Методы и средства измерений, испытаний и контроля: Рабочая программа, задания на контрольную и курсовую работы

Министерство образования Российской Федерации Государственное образовательное учреждение высшего профессионального образования СЕВЕРО-ЗАПАДНЫЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ЗАОЧНЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ Базовая кафедра метрологии при ФГУП ВНИИМ им.Д.И.Менделеева МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ, ИСПЫТАНИЙ И КОНТРОЛЯ Рабочая программа Задания на контрольную и курсовую работы

Факультет радиоэлектроники Направление и специальность подготовки дипломированного специалиста: 653800 - стандартизация, сертификация и метрология; 190800 - метрология и метрологическое обеспечение. Направление подготовки бакалавров: 552200 – метрология стандартизация и сертификация.

Санкт-Петербург 2004

Утверждено редакционно-издательским советом университета УДК 531.7(07) Методы и средства измерений, испытаний и контроля: Рабочая программа, задания на контрольную и курсовую работы. - СПб.: СЗТУ, 2004.- 34с. Рабочая программа соответствует требованиям Государственных образовательных стандартов высшего профессионального образования по направлению подготовки дипломированного специалиста 653800 "Стандартизация, сертификация и метрология", (специальность 190800 "Метрология и метрологическое обеспечение") и направлению подготовки бакалавров 552200 – метрология стандартизация и сертификация. Методический сборник содержит рабочую программу, методические указания к изучению дисциплины, тематический план лекций, перечень основной и дополнительной литературы, задание на контрольную и курсовую работы, методические указания к их выполнению. Рассмотрено и утверждено на заседании кафедры метрологии 8 июня 2004г., одобрено методической комиссией факультета радиоэлектроники июня 2004г. Рецензенты: кафедра метрологии СЗТУ (зав. кафедрой И.Ф.Шишкин, д-р техн. наук, проф.); Г.П.Телитченко, канд. техн. наук, ст. научн. сотр. ФГУП "ВНИИМ им. Д.И.Менделеева". Составитель Э.И.Медякова, канд.техн. наук, доц.

© Северо-Западный государственный заочный технический университет, 2004

2

1. ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ ИЗУЧЕНИЯ ДИСЦИПЛИНЫ "МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ , ИСПЫТАНИЙ И КОНТРОЛЯ" Целью изучения дисциплины "Методы и средства измерений, испытаний и контроля " является формирование знаний современных принципов, методов и средств измерений физических величин, а также особенностей проведения измерений при испытаниях и контроле. Основная задача дисциплины состоит в освоении принципов измерений типовых физических величин, приобретении знаний структурных (кинематических, оптических и др.) схем средств измерений и их метрологических характеристик, а также в приобретении практических навыков применения средств измерений с учетом особенностей поставленной измерительной задачи. В результате изучения дисциплины студент должен иметь представление о современных проблемах измерительной техники, уметь использовать техническую документацию на типовые средства измерений, приобрести опыт (навыки) анализа и оценки основных технических и метрологических характеристик типовых средств измерений. Изучение дисциплины основывается на знаниях, полученных в результате изучения дисциплин: "Высшая математика", "Физика", "Основы радиотехники", "Электротехника и электроника", "Физические основы измерений", "Теоретическая метрология", "Прикладная метрология", "Основы научных исследований", "Основы приборостроения" и, в свою очередь, дисциплина служит основой для изучения дисциплин: "Основы квалиметрии и сертификации", "Метрологическое обеспечение", "Планирование измерительного эксперимента и обработка результатов измерений", "Автоматизация измерений и контроля", "Основы проектирования измерительных преобразователей и приборов с элементами САПР", "Поверка средств измерений", "Информационно-измерительные системы", "Испытания и испытательное оборудование", "Контроль качества". Итогом изучения дисциплины является сдача студентом экзамена. 2. СТРУКТУРА ДИСЦИПЛИНЫ

3

Основные сведения о испытаниях и контроле

Применение средств измерений

Методика выполнения измерений

Подготовка К измерениям

Средства измерений

Классификация измерений

Методы и средства измерений, испытаний и контроля

3. СОДЕРЖАНИЕ ДИСЦИПЛИНЫ 3.1.

Содержание дисциплины по ГОС

Многообразие измерительных задач; классификация измерений по видам измерений; методы измерений и контроля; средства измерений и контроля; применение вычислительной техники в средствах измерений (интеллектуальные средства измерений); измерение и контроль механических, электрических, оптических, радиационных и других физических величин; измерение и контроль свойств веществ и материалов; актуальные проблемы и перспективы развития методов и средств измерений и контроля. Испытательное оборудование; вибро- и ударные стенды, термокамеры. 3.2. Рабочая программа (Объем дисциплины 200 часов) Введение [1], с. 3…12; [2], с.3…40 Предмет, задачи и содержание дисциплины. Многообразие измерительных задач. Особенности использования измерительной информации о размере или о значении физической величины при измерении, контроле и испытаниях. Понятие измерительного эксперимента. Обобщенные структурные схемы при измерении, испытании и контроле. Структура дисциплины, ее связь с другими дисциплинами. Порядок изучения дисциплины. 3.2.1. Классификация измерений [6] Классификация измерений по областям измерений (механика, теплота, электричество и магнетизм, оптика, акустика, атомная и ядерная физика); подразделам данной области (группа измерений); характеристикам измеряемой величины или параметра ( вид измерений, диапазон значений измеряемой величины); основным характеристикам процесса измерений ( характер зависимости от влияющих факторов: времени, температуры, внешнего магнитного поля, напряжения питания, влажности, вибрации и т.д.): областям применения. Понятия "принцип" и "метод измерений". 3.2.2. Средства измерений(СИ). [1], с. 12…21; 279…321; [2], с.32…67; [13]; [5],с.59…113 Классификация СИ по определяющим признакам (меры, приборы, преобразователи, установки, системы). Обобщающая структурная схема СИ. Элементы структурной схемы: меры, компараторы, первичные и вторичные преобразователи, устройства обработки, представления и регистрации информации, каналы связи, вспомогательные устройства. 4

Технические и метрологические характеристики СИ. Комплекс нормируемых метрологических характеристик СИ. Государственная система промышленных приборов. Применение вычислительной техники в СИ (интеллектуальные СИ). Ввод аналоговой информации, приборный интерфейс. 3.2.3. Подготовка к измерениям [8], с.148…188 Анализ постановки измерительной задачи (измеряемые свойства, требуемая точность, формы представления результата). Выбор модели объекта или явления. Создание условий для измерений. 3.2.4. Методика выполнения измерений [7], с.174…179; [12] Цель разработки и применения методики выполнения измерений (МВИ). Разработка МВИ как составная часть проектирования и создания технологического процесса, в качестве элемента которого используется МВИ. Основные этапы разработки МВИ: формирование исходных данных, выбор принципов и средств измерений, вспомогательных и других технических средств; установление последовательности и содержания операций при подготовке и выполнении измерений, обработке промежуточных результатов и вычислений окончательных результатов измерений; установление приписанных характеристик точности; разработка нормативов и процедур контроля точности получаемых результатов измерений; разработка документа на МВИ; метрологическая экспертиза проекта документа на МВИ, аттестация МВИ; стандартизация МВИ. 3.2.5. Применение СИ 3.2.5.1 Измерение механических величин [1], с. 362…384; [3], т.2, с. 12…90; 98…125; [3], т.3, с.129…146; 167…237; 250…290; 389…396; [13] Группы измерений и основные измеряемые величины: - пространственно-временные величины: длина, угол, время, площадь, объем; - кинематические величины: линейная и угловая скорость и ускорение, частота вращений и механических колебаний; - динамические величины: масса, сила массовый и объемный расходы, давление, работа, мощность, энергия, механические деформации и т.п.; - механические свойства веществ и материалов: плотность, удельный вес, твердость, прочность и т.п.; - механика и форма поверхности: толщина пленок и покрытий, параметры топографии поверхности и т.п. Диапазон, условия и области применения измерений механических величин. Средства измерений: принципы действия, структурные и другие схемы. Комплексы нормируемых метрологических характеристик (МХ).

