Некоммерческое акционерное общество

АЛМАТИНСКИЙ ИНСТИТУТ ЭНЕРГЕТИКИ И СВЯЗИ

Кафедра Инженерной кибернетики

ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ

Методические указания к выполнению лабораторных работ

для студентов всех форм обучения специальности 050702 –

Автоматизация и управление

Алматы 2009

СОСТАВИТЕЛЬ: С.Г. Хан. Технические средства измерений. Методические указания к выполнению лабораторных работ для студентов всех форм обучения специальности 050702 - Автоматизация и управление.- Алматы: АИЭС, 2009.- 30 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 «Технические средства измерений».

Содержание

1 Лабораторная работа №1. Исследование структуры и погрешности канала измерения температуры

2 Лабораторная работа №2. Изучение типов удлиняющих проводов термоэлектрических преобразователей

3 Лабораторная работа №3. Изучение влияния внешних воздействий на погрешности средств измерений

4 Лабораторная работа №4. Поверка и градуировка технических термометров

Список литературы

1 Лабораторная работа №1. Исследование структуры и погрешности канала измерения температуры

1.1 Цель работы: получить навыки по построению различных схем канала измерения температуры и оценки суммарной погрешности измерительного канала (ИК).

1.2 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.

1.3 Порядок выполнения лабораторной работы

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

- загрузить файл Lab1.exe;

- в появившемся окне регистрации (рисунок 1.1) ввести свои Фамилию, Имя, Отчество;

- ввести номер заданного варианта лабораторной работы;

- нажать кнопку «Далее».

Рисунок 1.1- Окно регистрации студента

1.3.2 В появившемся окне лабораторного стенда (рисунок 1.2) внимательно изучить задание.

Собрать схему измерительного канала для измерения заданной температуры, для чего:

- для выбора первичного преобразователя открыть закладку «Первичный преобразователь»;

- выбрать из предложенного списка приборов тип первичного преобразователя – термопару или термосопротивление, руководствуясь при этом рекомендациями п.1.4;

Рисунок 1.2 - Окно выбора первичного преобразователя

- выбрать конкретную марку данного первичного преобразователя, для чего «кликнуть» на «+» у выбранного типа первичного преобразователя. При выборе марки датчика руководствоваться техническими характеристиками данного прибора, которые автоматически будут появляться на данной закладке «Первичный преобразователь»;

- при выборе марки датчика он автоматически устанавливается на схеме лабораторного стенда (в левой части окна);

- для выбора вторичного прибора открыть закладку «Вторичный прибор» (рисунок 1.3);

- из предложенного списка приборов (милливольтметры, потенциометры, мосты и логометры) выбрать тип вторичного прибора, руководствуясь при этом рекомендациями п.1.4;

- выбрать конкретную марку данного вторичного прибора, для чего «кликнуть» на «+» у выбранного типа вторичного прибора. При выборе марки прибора руководствоваться техническими характеристиками (диапазон измерения, класс точности, градуировка) данного прибора, которые указаны на лицевой панели прибора.

Рисунок 1.3 – Окно выбора вторичного прибора

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

- сборка схемы измерительного канала окончена. Если схема собрана верно, то у сообщения «Схема собрана правильно» зажжется зеленая лампочка; в противном случае – у сообщения «Схема собрана неправильно» зажжется красная лампочка, в этом случае необходимо повторить п.1.3.2 до тех пор, пока схема не будет собрана верно.

1.3.3 Только после собранной верно схемы измерительного канала возможно перейти к проведению имитационного эксперимента, для чего необходимо открыть закладку «Имитационный эксперимент».

1.3.4 Задать число имитационных экспериментов равное 50.

1.3.5 На виртуальном лабораторном стенде выставить с помощью ручки «Температура объекта» заданную температуру (см. задание).

1.3.6 Нажать кнопку «Начать имитационный эксперимент».

На закладке «Имитационный эксперимент» появятся результаты имитационного эксперимента (50 значений измеряемой величины, полученных случайным образом как результат измерения заданного значения измеряемой величины) и диаграмма их распределения (рисунок 1.4).

