АЛМАТИНСКИЙ ИНСТИТУТ ЭНЕРГЕТИКИ И СВЯЗИ

 

Кафедра инженерной кибернетики

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

СТАНДАРТИЗАЦИЯ, СЕРТИФИКАЦИЯ

И ТЕХНИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ

Методические указания к выполнению лабораторных работ

 (для студентов, обучающихся по специальности 360140 – Автоматизация и информатизация в системах управления)

 

 

 

 

Алматы 2004

СОСТАВИТЕЛЬ: С.Г. Хан. Стандартизация, сертификация и технические измерения. Методические  указания к выполнению лабораторных работ (для студентов специальности 360140 – Автоматизация и информатизация в системах управления). – Алматы: АИЭС, 2004. – 29 с.

 

 

 

Методические указания содержат описание к 4 лабораторным работам и предполагают проведение виртуальных работ на компьютере с использованием метода имитационного моделирования.

Методические указания используются при выполнении лабораторных работ по дисциплине «Стандартизация, сертификация и технические измерения».

Ил. 8, библиогр.- 4 назв.

 

 

 

Рецензент: канд. техн. наук, доцент кафедры ИК АИЭС Л.К.Ибраева

 

 

 

Печатается по плану издания Алматинского института энергетики и связи на 2004 г.

 

 

 

 

 

 

                                        ©  Алматинский институт энергетики и связи, 2004 г.

 

 

 

 

                  Содержание

                                                                         с.

1 Лабораторная работа №1. Изучение законов распределения

погрешностей средств измерений и статистическая обработка

результатов измерений………………………………………………..……...4

2 Лабораторная работа №2.  Имитационное моделирование

погрешностей канала измерения температуры………………………….….10

3 Лабораторная работа №3. Исследование способов уменьшения

погрешностей канала измерения температуры……………………………..17

4 Лабораторная работа №4. Изучение основных и дополнительных

погрешностей средств измерений……………………………………….…..22

Список литературы……………………………………………………….…..29

 

 

 

 

 

1  Лабораторная работа   №1.  Изучение законов распределения    

погрешностей средств измерений и статистическая обработка   

                              результатов измерений

 

1.1    Цель работы

 

         Изучить структурные схемы и технические характеристики различных средств измерений; практически освоить методику статистической обработки результатов измерений и определения законов распределения погрешностей средств измерений.

 

1.2    Задание к лабораторной работе:

 

- изучить структурные схемы  и технические характеристики 5-ти различных средств измерений, представляемых на экране виртуальной лабораторной работы;

- провести имитационный эксперимент по измерению заданной входной величины с помощью данных средств измерений;

- провести статистическую обработку результатов имитационного эксперимента;

- оценить законы распределения погрешностей данных средств измерений.

        

1.3 Порядок выполнения лабораторной работы

 

1.3.1 Получить у преподавателя номер варианта для выполнения лабораторной работы и зарегистрироваться в системе:

- загрузить файл ССТИлаб№1.exe;

- ввести свои Фамилию, Имя, Отчество;

- ввести номер заданного варианта лабораторной работы;

- нажать кнопку «Начать».

1.3.2 В появившемся окне «Характеристики измерительных приборов»   изучить структурную схему и технические характеристики появившегося на экране средства измерения №1. Переписать всю информацию об этом средстве измерения в отчет по лабораторной работе.

1.3.3 Задать и ввести значение измеряемой величины, которое выбирается студентом из заданного диапазона измерения данного средства измерения.

1.3.4 Ввести значение количества измерений заданной измеряемой величины (число имитационных экспериментов) равное 50.

1.3.5 Нажать кнопку «Начать измерения».

1.3.6 Следующее окно «Результаты имитационного эксперимента и построение диаграммы распределения» (рисунок 1.1) представляет в левом столбце 50 значений измеряемой величины, полученных случайным образом как результат измерения заданного в п.1.3.3 значения измеряемой величины. Произвести статистическую обработку результатов имитационного эксперимента и оценить такие метрологические характеристики исследуемого средства измерения, как систематическую и случайные погрешности средства измерения, согласно п.1.4.

1.3.7 Проверить полученные значения математического ожидания, дисперсии и среднеквадратического отклонения с расчетами, полученными компьютером. Для чего ввести рассчитанные значения в соответствующие окна и нажать кнопку «Проверить результаты».

1.3.8 Построить диаграмму распределения измеряемой величины и проверить ее вид с полученным на экране после нажатья кнопки «Построить диаграмму».

 

 

 

Рисунок 1.1- Результаты имитационного эксперимента и построение

                      диаграммы  распределения случайной погрешности

 

 

1.3.9 Повторить выполнение п.п.1.3.2 – 1.3.8 для других  средств измерений после нажатия кнопки «Следующий прибор».

 

1.4 Оценка и учет погрешностей

          

         Погрешностью измерения называется отклонение результата измерения от истинного значения измеряемой величины.

         Погрешности измерения в зависимости от характера причин, вызывающих их появление, подразделяются на систематические и случайные.

Вследствие неизбежного наличия во всяком измерении случайных погрешностей истинное значение измеряемой величины остается неизвестным и вместо него принимается некоторое среднее арифметическое значение, которое при большом числе измерений является наилучшим приближением к истинному значению

 

                           .                              (1.1)

 

В математической статистике и теории вероятностей среднее значение случайной величины при неограниченно большом числе отдельных наблюдений называется математическим ожиданием.

