Поверка средств измерений. Поверка, безопасность и надежность медицинской техники: Методические указания к выполнению лабораторных работ

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования СЕВЕРО-ЗАПАДНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЗАОЧНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ Кафедра метрологии

ПОВЕРКА

СРЕДСТВ

ИЗМЕРЕНИЙ

ПОВЕРКА, БЕЗОПАСНОСТЬ И НАДЕЖНОСТЬ МЕДИЦИНСКОЙ ТЕХНИКИ

МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ к выполнению лабораторных работ

Направления и специальности подготовки дипломированного специалиста: Факультет радиоэлектроники 653800 - стандартизация, сертификация и метрология 190800 - метрология и метрологическое обеспечение

Факультет информационных технологий и систем управления 653900 - биомедицинская техника 190600 - инженерное дело в медико-биологической практике

Санкт-Петербург 2004

3

Утверждено редакционно-издательским советом университета УДК 389(07)

Поверка средств измерений. Поверка, безопасность и надежность медицинской техники: Методические указания к выполнению лабораторных работ. - СПб.: СЗТУ, 2004. – с. 36. Методические указания соответствуют требованиям государственного образовательного стандарта высшего профессионального образования по направлениям подготовки дипломированного специалиста 653800 (специальность 190800 – "Метрология и метрологическое обеспечение") и 653900 (специальность 190600 - "Инженерное дело в медико-биологической практике". Содержатся указания к выполнению лабораторных работ, изложено содержание каждой работы, приведен порядок выполнения работ, представлены требования к содержанию отчета.

Рассмотрено на заседании кафедры метрологии 06 сентября 2004 г., одобрено методической комиссией факультета радиоэлектроники 16 сентября 2004 г.

Рецензенты: кафедра метрологии СЗТУ (И. Е. Ушаков, д-р техн. наук, проф.); Г. П. Телитченко, канд. техн. наук, доц., руководитель лаборатории государственных эталонов ФГУП «ВНИИМ им. Д. И. Менделеева».

Составители: И. Ф. Шишкин, д-р техн. наук., проф.; В. И. Шевцов, канд. техн. наук, доц.; Г. Ф. Сергушев, канд. техн. наук, доц.; Б. Я. Литвинов, канд. техн. наук, доц.

© Северо-Западный государственный заочный технический университет, 2004 4

ОБЩИЕ УКАЗАНИЯ Цель лабораторного практикума по дисциплине «Поверка средств измерений» – закрепление знаний, полученных в лекционном курсе и при самостоятельной работе с учебной литературой, приобретение навыков выполнения поверки средств измерений, ознакомление с наиболее распространенными средствами измерений, с элементами обеспечения единства измерений по основному виду метрологической деятельности. Студент должен уметь грамотно выполнять поверку средств измерений и обрабатывать ее результаты. Перед выполнением каждой лабораторной работы необходимо самостоятельно изучить основные теоретические положения [1, 2, 3]. Перед выполнением первой лабораторной работы студенты должны пройти инструктаж по технике безопасности и расписаться об этом в соответствующем журнале. В табл. 1 приведено распределение лабораторных работ по специальностям. Таблица 1 Номера выполняемых лабораторных работ

Специальность 190600

1;

190800

1;

2.1;

2.1;

3.2

2.2; 3.1;

3.2

К выполнению лабораторных работ студенты допускаются только по результатам предварительного опроса. Включать средства измерений и производить какие-либо переключения при работе на лабораторных установках можно только с разрешения преподавателя. Отчет о выполненной лабораторной работе оформляется в соответствии с требованиями данных методических указаний в тетради для лабораторных работ. Таблицы и рисунки должны быть выполнены карандашом в соответствии с требованиями ЕСКД. Цикл лабораторных работ по данной дисциплине завершается их защитой. К защите студент должен знать основные метрологические термины и определения, методы и способы поверки, метрологические характеристики средств измерений.

5

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 1. Шишкин И. Ф. Прикладная метрология: Учеб. пособие. – М.: ВЗПИ, 1990. 2. Любимов Л. И., Форсилова Н. Д., Шапиро Е. З. Поверка средств электрических измерений: Справочная книга. – Л.: Энергоатомиздат, 1987. 3. Исакович Е. Г., Артемьев В. Г. Механические измерения. - М.: Изд - во стандартов, 1982. 4. ПР 50.2.007 – 2001. ГСИ. Поверительные клейма. М., 2001. 5. ПР 50.2.006 – 94. ГСИ. Порядок проведения поверки средств измерений. М., 1994. 6. МИ 2322 – 99. ГСИ. Типовые нормы времени на поверку средств измерений. М., 1999.

РАБОТА 1 ПОВЕРКА МЕТОДОМ СРАВНЕНИЯ С ЭТАЛОННЫМИ СРЕДСТВАМИ ИЗМЕРЕНИЙ 1. ЦЕЛЬ И СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Цель – ознакомление с методами поверки амперметров и вольтметров; определение отклонений показаний приборов путем сравнения их показаний с показаниями эталонных приборов; определение времени установления показаний приборов. Содержание – поверка амперметра на постоянном токе; поверка амперметра на переменном токе; поверка вольтметра на переменном токе. 2. ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ

Лабораторная установка состоит из поверяемых и эталонных приборов, приборов для регулирования тока и напряжения в схемах поверки, измерительных трансформаторов тока и напряжения для расширения пределов измерения