5

-

3.2.5.2. Измерение тепловых величин [3], т.2., с.292…374; [7], с. 224…231; [11], с. 26…33 Группы измерений и основные измеряемые величины: термометрия: температура, тепловой градиент; перенос тепловой энергии: количество теплоты, тепловой поток, коэффициент теплопередачи и т.п.; теплофизические свойства веществ и материалов: теплопроводность, теплоемкость и т.п.; физико-химия: параметры концентрации, молярность, подвижность ионов, параметры влажности, показатель кислотности растворов и т.п. Диапазон, условия и области применения измерений тепловых величин. Средства измерений: принципы действия, структурные и другие схемы. Комплексы нормируемых МХ.

3.2.5.3. Измерение электрических и магнитных величин [3], т.1, с. 326…383; [4], с. 5…160; [11], с. 33…52 Группы измерений и измеряемые величины: электрические и магнитные поля: количество электричества, поверхностная плотность зарядов, напряженность электрического поля, магнитная индукция, поток и момент, магнитодвижущая сила и т.п. электрические цепи: электрическое напряжение, электродвижущая сила, сила тока, электрическая емкость и сопротивление, индуктивность, сдвиг фазы между электрическими токами и напряжениями, электрическая энергия и мощность, частота электрических колебаний, характеристики формы и спектра электрического сигнала и т.п.; распространение электромагнитных волн: мощность электрического поля, волновое сопротивление, коэффициенты стоячей и бегущей волны, нелинейных искажений и модуляции радиосигналов и т.п.; электрические и магнитные свойства веществ и материалов: диэлектрическая и магнитная восприимчивость, удельное электрическое сопротивление, диэлектрические и магнитные потери, термоЭДС, параметры магнитной петли гистерезиса и т.п. Диапазон, условия и области применения измерений электрических и магнитных величин. Средства измерений: принципы действия, структурные и другие схемы. Комплексы нормируемых МХ. 3.2.5.4. Измерение оптических величин [3], т.3, с.276…302; [11], с. 52…54 Группы измерений и измеряемые величины: - физическая оптика; сила света, световой поток и энергия, освещенность, яркость, интенсивность и мощность излучения, длительность импульса излучения, энергетическая сила и яркость оптического излучения и т.п.; - когерентная и нелинейная оптика: мощность и спектральная плотность мощности лазерного излучения, длина волны (частота) и т.п.; 6

- оптические свойства веществ, материалов и сред: показатель преломления, коэффициенты отражения и поглощения, светочувствительность, оптическая сила линз, оптическая плотность и разрешающая способность материалов и т.п. Диапазон, условия и области применения измерений оптических величин. Средства измерений: принципы действия, структурные и другие схемы. Комплексы нормируемых МХ. 3.2.5.5. Измерение акустических величин [3], т.3., с. 302…423; [11], с. 53…54 Группы измерений и измеряемые величины: - физическая акустика: интенсивность звука, плотность звуковой энергии, уровень звукового давления и громкости, амплитуда и спектральная плотность амплитуд звуковых (ультразвуковых) колебаний и т.п.; - акустические свойства веществ, материалов и сред: скорость распространения и коэффициент поглощения звука (ультразвука), звуковое давление, коэффициенты отражения (затухание) звуковой волны, акустическое сопротивление и т.п. Диапазон, условия и области применения измерений акустических величин. Средства измерений: принципы действия, структурные и другие схемы, комплексы нормируемых МХ. 3.2.5.6. Измерения в атомной и ядерной физике [3], т.3, с. 253…375; [11], с. 54…56 Группы измерений и измеряемые величины: - ионизирующие излучения и радиоактивность: интенсивность излучения, поглощенная доза излучения, мощность поглощенной дозы излучения, плотность потока ионизирующих частиц или квантов и т.п.; - свойства атомов и молекул: потенциал ионизации, энергия диссоциации; - фундаментальные константы: скорость света, заряд электрона, протона и нейрона, постоянная Джозефсона, число Фарадея, постоянная Больцмана и т.п. Диапазон, условия и области применения измерений. Средства измерений: принципы действия, структурные и другие схемы. Комплексы нормируемых МХ. 3.2.6 Основные сведения об испытаниях и контроле [9]; [10], с. 5…18; [11], с. 56…57 Объекты испытаний и общие вопросы испытаний. Воздействующие факторы, определяющие виды испытаний (климатические; механические воздействия; воздействия, вызванные особенностями космических полетов и наличием радиоактивности). Объекты контроля и общие вопросы контроля. 7

Примеры контрольно-измерительного оборудования. Эксплуатационные и метрологические характеристики оборудования. Испытательное оборудование: вибро- и ударные стенды, термокамеры. Примеры методик испытаний и контроля. Заключение Краткое обобщение основных вопросов курса. Актуальные проблемы и перспективы развития методов и средств измерений, испытаний и контроля. Направление дальнейшего углубления, расширения и использования полученных знаний. 3.3 № п/п 1 2 3 4 5 6 7

Тематический план лекций для студентов очно-заочной формы обучения (28 часов) Темы лекций

Объем, часы

Классификация измерений. Средства измерений. Подготовка к измерениям. Методика выполнения измерений. Измерение механических величин. Измерение тепловых величин. Измерение электрических и магнитных величин. Измерение оптических и акустических величин. Основные сведения о контроле и испытаниях.

3.4

4 4 4 4 4 4 4

Темы лабораторных занятий (12 часов)

Темы лабораторных работ

Объем, часы 2

1 1. Внесение поправок

4 2. Измерение частотно-временных параметров электрических сигналов 3. Измерение напряжения 4. Измерение мощности 5. Исследование основных метрологических характеристик тепловых измерительных преобразователей

3.5

2 2 2

Описание деятельности студента 3 При выполнении работы студент приобретает навыки внесения детерминированной поправки в показание средства измерений При выполнении работы студент приобретает практические навыки работы с типовыми средствами измерений При выполнении работы студент приобретает навыки экспериментального исследования статических и динамических метрологических характеристик типовых измерительных преобразователей

2

Темы практических занятий

Темы практических занятий 1. Расчет метрологических характеристик типовых средств измерений 2. Разработка методик выполнения измерения типовых физических величин 8