Мерой рассеяния  в окрестности среднего  является дисперсия , равная по определению

                               .                        (1.2)

 

Обычно указывается квадратный корень из дисперсии; эта величина называется среднеквадратическим отклонением

 

                                         .                       (1.3)

 

Выборки   (i= 1,n) , полученные в отдельных измерениях, можно представить на диаграмме в виде столбцов  (рисунок 1.2).

Чтобы построить такую диаграмму, следует разбить диапазон всех возможных значений  , включающий все выборки , полученные в измерениях, на небольшие интервалы ширины , а затем отложить число выборок , попавших в эти небольшие интервалы , как функцию от . Обычно величина интервалов выбирается по правилу

 

если   n>25,   то     ;                                   (1.4)

 

 

 

если   n < 25, то        .                                (1.5)

       N(X)

 

 


число

отсчетов,

попавших

в интервал

 

 

 

 

 

 


                                                                                                                    X

 


                                                                                    

 

       Рисунок 1.2 - Диаграмма распределения результатов наблюдений

 

 

Дважды нормализованная по оси ординат диаграмма носит название плотности распределения вероятностей  f(x):

                                                                                (1.6)  

 

         Если погрешности, содержащиеся в результатах измерений, обусловлены большим числом независимых событий, то они распределены по вполне определенному вероятностному закону. Доказательство этого содержится в центральной предельной теореме теории вероятностей.

Случайная погрешность будет полностью описана с вероятностной точки зрения, если известно распределение вероятностей, т.е. известна вероятность появления тех или иных значений случайной величины. Для большинства измерений имеет место нормальное распределение случайных ошибок (распределение Гауcса).

Погрешности таких средств измерений, как автоматические потенциометры, мосты, аналоговые стрелочные приборы – милливольтметры,  логометры, а также  цифровые приборы,  распределены по равномерному закону распределения.

         Для получения полного представления о точности и надежности оценки случайного отклонения результата наблюдения должны быть указаны доверительный интервал и доверительная вероятность. Доверительным интервалом называется интервал, в который с заданной доверительной вероятностью попадают значения случайной величины (погрешности). Доверительный интервал выражается в виде:

        

                                              ,                                    (1.7)

 

где -среднее квадратическое отклонение результата наблюдения  (1.3);

*- квантильный множитель, значение которого зависит от выбранного закона распределения случайной погрешности.

Так для равномерного закона распределения  и не зависит от доверительной вероятности. Для нормального закона распределения  зависит от значения доверительной вероятности (Р) и количества выборочных значений (n): значения   для наиболее употребительных доверительных вероятностей Р и различных n  приведены в  [1, Табл.П1-4-1]. 

         Для оценки среднего арифметического значения , принимаемого как окончательный результат измерения, указывается доверительный интервал при выбранной доверительной вероятности в следующем виде:

 

                                          ,                                  (1.8)

 

где     - имеет тот же смысл, что в формуле (1.7),

 - среднее квадратическое отклонение результата измерения.

Согласно теории погрешностей оценка среднего квадратического отклонения результата измерения  в   раз меньше оценки среднего квадратического отклонения результата наблюдения  : 

                                                            .                                     (1.9)

 

1.5   Формы представления результатов измерений 

 

Результат измерения – это значение величины, найденное путем измерения. Представляя результат измерения, всегда необходимо указать погрешность (точность), с которой он выполнен. Высокой точности соответствуют малые значения погрешностей, и в этом заключается качественное понятие точности. Для количественной оценки точности применяют ряд критериев. Наиболее часто применяется следующая оценка точности  - точность измерений определяется интервалом, в котором с установленной вероятностью находится  суммарная  погрешность  измерений.  При  этом  принята  форма представления результатов измерения, представленная выражением:

 

                                        Х;  ;   Р,                                      (1.10)

где    Х – результат измерений в единицах измеряемой величины;                                                        

 -  доверительный интервал, выраженный пределами суммарной абсолютной погрешности ИК в единицах измеряемой величины;

         Р – доверительная вероятность.

 

Эта форма представления результата принята в качестве основной при

оценке точности измерений в АСУ ТП энергетики.

При оформлении результатов измерений необходимо придерживаться следующих правил:

- значение погрешности  указывается двумя значащими цифрами, если ее первая значащая цифра равна 1 или 2, и одной цифрой – если первая значащая цифра равна 3 и более; причем значение  округляется по правилам арифметики;

- результат  измерения  Х  округляется (по правилам арифметики) до  того  же  десятичного  знака, что и  погрешность   ;

- округление производят только в окончательном ответе, предварительные вычисления можно делать с одним – двумя лишними   знаками.

 

1.6   Содержание отчета

 

Отчет должен содержать для каждого изученного средства измерения:

- структурную схему средства измерения;

- технические характеристики средства измерения;

- полученную выборку 50-ти значений измеряемой величины;

-расчеты математического ожидания, дисперсии и средне-квадратического значения результатов измерений;

-оценку систематической и случайной погрешностей средства измерения;

-график диаграммы распределения измеряемой величины и заключение о полученном виде закона распределения случайной погрешности;

- представление результата измерения согласно (1.10) и оформленного по правилам округления, представленным в п.1.5;

- выводы по работе.

 

1.7 Контрольные вопросы

 

1.7.1     Дать определение «Метрологические характеристики средства измерения».

1.7.2     Перечислить метрологические характеристики средства измерения.

1.7.3     Дать определение «Систематические погрешности средства измерения» и «Случайные погрешности средства измерения».

1.7.4     Что такое доверительный интервал?

1.7.5     Как рассчитать доверительный интервал?