6

эталонных приборов. В силу действия причин различного характера прибор непосредственной оценки показывает значение измеряемой электрической величины А с некоторой ошибкой ΔА, называемой абсолютным отклонением показаний прибора А=Аи±ΔА, где Аи – показания прибора. Эта запись результата измерений показывает, что истинное значение измеряемой величины А заключено в интервале между Аи-ΔА и Аи+ΔА. Чем точнее прибор, тем меньше величина ΔА и, следовательно, меньше интервал. Абсолютное отклонение ΔА=Аи – А выражается в единицах измеряемой величины. Величина, которую следует прибавлять к измеренному значению Аи, чтобы получить истинное значение А, называется поправкой δА А=Аи+δА, т. е. поправка δА=А-Аи = -ΔА. При поверке приборов методом сравнения с эталонным прибором абсолютное отклонение показаний определяется как ΔА=Ап – Аэ, где Ап – показания поверяемого прибора при измерении величины А; Аэ – показания эталонного прибора при измерении этой же величины. Другими словами, показания эталонного прибора принимаются за действительное, т. е. близкое к истинному, значение измеряемой величины. Это подразумевает выполнение двух условий: - эталонный прибор должен быть по крайней мере в три раза точнее поверяемого и иметь шкалу с верхним пределом (номиналом) близким к верхнему пределу поверяемого прибора; - измеряемая величина должна одинаково действовать на поверяемый и эталонный приборы. Последнее условие обеспечивается правильным выбором схем сравнения. 7

В работе используются следующие схемы: - схема для поверки амперметра на постоянном токе (рис. 1,а), где величина измеряемого тока, проходящего через включенные последовательно поверяемый Ап и эталонный Аэ амперметры, регулируется реостатом r; - схема для поверки амперметра на переменном токе (рис. 1,б). Здесь для регулировки измеряемого тока используется лабораторный автотрансформатор ЛАТР и реостат r. Эталонный прибор, имеющий пределы измерения меньше, чем поверяемый, включен в схему через измерительный трансформатор тока; - схема для поверки вольтметра на переменном токе (рис. 1,в). В этой схеме для регулировки величины измеряемого напряжения используется лабораторный автотрансформатор ЛАТР с параллельно подключенными поверяемым и эталонным приборами; - схема, приведенная на рис. 1,г, используется для поверки вольтметров в том случае, когда пределы измерения поверяемого прибора больше, чем предел измерения эталонного. Расширение пределов измерения эталонного вольтметра осуществляется при помощи измерительного трансформатора напряжения. Полученное экспериментально значение абсолютного отклонения ΔА для разных точек шкалы поверяемого прибора может быть использовано для вычисления приведенного относительного отклонения прибора

γ пр =

ΔА ⋅ 100 , Ан

где Ан – предельное (номинальное) значение величины А, измеряемое данным прибором (для прибора с нулевой отметкой в середине шкалы Ан равно сумме пределов по обе стороны от нуля). Величина абсолютного отклонения может принимать различные значения, но для конкретного прибора она не превышает некоторой величины – наибольшей абсолютной погрешности ΔАмакс, которой соответствует наибольшее приведенное относительное отклонение прибора:

γ пр макс =

ΔА макс ⋅ 100 . Ан

8

Аэ +

12

r

-

Ап а) Ап

~220 В

Л1

r

И1 Аэ

Л2

И2

б)

~220 Vп

Vэ

в)

А ~220 В

а

Vп

Vэ

Х г) Рис. 1. Схемы поверки 9

х

Таким образом, приведенное относительное отклонение прибора является частным случаем относительного отклонения:

γ=

ΔА ⋅ 100 . Аи

Относительное отклонение уменьшается по мере роста Аи. Поэтому измерения тем точнее, чем ближе измеряемая величина к номиналу (Аи) прибора. Величина же наибольшего приведенного относительного отклонения вполне определенна для конкретного прибора и по этой причине может нормироваться, поскольку она характеризует точность прибора. В соответствии с ГОСТ все приборы непосредственной оценки делятся на восемь классов точности: 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5; 4,0. Например, для прибора класса точности 0,5 величина наибольшего приведенного относительного отклонения не должна превышать 0,5 %. В противном случае прибор подлежит ремонту или должен быть переведен в более низкий класс точности. При необходимости проверки времени установления показаний средства измерений (проверка времени успокоения подвижной части прибора) руководствуются требованием ГОСТ, согласно которому за время установления показаний принимается время от момента подачи на прибор измеряемой величины, вызывающей отклонение стрелки до середины шкалы, до момента, когда колебания стрелки не будут превышать 1 % длины шкалы. 3. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

3.1. Ознакомиться с приборами, необходимыми для выполнения работы, записать систему приборов, номинальные значения величин, классы точности, заводские номера. Класс точности эталонного прибора должен быть по крайней мере в три раза выше класса точности поверяемого прибора. 3.2. Проверить возможность применения средств измерения в схеме поверки. 3.3. Собрать схему поверки и предъявить ее преподавателю. 3.4. Установить регулирующие приборы в положение, обеспечивающее минимальное значение силы тока или напряжения в цепи.

10

3.5. Включить схему и убедиться в возможности получения всех нужных режимов работы. 3.6. Произвести запись показаний поверяемого и эталонного приборов для основных (оцифрованных) делений поверяемого прибора при возрастании, а затем уменьшении измеряемой величины (стрелка поверяемого прибора устанавливается на основных делениях шкалы). 3.7. Определить абсолютные и приведенные относительные отклонения и абсолютные поправки для поверяемого прибора. 3.8. По экспериментальным и расчетным данным построить кривую абсолютных отклонений в зависимости от показаний прибора. 3.9. Определить время установления показаний поверяемого прибора (по ГОСТ оно не должно превышать 4 с) – как среднее значение из трех измерений. 3.10. Сделать заключение о поверяемом приборе. В указанной выше последовательности проводится: Поверка амперметра на постоянном токе. Схема поверки дана на рис. 1,а. Наблюдения и отсчеты записывать в таблицу по форме 1. Абсолютные и приведенные относительные отклонения и абсолютные поправки рассчитываются по формулам: ΔI = Iп – Iэ;

γ пр =

ΔI ⋅ 100; Iн

11

δI = Iэ – Iп .