Рисунок 1.4 – Окно имитационного эксперимента

1.3.7 Произвести статистическую обработку результатов имитационного эксперимента:

- рассчитать по полученной выборке, используя EXСEL, математическое ожидание, дисперсию, среднеквадратическое отклонение (СКО) результата наблюдений и СКО результата измерений, обратившись для этого к п.1.5;

- построить диаграмму распределения результатов наблюдений.

1.3.8 Ввести рассчитанные значения в соответствующие окна на закладе «Имитационный эксперимент». Проверить полученные значения математического ожидания, дисперсии и среднеквадратического отклонения с расчетами, полученными компьютером, для чего обратиться к преподавателю.

1.3.9 Построенную диаграмму распределения измеряемой величины сравнить с полученной на экране.

1.3.10 Закончить лабораторную работу, нажав кнопку «Завершение работы».

1.4 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.

1.5 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

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.

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.

1.5.1 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

, (1.1)

где - приведенная погрешность, выраженная в %;

- абсолютная погрешность, выраженная в единицах измеряемой величины;

X - нормирующее значение измеряемой величины.

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

Как известно, для оценки результата измерений при многократных наблюдениях и его погрешности измерений используется математический аппарат теории вероятности.

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. Так – СКО абсолютной погрешности - го средства измерения равно

, (1.2)

где k – квантильный множитель, величина которого определяется принятым распределением основной погрешности СИ и значением доверительной вероятности.

Кроме того, для удобства суммирования аддитивных и мультипликативных составляющих погрешностей СКО следует представлять не в абсолютном, а в относительном виде. Так СКО относительной погрешности - го средства измерения равно

, (1.3)

где - измеряемая величина.

Согласно теории вероятностей, СКО суммы погрешностей определяются выражением

, (1.4)

где - коэффициент корреляции.

Если погрешности средств измерений, входящих в измерительный канал, не коррелированы, то = 0 и формула (1.4) примет вид

. (1.5)

Если погрешности средств измерений жестко коррелированы, например, одинаково зависят от какого-либо влияющего параметра, то = 1, тогда (1.4) примет вид

. (1.6)

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

1.5.2 Практические правила расчета суммарной погрешности ИК

1.5.2.1 Исходными данными для расчета должны быть характеристики погрешностей СИ - абсолютная погрешность каждого средства измерения, входящего в ИК .

1.5.2.2 Значения СКО погрешностей измерения СИ должны быть представлены сначала в абсолютных (1.2), а затем в относительных величинах по формуле (1.3).

1.5.2.3 По степени коррелированности погрешности следует разделить на два вида:

- сильно коррелированные = 0,7 - 1,0;

- слабо коррелированные 0,7.

1.5.2.4 Сильно коррелированные погрешности суммируются по формуле (1.6), остальные по формуле (1.5).

1.5.2.5 Группу сильно коррелированных погрешностей суммируют с остальными по формуле (1.6).

1.5.2.6 Доверительный интервал, в котором с вероятностью P находится суммарная относительная погрешность ИК , принимается равным

, (1.7)

где - квантильный множитель;

- СКО относительной суммарной погрешности ИК (по 1.4).

1.5.2.7 Доверительный интервал, в котором с вероятностью P находится суммарная абсолютная погрешность ИК, принимается равным

. (1.8)

1.5.2.8 Результат измерения представить в виде

Х= Х ; Р, (1.9)

где Х – результат измерений в единицах измеряемой величины;

- абсолютной погрешность 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 следующего правила округления результата измерения:

а) округление результата измерения начинается с округления значения погрешности ;

б) в значении погрешности оставляется две цифры, если ее первая значащая цифра равна 1 или 2, и оставляется одна цифра – если первая значащая цифра равна 3 и более; остальные цифры отбрасываются и значение округляется по правилам арифметики;

в) результат измерения Х округляется (по правилам арифметики) до того же последнего разряда, что и округленное значение погрешности ;

г) округление производится только в окончательном результате, предварительные вычисления можно делать с одним – двумя лишними цифрами.

1.6 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 среднеквадратического 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.1.5.

- представление результата измерения (имитационного эксперимента и теоретического расчета) по формуле (1.9);

- выводы по работе.

1.7 Контрольные вопросы

1.7.1 Вторичные приборы, работающие в комплекте с термопарой.