Объем, часы 8 8

4.Библиографический список Основной: 1. Куликовский К.А., Купер В.Я. Методы и средства измерений. -М.: Энергоатомиздат, 1986. 2. Фарзане Н.Г., Ильясов Л.В., Азим-заде А.Ю. Технологические измерения и приборы: Учеб. для вузов.- М.: Высшая школа, 1989. 3. Измерения в промышленности. Справочник в 3-х томах под ред. проф. докт. Профоса П. -М.: Металлургия, 1990. Дополнительный: 4. Спектор С.А. Электрические измерения физических величин. - Л.: Энергоатомиздат, 1987. 5. Мирский Г.Я. Микропроцессоры в измерительных приборах.- М.: Радио и связь, 1984. 6. Общесоюзный классификатор свойств, веществ и материалов. - М.: Изд-во стандартов, 1980. 7. Евтихиев Н.Н. и др. Измерение электрических и неэлектрических величин. М.: Энергоатомиздат, 1990. 8. Селиванов М.И., Фридман А.Э., Кудряшова Ж.Ф. Качество измерений: Метрологическая справочная книга.- М.: Лениздат, 1987. 9. Шишкин И.Ф., Сергушев Г.Ф. Испытания и испытательное оборудование: Учеб. пособие. - СПб.: СЗПИ, 1993. 10. Быков М.Д. и др. Контроль качества и испытания РЭА: Учеб. пособие.- Л.: СЗПИ, 1988. 11. Медякова Э.И. Методы и средства измерений, испытаний и контроля. Письменные лекции. СЗТУ.: Санкт-Петербург, 2003. 12. ГОСТ Р 8.563-96. ГСИ. Методики выполнения измерений. 13. ГОСТ 8.009-84. ГСИ. Нормирование и использование метрологических характеристик средств измерений. 5. Тестовые задания 5.1. Поясните понятие измерительного эксперимента. 5.2. Поясните особенности использования измерительной информации о размере или значении физической величины при измерении, контроле и испытании. 5.3. Приведите классификацию измерений по областям измерений. 5.4. Приведите классификацию измерений по характеристикам измеряемой величины или параметра. 5.5. Дайте определение понятиям: "принцип измерений", "средство измерений" и "метод измерений". 5.6. Приведите классификацию СИ по определяющим признакам. 5.7. Приведите примеры СИ. 5.8. Перечислите основные элементы структурной схемы СИ. 9

5.9. Приведите примеры нормируемых МХ СИ. 5.10. Приведите примеры применения вычислительной техники в СИ. 5.11. В чем заключается подготовка к измерениям? 5.12. Поясните цель разработки и применения МВИ. 5.13. Перечислите основные этапы разработки МВИ. 5.14. Приведите примеры измеряемых механических величин. 5.15. Поясните принципы действия нескольких СИ механических величин. 5.16. Приведите примеры измеряемых тепловых величин. 5.17. Поясните принципы действия нескольких СИ тепловых величин. 5.18. Приведите примеры измеряемых электрических и магнитных величин. 5.19. Поясните принципы действия нескольких СИ электрических и магнитных величин. 5.20. Приведите примеры измеряемых оптических величин. 5.21. Поясните принципы действия нескольких СИ оптических величин. 5.22. Приведите примеры измеряемых акустических величин. 5.23. Поясните принципы действия нескольких СИ акустических величин. 5.24. Приведите примеры измеряемых величин, применяемых в атомной и ядерной физике. 5.25. Поясните принципы действия нескольких СИ величин, применяемых в атомной и ядерной физике. 5.26. Приведите примеры объектов испытаний. 5.27. Перечислите основные воздействующие факторы, определяющие виды испытаний. 5.28. Приведите определения "программа" и "методика испытаний". 5.29. Приведите примеры объектов контроля. 5.30. Приведите примеры контрольно-измерительного оборудования. 6.

Задание на контрольную работу

В процессе изучения дисциплины "Методы и средства измерений, испытаний и контроля" студенты выполняют контрольную работу. Контрольная работа состоит из 9 задач. Контрольная работа выполняется в тетради с полями. На титульном листе указывается фамилия, инициалы, шифр, факультет и специальность студента. Варианты и значения исходных данных задания определяются студентом по его индивидуальному шифру. Условие задачи переписывается полностью. Каждый этап расчета следует сопровождать необходимым пояснением, приведением расчетного выражения и полученных результатов вычислений. Выполненная контрольная работа сдается на рецензирование преподавателю. Исправления в работе производятся так, чтобы рецензент мог сопоставить первоначальный и новый варианты.

10

Задание 1. Напряжение постоянного тока измеряется двумя вольтметрами - класса точности клт1 (используется предел измерений Uпред1) и класса точности клт2 (используется предел измерений Uпред2). Показания вольтметров составляют соответственно Uпок1 и Uпок2. Определить, какой вольтметр предпочтительнее применять для обеспечения большей точности измерений. Указать пределы, в которых находится значение измеряемого напряжения постоянного тока. Влиянием входного сопротивления вольтметра пренебречь. Значения клт1; клт2; Uпред1; Uпред2; Uпок1; Uпок2 приведены в таблицах 1 и 2. Таблица 1 Предпоследняя цифра шифра клт1

0 1

2 3

4 5

6 7

8 9

2,5

1,5 / 1,0

1,5

4,0

4,0

клт2

2,5

2,5

1,0 / 0,5

2,5 / 1,5

2,5 / 1,5

Таблица 2 Последняя цифра шифра Uпред1, В

Uпок1, В Uпред2, В Uпок2, В

0

1

2

500 285

4

300 439

117

1000 287

3

437

6

150 203

142

500 119

5

140

8

100 100

90,5

300 206

7

50 24,5

36,5

150 103

91,5

9

23,5 100

26,5

37,5

24,5

Указания Пользуясь обозначениями классов точности вольтметров, с учетом используемых пределов измерений и полученных показаний вольтметров, следует определить максимально допускаемые относительные δ отклонения показаний обоих вольтметров от измеряемого напряжения согласно [1], с.41…45, что позволит сделать требуемый вывод. Пределы, в которых находится измеряемое напряжение постоянного тока, определяются зависимостью: Uпок - ε1(2) ≤ U ≤ Uпок1(2) + ε1(2) , где ± ε1(2) - максимально допускаемое абсолютное отклонение показаний вольтметров от измеряемого напряжения. В табл.3 приведены формулы для расчета величин ± ε и ±δ для вольтметров различных классов точности.

11

Таблица 3. Характеристики

Условное обозначение класса точности

р ± δ, % ± ε, В

p

U U

р

пред

c/d

р

пок

Uпред ·р · 10-2

с + d(

U пред U пок

−1)

Uпок · р · 10-2

Задание 2 Постоянный ток измеряется миллиамперметром, имеющим следующие метрологические характеристики: клт - класс точности; rА - внутреннее активное сопротивление, указанные в табл.4. Таблица 4. Последняя цифра шифра клт rА, кОм

0 1 2

3 4 5

6 7

8 9

2,5 / 1,5 0,5

4,0 0,2

4,0 0,3

2,5 1,0

За показание Iпок миллиамперметра принять расчетное значение тока ( с учетом влияния rА). Миллиамперметр имеет пределы измерений: 1; 2; 5; 10; 20 мА. Указать пределы, в которых находится измеряемый ток, если на входе цепи действует напряжение Е, а сопротивление нагрузки равно Rн. Значения Е и Rн указаны в табл.5. Таблица 5 Последняя цифра шифра Е,В Rн, кОм

0 1 2 10 5,0

3 4 5 5 7,3

Указание В данном случае (при детерминированной измеряемый ток находится в пределах:

6 7

8 9 20 1,5

аддитивной поправке θ )