Приведенное

А

А

%

Поправки

Абсолютное

А

Среднее

А

Отклонение

Ход вниз делений

Ход вверх делений

Поверяемого, А

№ наблюдений

Показания приборов Эталонного

А

Время установл. показ.

Форма 1

с

Поверка амперметра на переменном токе. Схема поверки приведена на рис. 1,б. Наблюдения и отсчеты записывать в таблицу по форме 1. Поверка вольтметра на переменном токе. Схема поверки дана на рис. 1,в. Наблюдения и отсчеты записывать в таблицу по форме 2. Абсолютные и приведенные относительные отклонения и абсолютные поправки рассчитываются по формулам:

ΔU = Uп – Uэ;

γ пр =

ΔU ⋅ 100; Uн

δU = Uэ – Uп .

Поверка вольтметра с трансформатором напряжения. Если поверяемый прибор имеет больший предел измерений, чем эталонный прибор, то последний включается в схему поверки через измерительный трансформатор напряжения, как это показано на рис. 1,г. Результаты поверки записываются в таблицу по форме 2.

12

Форма 2

Абсолютное

Приведенное

Поправки

Время установл. показ.

В

Среднее

В

Отклонение

Ход вниз

делений

Ход вверх

делений

Поверяемого, В

№ наблюдений

Показания приборов Эталонного

В

В

%

В

с

4. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

Отчет по лабораторной работе должен содержать: - наименование и цель работы; - схемы поверки; - перечень использованной аппаратуры; - протоколы с результатами поверки; - графики зависимости абсолютных отклонений от измеряемых величин; - заключения о поверяемых приборах.

Вопросы для самопроверки 1. Что такое абсолютное, относительное и приведенное относительное отклонения? Что такое поправка? 2. Какова связь между классом точности и приведенным относительным отклонением? 3. Что такое время установления показаний средства измерений? 4. Какие обозначения приводятся на шкале измерительного прибора?

13

5. Какие системы измерительных механизмов используются при работе на постоянном токе? на переменном токе? 6. Каково назначение измерительных трансформаторов тока и напряжения? Правила работы с ними.

РАБОТА 2 ПОВЕРКА МЕТОДОМ СРАВНЕНИЯ С ЭТАЛОННЫМИ МЕРАМИ РАБОТА 2.1 ПОВЕРКА ОММЕТРОВ МЕТОДОМ СРАВНЕНИЯ С ЭТАЛОННЫМИ МЕРАМИ 1. ЦЕЛЬ И СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Цель – ознакомление с методами поверки омметров; определение отклонений показаний омметров путем сравнения их показаний со значениями, хранимыми эталонными мерами электрического сопротивления. Содержание – поверка омметра на постоянном токе. 2. ОПИСАНИЕ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ

Лабораторная установка состоит из поверяемого прибора и эталонных мер электрического сопротивления (ЭМЭС) постоянного тока. В качестве поверяемого прибора служит канал для измерения сопротивления постоянного тока вольтметра В7 – 40. В силу действия возмущающих факторов различного характера прибор непосредственной оценки показывает значение измеряемой электрической величины А с некоторой ошибкой ΔА. Теоретические положения, связанные с определением ошибки, абсолютными и относительными отклонениями показаний прибора непосредственной оценки приведены в работе 1.

14

В работе используется схема, приведенная на рис. 2. ЭМЭС подключаются на вход поверяемого прибора В7 - 40. В качестве ЭМЭС применяются меры типа Р331 с номинальными значениями сопротивления 100 Ом, 1 кОм и 10 кОм.

ЭМЭС

В7 - 40

Рис. 2. Схема для поверки канала измерения электрического сопротивления постоянного тока прибора В7 – 40

Величина наибольшего допустимого относительного отклонения показаний прибора является обобщающей метрологической характеристикой прибора и ограничивает точность его показания снизу. В случае, если обобщающая метрологическая характеристика относится к типу прибора, а не к конкретному экземпляру, она называется классом точности. Класс точности может быть обозначен в виде дробного числа. Например, для прибора класса точности 0,2/0,1 допустимое относительное отклонение показаний прибора γ (в процентах) нормируется двучленной формулой: γ = а + b[(Rk/Rи) – 1], где a – число, соответствующее числителю дроби, обозначающей класс точности (а = 0,2); b – число, соответствующее знаменателю дроби, обозначающей класс точности (b = 0,1); Rk – предел измерений, Ом; Rи – показание прибора, Ом. Если предел измерений R = 100 Ом, показание прибора R = 50 Ом, то допустимое относительное отклонение показаний прибора γ = 0,2 + 0,1[(100/50) – 1] = 0,3 %. 15

Проценты исчисляются непосредственно от показания прибора. Для приборов типа В7 – 40 класс точности дается в виде дроби.

3. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

3.1. Подключить на вход прибора В7 – 40 ЭМЭС типа Р331 с номинальным значением 100 Ом. Записать заводской номер прибора В7 – 40 и заводской номер подключенной ЭМЭС. Из свидетельства о поверке, прилагаемого к ЭМЭС записать значение сопротивления, приписанное ЭМЭС по результатам поверки. Записать класс точности прибора В7 – 40 для канала измерения электрического сопротивления. Предъявить собранную схему и сделанные записи преподавателю. 3.2. Включить прибор В7 – 40, после прогрева перейти к измерениям. 3.2.1. Перейти на режим измерения электрического сопротивления постоянного тока, выполнить однократное измерение. Произвести запись показания Rи поверяемого прибора. 3.2.2. Используя информацию о классе точности и полученное показание поверяемого прибора, вычислить: абсолютное допустимое отклонение показаний Δ прибора В7 – 40 по формуле Δ = Rиγ ; полученное экспериментально отклонение Δи = | Rи – RЭ |, где RЭ - значение сопротивления ЭМЭС, взятое из свидетельства о поверке; проверить выполнение условия Δ > Δи . Определить интервал, в котором, при метрологической исправности прибора, может находиться измеряемое электрическое сопротивление. 3.3. Провести измерения согласно пп. 3.2.1 и 3.2.2 при подключении на вход поверяемого прибора ЭМЭС с номинальными значениями 1 кОм и 10 кОм. Значение сопротивления ЭМЭС выписать из прилагаемых к ним свидетельств о поверке. 3.4. Результаты измерения и расчетов записать в таблицу по форме 3.