1.7.6     По каким видам законов распределения случайной величины распределяются случайные погрешности?

1.7.7     Правила округления и  представления результата измерения.

 

 

           2     Лабораторная работа   №2.  Имитационное моделирование

                      погрешностей канала измерения температуры

 

2.1 Цель работы

 

         Изучить различные схемы канала измерения температуры и методику оценки суммарной погрешности  измерительного канала (ИК).

 

2.2 Задание к лабораторной работе:

 

- собрать схему канала измерения температуры согласно полученному заданию на экране виртуальной лабораторной работы;

- провести имитационный эксперимент по измерению заданной входной величины с помощью данного измерительного канала;

- провести статистическую обработку результатов имитационного эксперимента;

- оценить суммарную погрешность канала измерения температуры.

        

2.3 Порядок выполнения лабораторной работы

 

2.3.1 Получить у преподавателя номер варианта для выполнения лабораторной работы и зарегистрироваться в системе:

- загрузить файл ССТИлаб№2.exe;

- ввести свои Фамилию, Имя, Отчество;

- ввести номер заданного варианта лабораторной работы;

- нажать кнопку «Начать».

2.3.2 В появившемся окне «Имитационное моделирование погрешностей канала измерения температуры» изучить методические рекомендации по этапу №1 выполнения лабораторной работы и нажать кнопку «ОК».

2.3.3 В появившемся окне «Составление схемы измерительного канала» (рисунок 2.1)  внимательно изучить задание.

Собрать схему измерительного канала для измерения заданной температуры для чего:

-                     в окне «Схема измерительного канала» установить маркер (прямоугольник фиолетового цвета) на место первичного преобразователя (датчика);

-                     в   окне   «Тип прибора»        выбрать   из    предложенного списка

приборов тип первичного преобразователя – термопару или термосопротивление,  руководствуясь при этом рекомендациями п.2.4;

-                     в окне «Марка прибора» выбрать  конкретную марку данного первичного преобразователя. При выборе марки датчика руководствоваться техническими характеристиками данного прибора, которые автоматически будут появляться в окне «Выбранный прибор».

 

 

Рисунок 2.1- Составление схемы измерительного канала для лабораторной

                             работы №2

 

- выбрав марку датчика, нажать кнопку «Установить» для установки данного прибора в схему измерительного канала;

- в окне «Схема измерительного канала» установить маркер (прямоугольник фиолетового цвета) на место вторичного прибора;

- в окне «Тип прибора» выбрать из предложенного списка приборов тип вторичного прибора, руководствуясь при этом рекомендациями п.2.4;

- в окне «Марка прибора» выбрать  конкретную марку данного вторичного прибора. При выборе марки прибора руководствоваться техническими характеристиками данного прибора, которые автоматически будут появляться в окне «Выбранный прибор».

- выбрав марку вторичного прибора, нажать кнопку «Установить» для установки данного прибора в схему измерительного канала;

- после окончательной сборки схемы измерительного канала нажать кнопку «Схема собрана». Если схема собрана верно, то появится окно с сообщением «Схема собрана правильно»; в  противном случае – сообщение «Схема собрано неверно», в этом случае необходимо повторить  п.2.3.3 до тех пор, пока схема не будет собрана верно.

2.3.4 В следующем окне «Проведение имитационного эксперимента» даны методические рекомендации для следующего этапа проведения лабораторной работы. Внимательно прочитать их и ввести значение количества измерений заданной измеряемой величины (число имитационных экспериментов) равное 50.

2.3.5 Нажать кнопку «Начать имитационный эксперимент».

2.3.6 Следующее окно «Результаты имитационного эксперимента и построение диаграммы» представляет в левом столбце 50 значений измеряемой величины, полученных случайным образом как результат измерения заданного  значения измеряемой величины.

Произвести статистическую обработку результатов имитационного эксперимента и оценить такие метрологические характеристики исследуемого канала измерения температуры, как суммарные систематическую и случайные погрешности измерительного канала.

2.3.7 Проверить полученные значения математического ожидания, дисперсии и среднеквадратического отклонения с расчетами, полученными компьютером. Для чего ввести рассчитанные значения в соответствующие окна и нажать кнопку «Проверить результаты».

2.3.8 Построить гистограмму распределения измеряемой величины и проверить ее вид с полученным на экране после нажатия кнопки «Построить диаграмму».

2.3.9 Закончить лабораторную работу, нажав кнопку «Закрыть».

 

2.4  Выбор и обоснование структуры канала измерения температуры

 

В данном подразделе приводится обоснование выбора средств измерения с учетом параметров окружающей среды: температуры, давления, влажности, состава, запыленности, электрических свойств.

При выборе средств измерений необходимо учитывать их точность, диапазон измерений  и условия эксплуатации.

При выборе первичного преобразователя необходимо учитывать, что при измерении температур до 200 - 240 Сс точки зрения большей точности измерения предпочтительнее использовать термометры сопротивления, при измерении температур выше 200 С - термоэлектрические преобразователи.

В комплекте с термоэлектрическими преобразователями в качестве вторичных преобразователей и приборов работают: нормирующие преобразователи, милливольтметры и автоматические потенциометры, в комплекте с термометрами сопротивления – нормирующие преобразователи, автоматические мосты и логометры.

По заданному номинальному значению измеряемой температуры выбирают диапазон измерения первичных и нормирующих преобразователей и шкалу вторичного прибора; учитывая, что для обеспечения наибольшей точности измерения желательно выбирать вторичный прибор с безнулевой шкалой, а нормирующий преобразователь – с безнулевым диапазоном преобразования. Кроме того,  измеряемая температура должна попадать во вторую половину диапазона (шкалы) измерения, ближе к верхнему пределу измерения или диапазона преобразования.