( I пок + θ ) − ε ≤ I ≤ ( I пок + θ ) + ε ,

где ± ε - максимально допускаемое абсолютное отклонение показаний миллиамперметра от измеряемого тока, определяемое по формулам из табл.3. Детерминированная поправка к показаниям миллиамперметра определяется по формуле: θ=

E E − . R H R H + rA 12

Показание миллиамперметра: I пок =

E . R H + rA

Задание 3 Определить пределы, в которых находится активная мощность, выделяемая в нагрузке цепи переменного тока промышленной частоты, измеряемая электромеханическим ваттметром электродинамической системы. Метрологические характеристики ваттметра приведены в табл.6, где: клт - класс точности ваттметра; rпосл - сопротивление последовательной обмотки ваттметра; Iпар - номинальный ток параллельной обмотки ваттметра. Таблица 6 Данные клт

0

1 2,5

Предпоследняя цифра шифра 3 4 5 6

2 2,5

4,0

4,0

rпосл, Ом Iпар, мА

7

1,5

8

9

1,5 / 1,0

2,5 30

10

Напряжение сети Uс = 30В; ток сети Iс =0,1А. Получено показание при максимальном значении nmax =150 делений (табл.7). Предельные значения по току и напряжению обмоток ваттметра составляют Iпред =0,15А;Uпред=75В. Таблица 7 Данные 0

n

1 100

Последняя цифра шифра 2 3 4 5 6 120 86 53

7

8

9 130

Указание Измеряемая активная мощность находится в пределах: ( Pпок + θ ) − ε ≤ P ≤ ( Pпок + θ ) + ε ,

где Рпок - показание ваттметра; θ - абсолютная детерминированная поправка к показанию ваттметра, определяемая активными потерями в последовательной и параллельной обмотках ваттметра; ± ε - максимально допускаемое абсолютное отклонение показаний ваттметра от измеряемой активной мощности. 13

Показание ваттметра может быть определено с учетом числа делений n и nmax, а также предельного значения шкалы ваттметра: Pпок = Pпред

n n max

,

где Pпред=Iпред· Uпред. Абсолютная поправка к показаниям ваттметра может быть определена по формуле: θ = I c2 rпосл + U c ⋅ I пар .

Задание 4 Для измерения амплитудного значения, периода и частоты следования сигнала синусоидальной формы использовался электронно-лучевой осциллограф, причем были выбраны положения органов управления (коэффициент отклонения Коткл, коэффициент развертки Кразв), приведенные в табл.8. Отклонение луча на экране осциллографа, соответствующие измеряемым параметрам: по вертикали A y , по горизонтали A x , а также максимально допускаемое относительное отклонение β показаний от измеряемого параметра приведены в табл. 9. Определить пределы, в которых находятся амплитуда, период и частота следования сигнала. Таблица 8 Данные

Коткл, B/дел Кразв, мс/дел

0 20 0,05

1 10 0,1

2 5 0,2

Последняя цифра шифра 3 4 5 6 2 1 0,5 0,2 0,5 50 20 10

7 0,1 5

8 0,05 2

9 0,02 1

Предпоследняя цифра шифра 3 4 5 6 10,3 4,1 7,8 8,3

7 1,5

8 2,7

9 3,4

9,3

8,7

5,3

Таблица 9 Данные

A y ,дел A x ,дел ± β, %

0 9,2

1 6,8

2 5,3

1,8

2,3

3,7

4,2

7,5

5

1,9

5,4

10

Указание Необходимо вспомнить, как измеряют характерные параметры сигналов с помощью электронно-лучевого осциллографа ([4], с.183). Пределы, в которых находятся амплитудное значение, период и частота сигнала, определяются с учетом положений соответствующих переключателей, отклонений луча по вертикали и горизонтали, а также характеристик точности показаний.

14

Задание 5 Необходимо измерить частоту или период сигнала переменного тока синусоидальной формы с помощью типового цифрового мультиметра частотновременной группы. Определить для значения частоты F, приведенного в табл. 10, какой параметр (частоту или период) рационально измерить, исходя из требований наибольшей точности измерений. Определить пределы, в которых находится измеряемый параметр ( частота или период). Таблица 10 Параметр F, кГц

0 103

1 500

2 100

Последняя цифра шифра 3 4 5 6 50 20 5 1

7 0,5

8 0,1

9 0,01

Основные технические характеристики типового цифрового мультиметра частотно-временной группы приведены в табл.11. Таблица 11

10 … 107

Диапазон измеряемых частот, Гц Максимально допускаемое относительное отклонение δF показания от измеряемой частоты, не более

± δ 02 + (

1 )2 Fпок ⋅ τ сч

1; 10; 100; 103; 104 10-5 … 100

Время счета, τсч мс Диапазон измеряемых периодов, с Максимально допускаемое относительное отклонение δт показания от измеряемого периода, не более

± δ 02 + (

Максимально допускаемая относительная нестабильность δ0 частоты образцового источника за год, не более Множитель периода, n Цена метки времени Тм, мкс

T 0 ,003 2 ) + ( м )2 n nTпок

±10-7 1; 10; 102; 103 0,01; 0,1; 1,0; 102; 103

Указание Необходимо обратить внимание на точность показаний цифрового мультиметра частотно-временной группы при измерении частоты и периода. Пример расчета: Fпок ≈ 20 Гц (Тпок ≈

1 ≈ 50мс ) . 20c

Решение Максимально допускаемое относительное измеряемой частоты определяется по формуле: ± δ F ≈ ( δ 0 )2 + (

отклонение

1 1 )2 ≈ ( 10 −7 )2 + ( )2 Fпок ⋅ τ сч 20 ⋅ 10

показания .

При этом выбирается максимальное время счета τ сч = 10 4 ( мс ) = 10с . 15

от

Тогда ± δ F ≈ ( 10 −7 )2 + ( 5 ⋅ 10 −3 )2 ≈ 5 ⋅ 10 −3

Пределы, в которых находится измеряемая частота: Fпок-εF ≤ F ≤ Fпок + εF , где ± ε F = Fпок ⋅ δ F ≈ 20 ⋅ 5 ⋅ 10 −3 = 0 ,1( Гц ). Следовательно, в данном случае ( при выборе τсч=10с) показание должно содержать информацию о десятых долях Гц, а измеряемая частота находится в пределах: 19,9 ≤ F ≤ 20,1 (Гц). Максимально допускаемое относительное отклонение показания от измеряемого периода находится по формуле: ± δ т ≈ ( δ 0 )2 + (

TM 0 ,003 2 ) +( )2 . n n ⋅ Tпок

Выбираем n=103; ТМ = 0,01(мкс) = 0,01· 10-3 (мс). Тогда 0 ,003 2 0 ,01 ⋅ 10 −3 2 ± δ T ≈ ( 10 ) + ( ) +( ) ≈ 10 3 10 3 ⋅ 50 −7

2

≈ ( 10 −7 )2 + ( 3 ⋅ 6 −6 )2 + ( 2 ⋅ 10 −10 )2 ≈ 3 ⋅ 10 −6 .