16

Форма 3

Номинальное значение

Значение сопротивления ЭМЭС согласно свидетельству о поверке, Ом

Показание поверяемого прибора, Ом

Класс точности поверяемого прибора

Абсолютное допустимое отклонение показаний, Ом

100 Ом 1 кОм 10 кОм 3.5. Для каждого номинального значения представить (согласно рис. 3) в графической форме интервал, в котором при метрологической исправности прибора может находиться измеряемое сопротивление. На той же оси указать значение RЭ . На рис. 3 показаны возможные варианты нахождения RЭ внутри и вне полученного интервала. RЭ

RЭ RЭ

Rи

RЭ

R1 = Rи - Δ

R

R1 = Rи + Δ

Рис. 3. Графическое представление интервала, в котором находится значение измеряемого сопротивления

3.6. Сделать заключение о метрологической исправности прибора.

4. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

Отчет по лабораторной работе должен содержать: - наименование и цель работы; - схему поверки;

17

- перечень использованной аппаратуры с указанием заводских номеров; - заполненную таблицу по форме 3 и результаты расчетов согласно п. 3.2.2; - графическое представление интервалов согласно п. 3.5; - заключение о метрологической исправности прибора. Вопросы для самопроверки 1. Как использовать информацию, приведенную в свидетельстве о поверке? 2. Как обозначается класс точности для случая, когда допустимое относительное отклонение показаний прибора нормируется двучленной формулой? 3. Как использовать информацию о классе точности, обозначенном дробным числом?

РАБОТА 2.2 ПОВЕРКА

УНИВЕРСАЛЬНОГО ВОЛЬТМЕТРА 1. ЦЕЛЬ

РАБОТЫ

Практическое ознакомление с методами и средствами поверки рабочих средств измерений (РСИ). 2. ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Поверка средств измерений осуществляется в соответствии с действующими государственными стандартами или рекомендациями на поверочные схемы, методы и средства поверки и другими нормативными документами. В данной работе студенты знакомятся с самым распространенным видом поверки – периодической поверкой РСИ. Поверяемым РСИ является универсальный вольтметр. Обычно его поверку осуществляют на всех отметках шкалы, пределах измерений и режимах работы. Ввиду большой трудоемкости поверочных операций поверка РСИ в лабораторной работе проводится по сокращенной программе. Вольтметр поверяется на двух основных режимах: при измерении напряжения постоянного и переменного токов.

18

Средства измерений для проведения поверки выбираются следующим образом. Существует государственная поверочная схема (ГОСТ 8.027-2001) для передачи размера единицы постоянного напряжения – вольта – на постоянном токе и МИ 1935-88 – на переменном токе в диапазоне частот до 3000 МГц. Используя поверочные схемы, выбирают эталонные средства измерений, обеспечивающие измерения параметров с требуемой точностью. Поверка включает: внешний осмотр, проверку общей работоспособности РСИ, определение предела допускаемого основного отклонения на всех режимах работы РСИ. Эталонные средства, с помощью которых производится поверка, должны быть исправны и иметь действующие свидетельства о поверке. В данной работе поверка РСИ осуществляется следующим образом. Специальная поверочная установка генерирует постоянное и переменное напряжения с высокой точностью заданной амплитуды и малыми нелинейными искажениями. Эти напряжения подаются на вход поверяемого РСИ. Используя экспериментальные данные, полученные в ходе выполнения работы, по аналитическим зависимостям, указанным в техническом описании на поверяемый прибор, рассчитываются пределы отклонения показаний в каждой точке шкалы поверяемого прибора. Полученные расчетным путем значения пределов отклонения показаний сравниваются со значением пределов отклонения показаний, определенных с помощью поверочной установки. Результатом выполнения лабораторной работы является заключение в форме типового свидетельства о поверке.

3. СОСТАВ ОБОРУДОВАНИЯ И ПОДГОТОВКА К РАБОТЕ

В данной работе используется установка для поверки вольтметров В1-8, поверяемый вольтметр. 3.1. Подготовка установки В1-8 к работе Изучить назначение органов управления установки В1-8 (рис. 4). ВНИМАНИЕ! Перед включением установки перевести переключатель 10 в одно из положений «0». Перед включением переключателей 7 и 8 переключатель

19

10 также установить в положение «0». Невыполнение этих требований приведет к выходу установки из строя.

Рис. 4. Поверочная установка В1-8 1 – тумблер «Сеть»; 2 – лампа индикации включения сети; 3 – клемма корпуса; 4 – клемма защитного заземления; 5 – выходные гнезда; 6 – ручки регулировки выходного напряжения «Точно», «Грубо»; 7 – кнопки «Множитель» выходного напряжения; 8 – кнопки переключателей выходного напряжения «Поверяемые отметки шкал»; 9 – ручка переключения частоты выходного напряжения; 10 – ручка переключения значений выходного напряжения; 11 – ручка переключения вида выходного напряжения «~», «+», «-»; 12 – переключатель пределов шкалы погрешности; 13 – шкала отсчета погрешности; 14 – корректор нуля; 15 – лампа индикации «Перегрузка»; 16 – гнездо подключения внешнего прибора

3.1.1. Установить переключатель 12 в положение «10 %», а переключатель 9 в положение «45 Гц». 3.1.2. Установить переключатели 7 и 8 в нулевое положение, а переключатель 11 – в положение «+». 3.1.3. Включить установку В1-8 и поверяемый вольтметр и прогреть в течение 15 минут. Во время прогрева приборов ознакомиться с метрологическими характеристиками установки В1-8, поверяемого РСИ и образцом свидетельства о поверке. 20

