3. Поверка газоанализатора

Поверка – установление органом государственной метрологи-ческой службы пригодности средства измерений к применению на основании экспериментально определяемых метрологических характеристик и подтверждения их соответствия установленным обязательным требованиям.

Для поверки характерно такое неприятное явление, как объективно существующие статистические ошибки поверки. Если поверяемый прибор имеет погрешность x, а погрешность его поверки (погрешность эталонной газовой смеси) - x_п, то возможны ошибки поверки, обусловленные случайным характером этих погрешностей. Брак поверки (ошибка) 1-го рода заключается в том, что будет забракован фактически годный прибор. Пусть  - предел допускаемой погрешности прибора. Тогда для возникновения этой ошибки необходимо выполнение следующих условий: (это означает, что прибор годен) и или (по результатам поверки он будет признан негодным). Брак поверки (ошибка) 2-го рода заключается в признании годным фактически негодного прибора. Для этого необходимо выполнение следующих условий: или (прибор негоден) и (по результатам поверки прибор будет признан годным).

Поскольку эти ошибки носят случайный характер, их оцени-вают вероятностным способом. Найдем выражения для вычисления вероятностей Р₁ и Р₂ этих ошибок. Для этого введем обозначения: - плотность распределения погрешности прибора х, - плотность распределения погрешности поверки x_п.

Как отмечено выше, брак поверки 1-го рода возникает тогда, когда погрешность прибора находится в заданных пределах , а из-за наличия погрешности у эталонной смеси суммарная их погрешность превышает заданные пределы допускаемой погрешности прибора . Вероятность этого события равна:

.

Брак поверки 2-го рода возникает, если прибор превышает пределы допускаемой погрешности , но за счет погрешности эталонной смеси попадает в пределы допускаемой погрешности . Вероятность брака поверки 2-го рода равна:

.

Вероятности Р₁ и Р₂ являются показателями качества поверки.

Вероятности Р₁ и Р₂ можно определить по номограммам, приведенным в Приложении 4. Номограммы построены при естественном предположении о равенстве нулю математических ожиданий распределений x и x_п (т.е., об отсутствии систематических погрешностей у эталонной смеси и у поверяемого прибора). Кроме того, предполагается, что погрешность поверяемого СИ x подчиняется нормальному распределению, а погрешность поверки x_п – нормальному (что типично для случайной погрешности) или равномерному (что типично для неисключенной систематической погрешности). На номограмме обозначены: S – СКО погрешности эталонной смеси, S_T - СКО распределения погрешности поверяемого СИ, - доверительная погрешность поверяемого СИ.

Например, при S=0,15 %, S_T=0,5 %, =1,5 % имеем: , и по номограмме а) Р₂=2 %, по номограмме б) Р₁=4 %.

4. Методика поверки газоанализаторов.

Выполнить полностью поверку газоанализатора не представляется возможным, т.к. невозможно сохранить нормальные условия при поверке, отсутствуют аттестованные поверители, невозможно оценить все технические и метрологические характеристики газоанализатора. Требования к метрологическим и к техническим характеристикам газоанализатора регламентированы производителями в технической документации, прилагаемой к газоанализатору.

Метрологические характеристики – это те характеристики газоанализатора, изменение которых влияет на показания прибора и на его погрешность. Задача работы; проверить некоторые наиболее существенные метрологические характеристики газоанализатора.

Газовая схема учебного стенда изображена на Рис.2.1. В качестве нулевого газа используется азот, которым заполнен баллон 1. Измеряемыми газовыми смесями закиси азота заполнены баллоны 2, 3, 4. Газовые смеси из выбранного для измерений баллона по очереди подаются через штуцер 5 и редуктор 6 на вход газоанализатора 14. Расход газовой смеси контролируется с помощью ротаметра 15. Винт 9 (расположен в верхней части редуктора 6), позволяет осуществлять регулировку подачи газовой смеси.

1-й этап. Важной метрологической характеристикой прибора является «установка нуля», проверка нулевой точки прибора, оценивание погрешности газоанализатора в нулевой точке.

1. Включить газоанализатор и цифровой вольтметр в сеть. Для этого включить приборы в сеть 220 В, 50 Гц, нажать кнопку "сеть" на цифровом вольтметре.

П р и м е ч а н и е: Подключение газоанализатора к сети рекомендуется производить заранее (до проведения лабораторных работ), поскольку время его прогрева составляет не менее 1-х часа. Время прогрева цифрового вольтметра - не менее 15 минут.

2. Перед началом работы проверить, чтобы редуктор был закрыт. При этом винт 9 редуктора должен быть вывернут до свободного хода.

Для проверки нулевой точки шкалы прибора подаем в газоанализатор чистый газ.

Рис. 2.1. Газовая схема установки.

3. Плавно открыть вентиль 10 баллона 1 с азотом, манометр 7 покажет давление газа в баллоне.

Установить винтом 9 редуктора такой расход в газовой схеме, чтобы поплавок ротаметра 15 поднялся до середины шкалы.

Показания прибора немного изменяются, это указывает на присутствие случайных погрешностей в показаниях прибора.. Поэтому снимаем несколько показаний прибора, допустим число измерений =10 ( ).

