Лабораторная работа № 3
Методика выполнения измерений на милливольтметре в3-38б
Цель работы: Ознакомиться с процедурой разработки методик выполнения измерений (МВИ), освоить методику измерения напряжения переменного тока синусоидальной формы на милливольтметре В3-38Б.
Приборы и принадлежности: Милливольтметр В3-38Б (В3-41), генератор низкочастотных сигналов Г3-109.
Краткие теоретические сведения
По причине возникновения погрешности изменений физических величин разделяются на три основные группы: методические, инструментальные и погрешности взаимодействия.
Методические погрешности обусловлены неадекватностью принимаемых моделей реальным объектом, несовершенством методов измерений, упрощением зависимостей, положенных в основу измерений, неопределённостью объекта измерения.
Инструментальные погрешности обусловлены особенностями используемых в средствах измерений принципов и методов измерений, а также схемным, конструктивным и технологическим несовершенством средств измерений.
Погрешности взаимодействия обусловлены взаимным влиянием средства измерений, объекта исследования и экспериментатора. Совместными усилиями учёных разных стран была разработана наиболее совершенная в настоящее время форма метрической системы мер - Международная система единиц (СИ).
Её основными преимуществами является универсальность (она охватывает все области измерений), согласованность (все производные единицы образованы по единому правилу, исключающему появление в формулах коэффициентов, что существенно упрощает расчёты) и возможность создания новых производных единиц по мере развития науки и техники на основе существующих единиц физических величин.
Достоинством системы является также чёткое разделение понятий массы, веса и силы благодаря введению различных по наименованию единиц: килограмм – единица массы; ньютон – единица силы и веса. Изъятие единицы силы и веса – килограмм – сила (кгс) – позволяет избежать смешения понятий массы и веса.
Основные единицы СИ включают: метр, килограмм, секунда, ампер, кельвин, моль, кандела. СИ включают в себя две дополнительные единицы плоского (радиан) и телесного (стерадиан) углов.
Производные единицы СИ следует образовывать из основных и дополнительных единиц СИ по правилам их образования.
Методики выполнения измерений разрабатываются с целью обеспечения выполнения измерений с точностью, не превышающей требуемой в соответствии с ГОСТ 8.010-99 «ГСИ. Методики выполнения измерений».
Процедура разработки МВИ в общем виде показана на рисунке 1.
Рисунок 1 – Процедура разработки МВИ
Методика выполнения измерений – это совокупность правил выполнения измерений и показателей точности измерений, обеспечиваемых при соблюдении этих правил.
МВИ, которые используется многократно, подлежат стандартизации. При этом в зависимости от сферы применения, стандартизованные методики выполнения измерений регламентированы соответственно государственными или отраслевыми стандартами.
Методики выполнения измерений могут быть рабочими (непосредственно применяемыми), или типовыми (содержать требования, подлежащие конкретизации в рабочей методике).
В общем случае рабочая методика выполнения измерений содержит следующие разделы:
Название и область применения. В данном разделе приводят четкое определение измеряемой величины, диапазон измерений, известные свойства объекта, ограничение области применения.
Метод измерения. Данный раздел содержит наименование методики измерений, описание физических явлений, положенных в основу измерений.
Средства измерений, вспомогательные устройства и материалы.
Требования техники безопасности.
Требования к квалификации операторов (при необходимости).
Условия измерения. В данном разделе приводят перечень влияющих на результаты и погрешности измерений величин, характеризующих окружающую среду, питающие сети и объект измерения.
Подготовка к выполнению измерений.
Порядок выполнения измерений.
Вычисление результатов измерений.
Показатели точности измерений.
Порядок оформления результатов измерений.
Основными этапами разработки МВИ являются:
выбор методов и средств измерений (в том числе стандартных образцов, аттестованных смесей),вспомогательных и других технических средств;
установление последовательности и содержания операции при подготовке и выполнении измерений, обработке промежуточных результатов и вычислений окончательных результатов измерений;
установление норм точности измерений;
разработка нормативов и процедур контроля точности получаемых результатов измерений;
разработка документа на МВИ;
метрологическая экспертиза проекта документа на МВИ;
аттестация МВИ;
стандартизация МВИ.
Стандартизация и аттестация являются различными формами регламентации МВИ и обращение к той или иной форме ставится в зависимость от условий и области применения данной методики. МВИ, носящая типовой характер, подлежит стандартизации.
Допускается регламентация типовых МВИ соответствующими разделами стандартов технологических процессов, методов испытаний и контроля продукции, методов и средств поверки средств измерений. Типовые МВИ могут также регламентироваться в разделе ТУ «Методы контроля (испытаний, анализа, измерений)».
Регламентируя требования к цели, объектам, условиям, методам, средствам, алгоритмам измерений и контролю измерений влияющих величин, МВИ позволяют получить результат измерений с требуемой точностью.
Частные (конкретные, рабочие) МВИ устанавливают конкретные правила, которыми должен руководствоваться оператор, обеспечивающий выполнение измерений, а также конкретные требования к методу, средствам и условиям измерений и даётся оценка погрешности измерений в виде числовых значений показателей точности измерений.