 По возможности следует применять однотипные приборы, что значительно облегчает обслуживание, эксплуатацию и компоновку их на щитах.

 

2.5    Методика расчета суммарной погрешности ИК

 

Обычно информационно-измерительные системы содержат несколько измерительных каналов, которые в свою очередь состоят из ряда последовательно соединенных средств измерений (СИ): датчиков, нормирующих преобразователей, вторичных приборов, УСО ЭВМ и т.д.

Любой измерительный канал можно представить в виде структурной схемы:

 

 


                      1                            2                                       n 

  СИn

 

СИ1

 

СИ2

 
   Х                                                                                                                       Хизм         

                                                                                                                             ,

 

 

                                                  

где  СИ 1,  СИ 2,    и т.д. – средства измерения, входящие в измерительный  канал;

 1 , 2 , …  , n  и т.д.  -  погрешности СИ, приведенные к их выходу.

 

Определение погрешностей ИК сводится к расчету суммарного действия погрешностей всех СИ, входящих в ИК.

Погрешности отдельных элементов ИК задаются различными способами:

 -   комплексом нормируемых метрологических характеристик по ГОСТ 8.009-84;

- в виде пределов основных и дополнительных допускаемых погрешностей по ГОСТ 8.401-80.

Для суммирования погрешностей необходимо, чтобы они были представлены своими среднеквадратическими отклонениями (СКО),  а  не  предельными  значениями,  т.к.  при  этом открывается возможность для суммирования любого числа составляющих погрешностей. Для решения этих задач необходимо установить соотношения между СКО и погрешностью однократного наблюдения, определяемого по классу точности.

 

2.5.1 Погрешности средств измерений и их нормирование

В основу классификации погрешностей СИ положены те же признаки, что и при классификации погрешностей измерений [1].

Для расчета оценки инструментальной составляющей погрешности измерений необходимы метрологические характеристики СИ. Если эти характеристики приведены в нормативно-технической документации на СИ, их называют нормированными метрологическими характеристиками (НМХ). Традиционно НМХ СИ нормируются в виде пределов основной и дополнительных допускаемых погрешностей и связанного с ними понятия класса точности.

Класс точности – это обобщенная метрологическая характеристика СИ, определяемая пределами допускаемых основных  и  дополнительных  погрешностей,  а  также  другими   свойствами СИ, влияющими на точность, значения которых устанавливаются в стандартах на отдельные виды измерений. К ним, в частности, относятся: вариации, время установки показаний и т.д.

Наибольшее распространение в технологических измерениях получила форма представления класса точности через приведенные погрешности:

 

                                                          

                                          = 100  -----     ,                                  (2.1)                                                   

                                                           X                                   

 

где  - приведенная погрешность, выраженная в %;

       - абсолютная погрешность, выраженная в единицах измеряемой величины;

       X - нормирующее значение измеряемой величины (предел шкалы СИ). 

В этом случае класс точности в нормативно-технической документации на СИ обозначается числом, равным приведенной погрешности, выраженной в процентах.

Поскольку погрешности  i   отдельных СИ  являются случайными величинами, то вычисление суммарной погрешности ИК простым арифметическим сложением составляющих   i          делать нельзя, т.к. это дает чрезвычайно завышенное значение суммарной  погрешности.  Кроме  того,  при  суммировании погрешностей следует учитывать наличие корреляционных связей между отдельными погрешностями.

Учитывая эти обстоятельства для целей суммирования, погрешность СИ, входящего в ИК, должна быть представлена своим  СКО   [i ] – абсолютное значение

                                                             i  

                                           [i] =  ----- ,                                    (2.2)                                                   

                                                              К

где  К- квантильный множитель, величина которого определяется принятым распределением основной погрешности  СИ и значением доверительной вероятности [см. п.1.4].

 

Кроме того, для удобства суммирования аддитивных и мультипликативных составляющих погрешностей СКО следует представлять не в абсолютном, а в относительном  виде

 

                                                             [i ]

                                [X] = 100 -------------     .                        (2.3)                                    

                                                                   X

 

Согласно теории вероятностей СКО суммы погрешностей определяются выражением

 

,         (2.4)

 

где          - коэффициент корреляции.

 

Если величины     Х1  и  Х2  не коррелированы, то    = 0  и формула (2.4) примет вид

 

                           ,                    (2.5)          

                                                                                                                                        

Если измеряемые величины  Х1  и  Х2  жестко коррелированы, например, одинаково зависят от какого-либо влияющего параметра, то = 1, тогда   (2.4) примет вид

 

 

=

 

                   =   [X1] + [X2]   .                                            (2.6)

 

                                             

Таким образом, жестко коррелированные погрешности складываются не геометрически, а алгебраически. Если коэффициент корреляции имеет отрицательный знак, то погрешности будут вычитаться.

                                                                

2.5.2     Практические правила расчета суммарной погрешности ИК

2.5.2.1  Исходными данными для расчета должны быть характеристики погрешностей СИ  - i.

2.5.2.2  Значения СКО  погрешностей измерения СИ должны быть представлены в относительных величинах  по формуле (2.3).

2.5.2.3 По степени коррелированности погрешности следует разделить на два вида:

- сильно коррелированные        = 0,7   -    1,0  ;

- слабо коррелированные      0,7.

2.5.2.4 Сильно коррелированные погрешности суммируются по формуле (2.6), остальные по формуле (2.5).

