МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РФ

Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Пензенский государственный университет» (ПГУ)

Метрологические характеристики аналоговых измерительных приборов

Методические указания к выполнению лабораторных работ

С о с т а в и т е л и:

К. В. Сафронова, Б. П. Сибринин, В. А. Баранов

Пенза

Издательство ПГУ

2012

УДК 006.(075.32)

М54

Р е ц е н з е н т

кандидат технических наук, начальник НТЦ ИМО, главный метролог ФГУП «НИИЭМП»

Г. А. Солодимова

Метрологические характеристики аналоговых измери-

М54    тельных приборов : метод. указания к выполнению лаб. ра- бот / сост.: К. В. Сафронова, Б. П. Сибринин, В. А. Баранов. – Пенза : Изд-во ПГУ, 2012. – 36 с.

Представлена методика проведения исследований метрологических характеристик комбинированного аналогового прибора и влияния частоты и формы кривой измеряемого напряжения на показание вольтметра.

Методические указания подготовлены на кафедре «Метрология и системы качества» и предназначены для студентов, обучающихся по направлению «Метрология, стандартизация и сертификация», а также для студентов других специальностей, изучающих дисциплины, связанные с метрологией и техническими измерениями.

УДК 006. (075.32)

©  Пензенский государственный                                                                      университет, 2012

СОДЕРЖАНИЕ

Лабораторная работа Л-01-1 4

Исследование метрологических характеристик комбинированного аналогового прибора 4

Цель работы: приобретение навыков проведения эксперимента по исследованию метрологических характеристик комбинированного аналогового прибора при измерении силы постоянного тока. 4

Список литературы 18

Приложение 1 19

Тест для подготовки к проведению лабораторной работы Л-01-1 19

Приложение 2 21

Основные метрологические характеристики используемых приборов 21

Лабораторная работа Л-01-2 23

Исследование влияния на показание вольтметра частоты и формы кривой измеряемого напряжения 23

Цель работы: изучение влияния неинформативных параметров сигнала измеряемой величины на показания комбинированного аналогового прибора при измерении напряжения переменного тока. 23

– проведение эксперимента по определению влияния частоты измеряемого напряжения на показания прибора и оценивание частотной погрешности; 23

– проведение эксперимента по определению влияния формы кривой измеряемого напряжения на показания прибора; 23

– расчет действительного значения напряжения по показаниям вольтметра при известной форме кривой измеряемого напряжения. 23

Список литературы 32

Приложение 1 32

Коэффициент формы и коэффициент амплитуды синусоидального сигнала 32

Приложение 2 34

Основные технические характеристики комбинированных приборов при измерениях на переменном токе 34

Приложение 3 35

Тест для подготовки к проведению лабораторной работы Л-01-2 35

Учебное издание 38

Лабораторная работа л-01-1 Исследование метрологических характеристик комбинированного аналогового прибора

Цель работы: приобретение навыков проведения эксперимента по исследованию метрологических характеристик комбинированного аналогового прибора при измерении силы постоянного тока.

Задачами лабораторной работы являются:

– изучение функциональной электрической схемы аналогового многопредельного прибора при работе в режиме измерения силы тока;

– изучение нормированных метрологических характеристик;

– исследование погрешности в оцифрованных отметках шкалы испытуемого прибора;

– исследование вариации показаний;

– вычисление поправок к результатам измерений;

– экспериментальное определение внутреннего сопротивления прибора.

Используемое оборудование:

 исследуемый прибор: комбинированный аналоговый прибор;

 рабочий эталон: комбинированный цифровой прибор.

Вспомогательные средства измерений и оборудование:

• магазин сопротивлений;

• источник постоянного напряжения;

• модуль с резистором;

• средства контроля условий эксперимента (напряжения и частоты питающей сети, температуры и влажности окружающего воздуха, атмосферного давления).

1. Подготовка к работе (домашнее задание)

1.1. Изучите теоретический материал, относящийся к данной работе по литературе [13] и описанию работы.