1.7.2 Вторичные приборы, работающие в комплекте с термосопротивлением.

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

1.7.4 Дать определение и формулы «Случайная погрешность» и «Систематическая погрешность».

1.7.5 Чему равен квантильный множитель для нормального и равномерного законов распределения случайной погрешности?

1.7.6 Как рассчитать суммарную погрешность измерительного канала?

2 Лабораторная работа №2. Изучение типов удлиняющих проводов термоэлектрических преобразователей

2.1 Цель работы: получить навыки по сбору схем измерительного канала (ИК) с различными типами удлиняющих проводов термоэлектрических преобразователей и устройства компенсации температуры (КТ) и изучить их влияние на результат измерения температуры в структуре ИК.

2.2 Задание к лабораторной работе

- провести шесть имитационных экспериментов 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 имитационных экспериментов;

- оценить погрешность канала измерения температуры в каждом эксперименте.

2.3 Порядок выполнения лабораторной работы

2.3.1 Получить у преподавателя номер варианта для выполнения лабораторной работы и зарегистрироваться в системе (рисунок 1.1):

- загрузить файл Lab2.exe;

- ввести свои Фамилию, Имя, Отчество;

- ввести номер заданного варианта лабораторной работы;

2.3.2 В появившемся окне лабораторного стенда внимательно изучить задание.

Собрать схему измерительного канала для измерения заданной температуры, для чего:

- для выбора первичного преобразователя открыть закладку «Первичный преобразователь»;

- выбрать из предложенного списка приборов тип первичного преобразователя – термопару или термосопротивление, руководствуясь при

этом исходным заданием;

Рисунок 2.1 – Окно виртуальной лабораторной работы

- для выбора вторичного прибора открыть закладку «Вторичный

прибор»; из предложенного списка приборов (милливольтметры, потенциометры, мосты и логометры) выбрать тип вторичного прибора, руководствуясь при этом исходным заданием;

- сборка схемы измерительного канала окончена (рисунок 2.1).

Если схема собрана верно, то у сообщения «Схема собрана правильно» зажжется зеленная лампочка; в противном случае – у сообщения «Схема собрано неправильно» зажжется красная лампочка, в этом случае необходимо повторить п.2.3.2 до тех пор, пока схема не будет собрана верно.

2.3.3 Только после собранной верно схемы измерительного канала возможно перейти к проведению имитационного эксперимента, для чего необходимо открыть закладку «Имитационный эксперимент».

2.3.4 Задать число имитационных экспериментов, равное 50.

2.3.5 На виртуальном лабораторном стенде выставить с помощью ручки «Температура объекта» заданную температуру (см. задание).

2.3.6 Нажать кнопку «Начать имитационный эксперимент». На закладке «Имитационный эксперимент» появятся результаты имитационного эксперимента (50 значений измеряемой величины, полученных случайным образом как результат измерения заданного значения измеряемой величины) и диаграмма их распределения (рисунок 2.2).

Рисунок 2.2 – Окно имитационного эксперимента

2.3.7 Для автоматической записи результатов имитационного эксперимента в файл EXСEL (расширение .xls), нажать кнопку «Сохранить выборку». Произвести статистическую обработку результатов имитационного эксперимента:

- построить диаграмму распределения результатов наблюдений.

2.3.8 Ввести рассчитанные значения в соответствующие окна на закладе «Имитационный эксперимент». Проверить полученные значения математического ожидания, дисперсии и среднеквадратического отклонения с расчетами, полученными компьютером, для чего обратиться к преподавателю.

2.3.9 Построенную диаграмму распределения измеряемой величины сравнить с полученной на экране.

2.3.10 Следующие три имитационных эксперимента проводятся для изучения влияния удлиняющих проводов на результат измерения заданной температуры. Собранная схема измерительного канала изменится.

Теперь усложним схему, добавив в ее состав удлиняющие провода, работающие в комплекте с выбранным типом первичного преобразователя – термопарой, для чего открываем закладку «Средства уменьшения погрешности» (рисунок 2.3). Появляются средства уменьшения погрешности: удлиняющие провода трех типов: типа ХК, типа М, типа ПП и устройство компенсации температуры (устройство КТ).