Сравнение ±δF и ±δТ доказывает, что рационально использовать данное средство измерений в режиме измерения периода. Измеряемый период находится в интервале: Tпок − ε Т ≤ Т ≤ Тпок + εТ . Рассчитаем ±εТ: ± ε т = Т пок ⋅ δ Т ≈ 50 ⋅ 3 ⋅ 10 −6 ( мс ) = 0 ,000150( мс )

49,000850 ≤ Т ≤ 50,000150(мс) Задание 6 Напряжение переменного тока частотой порядка 1кГц измеряется на выходе резистивного делителя напряжения R1-R2 с помощью вольтметра, особенности схемного решения, градуировки шкалы, а также основные метрологические характеристики которого указаны в табл. 12 , где тип детектора: А -пиковый; КВ - среднеквадратический; СВ - средневыпрямленного значения; вид входа: О - открытый; З - закрытый. Градуировка шкалы: Um - в пиковых значениях напряжения любой формы; Uск - в среднеквадратических значениях напряжения любой формы; Usin - в среднеквадратических значениях напряжения синусоидальной формы; Rвх - активная составляющая входного сопротивления данного вольтметра.

16

Таблица 12 Данные 0

1

Последняя цифра шифра 3 4 5 6 СВ

2

7

8

9

Тип КВ А детектора Вид схемы 0 3 0 3 3 входа Градуировка Usin Um Ucк шкалы Класс 1,0/0, 2,5/0, 2,5/1, 1,5 2,5 2,5 4,0 2,5 4,0 4,0 точности 5 5 5 Rвх, кОм 103 105 5·103 R1(R2), кОм 102 5· 102 5 ·103 Определить пределы, в которых находится пиковое, среднеквадратическое или средневыпрямленное напряжение, значение напряжения на выходе, делится напряжение, если оно имеет вид: - однополярных пилообразных импульсов (ОПИ); - однополярных импульсов прямоугольной формы со скважностью 3 (ОИ); - двуполярных импульсов прямоугольной формы со скважностью 2 (ДИ); - двуполярных импульсов треугольной формы со скважностью 2 (ТИ). Форма исследуемого сигнала, показания вольтметра Vпок, предельное значение его шкалы Vпред и определяемое значение напряжения приведены в табл 13. Таблица 13.

ТИ

ДИ

ОИ

ОПИ

ТИ

ДИ

185

490

Определяемое значение напряжения

средневыпр ямленное

среднеквад ратическое

150

272

184

145

84,5

57,5

125 пиковое

295

ОИ

9 ОП И

среднеквад ратическое

125

8

средневыпр ямленное

Vпок, В

пиковое

500

среднеквад ратическое

Vпред, В

2

пиковое

ОИ

1 ОП И 300

средневыпр ямленное

Форма сигнала

0

Предпоследняя цифра шифра 3 4 5 6 7

пиковое

Данные

Указания. Для решения задачи необходимо вспомнить, что понимается под пиковым, среднеквадратичным и средневыпрямленным значениями переменного сигнала, а также понятие коэффициента амплитуды и формы сигнала ( [ 7], c). Из анализа схемных особенностей вольтметра следует выяснить, на какое значение сигнала будет реагировать детектор вольтметра, и какой коэффициент был использован при градуировке шкалы вольтметра. 17

Все вышеперечисленное позволит определить аналитическую зависимость между показанием вольтметра и любым значением напряжения. Любые значения напряжения с учетом класса точности вольтметра находятся в пределах: ) ( пок ) ( U (mпок ( св / ск ) + θ ) − ε ≤ U m ( св / ск ) ≤ ( U m ( св / ск ) + θ ) + ε , ) где, U (mпок - соответствующие значения напряжения, определяемые по ( св / ск ) показанию; θ - абсолютная детерминированная поправка к показанию вольтметра; ± ε - максимально допускаемое абсолютное отклонение показания от измеряемого значения напряжения. При R1=R2=R абсолютная поправка к показанию вольтметра может быть определена по формуле :

θ =

R / R вх 2 + R / R

⋅U

пок

вх

Пример: тип детектора – СВ; вид схемы входа – О; градуировка шкалы – Vsin; класс точности вольтметра – 2,5; Rвх, МОм………….50 R1(R2);МОм.………5 Uпред, В………….500 Uпок, В…………..184 Форма сигнала…ОПИ Решение: Необходимо определить пределы, в которых находится средневыпрямленное значения напряжения. При использовании любого вольтметра переменного тока справедливо тождество: показания всегда соответствуют такому значению исследуемого сигнала, каков в вольтметре детектор. В данном случае: U пок ≡ U (свпок ) Переход от тождества к равенство осуществляется с помощью градуировочного коэффициента (учет особенностей градуировки шкалы): Uпок = 1,11U(свпок )

Отсюда средневыпрямленное значение, определенное по показанию: пок ) = U (СВ

Средневыпрямленное интервале: (

значение

U пок . 1 ,11

исследуемого

сигнала

U пок U + θ ) − ε ≤ U CВ ≤ ( пок + θ ) + ε . 1 ,4 1 ,11 18

находится

в

Рассчитаем абсолютную детерминированную поправку к показаниям вольтметра: R 5 R вх θ= ⋅ Vпок = 50 ⋅ 184 = 9В . 5 R 2+ 2+ 50 R вх

Рассчитаем ±ε: ±ε = Vпред · р · 10-2 = 500 · 2,5 · 10-2 = 12В. Таким образом: (

184 184 + 9 ) − 12 ≤ VCВ ≤ ( + 9 ) + 12( В ), 1 ,11 1 ,11

167 ≤ VСВ ≤ 191 (В). Задание 7 Для измерения толщины бумажной ленты применен емкостной принцип преобразования. Чувствительный элемент имеет размеры (табл.14): - площадь пластин конденсатора S; - зазор между пластинами δ. Рассчитать и построить функцию преобразования емкостного преобразователя. Определить по этой характеристике пределы изменений емкости преобразователя, если толщина ленты σл, протягиваемой между пластинами, изменяется от 2 до 5 мм.

пФ , диэлектрическая м пФ . постоянная бумаги εбум = 17,70 м

Диэлектрическая постоянная воздуха εвозд = 8,85

Таблица 14 Данные 3

2

S·10 , м δ, мм

0

1 60

6

8

Последняя цифра шифра 3 4 5 6 7 70 80 40 10 12 6 8 10 12 2

Указание Функция преобразования емкостного определяется аналитической зависимостью:

19

преобразователя

8

9 90

6

данного

8

типа

C=

S δ − δл σл + ε бум ε возд

где С - емкость чувствительного элемента ( плоского воздушного конденсатора, между пластинами которого протягивается бумажная лента). Пример: S = 60· 10-3 м2 δ = 12 мм σл1 = 4 мм σл2 = 10мм. Решение Упростим выражение для функции преобразования, подставив в него известные значения: C=

60 ⋅ 10 −3 60 ⋅ 17 ,70 1050 . = = σ л ⎤ 2( 12 − σ л ) + σ л 24 − σ л −3 ⎡ 2 − σ л 10 ⎢ + 17 ,70 ⎥⎦ ⎣ 8 ,85

Зададим функцию преобразования таблично (Табл.15). Таблица 15 σл , мм С, пФ

0 43

10 75

На основании этих данных функция преобразования может быть представлена графически в координатах С = f (σл). На этом графике можно указать пределы изменения выходного параметра (емкости) при изменении преобразуемой величины (толщины бумажной ленты) в указанных пределах. Задание 8 Необходимо измерить постоянную и среднеквадратическое значение переменной составляющей пульсирующего тока, протекающего в установившемся режиме в цепях, образованных последовательным соединением резистора и катушки индуктивности ( цепь RL), либо параллельным соединением резистора и конденсатора ( цепь RC), при напряжении на входе цепи, изменяющемся по закону: u(t) = U0 + Um Sin ωt . Расчетные значения R, L, C, U0, Um, ω приведены в табл.16. Исследуемая цепь может находиться в сильном магнитном поле. Для измерений имеется возможность использовать электромеханические амперметры магнитоэлектрической, электромагнитной (астатический прибор) и

20

электродинамической систем с пределами измеряемого тока 0,1; 0,3; 1,0; 3,0 и 10А. Класс точности приборов 1,0. Определить составляющие тока; выбрать средства измерений; обосновать место включения приборов в цепь; определить пределы, в которых находятся значения токов, с учетом класса точности приборов и поправки за счет влияния внутреннего активного сопротивления приборов rА.