Частные (конкретные, рабочие) МВИ подлежат аттестации и регламентируются в виде аттестатов. Аттестат выпускается, как правило, для измерения с помощью конкретных средств измерений в конкретных условиях. Аттестат МВИ – рабочий документ, устанавливающий конкретные требования к цели, объекту, условиям, допущениям, средствам и алгоритмам измерений, контролю изменения влияющих величин и другим факторам, влияющим на результат измерений. Он удостоверяет, что соблюдение данных требований обеспечит выполнение измерений с погрешностью, не превышающей указанной в нём.
Общая характеристика влияющих факторов может быть дана под разными углами зрения: внешние и внутренние, случайные и неслучайные, последние -постоянные и меняющиеся во времени и т.д. Априорные факторы включают:
- влияние на результат измерения качества и количества информации об измеряемом размере. Чем ее больше, чем выше ее качество - тем точнее результат измерения. Накопление априорной информации - один из путей повышения точности результатов измерений.
- влияние того очевидного факта, что модель не может в точности соответствовать объекту. Например, длина металлического стержня, моделью которого служит правильный цилиндр, в разных точках концевых сечений отличается от длины образующей. Подобного рода обстоятельства выявляются при постановке любых измерительных задач.
- влияние теоретических допущений и упрощений, лежащих в основе метода измерений. При взвешивании грузов, например, пренебрегают уменьшением веса гирь на величину выталкивающей силы по закону Архимеда, при электрических измерениях часто пренебрегают паразитными емкостями, индуктивностями и сопротивлениями подводящих проводов. Нередко метод измерений бывает основан на физической закономерности, не точно передаваемой аналитическим выражением, или на приближенной эмпирической формуле. Все это, естественно, сказывается на результате измерения.
- влияние несовершенства измерительного инструмента или прибора, которое может быть как следствием некачественного его изготовления, так и результатом длительной эксплуатации. При изготовлении весов, например; всегда допускается некоторая неравноплечесть коромысла, полностью устранить которую путем регулировки не удается. Масса гирь при их серийном производстве отличается от номинала. Отметки шкал показывающих приборов не вполне точно соответствуют измеряемым значениям и т.д. В процессе эксплуатации происходит старение материалов, возникает износ механизмов и деталей, развиваются люфты, зазоры, случаются скрытые метрологические отказы (выходы метрологических характеристик за пределы установленных для них норм). Понятно, что результат измерения находится в прямой зависимости от этих факторов. В процессе измерения:
- неправильная установка и подготовка к работе средств измерений, принцип действия которых в той или иной степени связан с механическим равновесием, приводит к искажению их показаний. К подобным средствам измерений относятся равноплечие весы, приборы, в конструкцию которых входит маятник (например, испытательные машины с маятниковым силоизмерителем), приборы с подвешенной подвижной частью (например, гальванометры) и др. Многие из них для установки в правильное положение снабжаются уровнями (отвесами, ватерпасами).
- влияние средства измерений на объект может до неузнаваемости изменить реальную картину. Например, при измерении ртутным термометром температуры жидкости в пробирке термодинамическое равновесие устанавливается при температуре, близкой к температуре ... термометра. Перераспределение токов и напряжений в электрических цепях при подключении электроизмерительных приборов иногда оказывает заметное влияние на результат измерения. Помещение первичного измерительного преобразователя в ламинарное течение делает его турбулентным и т.д.
- влияние климатических (температура окружающей среды, относительная влажность воздуха, атмосферное давление), электрических и магнитных (колебания силы электрического тока или напряжения в электрической сети, частоты переменного электрического тока, постоянные и переменные магнитные поля и др.), механических и акустических (вибрации, ударные нагрузки, сотрясения) факторов, а также ионизирующих излучений, газового состава атмосферы и т.п. принято относить к условиям измерений. Такие условия, влиянием которых на результат измерения можно пренебречь, называются нормальными. Им соответствуют номинальные значения влияющих физических величин.
На практике обеспечить номинальные значения влияющих величин бывает довольно сложно. Поэтому обычно устанавливают пределы нормальной области значений влияющих величин, когда их влиянием на результат измерения можно пренебречь. Так, например, нормальными условиями измерений во многих случаях считаются:
температура (293+5) К;
атмосферное давление (100±4) кПа;
относительная влажность (65±15)%;
напряжение в электрической цепи 220 В±10%.
Если измерения выполняются за пределами нормальной области значений влияющих величин в так называемых рабочих условиях, то влияние условий измерений на результаты учитывается с помощью функций влияния.
Случайные внешние помехи и внутренние шумы измерительных приборов оказывают непредсказуемое совместное влияние на результат измерения, вследствие чего он имеет стохастическую природу.
Квалификация и психофизическое состояние персонала (или оператора), выполняющего измерение (знания, умения и навыки, сосредоточенность, внимательность, уравновешенность, добросовестность, самочувствие, острота зрения и многое другое), имеют большое значение.
Технические средства, используемые для обработки экспериментальных данных, не дают новой измерительной информации. Они лишь помогают с большим или меньшим успехом извлекать ее из экспериментальных данных и тем самым оказывают влияние на результат измерения.