Рисунок 2.3 – Закладка «Средства уменьшения погрешности»

С выбранным типом термопары работают в комплекте удлиняющие провода только определенного типа [1, §4-9] – одного из трех предлагаемых на закладке, в этом случае погрешность измерения будет наименьшая. Необходимо определить этот тип удлиняющих проводов, изучив погрешности измерения ИК, поочередно подключая различные типы удлиняющих проводов. Для этого:

1) Выбрать провода типа ХК, «кликнув» в кружок у их названия. На лабораторном стенде в схеме измерительного канала появятся провода типа ХК. Повторить пп.2.3.3 –2.3.9 для полученной схемы измерительного канала.

2) Выбрать провода типа М, «кликнув» в кружок у их названия. На лабораторном стенде в схеме измерительного канала появятся провода типа М. Повторить пп.2.3.3 –2.3.9 для полученной схемы измерительного канала.

3) Выбрать провода типа ПП, «кликнув» в кружок у их названия. На лабораторном стенде в схеме измерительного канала появятся провода типа ПП. Повторить пп.2.3.3 –2.3.9 для полученной схемы измерительного канала.

2.3.11 Оценить полученные в п.2.3.10 значения СКО для трех схем измерительного канала с различными типами удлиняющих проводов. Выбрать схему с наименьшим значением СКО.

2.3.12 Следующий имитационный эксперимент (пятый) проводится для изучения влияния устройства КТ на погрешности измерения температуры. Для этого необходимо вернуться к закладке «Средства уменьшения погрешности». Исходная схема измерительного канала изменяется. Удлиняющие провода отсутствуют: «кликнуть» в кружок у «Нет провода». Добавим в схему устройство КТ, для чего «кликнуть» в кружок у «Устройство КТ». На лабораторном стенде в исходной схеме измерительного канала появится схема устройства КТ (мост). Повторить пп.2.3.3 – 2.3.9 для полученной схемы измерительного канала.

2.3.13 Шестой имитационный эксперимент проводится на виртуальном лабораторном стенде для изучения совместного влияния удлиняющего провода и устройства КТ на погрешности измерения температуры. Имитируется реальная ситуация, когда при измерении температуры объекта с помощью термопары используются подходящие для нее удлиняющие провода и автоматически вводится поправка на температуру свободных концов термопары с помощью устройства КТ. Для этого в схему лабораторного стенда добавим удлиняющие провода, выбранные в результате анализа в п.2.3.11. Повторить пп.2.3.3 –2.3.9 для полученной схемы измерительного канала.

2.3.14 Закончить лабораторную работу, нажав кнопку «Завершение работы».

2.4 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 (1.9);

- выводы по работе.

2.5 Контрольные вопросы

2.5.1 Стандартные градуировки термоэлектрических преобразователей.

2.5.2 Удлиняющие термоэлектродные провода, их назначение.

2.5.3 Основные характеристики стандартных удлиняющих термоэлектродных проводов.

2.5.4 Схема и принцип действия устройства КТ.

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

3 Лабораторная работа №3. Изучение влияния внешних воздействий на погрешности средств измерений

3.1 Цель работы: получить навыки по расчету основной и дополнительной погрешностей средств измерения с учетом влияния на результат измерения таких параметров окружающей среды, как температура, внешнее электромагнитное поле и напряжение питания сети.

3.2 Задание к лабораторной работе

- 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.

3.3 Порядок выполнения лабораторной работы

3.3.1 Получить у преподавателя номер варианта для выполнения лабораторной работы и зарегистрироваться в системе (рисунок 1.1):

- загрузить файл Lab3.exe;

- ввести свои Фамилию, Имя, Отчество;

- ввести номер заданного варианта лабораторной работы;

- нажать кнопку «Далее».

3.3.2 В появившемся окне виртуальной лабораторной работы (рисунок 3.1) 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:

- для выбора первичного преобразователя открыть закладку «Первичный преобразователь»;

этом исходным заданием;

Рисунок 3.1 - Окно виртуальной лабораторной работы №3

- для выбора вторичного прибора открыть закладку «Вторичный

- сборка схемы измерительного канала окончена (рисунок 3.1).

