Голубятникова Н.О., А.И. Чередов. Лаб.раб. Метрология электрорадиоизмерений

1.2. ПОНЯТИЯ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ

Средство измерений (measuring instrument) – техническое средство, предназначенное для измерений и имеющее нормированные (установленные) метрологические характеристики.

К средствам измерений относятся измерительные преобразователи, меры, измерительные приборы, измерительные системы, измерительные комплексы, измерительные принадлежности.

Измерительный преобразователь (ИП) (measuring transducer) – средство измерений или его часть, служащие для получения и преобразования информации об измеряемой величине в форму, удобную для обработки, хранения, дальнейших преобразований, индикации или передачи. Например, термопара, фоторезистор, трансформатор электрического тока.

Мера (material measure) – средство измерений, которое воспроизводит

впроцессе использования или постоянно хранит величины одного или более данных родов с приписанными им значениями. Например, мерой электродвижущей силы является нормальный элемент, мерой сопротивления или индуктивности являются образцовые катушки сопротивления или индуктивности.

Измерительный прибор (indicating measuring instrument) – средство изме-

рений, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации

вформе, доступной для непосредственного восприятия. Например, вольтметр, амперметр, частотомер.

Измерительная система (measuring system) – совокупность средств измерений и других средств измерительной техники, размещенных в разных точках объекта измерения, функционально объединенных с целью измерений одной или нескольких величин, свойственных этому объекту. Например, радионавигационная система, предназначенная для определения местоположения различных объектов, состоящая из ряда измерительно-вычислительных комплексов, разнесенных в пространстве на значительное расстояние друг от друга.

Измерительные принадлежности – вспомогательные средства, служащие для обеспечения необходимых условий для выполнения измерений с требуемой точностью. Например, термостат, барокамера, устройство для экранирования влияния электромагнитных помех.

Шкала средства измерений (scale of a measuring instrument) – часть сред-

ства измерений, представляющая собой упорядоченный набор меток вместе со значениями соответствующей величины (рис. 1.1).

11

Цена деления шкалы (scale interval) – разность значений величины, соответствующих двум соседним отметкам шкалы средства измерений (рис. 1.1).

Начальное (конечное) значение шкалы – наименьшее (наибольшее) значе-

ние величины, которое может быть отсчитано по шкале средства измерений

(рис. 1.1).

Рис. 1.1. Шкала средства измерений

Инструментальная погрешность (измерения) (instrumental error) – это со-

ставляющая погрешности измерения, обусловленная погрешностью применяемого средства измерений.

Погрешность средства измерений (error (of indication) of a measuring instrument) – разность между показаниями средства измерений и известным опорным значением величины.

Предел допускаемой погрешности (средства измерений) (limit of error) –

наибольшее значение погрешности средства измерений (без учета знака), устанавливаемое нормативным документом для данного типа средств измерений, при котором средство измерений еще признается метрологически исправным.

По форме записи погрешности средств измерений подразделяются на аб-

солютную , относительную δ и приведенную γ. Абсолютная и относительная погрешности были рассмотрены выше.

Приведенная погрешность применяется, когда необходимо охарактеризовать точность средства измерений или сравнить различные средства измерений между собой по обеспечиваемой ими точности измерения.

Приведенная погрешность средства измерений (reduced error of a measuring instrument) – погрешность средства измерений, выраженная отношением

12

абсолютной погрешности средства измерений к нормирующему значению величины:

где ХН – нормирующее значение.

Часто за нормирующее значение принимают конечное значение диапазона измерений или разность между конечным и начальным значениями диапазона измерений.

По характеру (закономерности) проявления погрешности средств изме-

рений подразделяются на случайные и систематические, которые были рассмотрены ранее.

Средства измерений могут применяться в нормальных и рабочих услови-

ях. Эти условия для конкретных видов средств измерений установлены в стандартах или технических условиях [1].

Нормальные условия измерений (reference operating condition) – условия измерений, предписанные для оценивания характеристик средства измерений или измерительной системы или для сравнения результатов измерений.

Нормальные условия – это такие условия измерений, при которых установленная погрешность будет наименьшей. Нормальные условия определяются следующими наиболее распространенными номинальными значениями влияющих величин: температура 20 ± 5 ºС, атмосферное давление 630…795 мм рт. ст., относительная влажность 30…80 %, частота питающей сети 50 ± 0,5 Гц, переменное синусоидальное напряжение 230 ± 4,4 В [1].