Таблица 16 Данные рад ω, с R, кОм L, мГн С, мкФ U0, В Um, В rА, Ом Наличие магнитного поля

Последняя цифра шифра 3 4 5 6

0

1

2

200 0,2 1 200 150 10

300 0,15 0,5 250 110 5

100 0,3 3 40 30 15

500 0,05 0,1 120 100 2

50 1,5 0,3 80 65 1

100 2,0 5 100 80 100

+

-

+

-

+

-

7

8

9

200 0,5 10 250 200 20

100 0,4 25 500 280 15

250 2,5 2 850 700 100

500 3,0 1 150 120 80

+

-

+

-

Указание При заданном законе изменения напряжения на входе цепи ток в цепи в установившемся режиме имеет две составляющие (постоянную и переменную): i(t) = I0 + Im Sin (ωt ± φ), где знак "+" и "-" относятся соответственно к RL и RС cхемам. Обе составляющие могут быть рассчитаны по исходным данным с использованием законов Ома и Кирхгофа. Постоянная составляющая пульсирующего тока ( для обоих схем): I0 =

U0 . R

Комплексное сопротивление цепи для схемы RL определяется по формуле: •

Z = R + jωL .

•

Модуль этого выражения: Z = R 2 + ( ωL )2

.

Комплексная проводимость цепи для схемы RC определяется по формуле:

21

•

y=

1 + jωC R

2

• 1 модуль этого выражения: y = ⎛⎜ ⎞⎟ + (ωC)2 .

⎝R⎠

Амплитудное значение переменной составляющей пульсирующего тока: Im =

Um R 2 + ( ω C )2

Im = Um (

(для схемы RL);

1 2 ) + ( ωC )2 (для схемы RC). R

Среднеквадратическое значение переменной составляющей пульсирующего определяется по формуле: I ск =

Im 2

.

Среднеквадратическое значение пульсирующего тока определяется по формуле: 2 I ск = I 02 + I ск .

Примем расчетные значения I0 и Iск за показания соответствующих приборов. Далее следует вспомнить особенности использования электромеханических амперметров различных систем - магнитоэлектрической, электромагнитной и электродинамической. Амперметры магнитоэлектрической системы годны для измерения только постоянных токов. Они включаются последовательно с нагрузкой. Пределы, в которых находится измеряемая постоянная составляющая пульсирующего тока: ( I мпок + θ 0 ) − ε м ≤ I пост ≤ ( I мпок + θ 0 ) + ε м ,

где Iмпок=I0 – показание амперметра магнитоэлектрической системы; θ0 – абсолютная детерминированная поправка к показанию амперметра за счет влияния внутреннего активного сопротивления rА амперметра; ϒεм – максимально допускаемое абсолютное отклонение показания амперметра магнитоэлектрической системы от измеряемого значения. Абсолютная поправка к показанию в данном случае может быть определена по формуле: θ0 =

U0 U0 − R R + Z

A

где rА – внутреннее активное сопротивление прибора. Среднеквадратическое значение пульсирующего тока может быть измерено с помощью амперметра электромагнитной или электродинамической системы, 22

которые годны для использования в цепях и переменного и постоянного тока, и 2 показания которых определяются выражением: Ι пок = Ι 02 + Ι ск ~ Выбор амперметра электромагнитной или электродинамической системы определяется наличием внешнего магнитного поля, при его наличии следует применять астатический прибор. Среднеквадратическое значение переменной составляющей пульсирующего тока может быть измерено при помощи двух приборов, измеряющих соответственно постоянную составляющую и среднеквадратическое значение пульсирующего тока с последующим вычислением по формуле: Ι пок =

2 2 Ι пок + Ι пок

Среднеквадратическое значение переменной составляющей пульсирующего тока находится в пределах: ( I пок + θ ~ ) − ε ~ ≤ I ск ≤ ( I пок + θ ~ ) + ε ~ , Где θ~ - абсолютная детерминированная погрешность к показанию Iпок:

θ~ =

θ~ =

Um 2 R + ( ωL ) 2

2

Um

−

2 ( R + Z A )2 + ( ω L )2

2

Um

⋅

2

U ⎛ 1 ⎞ ⎟⎟ + ( ω L ) 2 − m ⋅ ⎜⎜ 2 ⎝ R ⎠

(

1 1 2 )2 + ( ) R + ZA ωC

(для схемы

RC) +ε~ - максимально допустимое абсолютное отклонение показания от среднеквадратического значения переменной составляющей: ± ε

~

=

I

2 пок

I

ε 2 пок

2 э

+ I − I

2 пок 2 пок

ε

2 м

где εм и εэ - максимально допустимые абсолютные отклонения показаний амперметров магнитоэлектрической и электромагнитной систем от измеряемых значений токов, а Iпок и Iпок – показания соответствующих приборов. Задание 9. Определить пределы, в которых находится выходная информативная величина типового аналогового измерительного преобразователя. Аналитическое выражения для функции преобразования, номинальное значение элементов преобразователя, а также допуск δ на их значения приведены в табл. 17.

23

Таблица 17. Данные

0 I вх =

преобразование R1, кОм R2, кОм R3, кОм +δ, % R, кОм Rос, кОм +δ, % ω ω +δ, % Uвх, В Iвх, мА

1,0 5,0 10,0 5

1

2

R1 U вх R 2R 3

5,0 2,5 1,0 10

Предпоследняя цифра шифра 3 4 5 6 7 R R U вых = ос U вх U вых = ос U вх R R

8

9

I вых = ?

3,0 6,0 30,0 15 1,0 5,0 5

10,0 100,0 10

1,0 5 100 20 5

5,0 10 300 50 10

10,0 15 500 100 15

0…1

1,0

0,2

50 10 1000 100 5 10 0…1

0…1

Указание Следует представить функцию преобразования аналогового измерительного преобразователя в виде : Хвых=К*Хвх Где Хвых – информативный выходной сигнал Хвх – входной сигнал (меняющийся в диапазоне 0…Хвх mах). Коэффициент преобразования является случайной величиной, так как зависит от случайных величин: К=f(ω1;ω2;R1;R;2Rос), причем элементы ω1;ω2…Rос имеют допуск. Следует вспомнить, как представляются ситуационные модели Аналог СКО коэффициента преобразования может быть определен по формуле: uк = (

∂к ∂к Uω1 )2 + ( Uω2 )2 + ... ∂ω1 ∂ω2

где Uω1;Uω2 и т.д. – аналоги СКО величин ω1;ω2… Пределы, в которых находится выходная информативная величина: Xвых=(K+2UK)Xвх, где коэффициент 2 определен по соглашению. Пример Функция преобразования аналогового измерительного преобразователя R1 ⋅ R 2 ⋅ I вх представлена в виде: U вых = R3 Элементы схемы R1=1кОм; R2=5кОм; R3=10кОм и имеют допуск + 10%. Ситуационные модели представлены на Рис. P(R1) P(R2) P(R3) R1(кОм)