Если схема собрана верно, то у сообщения «Схема собрана правильно» зажжется зеленная лампочка; в противном случае – у сообщения «Схема собрано неправильно» зажжется красная лампочка, в этом случае необходимо повторить п.3.3.2 до тех пор, пока схема не будет собрана верно.

3.3.3 Средства измерений работают в нормальных условиях эксплуатации. Условия эксплуатации задаются на закладке «Условия эксплуатации» (рисунок 3.2): кликнуть у отметки «Без влияния внешних воздействий».

3.3.4 Только после собранной верно схемы измерительного канала и установки условий эксплуатаций возможно перейти к проведению имитационного эксперимента, для чего необходимо открыть закладку «Имитационный эксперимент».

Рисунок 3.2 – Окно задания условий эксплуатаций

3.3.5 Задать число имитационных экспериментов, равное 50.

3.3.6 На виртуальном лабораторном стенде выставить с помощью ручки «Температура объекта» заданную температуру (см. задание).

3.3.7 Нажать кнопку «Начать имитационный эксперимент». На закладке «Имитационный эксперимент» появятся результаты имитационного эксперимента (50 значений измеряемой величины, полученных случайным образом как результат измерения заданного значения измеряемой величины) и диаграмма их распределения (рисунок 3.3).

Рисунок 3.3 – Окно имитационного эксперимента

3.3.8 Для автоматической записи результатов имитационного эксперимента в файл EXСEL (расширение .xls) нажать кнопку «Сохранить выборку». Произвести статистическую обработку результатов имитационного эксперимента:

- построить диаграмму распределения результатов наблюдений.

3.3.8 Ввести рассчитанные значения в соответствующие окна на закладке «Имитационный эксперимент». Проверить полученные значения математического ожидания, дисперсии и среднеквадратического отклонения с расчетами, полученными компьютером, для чего обратиться к преподавателю.

3.3.9 Построенную диаграмму распределения измеряемой величины сравнить с полученной на экране.

3.3.10 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 (РОЗ) влияющих величин, в пределах которой значение дополнительной погрешности не должно превышать установленных пределов.

Собранная схема измерительного канала останется без изменений. Изменим условия проведения эксперимента.

Следующие четыре имитационных эксперимента проводятся для изучения влияния внешних воздействий на погрешности средств измерений заданной температуры:

- добавим в схему лабораторного стенда влияние внешнего воздействия – температуры окружающей среды, для чего открываем закладку «Условия эксплуатации» (рисунок 3.2): кликнуть у отметки «Температура окружающей среды», тем самым вводится влияние внешнего воздействия на работу средств измерений. Повторить пп.3.3.3 –3.3.9 для полученной схемы измерительного канала;

- добавим в схему лабораторного стенда влияние внешнего воздействия – электромагнитного поля, для чего открываем закладку «Условия эксплуатации» (рисунок 3.2): кликнуть у отметки «Электромагнитное поле», тем самым вводится влияние внешнего воздействия на работу средств измерений. Повторить пп.3.3.3 –3.3.9 для полученной схемы измерительного канала;

- добавим в схему лабораторного стенда влияние внешнего воздействия – напряжения питающей сети, для чего открываем закладку «Условия эксплуатации» (рисунок 3.2): кликнуть у отметки «Напряжение питающей сети», тем самым вводится влияние внешнего воздействия на работу средств измерений. Повторить пп.3.3.3 –3.3.9 для полученной схемы измерительного канала;

- добавим в схему лабораторного стенда одновременное влияние трех внешних воздействий – температуры окружающей среды, электромагнитного поля, напряжения питающей сети, для чего открываем закладку «Условия эксплуатации» (рисунок 3.2): кликнуть у отметки «Все влияющие величины». Повторить пп.3.3.3 –3.3.9 для полученной схемы измерительного канала;

3.3.11 Закончить лабораторную работу, нажав кнопку «Закрыть».

3.4 Расчет основной и дополнительных погрешностей средств измерений

4.4.1 Расчет погрешности средства измерений в нормальных условиях эксплуатации

Допускаемое отклонение (погрешность) градуировки первичного преобразователя () согласно [1] зависит от его типа и заданы в технических характеристиках первичного преобразователя.

