Лабораторная работа № 9. Метрологическая калибровка средств измерений

Цель работы

Изучить методы обеспечения единства измерений. Изучить способы нормирования и формы представления метрологических характеристик средств измерения. Приобрести навыки метрологической калибровки средств измерений.

Краткие теоретические сведения

Государственная система обеспечения единства измерений (ГСИ) – это система обеспечения единства измерений в стране, реализуемая, управляемая и контролируемая федеральным органом исполнительной власти по метрологии – агентством Ростехрегулирование.

Единство измерений – состояние измерений, при котором их результаты выражены в узаконенных единицах величин и погрешности измерений не выходят за установленные границы с заданной вероятностью.

Деятельность по обеспечению единства измерений (ОЕИ) направлена на охрану прав и законных интересов граждан, установленного правопорядка и экономики путем защиты от отрицательных последствий недостоверных результатов измерений во всех сферах жизни общества на основе конституционных норм, законов, постановлений Правительства РФ и нормативных документов.

Согласно статье 13 Закона об обеспечении единства измерений в некоторых сферах деятельности осуществляется Государственный метрологический контроль и надзор (ГМКиН) государственными метрологическими службами с целью проверки соблюдения правил законодательной метрологии.

Под метрологической аттестацией понимают исследование средства измерений, выполняемое метрологическим органом с целью определения его метрологических свойств и выдачи соответствующего документа с указанием полученных данных.

По результатам метрологической аттестации средству измерений приписываются определенные метрологические характеристики, определяется возможность применения его в качестве образцового или рабочего средства измерений.

Поверка средства измерения – совокупность операций, выполняемых с целью определения и подтверждения действительных значений метрологических характеристик и (или) пригодности к применению средства измерений, подлежащего государственному метрологическому контролю и надзору.

Калибровка средства измерения – 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, или приведение метрологических характеристик в соответствие с указанными в технической документации путем регулировки.

Из определения можно сделать два вывода:

1. калибровка проводится для тех СИ, которые не используются в сферах ГМКиН (установленных ст. 13 Закона об обеспечении единства измерений), а значит, не подлежат поверке;

2. калибровка выполняет три основныефункции:

- определение и подтверждение действительных значений метрологических характеристик СИ;

- определение и подтверждение пригодности СИ к применению;

- регулировка СИ.

Поверка (калибровка) может быть первичной и вторичной. Первичная поверка проводится при выпуске из производства или ремонта и при ввозе по импорту СИ, вторичная – в процессе эксплуатации. Среди вторичных различают периодические, внеочередные и инспекционные поверки.

Периодической поверке подлежат СИ, находящиеся в эксплуатации или на хранении. Результаты периодической поверки действительны в течение межповерочного интервала. Межповерочный интервал устанавливается при утверждении типа.

Внеочередную поверку производят при эксплуатации (хранении) СИ в следующих случаях: повреждение знака поверительного клейма, а также утрата свидетельства о поверке; ввод в эксплуатацию СИ после длительного хранения (более одного межповерочного интервала); неудовлетворительная работа прибора или проведение повторной настройки после ударного воздействия на СИ.

Инспекционную поверку производят для выявления пригодности к применению СИ при осуществлении государственного метрологического надзора с целью оценки качества работы государственных поверителей.

Под метрологическими характеристиками СИ понимают характеристики, оказывающие влияние на результат измерений физических величин. Номенклатура нормируемых метрологических характеристик СИ устанавливается ГОСТ 8.009–84, который распространяется на нормативно–техническую документацию, регламентирующую метрологические характеристика СИ. Требования к нормированию погрешностей конкретных приборов устанавливаются на определенные виды средств измерения.

Для приборов нормируются: наименьшая цена деления неравномерной шкалы прибора; погрешности (систематическая ∆ s и случайная ∆ R составляющие, суммарная ∆); вариация показаний В; динамические характеристики; наибольшие допустимые изменения метрологических характеристик, вызванные изменениями внешних влияющих величин и неинформационных параметров входного сигнала, и другие.

Наиболее важными метрологическими характеристиками прибора являются погрешности, возникающие из–за несовпадения действительных свойств прибора с номинальными. Различают основную и дополнительные погрешности. Основная погрешность возникает при нормальных условиях использования прибора, а дополнительные – при отклонении условий использования за пределы нормальных. Пределы допускаемых значений основной и дополнительных погрешностей приборов устанавливаются в виде абсолютных и приведенных значений.

Абсолютная погрешность ∆ прибора есть разность между показанием XП прибора и истинным значением XИ измеряемой величины:

Так как истинное значение неизвестно, то вместо него используют действительное значение XД, за которое принимают при поверке показания XO образцового прибора:

(1)

При поверке стрелочных приборов отдельно оцениваются основная и дополнительные погрешности. Для каждой числовой отметки шкалы прибора определяют два значения, абсолютной погрешности: ∆ М – при увеличении и ∆ Б – при уменьшении показаний прибора. Характер распределения ∆ по диапазону измерения зависят от конкретного вида прибора.

Относительная погрешность d прибора определяется по формуле

(2)

где XO – показания образцового прибора.

Относительная погрешность прибора распределена по диапазону измерения неравномерно. Например, у щитовых стрелочных приборов она велика в начале шкалы и минимальна в конце, поэтому при их использовании необходимо, чтобы стрелка прибора при снятии показаний находилась как можно ближе к конечной числовой отметке шкалы.