0,9

1

1,1

R2(кОм)

4,5

5

5,5 24

R3(кОм)

9

10

11

K=

R1 ⋅ R 2 = 0 ,5кОм R3

Выведем формулу для аналога СКО коэффициента преобразования: 2

2

2

2

2

⎤ ⎡ ∂K ⎤ ⎡ ∂K ⎤ ⎡ ∂K ⎤ ⎡ R2 ⎤ ⎡ R1 ⎤ ⎡ R1 ⋅ R 2 UK = ⎢ U R1 ⎥ + ⎢ U R2 ⎥ + ⎢ U R3 ⎥ = ⎢ U R1 ⎥ + ⎢ U R2 ⎥ + ⎢ U R3 ⎥ 2 ⎣ ∂R1 ⎦ ⎣ ∂R 2 ⎦ ⎣ ∂R 3 ⎦ ⎣ R3 ⎦ ⎣ R3 ⎦ ⎣ ( R3 ) ⎦

Подставим в эту формулу численные значения: U R1 = U R2 = U R3 = 2

2

0 ,1 3 0 ,5 3 1 3

≅ 0 ,06кОм; = 0 ,3кОм; = 0 ,6кОм;

2

1⋅ 5 1 5 ⎞ Тогда: U K = ⎛⎜ ⋅ 0 ,06 ⎞⎟ + ⎛⎜ ⋅ 0 ,3 ⎞⎟ + ⎛⎜ ⋅ 0 ,6 ⎟ = 0 ,05кОм ⎠ ⎠ ⎝ 100 ⎠ ⎝ 10 ⎝ 10

Пределы, в которых находится выходная информативная величина (напряжение): Uвых=(K+2UK)Iвх при Iвх=1мА:Uвых=(0,50+0,05)*103*103= =0,45…0,55В 7.Задание на курсовую работу В процессе изучения дисциплины «методы и средства измерений, испытаний и контроля» должна быть выполнена курсовая работа. Вариант курсовой работы выбирается в соответствии с цифрами шифра студента. Курсовая работа «Разработка методики выполнения измерений (МВИ)…» должна содержать выполнение основных этапов разработки МВИ типовой физической величины и разработку проекта документа на МВИ. Оформление курсовой работы должно соответствовать типовым требованиям. В таблице 18 приведем задания на курсовую работу. Также (по согласованию с преподавателем) может быть выбрано индивидуальное задание, учитывающее специфику производственной деятельности студента.

25

2

Таблица 18. Последняя цифра шифра 1

Название темы 2 МВИ активной и реактивной мощности, выделяемой в сети переменного тока промышленной части (50Гц)

0,1,2

Данные

Предпоследняя цифра шифра 0,1,2 3,4,5,6 7,8,9 4 5 6

3 Активная мощность, Вт, не более……………………………… 7 Реактивная мощность, Вар, не более……………………………… 4 .. Пределы допускаемого относительного отклонения показаний от измеряемой мощности, %, не более:

5

0,5

+0,5

+1,0

+2,5

реактивная мощность……………

+2,5

+4,0

+1,5

LC

RC

75

60

30

30 5,0

15 0,5

10 50

СВ

СК

А

ОПИ

ТФ

ПФ

3

0,5

30

105

5*105

106

+0,5

+1,5

+2,5

Напряжение в сети, В……………

3,4,5,9

3

активная мощность………………

Вид нагрузки в сети……………... RC

МВИ характерного значения напряжения сложной формы на выходе резистивного делителя Напряжения (R1=R2=R)

20

Угол сдвига фазы между током и напряжением, град………………. Частота сигнала, кГу, не более…. Значение напряжения (А – амплитудное, СВ – средневыпрямленное, СК – среднеквадратическое)………….. Форма сигнала: ОПИ – однополярные импульсы прямоугольной формы со скважностью 3; ТФ – треугольная; ПФ – пилообразная……………… Амплитудное значение напряжения, В не более………… Сопротивление резисторов кОм……………………………….. Пределы допустимого относительного отклонения показания от измеряемого значения напряжения, %, не более………………………….

26

1

6,7,8

2 МВИ постоянной составляющей и среднеквадратич еского значения пульсирующего тока, протекающего в цепи с комплексной нагрузкой (RL – последовательно е соединение элементов, RC – параллельное соединение элементов).

3 Частота сигнала переменной составляющей, кГц, не более…… Вид нагрузки в цепи…………….. Постоянное напряжение, В, не более……………………………… Амплитудное значение переменной составляющей пульсирующего напряжения, В, не более…………………………... Пределы допустимого относительного отклонения показаний от измеряемого значения, %, не более: для постоянной составляющей тока……………………………….. для среднеквадратического значения тока…………………….

4

5

6

0,05 RL

0,5 RC

1,0 RL

10

60

25

4

25

15

+0,5

+1,0

+1,5

+1,0

+2,5

+4,0

Указание [12] МВИ – совокупность операций и правил, выполнение которых обеспечивает получение результатов измерений с известной точностью. Разработку МВИ осуществляют на основе исходных данных, которые включают: назначение МВИ, требования к точности измерений, условия измерений и др. требования к МВИ. Исходные данные излагают в техническом задании, отчетах о научноисследовательской работе, технических условиях и др. документах. В назначении МВИ указывают: - область применения (объект измерений, в том числе наименование продукции и контролируемых параметров, а также область использования для одного предприятия, для отрасли, для сети отраслевых или межотраслевых лабораторий и т.п.); - наименование ( при необходимости развернутое определение) измеряемой величины; - характеристики измеряемой величины (диапазон и частотный спектр, значения неинформативных параметров и т.п.). - характеристики объекта измерений, если они могут влиять на точность измерений (выходное сопротивление, жесткость в месте контакта с датчиком, состав пробы и т.п.). Условия измерений задают в виде номинальных значений и (или) границ диапазонов возможных значений влияющих величин. Разработка МВИ, как правило, включает: - выбор метода и средств измерений (в том числе стандартных образцов, аттестованных смесей), вспомогательных и других технических средств; - установление последовательности и содержания операций при подготовки и выполнении измерений, обработке промежуточных результатов и вычислении окончательных результатов измерений; 27

- установление приписанных характеристик точности измерений; - разработку параметров и процедур контроля точности получаемых результатов измерений; - разработку документа (раздела, части документа) на МВИ; - метрологическую экспертизу проекта документа на МВИ; - аттестацию МВИ; - стандартизацию МВИ. В документах (разделах, частях документов), регулирующих МВИ, в общем случае указывают: - назначение МВИ; - условия измерений; - требования к точности измерений; - метод (методы) измерений; - требования к средствам измерений, вспомогательным устройствам, материалам, растворам, или указывают типы средств измерений, их характеристики и обозначения документов, где приведены требования к средствам измерений (ГОСТ, ТУ и другие документы); - операции при подготовке к выполнению измерений; - операции при выполнении измерений; - операции обработки и вычислении результатов измерений; - нормативы, процедуру и периодичность контроля точности результатов выполняемых измерений; - требования к оформлению результатов измерений; - требования к квалификации операторов; - требования к обеспечению безопасности выполняемых работ; - требования к обеспечению экологической безопасности; - другие требования и операции (при необходимости). В документах на МВИ излагают требования и операции из числе перечисленных, обеспечивающие выполнение требований к точности измерений. В документах на МВИ в которых предусмотрено использование конкретных экземпляров средств измерений и других технических средств, дополнительно указывают заводские (инвентарные и т.п.) номера экземпляров средств измерений и других технических средств. В [12] приведены рекомендации по построению и изложению отдельных документов на МВИ. Документы на МВИ, не используемые в сферах распространения государственного метрологического контроля и надзора, подвергают метрологической экспертизе в порядке, установленном в отрасли или на предприятии. Документы на МВИ (кроме проектов государственных стандартов, в которых излагаются МВИ, предназначенные для применения в сферах распространения государственного метрологического контроля и надзора), применяемые в сфере распространения государственного метрологического 28