Предел допускаемой основной абсолютной погрешности показаний вторичного прибора определяется по формуле

, (3.1)

где - класс точности вторичного прибора;

- верхняя и нижняя границы диапазона измерения вторичного прибора, мВ (для милливольтметра или потенциометра) или Ом (для моста или логометра).

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

. (3.2)

Для получения значения данной погрешности в градусах Цельсия () необходимо воспользоваться градуировочной таблицей (функцией преобразования) соответствующего первичного преобразователя [1, табл.П4-7-1,2,3,4,5,6].

4.4.2 Расчет погрешности измерительного канала в рабочих (эксплуатационных) условиях

Согласно техническим характеристикам вторичных приборов, изменение показаний прибора, применяемого в комплекте с первичным преобразователем, может происходить:

а) 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

; (3.3)

б) 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

; (3.4)

в) 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

. (3.5)

Для получения значения этих погрешностей в градусах Цельсия () необходимо воспользоваться градуировочной таблицей соответствующего первичного преобразователя [1, табл.П4-7-1,2,3,4.5,6].

Приближенно предел суммарного изменения показаний вторичного прибора можно оценить по формуле

, % , (3.6)

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

, % , (3.7)

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

, . (3.8)

Предельная погрешность измерительного канала в эксплуатационных условиях не будет превышать

, . (3.9)

3.5 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.3.4.;

- представление результата измерения (имитационного эксперимента и теоретического расчета) по формуле (1.9) ;

- выводы по работе.

3.6 Контрольные вопросы

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

3.6.2 Какие условия эксплуатации называются нормальными и какие -рабочими?

3.6.3 Приведите примеры внешних воздействий.

3.6.4 Приведите способы числового выражения погрешностей средств измерений.

3.6.5 Что такое «Расширенная область значений»?

3.6.6 Классификация погрешностей средств измерений.

4 Лабораторная работа №4. Поверка и градуировка технических термометров

Цель работы: изучить методику поверки технического термометра – термоэлектрического преобразователя и провести его градуировку.

4.1 Задание на лабораторную работу

- собрать схему лабораторного стенда для проведения поверки технического термометра согласно полученному заданию на экране виртуальной лабораторной работы;

- провести имитационный эксперимент по проведению поверки и градуировки технического термометра;

- провести обработку результатов имитационного эксперимента.

4.2 Порядок выполнения лабораторной работы

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

- загрузить файл Lab4.exe;

- в появившемся окне регистрации (рисунок 1.1) ввести свои Фамилию, Имя, Отчество;

- ввести номер заданного варианта лабораторной работы;

- нажать кнопку «Далее».

4.2.2 В появившемся окне лабораторного стенда (рисунок 4.1) внимательно изучить задание.

Рисунок 4.1 – Схема виртуального лабораторного стенда поверки технических термометров

Собрать схему лабораторного стенда для поверки заданного технического термометра, для чего на закладке «Выбор средств измерения»:

- открыть закладку «Образцовая термопара» для выбора образцового технического термометра (термопары);

- выбрать конкретную марку заданного образцового технического термометра, для чего «кликнуть» на «+» у выбранного типа первичного преобразователя. После чего он автоматически появляется на схеме лабораторного стенда;

- открыть закладку «Поверяемая термопара» для выбора поверяемого технического термометра (термопары);

- выбрать конкретную марку заданного поверяемого технического термометра, для чего «кликнуть» на «+» у выбранного типа первичного преобразователя. После чего он автоматически появляется на схеме лабораторного стенда;

- сборка схемы измерительного канала окончена. Если схема собрана верно, то у сообщения «Схема собрана верно» зажжется зеленная лампочка; в противном случае – у сообщения «Схема собрано неправильно» зажжется красная лампочка, в этом случае необходимо повторить п.4.2.2 до тех пор, пока схема не будет собрана верно.