2.5.2.5  Группу сильно коррелированных погрешностей суммируют с остальными по формуле  (2.6).

2.5.2.6  Доверительный интервал, в котором с вероятностью  P   находится погрешность ИК , принимается равным

                                                      

                                  ,  %,                           (2.7)      

 

где     K   - квантильный множитель, зависящий от вида закона распределения погрешностей и от величины доверительной вероятности (находится по таблицам  соответствующих законов распределения).

2.5.2.7  Результат измерения представить в  виде (1.10).

Для определения доверительного интервала  в единицах измеряемой величины  формула (2.7), дающая значение интервала в относительных единицах,  может быть представлена в следующем виде

 

                                                                      Х

                                 =   -------  .                           (2.8)

                                                                     100

 

2.6            Содержание отчета

 

Отчет должен содержать:

- задание ;

- структурную схему канала измерения температуры;

- технические характеристики выбранных средств измерения;

- полученную выборку 50-ти значений измеряемой величины;

-расчеты математического ожидания, дисперсии и средне-квадратического значения результатов измерений;

-оценку систематической и случайной погрешностей средства измерения;

- график диаграммы распределения измеряемой величины и заключение о полученном виде закона распределения случайной погрешности;

- расчеты теоретического значения суммарной погрешности канала измерения температуры, согласно  п.2.5;

- представление результата измерения (имитационного эксперимента и теоретического расчета)  по формуле (1.10);

- выводы по работе.

 

2.7            Контрольные вопросы

 

2.7.1  Вторичные приборы, работающие в комплекте с термопарой.

2.7.2 Вторичные приборы, работающие в комплекте с термосопротивлением

2.7.3. Дать определение и формулы  «Абсолютная погрешность» и «Приведенная погрешность средства измерения».

2.7.4     Что такое квантильный множитель?

2.7.5     Как рассчитать квантильный множитель для нормального закона распределения случайной погрешности?

2.7.6     Как рассчитать суммарную погрешность измерительного канала?

 

 

           3  Лабораторная работа   №3.  Исследование способов уменьшения

                     погрешностей канала измерения температуры

 

3.1 Цель работы

 

         Изучить влияние на результат измерения температуры в структуре ИК различных типов удлиняющих проводов термоэлектрических преобразователей и устройства компенсации температуры (КТ).

 

3.2 Задание к лабораторной работе:

 

- собрать схему канала измерения температуры согласно полученного задания на экране виртуальной лабораторной работы;

- провести имитационный эксперимент по измерению заданной входной величины с помощью данного измерительного канала, включая в его структуру удлиняющие провода различных типов и устройство КТ;

- провести статистическую обработку результатов имитационного эксперимента;

- оценить суммарную погрешность канала измерения температуры.

 

3.3 Порядок выполнения лабораторной работы

3.3.1 Получить у преподавателя номер варианта для выполнения

лабораторной работы и зарегистрироваться в системе:

- загрузить файл ССТИлаб№3.exe;

- ввести свои Фамилию, Имя, Отчество;

- ввести номер заданного варианта лабораторной работы;

- нажать кнопку «Начать».

3.3.2 В появившемся окне «Исследование  погрешности канала измерения температуры. Л/р №3» изучить методические рекомендации по этапу №1 выполнения лабораторной работы и нажать кнопку «ОК».

3.3.3 В появившемся окне «Составление схемы измерительного канала и выбор приборов» (рисунок 3.1)  внимательно изучить задание.

Собрать схему измерительного канала для измерения заданной температуры для чего:

- в окне «Схема измерительного канала» установить маркер (прямоугольник фиолетового цвета) на место первичного преобразователя (датчика);

- в окне «Тип прибора» выбрать из предложенного списка приборов тип первичного преобразователя – термопара;

- в окне «Марка прибора» выбрать  конкретную марку данного первичного преобразователя. При выборе марки датчика руководствоваться техническими характеристиками данного прибора, которые автоматически будут появляться в окне «Выбранный прибор».

 

 

 

Рисунок 3.1-Составление схемы измерительного канала и выбор приборов

                      по заданию лабораторной работы №3

 

- выбрав марку датчика, нажать кнопку «Установить» для установки данного прибора в схему измерительного канала;

- в окне «Схема измерительного канала» установить маркер (прямоугольник фиолетового цвета) на место вторичного прибора;

- в окне «Тип прибора» выбрать из предложенного списка приборов тип вторичного прибора, работающего в комплекте с термопарой,  руководствуясь при этом рекомендациями п.2.4;

- в окне «Марка прибора» выбрать  конкретную марку данного вторичного прибора. При выборе марки прибора руководствоваться техническими характеристиками данного прибора, которые автоматически будут появляться в окне «Выбранный прибор».

- выбрав марку вторичного прибора, нажать кнопку «Установить» для установки данного прибора в схему измерительного канала;

- после окончательной сборки схемы измерительного канала нажать кнопку «Схема собрана». Если схема собрана верно, то появится окно с сообщением «Схема собрана правильно»; в  противном случае – сообщение «Схема собрано неверно», в этом случае необходимо повторить  п.3.3.3 до тех пор, пока схема не будет собрана верно.

3.3.4 В следующем окне « Этап 2. (Имитационный эксперимент)» даны методические рекомендации для следующего этапа проведения лабораторной работы. Внимательно прочитать их и ввести значение количества измерений заданной измеряемой величины (число выборок) равное 50.

3.3.5 Нажать кнопку «Начать имитационный эксперимент».