3.1.4. Установить переключатель 10 в положение «Uск» («Umax» или «Uсв»). 3.1.5. Нажать на многопозиционном переключателе 8 кнопку «3,0», а на переключателе 7 – кнопку «10 mV». 3.1.6. Установить с помощью ручек 6 указатель шкалы отсчета на отметку «± 10 %». 3.1.7. Повторить операцию п. 3.1.6 при положении переключателя 7 «100 mV». 3.1.8. Установить переключатель 9 в положение «1000», а переключатель 10 – в положение «Uск». 3.1.9. Нажать на переключателе 8 кнопку «3,0», а на переключателе 7 – кнопку «10V». Переключатель 4 установить в положение «~». 3.1.10. Установить с помощью ручек 6 указатель шкалы на отметки ± 10 % и затем на «0».

3.2. Подготовка вольтметра к работе 3.2.1. Подключить вольтметр к установке В1-8 при помощи коаксиального соединительного кабеля. 3.2.2. Откалибровать вольтметр: переключатель «Род работы» установить в положение «Δ» и установить на табло показание, указанное на лицевой панели прибора, вращая необходимый потенциометр. 3.2.3. Переключатель «Предел измерения» и «Род работы» вольтметра установить в соответствии с величиной и типом измеряемого напряжения. 4. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ Самостоятельная подготовка к работе: изучить материал [1], с. 78 – 80. Опрос перед проведением работы по вопросам для самопроверки 1 – 4.

4.1. Поверка РСИ на постоянном токе 4.1.1. Установить переключатель 11 установки В1-8 в положение «+». 4.1.2. Установить переключатель 10 установки В1-8 в положение «Uск».

21

4.1.3. Подключить при помощи кабеля к выходу «1:1» установки В1-8 измерительный вход « ≅ 1 – 100 VR» поверяемого прибора или вход «⊥ 1000» в зависимости от значения напряжения в поверяемой точке. Результаты записать в таблицу по форме 4.

≅

10

100

⊥ 1000

1000

Расчетное значение отклонения показаний δ, %

Значение отклонения показаний поверяемого вольтметра δ, %

Показания поверяемого РСИ Uх, В

Поверяемые точки шкалы, В

Конечное значение предела измерений РСИ Uк, В

Измерительный вход поверяемого РСИ

1 1 – 100 VR

Определение пределов допускаемого отклонения измерения напряжения постоянного тока

Наименование операций, проводимых при поверке

Форма 4

0,1 0,3 0,5 0,7 0,9 1 5 9 10 50 90 100 200 300

4.1.4. С помощью переключателей 7 и 8 установки В1-8 и ручек 6 «Грубо» и «Точно» последовательно (в соответствии с данными таблицы по форме 4) устанавливать значение эталонных напряжений на установке В1-8. 4.1.5. Рассчитать для каждой поверяемой точки шкалы предел допускаемого отклонения показаний по формуле

22

⎛ U δ = ±⎜⎜ 0,05 + 0,05 k Ux ⎝ где

⎞ ⎟⎟ , ⎠

Uк – конечное значение установленного предела измерений; Uх - показания прибора. Расчетные и экспериментальные данные записать в таблицу по форме 4.

4.1.6. Сравнить вычисленные и экспериментально полученные значения допускаемого отклонения показаний. Дать заключение о целесообразности дальнейшей поверки РСИ. 4.2. Поверка РСИ на переменном токе 4.2.1. Установить переключатель 9 установки В1-8 в положение «400 Гц», переключатель 4 – в положение «~», переключатель 3 – в положение «Uсв». Подготовить РСИ к работе. 4.2.2. Повторить операции п. 3.1.2. Установить переключатель «Род работы» поверяемого РСИ в положение «U~ НЧ». 4.2.3. Подключить при помощи кабеля к выходу «1:1» установки В1-8 измерительный вход «1 – 100 VR» РСИ. 4.2.4. Вращением ручек 9 и 6 установки В1-8 последовательно установить на табло поверяемого РСИ значения эталонных напряжений соответствующей частоты (таблица по форме 5) и, установив переключатель 12 установки В1-8 в положение «5 %», записать в таблицу по форме 5 значения отклонения показаний, указанные поверочной установкой. 4.2.5. Рассчитать для каждой поверяемой точки шкалы пределы допускаемого отклонения показаний по формуле

⎛ U δ = ±⎜⎜ 0,2 + 0,02 k Ux ⎝ где

⎞ ⎟⎟ , ⎠

Uк – конечное значение установленного предела измерений; 23

Uх - показания прибора. 4.2.6. Сравнить вычисленные и экспериментально полученные значения допускаемого отклонения показаний. Дать заключение о дальнейшем применении РСИ.

Определение пределов допускаемого отклонения измерения напряжения переменного тока

45 1

1

400 1000 45

10

5

400 1000

100

1000

10

400

30

400

70

400

100

45

300

400

200

1000

5. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

Отчет по лабораторной работе должен содержать: - наименование и цель работы;

24

Расчетное значение отклонения δ, %

Отклоненияе показаний поверяемого вольтметра δ, %

Показания поверяемого РСИ Uх, В

Частота эталонного напряжения, Гц

Поверяемые точки шкалы, В

Конечное значение предела измерений РСИ Uк, В

Наименование операций, проводимых при поверке

Форма 5

- наименование этапов работы с необходимыми таблицами и пояснениями; - заполненное свидетельство о поверке РСИ; - краткие выводы из проделанной работы. Вопросы для самопроверки 1. С какой целью поверяют средства измерений? 2. В чем заключается периодическая поверка средств измерений? 3. Как используются поверочные схемы при поверке РСИ? 4. Каким образом и с какой целью устанавливают межповерочный интервал? В каких случаях он подлежит корректировке? 5. Перечислите основные метрологические характеристики средств измерений. Какое влияние они оказывают на результаты измерений и как проверяются при поверке? 6. Перечислите и поясните на примерах общие методы поверки, указываемые на поверочных схемах. 7. Используя результаты, полученные при выполнении лабораторной работы, поясните принцип выбора эталонных средств измерений при поверке.