4.2.3. Поверку начать со снятия показаний образцовой термопары, затем поверяемой термопары попеременно. Методика поверки технического термометра заключается в следующем:

а) согласно техническим характеристикам поверяемой термопары разделить ее диапазон измерения на пять интервалов (пять поверяемых точек), занести значения поверяемых точек в таблицу 4.1, в строку «Температурные точки» для образцовой и поверяемой термопар;

б) выставить переключателем «Температура печи» первую поверяемую точку;

в) на лабораторном стенде «Переключатель» перевести в правую позицию «Образцовая термопара»;

г) произвести первый замер термоЭДС образцовой термопары, нажав на кнопку «Произвести замер», и занести показания универсального милливольтметра в таблицу 4.1, в столбец «Значения термоЭДС» образцовой термопары;

д) на лабораторном стенде «Переключатель» перевести в левую позицию «Поверяемая термопара»;

ж) произвести первый замер термоЭДС поверяемой термопары, нажав на кнопку «Произвести замер», и занести показания универсального милливольтметра в таблицу 4.1, в столбец «Значения термоЭДС» поверяемой термопары;

з) повторить в)-ж) еще четыре раза, измеряя температуру первой поверяемой точки попеременно образцовой и поверяемой термопарами, занося значения термоЭДС в протокол поверки;

и) повторить б)-з) для пяти поверяемых температурных точек.

4.3.4 Для заполнения протокола поверки и получения заключения о поверке необходимо учесть поправку на температуру свободных концов термопары, отличную от градуировочной, равной 0°С (см.п.4.3.1, формула 4.4).

Так как лабораторный стенд работает при температуре окружающей среды и соответственно свободные концы технического термометра находятся так же при этой температуре, необходимо учесть вышеуказанную поправку при проведении расчётов в таблице 4.1.

Т а б л и ц а 4.1 – Протокол поверки технической термопары

Вариант____

Дата _______________

ПРОТОКОЛ

Поверки рабочего термометра________________________ градуировки ,

представленного на Виртуальном лабораторном стенде в аудитории ______АИЭС

Поверка производилась по образцовым приборам:

образцовому термометру________________________ градуировки ______________ и

образцовому цифровому милливольтметру.

Замечания по внешнему осмотру: ___________________________________________

Условия поверки: температура свободных концов - _______ºС.

Показания термометров, мВ

Термометр	Образцовый	Поверяемый
Температурные (поверяемые) точки, °С
Значение термо-э.д.с., мВ 1
2
3
4
5
Среднее арифметическое значение термоЭДС, мВ
ТермоЭДС поправки на температуру свободных концов, мВ
ТермоЭДС при температуре свободных концов = 0°С
Температура, °С
Погрешность поверяемого термометра, °С
Заключение о поверке

4.2.5 Построить реальную градуировочную характеристику технического термометра , полученную по результатам измерений термоЭДС поверяемой термопары (см. таблицу 4.1).

Построить номинальную градуировочную характеристику поверяемой термопары по градуировочной таблице поверяемой термопары в этой же системе координат.

4.3 Поверка и калибровка средств измерений

В соответствии с законом РК «Об обеспечении единства измерений» введены следующие понятия:

- поверка средства измерений - совокупность операций, выполняемых органами Государственной метрологической службы (другими уполномоченными на то органами, организациями) с целью определения и подтверждения соответствия средства измерений установленным требованиям;

- калибровка средств измерений - совокупность операций, выполняемых с целью определения и подтверждения действительных значений метрологических характеристик и/или пригодности к применению средства измерений, не подлежащего государственному метрологическому контролю и надзору.

Если при поверке прибора обнаружено его несоответствие хотя бы одному пункту утвержденного типа, средство измерений должно быть забраковано. При калибровке этому средству измерений будут приписаны новые значения метрологических характеристик.

Поверка средств измерений регламентируется Правилами по метрологии ПР50.2.006-94 «Поверка средств измерений. Организация и порядок проведения».

Допускается применение четырех методов поверки (калибровки) средств измерений:

1) непосредственное сличение с эталоном;

2) сличение с помощью компаратора;

3) прямые измерения величины;

4) косвенные измерения величины.

Различают пять видов поверки: первичную, периодическую, внеочередную, инспекционную и экспертную.

Межкалибровочным интервалом называют календарный промежуток времени, по истечении которого средство измерения должно быть направлено на калибровку независимо от его технического состояния. Аналогично этому понятие межповерочного интервала. Различают три вида межкалибровочных (межповeрочных) интервалов.

4.3.1 Поправка на температуру свободных концов термопары

Измерение температуры техническими термометрами – термоэлектрическими преобразователями (ТЭП) - основано на использовании открытого в 1821 году Зеебеком термоэлектрического эффекта.