3.3.6 Следующее окно «Результаты имитационного эксперимента и построение диаграммы представляет в левом столбце 50 значений измеряемой величины, полученных случайным образом как результат измерения заданного  значения измеряемой величины.

Произвести статистическую обработку результатов имитационного эксперимента и оценить такие метрологические характеристики исследуемого канала измерения температуры, как суммарные систематическую и случайные погрешности измерительного канала.

3.3.7 Проверить полученные значения математического ожидания, дисперсии и среднеквадратического отклонения с расчетами, полученными компьютером. Для чего ввести рассчитанные значения в соответствующие окна и нажать кнопку «Проверить результаты».

3.3.8 Построить гистограмму распределения измеряемой величины и проверить ее вид с полученным на экране после нажатия кнопки «Построить диаграмму».

3.3.9 Вернуться в окно  «Составление схемы измерительного канала и выбор приборов». Собранная Вами схема измерительного канала  остается без изменений.

Теперь усложним схему, добавив в ее состав удлиняющие провода, работающие в комплекте с выбранным типом первичного преобразователя – термопарой; для чего нажать кнопку «Удлиняющие провода». Появится окно «Тип проводов» (рисунок 3.2), в котором производится выбор типа удлиняющих проводов. Предлагаются удлиняющие провода трех типов: типа ХК, типа М, типа ПП [1, ].

Выбрать провода типа ХК, нажать кнопку «Применить», затем кнопку «Выход». На исходной схеме измерительного канала появятся провода типа ХК. Нажать кнопку «Схема собрана», появится сообщение «Схема собрана верно». Повторить пп.3.3.4 –3.3.8  для полученной схемы измерительного канала.

3.3.10 Вернуться в окно «Составление схемы измерительного канала и выбор приборов». Изменить тип удлиняющих проводов на тип М и повторить п.3.3.9.

3.3.11 Вернуться в окно «Составление схемы измерительного канала и выбор приборов». Изменить тип удлиняющих проводов на тип ПП и повторить п.3.3.9.

3.3.12  Оценить полученные в п.3.3.7 значения СКО для трех схем измерительного канала с различными типами удлиняющих проводов. Выбрать схему с наименьшим значением СКО.

3.3.13 Вернуться в окно  «Составление схемы измерительного канала и выбор приборов». Исходная схема измерительного канала  остается без

 

 

 

Рисунок 3.2- Установка в схему ИК удлиняющих проводов

                               различных типов

изменений. Удлиняющие провода отсутствуют: отжать кнопку «Удлиняющие провода».

Теперь усложним схему, добавив в ее состав устройство КТ, для чего нажать кнопку «Устройство КТ». На исходной схеме измерительного канала

появится схема устройства КТ (мост). Нажать кнопку «Схема собрана», появится сообщение «Схема собрана верно». Повторить пп.3.3.4 –3.3.8  для полученной схемы измерительного канала.

3.3.14  Вернуться в окно «Составление схемы измерительного канала и выбор приборов». Исходная схема измерительного канала  остается без изменений.

Собрать схему ИК, в которую входят дополнительно устройство КТ и удлиняющие провода, выбранные в результате анализа в п.3.3.12. Нажать кнопку «Схема собрана», появится сообщение «Схема собрана верно». Повторить пп.3.3.4 –3.3.8  для полученной схемы измерительного канала.

3.3.15 Закончить лабораторную работу, нажав кнопку «Закрыть».

 

3.4 Содержание отчета

 

Отчет должен содержать:

- задание ;

- структурную схему канала измерения температуры;

- технические характеристики выбранных средств измерения;

- для каждого имитационного эксперимента со схемой ИК с различными типами удлиняющих проводов и с устройством КТ привести:

а) полученную выборку 50-ти значений измеряемой величины;

б) расчеты математического ожидания, дисперсии и среднеквадратического значения результатов измерений;

в)  график диаграммы распределения измеряемой величины и заключение о полученном виде закона распределения случайной погрешности;

г) представление результата измерения (имитационного эксперимента)  по формуле (1.10) ;

- выводы по работе.

 

3.5             Контрольные вопросы

 

3.5.1     Стандартные градуировки термоэлектрических преобразователей.

3.5.2      Удлиняющие термоэлектродные провода, их назначение.

3.5.3     Основные характеристики стандартных удлиняющих термоэлектродных проводов.

3.5.4      Схема и принцип действия устройства КТ.

3.5.5     С какой целью вводится поправка на температуру свободных концов термопар?

4                   Лабораторная работа №4. Изучение основных и дополнительных

                                    погрешностей средств измерений

 

4.1 Цель работы

 

         Изучить влияние на результат измерения  таких параметров окружающей среды, как температура, внешнее электромагнитное поле и напряжение питания сети, а также  методику расчета основной и дополнительной погрешностей средств измерения.

 

4.2 Задание к лабораторной работе:

 

- собрать схему канала измерения температуры согласно полученному заданию на экране виртуальной лабораторной работы;

- провести имитационный эксперимент по измерению заданной входной величины с помощью данного измерительного канала в нормальных и эксплуатационных условиях проведения эксперимента;

- провести статистическую обработку результатов имитационного эксперимента.

        

4.3 Порядок выполнения лабораторной работы

 

4.3.1 Получить у преподавателя номер варианта для выполнения лабораторной работы и зарегистрироваться в системе:

- загрузить файл ССТИлаб№4.exe;

- ввести свои Фамилию, Имя, Отчество;

- ввести номер заданного варианта лабораторной работы;

- нажать кнопку «Начать».