РАБОТА 3 ПЕРЕДАЧА РАЗМЕРА ЕДИНИЦ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

РАБОТА 3.1 ПЕРЕДАЧА РАЗМЕРА ЕДИНИЦЫ МАССЫ 1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Практическое ознакомление с поверочной схемой, методами и средствами передачи размера единицы массы.

25

2. ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Построение и реализация поверочных схем изучаются на конкретном примере передачи размера единицы массы – килограмма. Средства измерений массы входят в число наиболее распространенных средств измерений. Поэтому обеспечить единство измерений массы можно лишь при безусловном соблюдении комплекса метрологических требований, правил и норм, регламентированных поверочной схемой. Во главе поверочной схемы находится государственный первичный эталон. Работники промышленности доступа к нему не имеют: размер единицы передается от эталона рабочим средствам измерений (РСИ) с помощью вторичных эталонов и разрядных рабочих эталонов. Передача размера осуществляется путем сличения вторичного эталона с первичным, поверки разрядных рабочих эталонов и РСИ. Рабочий эталон соответствующего разряда может применяться только для поверки рабочего эталона более низкого разряда, а также поверки РСИ соответствующей

точности.

Передача

размера

единицы

осуществляется

несколькими методами. В данной работе студенты знакомятся с одним из методов точного взвешивания – методом двойного взвешивания – и практически выполняют передачу размера единицы на участке метрологической цепи от рабочего эталона 2-го разряда до РСИ.

3. СОСТАВ ОБОРУДОВАНИЯ И ПОДГОТОВКА К РАБОТЕ

В работе используются рабочие эталоны 2-го, 3-го и 4-го разрядов – наборы гирь; РСИ – весы циферблатные и гири 5-го класса; компараторы – весы лабораторные 2-го и 3-го разрядов.

26

3.1. Подготовка компаратора к работе. Компаратор настраивать непосредственно перед взвешиванием. Первыми подлежат настройке весы 2-го разряда, затем 3-го разряда. 3.1.1. Ознакомиться с метрологическими характеристиками компаратора, его устройством на лабораторном планшете и рис. 5, свидетельством о поверке компаратора.

Рис. 5. Устройство компаратора: 1 – ручка арретира; 2 – арретир; 3 – ручка для настройки четкости изображения; 4 – приемные чаши весов; 5 – горизонтальный уровень; 6 – ручка установки нуля отсчета; 7 – ручка и диск отсчета встроенного гиревого механизма; 8 – отсчетная отметка экрана; 9 – встроенные гири; 10 – делительное устройство (диск и ручка управления)

3.1.2. Установить компаратор по уровню, вращая его опоры. 3.1.3. Подключить компаратор к сети переменного тока. ВНИМАНИЕ! При работе компаратора хождение около рабочего места запрещается. Наложение и снятие накладных встроенных гирь выполняется только на заарретированных весах. Компаратор устанавливать в рабочее положение плавным поворотом ручки арретира 1, при этом дверцы витрин должны быть закрыты. Работать с гирями только при помощи пинцета.

27

3.2. Проверить работоспособность компаратора. 3.2.1. Установить диск делительного устройства 10 на отметку «30». 3.2.2. Навесить гиревым механизмом 7 встроенную кольцевую гирю m 100 мг и уравновесить ее, поместив на противоположную чашу гирю массой 100 мг из набора рабочего эталона 4-го разряда. 3.2.3. Убедиться в том, что положение равновесия коромысла находится в пределах десяти делений от нулевой отметки шкалы. 3.2.4. Ручкой установки нуля 6 установить нулевую отметку шкалы между рисками отсчетной отметки экрана 8. 3.2.5. Гиревым механизмом 7 снять навешенную встроенную гирю 9. 3.2.6. Ручкой делительного устройства 7 встроенного гиревого механизма установить отметку «100» шкалы между рисками отсчетной отметки экрана 8 и снять отсчет по диску делительного устройства 7. Отсчет должен находиться в интервале отметок от 5 до 60. 3.2.7. Установить диск делительного устройства 7 в нулевое положение и заарретировать компаратор.

4. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Самостоятельная подготовка к работе: изучить материал [1], с. 63 – 71. Опрос перед проведением работы по вопросам для самопроверки 1 – 5.

Метод двойного взвешивания на весах (метод Гаусса) основан на сравнении двух масс – известной Р и измеряемой Q. Если гирю массой Q положить на одну чашу весов и уравновесить на другой чаше гирями массой Р1, то будет выполняться следующее равенство: Q · l1 = Р1 · l2, где l1 и l2 – плечи весов, в общем случае не равные друг другу.

28

(1)

Если поменять взвешиваемую массу Q и уравновешивающую ее массу Р1 местами, то равновесие весов нарушится и для его восстановления необходимо изменить массу гирь до значения Р2. Тогда Р2 · l1 = Q · l2 .

(2)

Разделив почленно равенство (1) на (2), получим Q P1 = , P2 Q

(3)

откуда Q = P1 P2

.