Термоэлектрический преобразователь – цепь, состоящая из двух или нескольких соединенных между собой разнородных проводников (см. рисунок 4.2).

А, В – термоэлектроды; 1, 2 – спаи.

Эффект Зеебека: если взять два разнородных проводника, соединенных вместе, и нагреть спаи так, что t ≠ t_o , то в замкнутой цепи будет протекать электрический ток.

Если t > t_o то направление тока такое, как на рисунке 4.2 ( в спае 1 от В к А).

При размыкании такой цепи на ее концах появится термоЭДС.

Рисунок 4.2- ТЭП

Спай, погружаемый в объект измерения температуры t, называют рабочим спаем (спай 1), а спай - вне объекта называют свободным спаем (концом) (спай 2).

Введем обозначения: е_АВ(t) – термоЭДС в спае 1 между термоэлектродами А и В при t =t ; е_АВ(t_о) - термоЭДС в спае 2 между термоэлектродами А и В при ; Е_АВ(t, t_о) – термоЭДС контура, состоящего из термоэлектродов А и В при температуре рабочего спая t и температуре свободного спая .

Примем, что е_АВ(t) = - е_ВА(t); е_АВ(t_о) = - е_ВА(t_о). Тогда для замкнутой цепи (см. рисунок 4.1) Е_АВ(t, t_о) = е_АВ(t) + е_ВА(t_о) или

Е_АВ(t, t_о) = е_АВ(t) - е_АВ(t_о) . (4.1)

Уравнение (4.1) называется - основное уравнение ТЭП. В процессе градуировки ТЭП (при снятии градуировочной характеристики-таблицы) температура свободных концов t_о = const, обычно t_о = 0 ^оС.

Поправка на температуру свободных концов ТЭП вводится, когда t_o ≠ 0, для того, чтобы можно было пользоваться градуировочной таблицей соответствующей ТЭП (термопары) при определении искомой температуры t. Если температура свободных концов отлична от нуля и равна t, то показание измерительного прибора при температуре рабочих концов, равной t, будет соответствовать, согласно основному уравнению ТЭП, генерируемой в этом случае термоЭДС

Е_АВ = е_АВ(t) - е_АВ(t) . (4.2)

Градуировочная таблица соответствует условию t_o = 0

Е_АВ(t, t_о) = е_АВ(t) - е_АВ(t_о) . (4.3)

Вычтем из (4.3) уравнение (4.2), тогда

, (4.4)

где - термоЭДС термопары АВ при и измеряемой температуре ;

- термоЭДС термопары АВ при и измеряемой температуре ;

- поправка на , отличную от .

4.4 Содержание отчета

Отчет должен содержать:

- цель работы;

- задание;

- схему лабораторного стенда для поверки технического термометра ;

- технические характеристики выбранных средств измерения;

- протокол поверки технического термометра;

- графики номинальной и реальной градуировочных характеристик поверяемой термопары;

- выводы по работе.

4.5 Контрольные вопросы

- Государственный метрологический контроль и надзор (ГМКиН);

- определение «поверка средств измерений»;

- определение «калибровка средств измерений»;

- определение межповерочного (межкалибровочного) интервала;

- методы поверки (калибровки) СИ;

- виды поверки СИ;

- виды эталонов, определения;

- термоэлектрический эффект, определение;

- основное уравнение ТЭП;

- с какой целью вводится поправка на температуру свободных концов, отличную от градуировочной температуры;

- формула расчета поправки на температуру свободных концов, отличную от градуировочной температуры.

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.

5. Хан С.Г. Теплотехнические измерения и приборы. Методические указания к выполнению расчетно-графических работ (для студентов очной формы обучения специальности 050702 – Автоматизация и управление). – Алматы: АИЭС, 2007.-28 с.

6. Хан С.Г. Технические средства измерений. Конспект лекций (для студентов всех форм обучения специальности 050702 – Автоматизация и управление). – Алматы: АИЭС, 2007.- 44 с.

7.Хан С.Г. Метрология, измерения и техническое регулирование: учебное пособие. – Алматы: АИЭС, 2009.- 128 с.