Для сравнения точности приборов, имеющих разные пределы измерения, введено понятие приведенной погрешности прибора γ, определяемой по формуле:

(3)

где ХН – нормирующее значение.

В качестве нормирующего значения принимается значение, характерное для данного вида измерительного прибора. Это может быть, например, диапазон измерений, верхний предел измерений, длина шкалы и т.д.

Класс точности – обобщенная метрологическая характеристика прибора, определяющая точность, которая отражает предел допускаемых значений основной и дополнительных погрешностей, а также все другие свойства, влияющие на точность прибора. Например, для стрелочных амперметров и вольтметров ГОСТ 8711–93 устанавливает 11 классов точности: 0, 05; 0, 1; 0, 2; 0, 3; 0, 5; 1, 0; 1, 5; 2, 0; 2, 5; 3, 0; 5, 0.

Важными метрологическими характеристиками стрелочных приборов является также вариации показаний и невозвращение стрелки к нулевой отметке на шкале.

Вследствие трения в подпятнике, гистерезисных явлений в пружинах, создающих противодействующий момент, и явления гистерезиса при перемагничивании магнитопроводов приборов отдельные повторные показания приборов при подходе стрелки снизу или сверху к определенной отметке на шкале будут отличаться, т.е. будет наблюдаться вариация показаний прибора. Вариация В определяется как абсолютная разность между показаниями образцового прибора, соответствующими одной и той же числовой отметке шкалы поверяемого прибора, полученными при возрастании ХО1 и убывании ХО2 измеряемой величины:

(4)

Вариация показаний определяется для каждой числовой отметки шкалы. Ни одно из полученных значений не должно превышать предела допустимого значения.

Физические явления, обусловливавшие невозвращение стрелки прибора с нулевой отметке на шкале, в основном те же, что и при возникновении вариации показаний.

Для приборов класса точности 0, 5, с подвижной частью на растяжках, с углом шкалы не более 120°, миниатюрных и малогабаритных, а также устойчивых к механическим воздействиям предел допустимого значения невозвращения указателя определяется по формуле

(5)

где γ Н – предел допустимого значения невозвращения стрелки, мм; k – число, обозначающее класс точности прибора; L – длина шкалы, мм.

Для остальных приборов γ Н не должно превышать половины рассчитанного по формуле (5) значения.

Ознакомление с оборудованием

Лабораторный стенд представлен на рисунке 35, состоит из источника питания 1, калибруемого вольтметра 2 и образцового вольтметра 3.

Тумблер 4 источника питания 1 подает питание на лабораторный стенд, индикатор 5 сигнализирует о включении стенда, ручки 6 и 7 позволяют регулировать измеряемое напряжение грубо и плавно соответственно. Измеряемое напряжение снимается с клемм 8 источника питания. Предохранитель 9 осуществляет защиту источника питания.

Рисунок 35 – Лабораторный стенд

На рисунке 36 представлен образцовый вольтметр, имеющий индикатор уровня положения.

Показания образцового вольтметра 60, 2 В.

Рисунок 36 – Образцовый вольтметр

Указания по подготовке к проведению работы

При подготовке к проведению лабораторной работы необходимо включить лабораторный стенд и дать ему прогреться в течение 5 мин.

Программа работы

1. Провести метрологическую калибровку вольтметра;

2. Рассчитать погрешности вольтметра;

3. Сравнить реальные значения погрешности с максимально допустимыми и сделать вывод о пригодности вольтметра к применению;

4. Сделать выводы по работе.

Порядок выполнения практической части лабораторной работы

1. Записать класс точности калибруемого вольтметра;

2. Включить питание лабораторного стенда, при помощи тумблера 1 (рисунок 35);

3. Провести внешний осмотр вольтметра;

4. Провести опробование вольтметра;

5. Определить невозвращение стрелки к нулевой отметке по формуле 5;

6. Проверить установку уровня положения образцового вольтметра (рисунок 36); Воздушный пузырек, выполняющий функцию индикатора уровня, должен находиться строго по центру окружности, обозначающей линию горизонта.

7. Установить последовательно значение напряжения по калибруемому вольтметру от нижнего до верхнего пределов измерения с шагом 5 В с помощью ручек 6 «грубо» и 7 «плавно» (рисунок 35);

8. Для каждого установленного значения напряжения записать показания образцового вольтметра в таблицу 13 при увеличении и при уменьшении напряжения. Показания с образцового вольтметра снимаются с максимально возможной точностью, пересечения диагональной линии шкалы с горизонтальными (рисунок 36) дополнительно делят расстояние между двумя соседними вертикальными штрихами шкалы на пять равных интервалов, в результате чего цена деления указанного вольтметра 0, 2 В.

Примечание: При увеличении напряжения стрелку калибруемого вольтметра подводить к значению слева, при уменьшении – справа.

Таблица 13. Метрологическая калибровка вольтметра

9. Определить погрешности и вариацию показаний калибруемого вольтметра по формулам 1…4;

10. Сравнить реальные значения погрешности с максимально допустимыми и сделать вывод о пригодности вольтметра к применению;

11. Сделать выводы по работе.

Содержание отчета

1. Титульный лист;

2. Цель работы;

3. Класс точности калибруемого вольтметра;

4. Результаты внешнего осмотра вольтметра;

5. Результаты опробования вольтметра;

6. Результаты расчета невозвращения стрелки к нулевой отметке;

7. Результаты калибровки (таблица 13);

8. Выводы по работе.