1.2. Подготовьте ответы к тесту (прил. 1).

1.3. Электрическая функциональная схема аналогового комбинированного прибора в режиме измерения силы постоянного тока приведена на рис. 1.

Рис. 1. Электрическая функциональная схема аналогового комбинированного прибора в режиме измерения силы постоянного тока

На рис. 1 приняты следующие обозначения: ИМ – магнитоэлектрический измерительный механизм (микроамперметр); R₁ – R₇ – сопротивления, образующие шунт; S – переключатель пределов изме-рений.

2. Порядок выполнения работы и методические указания

2.1. Изучение нормированных метрологических характеристик.

Метрологическая характеристика – характеристика одного из свойств средства измерений, влияющая на результат измерений и на его погрешность. Метрологические характеристики, устанавливаемые нормативно-техническими документами, называют нормируемыми метрологическими характеристиками, а определяемые экспериментально  действительными метрологическими характеристиками.

Нормированные метрологические характеристики (МХ) приведены в эксплуатационной документации средства измерений.

К МХ комбинированного аналогового прибора относятся:

– пределы измерений;

– цена деления шкалы;

– класс точности (пределы допускаемой основной приведенной погрешности и соответствующие нормальные условия);

– напряжение на зажимах прибора (или соответствующее ему входное сопротивление);

– вариация показаний;

– невозвращение стрелки к нулевой отметке шкалы;

– время установления показаний.

Нижним или верхним пределом измерений называют значения величины, ограничивающие диапазон измерений соответственно снизу и сверху.

Диапазон измерений средства измерений  область значений величины, в пределах которой нормированы пределы допускаемой погрешности средства измерений.

Цена деления шкалы  разность значений величины, соответствующих двум соседним отметкам шкалы средства измерений (на каж­дом пределе разная).

Класс точности  обобщенная характеристика данного типа средств измерений, выражаемая пределами допускаемых основной и дополнительных погрешностей, а также другими характеристиками, влияющими на точность.

Напряжение на зажимах прибора – максимальное значение напряжения на зажимах прибора при протекании через него тока, равного пределу измерений. Входное сопротивление для выбранного предела измерений амперметра определяется как отношение напряжения на зажимах прибора к пределу измерений.

Вариация показаний  разность показаний прибора в одной и той же точке диапазона измерений при плавном подходе к этой точке со стороны меньших и больших значений измеряемой величины. Вариация может быть обусловлена наличием трения в опорах подвижных узлов, люфта в механической системе и другими причинами.

Невозвращение указателя к нулевой отметке шкалы – остаточное отклонение указателя от нулевой отметки при плавном уменьшении измеряемой величины от максимального значения до нуля.

Время установления показаний – интервал времени с момента изменения измеряемой величины до момента, когда указатель не удаляется от окончательного положения более чем на 1 % длины шкалы. Время установления показаний для аналоговых приборов не должно превышать 4 с.

Для выбранного предела измерений в диапазоне от 1 до 15 мА заполните табл. 1, используя технические описания исследуемого прибора и рабочего эталона (прил. 2).

Таблица 1

Основные метрологические характеристики используемых приборов при измерении силы постоянного тока

Метрологическая характеристика	Исследуемый прибор	Рабочий эталон
Верхний предел измерений, используемый в данной работе, мА
Цена деления шкалы, мА		–
Единица младшего разряда (для используемых пределов), мА	–
Класс точности (указать, какая погрешность нормируется)
Нормальные условия: температура, С относительная влажность воздуха, % атмосферное давление*
Напряжение на зажимах прибора, В
Входное сопротивление, кОм	–
Вариация показаний, мА		–
*Для рабочего эталона могут быть и другие влияющие величины, кроме названных.

2.2. Исследование погрешности в оцифрованных отметках шкалы аналогового комбинированного прибора.

Исследование погрешности проводится методом сличения показаний аналогового прибора с показаниями цифрового прибора.

2.2.1. Подготовка к проведению эксперимента.

Установите прибор в положение, указанное на шкале:

– горизонтальное положение;

_┴ – вертикальное положение.