Рабочие (нормированные) условия измерений (rated operating condition) –

условия измерений, которые должны выполняться во время измерения для того, чтобы средство измерений или измерительная система функционировали и в соответствии со своим назначением. Стандартом определяется 7 групп с указанием диапазонов изменения значений влияющих величин, характеризующих механические и климатические воздействия [1].

Основная погрешность (intrinsic error of a measuring instrument) – погреш-

ность средства измерения, применяемого в нормальных условиях. Она может быть установлена в виде абсолютной, относительной или приведенной погрешности.

13

Дополнительная погрешность (complementary error of a measuring instrument) – составляющая погрешности средства измерений, возникающая дополнительно к основной погрешности вследствие отклонения какой-либо из влияющих величин от нормального ее значения или вследствие ее выхода за пределы нормальной области значений.

Класс точности (accuracy class) – обобщенная характеристика данного типа средства измерений, как правило, отражающая их уровень точности и выражаемая точностными характеристиками средств измерений. Класс точности обозначается числом или символом, принятым по соглашению. Класс точности дает возможность судить о значениях инструментальных погрешностей.

Меры нормируются классами точности, определяемыми по абсолютной основной погрешности меры. Измерительные приборы нормируются классами точности, определяемыми по относительной или приведенной основной погрешности средства измерения. Класс точности не может задаваться произвольным числом, он выбирается из ряда: 1·10n; 1,5·10n; 2·10n; 2,5·10n; 4·10n; 5·10n; 6·10n (n = 1, 0, –1, –2 и т. д.). Обозначения классов точности на средствах измерения приведены в прил. 3.

1.3. ПОНЯТИЯ МЕТОДОВ ИЗМЕРЕНИЙ

Метод измерений (measurement method) – прием или совокупность приемов сравнения измеряемой величины с ее единицей или соотнесения со шкалой в соответствии с реализованным принципом измерений.

Погрешность метода (измерений) (error of method) – составляющая по-

грешности измерений, обусловленная несовершенством принятого метода измерений.

Например, при подключении электроизмерительного прибора к цепи от источника сигнала потребляется некоторая мощность. Это приводит к искажению режима работы источника сигнала и вызывает погрешность метода (методическую погрешность).

Рассмотрим на рис. 1.2, а схему подключения амперметра для измерения силы электрического тока в цепи. Любой амперметр обладает некоторым сопротивлением RA. Поэтому его включение в разрыв цепи меняет в ней распределение токов и напряжений.

14

Согласно выражению (1.2), относительная методическая погрешность измерения напряжения, возникающая из-за неравенства входного сопротивления вольтметра бесконечности (RV ≠ ∞), будет равна:

Из выражения (1.5) видно, что чем меньше RV, тем больше погрешность.

1.4. ПРАВИЛА ОКРУГЛЕНИЯ ПРИ ОБРАБОТКЕ

РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ

В Российской Федерации действует ГОСТ Р 8.736–2011, регламентирующий методы обработки результатов прямых многократных измерений [6]. В приложении Е к данному ГОСТу изложены правила округления при обработке результатов измерений:

1.Точность результатов измерений и точность вычислений при обработке результатов измерений должны быть согласованы с требуемой точностью получаемой оценки измеряемой величины.

Например, если абсолютная погрешность измерения округлена до десятых единиц ( = 0,5 мА), то и результат измерения должен быть округлен до десятых единиц (I = 85,0 мА).

2.Погрешность оценки измеряемой величины следует выражать не более чем двумя значащими цифрами. Две значащие цифры в погрешности оценки измеряемой величины сохраняют:

– при точных измерениях;

– если первая значащая цифра не более трех.

Значащая цифра – это все цифры, кроме нулей слева, например = 0,5 мА,

=0,3 мА, = 0,25 мА.

3.Число цифр в промежуточных вычислениях при обработке результатов измерений должно быть на две больше, чем в окончательном результате.

4.Погрешность при промежуточных вычислениях должна быть выражена не более чем тремя значащими цифрами.

16

5. Сохраняемую значащую цифру в погрешности оценки измеряемой величины при округлении увеличивают на единицу, если отбрасываемая цифра неуказываемого младшего разряда больше либо равна пяти, и не изменяют, если она меньше пяти.

Например, абсолютную погрешность = 0,47 мА следует округлить как

= 0,5 мА.

1.5. ПОНЯТИЯ МЕТРОЛОГИЧЕСКОЙ ПРОСЛЕЖИВАЕМОСТИ

Эталон (etalon) – средство измерительной техники, предназначенное для воспроизведения, хранения и передачи единицы величины или шкалы измерений.

Естественный эталон – эталон, основанный на присущих и воспроизводимых свойствах материального объекта или явления. Например, образец меди как естественный эталон электропроводности, естественный эталон разности электрических потенциалов, основанный на эффекте Джозефсона.