4.3.2 В появившемся окне «Изучение основных и дополнительных погрешностей средств измерения» изучить методические рекомендации по этапу №1 выполнения лабораторной работы и нажать кнопку «ОК».

4.3.3 В появившемся окне «Составление схемы измерительного канала и выбор приборов» (рисунок 4.1)  внимательно изучить задание. В задании даны конкретные типы средств измерений, а также заданы условия проведения эксперимента: приведены значения влияющих величин (температуры окружающей среды, напряжения питания сети, напряженности электромагнитного поля) в РОЗ (расширенной области значений), в НУ (нормальных условиях) и в ЭУ (эксплуатационных условиях).

Собрать схему измерительного канала для измерения заданной температуры для чего:

-                     в окне «Схема измерительного канала» установить маркер (прямоугольник фиолетового цвета) на место первичного преобразователя (датчика);

 

 

Рисунок 4.1-  Составление схемы ИК и выбор приборов для

                       лабораторной работы №4

 

- в окне «Тип прибора» выбрать из предложенного списка приборов тип первичного преобразователя согласно заданию;

- в окне «Марка прибора» выбрать  конкретную марку данного первичного преобразователя;

- выбрав марку датчика, нажать кнопку «Установить» для установки данного прибора в схему измерительного канала;

- в окне «Схема измерительного канала» установить маркер (прямоугольник фиолетового цвета) на место вторичного прибора;

- в окне «Тип прибора» выбрать из предложенного списка приборов тип вторичного прибора, согласно заданию;

- в окне «Марка прибора» выбрать  конкретную марку данного вторичного прибора;

- выбрав марку вторичного прибора, нажать кнопку «Установить» для установки данного прибора в схему измерительного канала;

- после окончательной сборки схемы измерительного канала нажать кнопку «Схема собрана». Если схема собрана верно, то появится окно с сообщением «Схема собрана правильно»; в  противном случае – сообщение «Схема собрано неверно», в этом случае необходимо повторить  п.4.3.3 до тех пор, пока схема не будет собрана верно;

- для задания нормальных условий проведения эксперимента нажать кнопку «Включить» нормальные условия, которая находится в центре данного окна (рисунок 4.1).

4.3.4 В следующем окне « Этап 2. (Имитационный эксперимент)» даны методические рекомендации для следующего этапа проведения лабораторной работы. Внимательно прочитать их и ввести значение количества измерений заданной измеряемой величины (число выборок) равное 50.

4.3.5 Нажать кнопку «Начать имитационный эксперимент».

4.3.6 Следующее окно «Результаты имитационного эксперимента и построение диаграммы» представляет в левом столбце 50 значений измеряемой величины, полученных случайным образом как результат измерения заданного  значения измеряемой величины.

Произвести статистическую обработку результатов имитационного эксперимента и оценить такие метрологические характеристики исследуемого канала измерения температуры, как суммарные систематическую и случайные погрешности измерительного канала.

4.3.7 Проверить полученные значения математического ожидания, дисперсии и среднеквадратического отклонения с расчетами, полученными компьютером. Для чего ввести рассчитанные значения в соответствующие окна и нажать кнопку «Проверить результаты».

4.3.8 Построить гистограмму распределения измеряемой величины и проверить ее вид с полученным на экране после нажатия кнопки «Построить диаграмму».

4.3.9 Вернуться в окно  «Составление схемы измерительного канала и выбор приборов». Собранная Вами схема измерительного канала  остается без изменений.

Изменим условия проведения эксперимента.

Заданные нормальные условия применения средств измерений обычно не являются рабочими (эксплуатационными) условиями их применения. Поэтому для каждого вида средств измерений в стандартах или технических условиях устанавливают расширенную область значений влияющих величин, в пределах которой значение дополнительной погрешности не должно превышать установленных пределов.

Проведем эксперимент в условиях воздействия одной из влияющих величин – температуры окружающей среды. Для этого необходимо щелкнуть «мышкой» у «Температура окружающей среды» в той части окна, где приведены «Условия эксплуатации». На исходной схеме измерительного канала появится значок с изображением влияния температуры окружающей среды на схему измерительного канала (рисунок 4.2). Нажать кнопку «Схема собрана», появится сообщение «Схема собрана верно».

Повторить пп.4.3.4 –4.3.8  для полученной схемы измерительного канала.

4.3.10 Вернуться в окно «Составление схемы измерительного канала и выбор приборов». Изменить условия проведения эксперимента: ввести влияние напряжения питания и повторить п.4.3.9.

4.3.11 Вернуться в окно «Составление схемы измерительного канала и выбор приборов». Изменить условия проведения эксперимента: ввести влияние напряженности электромагнитного поля и повторить п.4.3.9.

4.3.12 Вернуться в окно  «Составление схемы измерительного канала и выбор приборов». Исходная схема измерительного канала  остается  без изменений. Изменить условия проведения эксперимента: ввести суммарное

 

Рисунок 4.2 -   Пример изменения условий проведения эксперимента:

                              воздействие  одной влияющей величины

 

 

влияние всех трех влияющих величин, для чего нажать кнопку «Все» в «Условиях эксплуатации» (рисунок 4.3).

Повторить пп.4.3.4 –4.3.8  для полученной схемы измерительного канала.

4.3.13 Закончить лабораторную работу, нажав кнопку «Закрыть».

 

4.4 Расчет основной и дополнительных погрешностей средств    

измерений

 

4.4.1 Расчет погрешности средства измерений в нормальных условиях эксплуатации

         Допускаемое отклонение (погрешность) градуировки первичного преобразователя - термопары () согласно [1] зависит от типа термопары и значения измеряемой температуры и вычисляется по формулам, приведенным в [1, табл.4-7-3].