Проведите, если необходимо, регулировку и настройку исследуемого прибора и рабочего эталона, используя раздел «Порядок работы» их эксплуатационной документации. Обратите внимание, что погрешность цифрового прибора не превышает нормированной только после указанного в техническом описании времени прогрева и последующих операций установки нуля и калибровки. У исследуемого прибора необходимо установить стрелку на нулевую отметку механическим корректором (осуществляется при отсутствии входного сигнала).

Выберите и установите предел измерений исследуемого прибора, на котором будет выполняться эксперимент, в диапазоне от 1 до 30 мА. Схема соединений приборов приведена на рис. 2. В качестве источника питания используется источник постоянного стабилизированного напряжения с двумя регулировками «Грубо» и «Плавно».

Рис. 2. Схема соединения приборов при исследовании погрешности

На цифровом приборе установите предел измерений, ближайший больший в сравнении с выбранным пределом измерений комбинированного аналогового прибора. Проверьте соотношение классов точности цифрового и комбинированного аналогового приборов. Согласно ГОСТ 8.49783 соотношение между пределами допускаемой абсолютной (или относительной) погрешности рабочего эталона и исследуемого прибора должно быть не более чем 1:5. Это соотношение должно соблюдаться и в том случае, когда при проведении эксперимента приходится переключать предел измерений цифрового прибора. Например, если предел измерений I_к аналогового прибора составляет 15 мА, то при исследовании его погрешности у цифрового прибора придется использовать пределы измерений 10 и 100 мА.

У комбинированного цифрового прибора Щ300 нормируются пределы допускаемой основной относительной погрешности, выражаемые по двучленной формуле в виде

,

где I_ок – предел измерений, мА; I_о – результат измерений, мА.

На пределе измерения 10 мА (табл. П.2.2 прил. 2):

а на пределе 100 мА:

.

Проведем сравнение пределов допускаемой абсолютной погрешности комбинированного аналогового и цифрового приборов.

Пределы допускаемой абсолютной погрешности комбинированного аналогового прибора определяются по формуле

где γ – предел допускаемой основной приведенной погрешности, %.

Если прибор класса точности 1,0 исследуется на пределе 15 мА, то пределы допускаемой абсолютной погрешности комбинированного аналогового прибора

мА.

Пределы допускаемой основной абсолютной погрешности цифрового прибора выражаются формулой

На пределе I_к = 10 мА:

 при токе I_о = 0 мА мА;

 при I_о = 10 мА мА.

На пределе I_к = 100 мА:

 при I_о = 10 мА мА;

 при I_о = 15 мА мА.

На рис. 3 приведены графики зависимостей и в диапазоне от 0 до 15 мА.

Рис. 3. Графики зависимостей и в диапазоне от 0 до 15 мА

Сравнение и показывает, что при токе I = 10 мА отношение пределов погрешностей рабочего эталона и проверяемого приборов составляет 1:15, а при токе I = 15 мА – 1:3. Последнее соотношение допустимо для проверяемых амперметров и вольтметров класса точности 0,5 и ниже.

Определите цену деления С исследуемого прибора на выбранном пределе измерений:

,

где – максимальное число делений на шкале, соответствующей измерению на постоянном токе. Такая шкала отмечена знаком «».

Рассчитайте сопротивление R_н магазина, задавшись напряжением питания E_max = 15 В. При этом расчете допускается пренебрегать внутренним сопротивлением как исследуемого аналогового, так и цифрового приборов:

. (1)

Значение R_н необходимо выставить до подключения источника напряжения к цепи. В противном случае большой ток может вывести прибор из строя.

Соберите схему (см. рис. 2), установите переключатели приборов в соответствующие положения, включите питание и проверьте ее функционирование. При этом убедитесь, что регулировкой напряжения питания можно установить стрелку вплоть до ограничительного штифта с правой стороны шкалы. В противном случае, выставив E_max, уменьшите R_н так, чтобы стрелка отклонялась до штифта.