Стандартный образец (СО) (reference material) – материал, достаточно однородный и стабильный в отношении определенных свойств для того, чтобы использовать его при измерении или при оценивании качественных свойств в соответствии с предполагаемым назначением.

Например, стандартный образец для настройки ультразвукового дефектоскопа СО-2 (рис. 1.3). Образец изготовляют из малоуглеродистой стали с мелкозернистой структурой. Минимальную глубину прозвучивания, или мертвую зону, оценивают с помощью СО-2, в котором предусмотрены боковые отверстия диаметром 2 мм на расстоянии 3 и 8 мм от поверхности (отверстие на расстоянии 8 мм – для проверки мертвой зоны прямых преобразователей; 3 мм – для наклонных преобразователей).

Рис 1.3. Стандартный образец СО-2: а – вид спереди; б – в разрезе

17

Калибровка (calibration) – совокупность операций, устанавливающих соотношение между значением величины, полученным с помощью данного средства измерений, и соответствующим значением величины, определенным с помощью эталона, с целью определения метрологических характеристик этого средства измерений.

Поверка (средств измерений) (verification of a measurement instrument) –

установление официально уполномоченным органом пригодности средства измерений к применению на основании экспериментально определяемых метрологических характеристик и подтверждение их соответствия установленным обязательным требованиям.

Первичная поверка (средств измерений) (initial verification of measurement instrument) – поверка, выполняемая при выпуске средства измерений из производства или после ремонта, а также при ввозе средства измерений из-за границы.

Периодическая поверка (periodic verification of measurement instrument) –

поверка средств измерений, находящихся в эксплуатации или на хранении, выполняемая через установленные интервалы времени между поверками (межповерочный интервал).

18

2. Лабораторная работа ПРЯМЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

ЦИФРОВЫМИ МУЛЬТИМЕТРАМИ

Истолкователем природы является опыт. Он не обманывает никогда… Надо производить опыты, изменяя обстоятельства, пока не извлечем из них общих правил, потому что опыт доставляет истинные правила…

Леонардо да Винча

Целью работы является изучение основных характеристик цифровых мультимеров, приобретение навыков применения мультиметров для измерения электрического напряжения, силы электрического тока, электрического сопротивления, частоты и оценки погрешности измерения.

Задания к работе:

1.Изучить главу 1, параграф 2.1, ознакомиться с параграфом 2.2 и начертить табл. 2.14–2.17.

2.Измерить электрическое напряжение и силу электрического тока в цепях постоянного и переменного тока.

3.Измерить электрическое сопротивление, установленное на магазине сопротивлений.

4.Измерить частоту переменного тока.

5.Рассчитать погрешности измерений.

6.Проверить, не превышают ли погрешности измерений основной погрешности мультиметра.

Приборы и оборудование: стенд с модулями «Модуль питания», «Автотрансформатор», «Функциональный генератор», «Нагрузка»; мультиметры Mastech MY64 и Sanwa PC500; магазин сопротивлений P33; комплект соединительных проводов (не менее 6 штук).

19

2.1.СВЕДЕНИЯ ИЗ ТЕОРИИ

2.1.1.Описание цифрового мультиметра MASTECH MY64

Цифровой мультиметр предназначен для измерения электрического напряжения в цепях постоянного и переменного тока, силы электрического постоянного и переменного тока, электрического сопротивления, частоты переменного тока, электрической емкости и проверки полупроводников (рис. 2.1) [11].

Рис. 2.1. Мультиметр Mastech MY64, внешний вид:

1 – ЖК-дисплей; 2 – разъем для подключения транзисторов; 3 – поворотный переключатель выбора режима работы; 4 – входное гнездо «COM», общее для любого режима измерения; 5 – входное гнездо «VΩHz» для подключения

измерительного щупа или соединительного проводника при измерении напряжения, силы тока, частоты или сопротивления; 6 – входное гнездо «10А» для подключения измерительного щупа или соединительного проводника при измерении силы тока до 10 А; 7 – входное гнездо «mA» для подключения измерительного щупа

или соединительного проводника при измерении силы тока до 200 мА; 8 – разъем для подключения конденсаторов при измерении их емкости; 9 – кнопка

включения/отключения питания «ON/OFF»; 10 – индикатор низкого заряда батареи (лабораторный мультиметр питается от сети 220 В через преобразователь АС/DС, поэтому не нуждается в замене батареи); 11 – индикатор, отображающий,

что мультиметр работает в режиме измерения высокого напряжения

20