(4)

Из выражения (4) следует, что точность результата взвешивания не зависит от неравноплечести весов. Если различие между плечами l1 и l2 невелико, то пользуются приближенным равенством Q = 0,5 (P1 + P2). Так на практике последовательно поверяют каждую гирю из набора более низкого разряда. В связи с большой трудоемкостью измерений в условиях лабораторной работы поверяется только одна из гирь (по указанию преподавателя). 4.1. Передача размера единицы рабочему эталону 3-го разряда от рабочего эталона 2-го разряда 4.1.1. Выбрать по указанию преподавателя из набора гирь 2-го и 3-го разряда по одной гире (далее по тексту гиря более высокого разряда обозначена В, более низкого – А). 4.1.2. Записать в таблицу по форме 6 значение массы гири, исходя из выражения: В = В0 + Δ В ,

29

А=А0,

где

В0, А0 – номинальное значение массы гири; ΔВ – поправка (из свидетельства о поверке набора гирь 2-го разряда). Форма 6

Метрологические характеристики СИ

Номер измерения

Чаша весов левая

правая

Отсчет, деления шкалы Li'

Li''

Положение равновесия весов Li=0,5(Li'+ Li'') i=1, 2, 3

А=

1

В

А

В = В0±ΔВ

2

А

В

m = 100 мг

3

А+m

В

4.1.3. Поместить гирю А на правую чашу весов, гирю В – на левую. 4.1.4. Разарретировать весы и, выждав 2 – 3 колебания нулевой отметки около положения равновесия, записать в таблицу по форме 6 два последовательных отсчета – максимальное Li' и минимальное Li'' показания шкалы весов. 4.1.5. Поменять гири А и В местами и, повторив операции по пп. 4.1.2 – 4.1.4, записать значения Li' и Li'' в таблицу по форме 6. 4.1.6. Добавить гирю m = 100 мг на левую чашу компаратора (А+ m) и, повторив операции по пп. 4.1.2 – 4.1.4, записать значения Li' и Li'' в таблицу по форме 6. 4.1.7. Убрать гири А и В в футляры соответствующего набора. 4.1.8. Вычислить отклонение массы ΔА гири А по формуле:

Δ А = В0 ± Δ В − 0,5 L!1 − L!2! где

Li, i=1, 2, 3 – положение равновесия; m – масса добавочной гири.

30

m − A0 , L!3 − L!2

4.1.9. Сравнить полученное отклонение ΔА с наибольшим допускаемым отклонением для гирь 3-го разряда из табл. 2 и дать заключение о допустимости применения поверяемой гири по 3-му разряду.

Номинальная масса гирь

Таблица 2 Класс РСИ

Разряд рабочего эталона 2

3

4

5

наибольшее допускаемое отклонение массы гири, мг 50

± 0,6

± 3,0

± 30

± 100

100

± 0,8

± 9,0

± 40

± 100

20

± 0,024

± 2,4

± 12

-

4.2. Передача размера единицы рабочему эталону 4-го разряда от рабочего эталона 3-го разряда 4.2.1. Подготовить весы 3-го разряда к работе (см. пп. 3.1.2, 3.1.3). 4.2.2. Установить гирю В 3-го разряда на левую чашу весов и соответствующую ей по массе гирю А из набора гирь 4-го разряда на правую чашу. 4.2.3. Повторить операции по пп. 4.1.4 – 4.1.9, используя добавочную гирю m=10 мг, и заполнить таблицу по форме 6. 4.2.4. Пользуясь данными табл. 2, дать заключение о допустимости применения поверяемой гири В по 4-му разряду. 4.2.5. Убрать гири в футляры наборов. 4.3. Передача размера единицы РСИ 5-го класса от рабочего эталона 4-го разряда 4.3.1. Установить гирю А 4-го разряда на правую чашу весов и соответствующую ей по массе гирю В 5-го класса на левую чашу.

31

4.3.2. Повторить операции по пп. 4.1.4 – 4.1.6, используя добавочную гирю m=10 мг. Так как в этом случае к точности результата взвешивания не предъявляется высоких требований, провести только два измерения (i=1, 3). Результаты измерений занести в таблицу по форме 6. Вычислить отклонение массы гири 5-го класса по формуле:

Δ А = В0 − 0,5 L!1 − L!3!

m − A0 . L3 − L2

4.3.3. Пользуясь данными табл. 2, дать заключение о допустимости применения поверяемой гири как РСИ 5-го класса. 4.3.4. Убрать гири в футляры наборов. 4.4. Поверка циферблатных весов РЦ-10Ц13У 4.4.1. Установить весы по уровню. 4.4.2. Убедиться в том, что стрелка совмещена с нулевым штрихом шкалы циферблата. 4.4.3. Определить по поверочной схеме разрядный рабочий эталон, необходимый для поверки этих весов. 4.4.4. Устанавливая последовательно на грузоприемную чашу рабочий эталон массой m=200, 400, 600, 800 г и каждый раз после остановки стрелки добавляя на ту же чашу эталонную гирю массой 5 г, сравнить максимальное и минимальное действительные отклонения с предельно допустимым Δ0 = ± 2,5 г. 4.4.5. По величине отклонения дать заключение о возможности дальнейшего применения циферблатных весов. 4.5. Построить локальную поверочную схему для поверенных РСИ, применив в ней использованные разрядные рабочие эталоны.

32

5. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

Отчет по лабораторной работе должен содержать: - наименование и цель работы; - наименование этапов работы с необходимыми таблицами и пояснениями; - чертеж (эскиз) локальной поверочной схемы; - краткие выводы из проделанной работы.

Вопросы для самопроверки 1. С какой целью разрабатываются поверочные схемы? 2. Перечислите виды поверочных схем и укажите особенности каждого вида. 3. Перечислите и охарактеризуйте типовые элементы поверочных схем. 4. Что такое эталон единицы физической величины (первичный, вторичный, рабочий, государственный)? 5. В чем принципиальное различие между рабочими средствами измерений и разрядными рабочими эталонами? 6. В чем суть метода двойного взвешивания? 7. Почему передача размера единиц физических величин происходит с потерей точности?

