество СИ, метрологиче- ские характеристики которых нормированы несколько по-другому, а именно на основе классов точности. Класс точности средств измерений (класс точности): Обобщен- ная характеристика данного типа средств измерения, как правило, отра- жающая уровень их точности, выражаемая пределами допускаемых ос- новной и дополнительной погрешностей, а также другими характери- стиками, влияющими на точность. Класс точности дает возможность судить о том, в каких пределах находится погрешность измерений этого класса. Это важно при выборе средств измерений в зависимости от заданной точности измерении. Обозначение классов точности СИ присваивают в соответствии с ГОСТ 8.401 [3]. Правила построения и примеры обозначения классов точности в документации и на средствах измерений приведены в таблице 1.1. 10 Обозначение класса точности наносят на циферблаты, щитки и корпуса СИ, приводят в нормативной документации на СИ. Номенклатура нормируемых метрологических характеристик СИ определяется назначением, условиями эксплуатации и многими други- ми факторами. Нормы на основные метрологические характеристики приводятся в стандартах, в технических условиях (ТУ) и эксплуатаци- онной документации на СИ. 11 Таблица 1.1 Примеры обозначения классов точности Формула для определения пределов до- пускаемой ос- новной погреш- ности Пределы допускаемой основной погрешно- сти Обозначение класса точности Примечания в докумен- тации на средстве измере- ний Абсолютная: a При измерении постоянного тока 0, 7 А Класс точности М М - пределы допуска- емой основной по- грешности, выражен- ной в единицах изме- ряемой величины на входе (выходе) или условно в делениях шкалы; х – значение измеря- емой величины на вхо- де (выходе) средств измерений или число делений, отсчитанных по шкале; à и b – положитель- ные числа, не завися- щие от х. Абсолютная: a bx При измерении линейно изменяюще- гося напряжения 1 0,57x мВ Класс точно- сти С С Приведенная p , 1,5 % 0,5 % Класс точности 1,5 Класс точности 0,5 1,5 если нормирующее значение выражено в единицах величины на входе (выходе) средств измерений; если нормирующее значение N x опреде- ляется длиной шкалы или ее части Относительная q 0,5 % Класс точности 0,5 0,5 Относительная 1 x k c d x 0,02 0,01 1 x k x Класс точности 0,02/0,01 0,02/0,01 k x – больший по мо- дулю из пределов из- мерений 12 1.2 Цель работы: - ознакомление с технической документацией на СИ и определе- ние по ней основных классификационных признаков и нормируемых метрологических характеристик применяемых средств измерений; - приобретение навыков определения основных классификацион- ных признаков, применяемых средств измерений и их нормируемых метрологических характеристик непосредственно по средствам измере- ний; - закрепление теоретических знаний по разделу «Классификация средств измерений» изучаемой дисциплины «Метрология, стандартиза- ция и сертификация». 1.3Используемое оборудование и приборы: Используемое оборудование и приборы указаны в отдельном до- кументе «Варианты заданий для лабораторной работы 2 Классификация СИ.pdf», выбирать в зависимости от варианта. 1.4 Программа работы 1.4.1 Определить классификационные признаки, указанные в таб- лице 2, из числа находящихся на рабочем месте средств измерений (СИ). 1.4.2 Ознакомиться с технической документацией на СИ (руковод- ство по эксплуатации, техническое описание с инструкцией по эксплуа- тации или паспорт). 1.4.3 Определить нормированные метрологические характеристи- ки СИ непосредственно по средствам измерений и по технической до- кументации на них и заполнить на каждое средство измерений табли- цу 1.2. 1.4.4 Составить отчет о проделанной работе. 13 Таблица 1.2 Классификационные признаки Средство измерения (тип) По видам По виду выходной величины По форме представления информа- ции По назначению По метрологическому назначению Нормированные метрологические характеристики 1.5 Контрольные вопросы 1 Назовите виды средств измерений. 2 По каким классификационным признакам подразделяются СИ. 3 Охарактеризовать каждый вид СИ. 4 На какие группы подразделяются метрологические характери- стики СИ. 5 Что такое метрологические характеристики? 6 Что такое нормируемые метрологические характеристики и чем они отличаются от метрологических характеристик? 7 Назовите метрологические характеристики, определяющие: - область применения СИ; - качество измерения. 8 Назовите виды погрешностей. 9 Какая характеристика определяет точность измерения? 10 Какую функцию выполняют эталоны? 11 В чем различие в назначении рабочих СИ и рабочих эталонов? 1.6 Литература 1 РМГ 29–2001СИ. Метрология. Основные термины и определе- ния. Рекомендации по межгосударственной стандартизации. 2 ГОСТ 8.009–84. ГСИ. Нормируемые метрологические характе- ристики средств измерений. 3 ГОСТ 8.401–80. ГСИ. Классы точности средств измерений. 4 Сергеев А.Г., Латышев М.В., Терегеря В.В. Метрология, стан- дартизация, сертификация. М.: Логос, 2003. |