Для оценивания аддитивной погрешности газоанализатора следует по полученным результатам измерений оценить систематическую погрешность, которую имеет газоанализатор в точке нуль. Для этого следует статистически обработать результаты измерений. Предполагая, что полученные результаты измерений не противоречат нормальному распределению, вычислим среднее арифметическое , среднее квадратическое отклонение (СКО) ряда результатов измерений и среднее квадратическое среднего арифметического .

Вычисленное среднее арифметическое является оценкой систематической погрешности прибора в точке нуль, т.е. аддитивной погрешностью газоанализатора, которую можно убрать путем регулирования прибора в точке нуль. Однако, в нашей работе не будем производить корректировку прибора по аддитивной погрешности. Эту аддитивную погрешность прибора следует учесть при проверке прибора на соответствие его погрешности пределу допускаемой погрешности, указанной в технической документации.

Доверительную случайную погрешность газоанализатора в точке нуль оценивают по формуле

, (2.1)

где - коэффициент распределения Стьюдента, соответствую-щий доверительной вероятности 0,95 и числу степеней свободы , коэффициент Стьюдента определяют по таблице Приложения 3; - среднеквадратическое отклонение среднего арифметического результатов измерений, полученных при проверке прибора в точке нуль.

Для нахождения брака поверки 1-го и 2-го рода в точке нуль следует вычислить отношение погрешности прибора в этой точке к его СКО ( ) и отношение СКО газовой смеси и по представленным номограммам (см. Приложение 4) оценить их. Среднее квадратическое отклонение приготовления чистого газа можно считать равным .

2-й этап. Проверка диапазона работы газоанализатора.

Чтобы проверить эту метрологическую характеристику прибора следует подать на прибор газ максимальной концентрации. Для этого следует сделать следующее:

1. Закрыть вентиль 10 баллона 1.

2. После выхода газа (при этом поплавок ротаметра упадет) закрыть редуктор 6, вывернуть винт 9.

3. Произвести подачу эталонной газовой смеси с содержанием компонента .(смесь с максимальной концентрацией 275 ppm). Для этого открыть вентиль 13 баллона 3 и плавно ввернуть винт 9 редуктора 6. При этом поплавок ротаметра должен подняться до середины шкалы.

Выполняем объем вычислений, аналогичный первому этапу, т.е. вычисляем среднее арифметическое результатов измерений , среднее квадратическое отклонение и доверительную границу случайной погрешности прибора в конце диапазона.

3-й этап. Построение градуировочной характеристики газоанализатора.

Полученная вторая точка градуировочной характеристики газоанализатора позволяет построить линейную градуировочную характеристику прибора. Погрешность прибора в этой точке соответствует доверительной границе случайных погрешностей арифметического среднего, построенной с помощью распределения Стьюдента .

Нахождение брака поверки 1-го и 2-го рода при проверке прибора в максимальной точке шкалы аналогично процедуре, описанной в первом этапе.

4-й этап.

1. Закрыть вентиль баллона 3 и выпустить газ, закрыть редуктор 6.

2. Продуть схему нулевым газом. Для этого необходимо выполнить п.п. 3-7 (при этом проконтролировать, не ушел ли "0" прибора).

3. Подать эталонную газовую смесь с содержанием компонента 0,5 (150 ppm). Для этого открыть вентиль баллона 2. Открыть редуктор, установить требуемое давление в газовой схеме (поплавок должен дойти до середины шкалы).

Выполняем объем работ, аналогичный первому этапу, подавая в прибор эталонную газовую смесь, соответствующую 0,5 максимальной точке шкалы газоанализатора.

Вычисляем среднее арифметическое результатов измерений , квадратическое отклонение среднего арифметического и доверительную границу случайной погрешности в этой точке. Воспользовавшись построенной на предыдущем 2-м этапе градуировочной характеристикой и вычисленному среднему арифметическому следует оценить погрешность газоанализатора от нелинейности его градуировочной характеристики.

Брак поверки 1-го и 2-го рода по третьему этапу следует вычислить аналогично расчетам, выполненным в первом этапе.

Определение показателей качества полной поверки газоанализатора:

Р₁=Р₁₁+Р₁₂+Р₁₃,

Р₂=Р₂₁+Р₂₂+Р₂₃.

5-й этап. С целью проверки стабильности газоанализатора следует повторить процедуру проверки газоанализатора (этапы 1-3) примерно через 1 час, выполнив все предыдущие операции. Данные занести в протокол.

Протокол измерений (время = 0)

№	(С=0)	(С=50% от max шкалы)	(С=100% от max шкалы)
1
2
….
10

Протокол измерений (время = 1 ч.)

№	(С=0)	(С=50% от max шкалы)	(С=100% от max шкалы)
1
2
….
10

Повторить работы 1-го этапа. Определить аддитивную погрешность газоанализатора и доверительную погрешность газоанализатора в точке нуль .

Повторить работы 2-го этапа.

Повторить работы 3-го этапа. Оценить погрешность прибора из-за нелинейности градуировочной характеристики.