РАБОТА 3.2 ПЕРЕДАЧА РАЗМЕРА ЕДИНИЦЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО СОПРОТИВЛЕНИЯ 1. ЦЕЛЬ РАБОТЫ

Практическое ознакомление с методами передачи размера единицы электрического сопротивления. 2. ОСНОВНЫЕ ТЕОРЕТИЧЕСКИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Класс точности является обобщенной характеристикой средств измерений и присваивается типам средств измерений, а не конкретным приборам. Значение 33

класса точности позволяет определить не точность конкретного измерения, а лишь указать пределы, в которых находится значение измеряемой величины. При точных измерениях использование информации о классе точности является недостаточным, необходимо уточнять метрологические характеристики конкретных экземпляров приборов, применяемых при измерениях. Уточнение метрологических характеристик каждого отдельного прибора с целью введения соответствующих поправок в результат измерения становится еще более важной процедурой при передаче информации о размере единицы. Альтернативным подходом является применение методов и методик, позволяющих исключить влияние значимых влияющих факторов, искажающих результаты измерений. Одним из таких методов при передаче размера единицы электрического сопротивления является метод замещения, который состоит в замене поверяемой (исследуемой) меры электрического сопротивления (МЭС) эталонной МЭС (ЭМЭС) одинакового номинального значения. Метод позволяет исключить необходимость введения аддитивных поправок к показаниям прибора. Схемы, поясняющие применение метода замещения, приведены на рис. 6. На первом этапе на вход прибора подключается ЭМЭС, значение которой RЭ известно (рис. 6,а), снимается показание прибора rэ. На втором этапе подключается исследуемая МЭС, значение которой RX необходимо определить (рис. 6,б), снимается показание прибора rи.

34

Прибор для измерения электрического сопротивления

ЭМЭС

Показание rЭ а)

Прибор для измерения электрического сопротивления

МЭС

Показание rИ б)

Рис. 6.

Метод замещения при сравнении мер электрического сопротивления

Согласно полученным результатам можно написать два уравнения RЭ = rЭ + С RХ = rи + С где С – аддитивная поправка к показаниям измерительного прибора. Решая полученную систему, получим выражение для определения значения сопротивления исследуемой (поверяемой) МЭС в единицах, хранимых применяемой ЭМЭС RX = rи - rЭ + RЭ. 35

3. СОСТАВ ОБОРУДОВАНИЯ И ПОДГОТОВКА К РАБОТЕ

3.1. При выполнении работы используются следующие средства измерений: вольтметр В7 – 40 (канал измерения сопротивления на постоянном токе); мера электрического сопротивления типа Р331 с номинальным значением сопротивления 10 кОм (исследуемая МЭС); эталонная мера электрического сопротивления (ЭМЭС) 3–го разряда типа Р331 с номинальным значением сопротивления 10 кОм. 3.2. Подключить на вход прибора В7 – 40 ЭМЭС. Записать заводские номера всех используемых в работе средств измерений с указанием их типов. Из свидетельства о поверке, прилагаемого к ЭМЭС, записать значение сопротивления, приписанное ЭМЭС по результатам поверки. Предъявить собранную схему и сделанные записи преподавателю. 4. ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

4.1. Включить прибор В7 – 40, после прогрева перейти к измерениям. 4.1.1. Перейти на режим измерения электрического сопротивления постоянного тока, выполнить однократное измерение. Произвести запись показания rЭ. 4.1.2. Подключить на вход прибора В7 – 40 исследуемую (поверяемую) МЭС, выполнить однократное измерение. Произвести запись показания rи. 4.2. Вычислить искомое значение сопротивления RХ исследуемой МЭС. 4.3. Исходя из информации о классе точности исследуемой МЭС, определить допустимое отклонение сопротивления МЭС от номинального значения - ΔRдоп. Проверить выполнение неравенства RX – Rном < ΔRдоп

36

где Rном – номинальное значение сопротивления МЭС. Значение ΔRдоп определить по формуле ΔRдоп = (Rном γ)/100, где γ - класс точности МЭС. 4.4. Результаты измерений и расчетов записать в таблицу по форме 7. Форма 7 Значение RЭ, Ом

Показание rЭ, Ом

Показание rи, Ом

Значение RX, Ом

Значение ΔRдоп, Ом

Разность RX – Rном, Ом

5. СОДЕРЖАНИЕ ОТЧЕТА

Отчет по лабораторной работе должен содержать: - наименование и цель работы; - схему передачи информации о размере единицы; - перечень использованной аппаратуры с указанием заводских номеров; - заполненную таблицу по форме 7 и результаты расчетов согласно порядку выполнения работы; - заключение о метрологической исправности исследуемой МЭС.

Вопросы для самопроверки 1. Что позволяет определить знание класса точности? 2. С какой целью применяется метод замещения? 3. Как используется информация о классе точности МЭС?

37

СОДЕРЖАНИЕ Общие указания

.....................................

Библиографический список

3

............................ 4

Работа 1. Поверка методом сравнения с эталонными средствами измерений . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 Работа 2. Поверка методом сравнения с эталонными мерами . . 12 Работа 2.1. Поверка омметров методом сравнения с эталонными мерами . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 Работа 2.2. Поверка универсального вольтметра

..........

16

Работа 3. Передача размера единиц физических величин

23

Работа 3.1. Передача размера единицы массы

............

23

Работа 3.2. Передача размера единицы электрического сопротивления . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .

31

Редактор

Т. В. Шабанова

Сводный темплан 2004 г. Лицензия ЛР № 020308 от 14. 02. 97 Санитарно-эпидемиологическое заключение № 78.01.07.953.П.005641.11.03 от 21. 11. 2003 г. Подписано в печать Б. кн. – журн.

Формат П. л. 2,25

Б. л. 1,125

60х84

1/16

РТП РИО СЗТУ.

Тираж 75

ЗАКАЗ

Северо-Западный государственный заочный технический университет РИО СЗТУ, член Издательско-полиграфической ассоциации вузов Санкт-Петербурга 191186, Санкт-Петербург, ул. Миллионная, 5

38