Предел допускаемой основной абсолютной погрешности показаний вторичного прибора определяется по формуле

 

                                          , мВ                                  (4-1)

 

где    -  класс точности вторичного прибора;

 -   верхняя и нижняя границы диапазона измерения вторичного прибора, мВ.

Предельная абсолютная основная погрешность показаний измерительного канала  в нормальных условиях определяется по формуле

 

                           ,     мВ                                    (4-2)

 

Для получения значения данной погрешности   в градусах Цельсия () необходимо воспользоваться градуировочной таблицей (функцией преобразования) соответствующей термопары [1, табл.П4-7-1,2,3,4].

 

 

 

Рисунок 4.3 -  Пример изменения условий проведения эксперимента:

                              суммарное  воздействие  трех влияющих величин

 

 

 

4.4.2 Расчет погрешности измерительного канала в рабочих (эксплуатационных) условиях

         Согласно техническим характеристикам вторичных приборов (автоматических потенциометров) изменение показаний прибора, применяемого в комплекте с термопарой, может происходить:

- за счет изменения температуры окружающего воздуха от НУ. Если это изменение не выходит из пределов расширенной области значений (РОЗ), то изменение показаний прибора на каждые   не будет превышать

 

                                   ,  мВ                                             (4.3)

- за счет изменения напряжения питания силовой электрической цепи прибора. Если это изменение находится в пределах +10 и –15% номинального значения, изменения показаний прибора не превышают

 

                                  ,  мВ                                           (4.4)

 

- за счет влияния внешнего электромагнитного поля. Если напряженность внешнего электромагнитного поля, образованного переменным током частотой 50 Гц, не более 400 А/м, изменение показаний прибора не будет превышать

 

                                 ,   мВ                                             (4.5)

 

Для  получения значения этих погрешностей в градусах Цельсия (). Для этого необходимо воспользоваться градуировочной таблицей соответствующей термопары [1, табл.П4-7-1,2,3,4].

Приближенно предел суммарного изменения показаний вторичного прибора можно оценить по формуле

 

                              ,   %                                                       (4.6)

 

где     -  предельная относительная погрешность влияния i – ой влияющей величины, вычисляемая по формуле

 

                               ,  %                                                        (4.7)

 

где   -  дополнительные погрешности за счет влияния i–ой влияющей величины в градусах Цельсия;

  -   значение измеряемой температуры.

 

Дополнительная абсолютная погрешность суммарного изменения показаний вторичного прибора определяется по формуле

 

                                    ,                                             (4.8)

 

Предельная погрешность измерительного канала в эксплуатационных условиях не будет превышать

 

                              ,                                             (4.9)

 

 

4.5 Содержание отчета

 

Отчет должен содержать:

- задание ;

- структурную схему измерительного канала;

- технические характеристики выбранных средств измерения;

- полученную выборку 50-ти значений измеряемой величины; расчеты математического ожидания, дисперсии и среднеквадратического значения результатов измерений; оценку доверительного интервала; график гистограммы распределения измеряемой величины в нормальных условиях эксплуатации, в рабочих (эксплуатационных) условиях при влиянии трех влияющих величин по отдельности и при их суммарном влиянии;

- расчеты теоретического значения  погрешности измерительного канала в нормальных условиях эксплуатации и в рабочих (эксплуатационных) условиях  при суммарном влиянии влияющих величин, согласно  п.4.4.

- представление результата измерения (имитационного эксперимента и теоретического расчета)  по формуле (1.10) ;

- выводы по работе.

 

4.6 Контрольные вопросы

 

4.6.1  Дать определение   «Основная погрешность» и «Дополнительная погрешность» средства измерения.

4.6.2     Какие условия эксплуатации называются нормальными и какие -рабочими?

4.6.3     Приведите примеры внешних воздействий.

4.6.4     Приведите способы числового выражения погрешностей средств измерений.

4.6.5     Что такое «Расширенная область значений»?

 

 

 

 

 

 

 

Список литературы

 

1.     Преображенский В.П.  Теплотехнические измерения и приборы. – М.: Энергия, 1978.

2.     Андреев А.А. Автоматические показывающие, самопишущие и регулирующие приборы. – Л.: Машиностроение, 1973.

3.     Новицкий П.В., Заграф И.А. Оценка погрешностей результатов измерений. – Л.- Энергоатомиздат, Ленинград.отд-ние, 1985.

4.     Хан С.Г. Метрология и измерения. Выбор структуры и расчет метрологических характеристик канала измерения температуры. Методические указания к курсовой работе. – Алматы: АИЭС, 1999.-25 с.

 

 

 

                                                                      Сводный план 2004 г., поз.17

 

 

 

 

Светлана Гурьевна Хан

 

СТАНДАРТИЗАЦИЯ, СЕРТИФИКАЦИЯ И ТЕХНИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ

Методические указания к выполнению лабораторных работ

(для студентов специальности 360140 – Автоматизация и информатизация

в системах управления)

 

 

 

Редактор                       

 

                                                                     

 

Подписано в печать__ __ __                                   Формат 60х84    1/16       

Тираж 50 экз.                                                         Бумага типографическая №1

Объем – 2,0 уч.-изд.л.                                            Заказ___. Цена  ___   тг.

 

 

 

 

Копировально-множительное бюро

Алматинского института энергетики и связи

480013,   Алматы, ул. Байтурсынова, 126