контроля и надзора, подвергают метрологической экспертизе в государственных научных метрологических центрах. Аттестации подлежат МВИ, используемые в сфере распространения государственного метрологического контроля и надзора, аттестуют в порядке, установленном в ведомстве или на предприятии. Основная цель аттестации МВИ – подтверждение возможности измерений по данной МВИ с точностью измерений, не хуже, чем указанная в документе, регламентирующем МВИ. Аттестацию МВИ осуществляют на основе результатов метрологической экспертизы материалов разработки МВИ и документа (раздела, части документа), регламентирующего МВИ, и (или) теоретического и (или) экспериментального исследования МВИ. На аттестацию МВИ представляют следующие документы: - исходные требования на разработку МВИ; - документ (проект документа), регламентирующий МВИ; - программу и результаты экспериментального и расчетного оценивания характеристик точности МВИ, если оно приводилось; При положительных результатах аттестации: - документ, регламентирующий МВИ, утверждают в установленном порядке; - в документе, регламентирующем МВИ (кроме государственного стандарта), указывается «МВИ аттестована» с обозначением предприятия (организации), метрологическая служба которого осуществляла аттестацию, либо государственного научного метрологического центра или органа государственной метрологической службы, выполнявшего аттестацию МВИ.

-

В рамках данной курсовой работы необходимо сформировать исходные требования на разработку МВИ типовой физической величины, и выбрать методы и средства ее измерений, после чего разработать проект документа на МВИ. Пример (разработка МВИ резонансной частоты последовательного колебательного контура, применяемого в лабораторном практикуме СЗТУ). 1.Разработка МВИ 1.1.Формирование исходных данных для разработки МВИ Измеряемая величина – резонансная частота последовательного колебательного контура, применяемого в лабораторном практикуме СЗТУ. Характеристики измеряемой величины: резонансная частота, кГу, не менее…..120 Нормы точности измерений: максимально допустимое отклонение показания от измеряемой частоты, кГу, не более………..+0,2 Условия измерений: диапазон температуры окружающего воздуха, К……….288…298 относительная влажность воздуха, %……………………50…80 Характеристики объекта измерений: емкость контура, пФ………………………………………..230 29

1.2.Выбор методов и средств измерений Предварительный анализ показал, что для измерения резонансной частоты последовательного колебательного контура, применяемого в лабораторном практикуме СЗТУ, могут быть применены два принципа измерений: - резонансный; - с помощью универсального моста переменного тока (измерителя R;C;L и т.д.), с последующим вычислением резонансной частоты. Для реализации резонансного принципа измерений должна быть собрана измерительная установка, включающая генератор высокой частоты, цифровой частотомер (показания которого уточняют значения частотной шкалы генератора) и индикатор резонанса (вольтметр переменного тока или осциллограф). Сигнал на выходе генератора перестраивается по частоте до наступления резонанса, контролируемого по показаниям индикатора резонанса (наступление экстремума). При этом необходимо учитывать следующие влияющие факторы: - оператора при поиске экстремума напряжения на выходе контура; - влияние емкости кабеля, соединяющего выход контура со входом индикатора резонанса; - выбор времени счета цифрового частотомера; - влияние выходного сопротивления генератора и составляющих комплексного входного сопротивления индикатора резонанса. Все эти факторы приводят к необходимости внесения поправки к показанию частотомера и переходу к многократному измерению резонансной частоты. Тогда пределы, в которых находится измеряемая резонирующая частота последовательного колебательного контура, могут быть представлены в виде: (f + θ )− ε ≤ f ≤ (f + θ )+ ε,

где f – оценка среднего арифметического результата измерений; θ - абсолютная поправка к показанию цифрового частотомера, определяемая влиянием комплексного входного сопротивления индикатора резонанса и емкостью кабеля данного типа; ε - половина доверительного интервала. Во втором случае (например, при использовании универсального моста Е711) пределы, в которых находится измеряемая резонирующая частота последовательного колебательного контура, могут быть представлены в виде: f пок − ε f ≤ f ≤ f пок + ε f ,

где показания fпок рассчитывается по формуле: f пок =

1 2 π L пок ⋅ C пок

,

где Lпок и Спок – соответственно показания моста Е7-11 в режиме измерения индуктивности и емкости.

30

+εf – максимально допустимое абсолютное отклонение показания от измеряемой частоты: ± ε f = 0 ,5 f пок ⋅ δ L2 + δ C2 где δL,δC- максимально допустимое относительное отклонение показаний моста от измеряемой индуктивности и емкости. Пусть в результате расчетов получено значение: +εf≅0,1кГц. В качестве нормы точности показаний было выбрано максимально допустимое отклонение от измеряемого значения частоты не более +0,2кГц. Следовательно, можно сделать вывод об окончании выбора методов и средств измерений, т.к., целесообразно выбрать метод непосредственного сравнения с мерой, реализуемой в мосте Е7-11. Принимается решение об окончании не этом этапе разработки МВИ. Далее приступаем к оформлению документа на МВИ. 2.Оформление документа на МВИ

резонансная частота последовательного колебательного контура Методика выполнения измерений Настоящее описание МВИ устанавливает МВИ резонансной частоты последовательного колебательного контура, применяемого в лабораторном практикуме СЗТУ. Реализация данной МВИ обеспечивает выполнение измерений с максимально допустимым отклонением показаний от измеряемой частоты, не превышающим +0,2кГц. При выполнении измерении применяют средства измерений, технические характеристики которых приведены в табл.19. Таблица 19. №к/п

Тип средства измерений Е7-11

Основные механические характеристики Класс точности в режимах измерения емкости и индуктивности…………………………….0,1/0,05

Метод измерений Измерение резонансной частоты последовательного колебательного контура выполняют методом непосредственной оценки, реализованным с помощью универсального моста Е7-11. Требования безопасности При выполнении измерений резонансной частоты соблюдают следующие требования безопасности: - к работе с прибором допускаются лица, прошедшие инструктаж по технике безопасности при работе с электро и радиоизмерительными приборами; - корпус прибора Е7-11 заземляется.

31

Требования к квалификации операторов К выполнению измерений и обработке их результатов допускаются лица, имеющие среднетехническое образование, а также неполное высшее образование. Условия выполнения измерений При выполнении измерений соблюдают условия, приведенные в табл.20. Таблица 20. №к/п 1

Измеряемая величина (параметр) Частота

Наименование влияющих Величин. - номинальное напряжение сети, В…………………220 - предельное отклонение напряжения сети от номинального значения, %………………………..+10 - номинальная температура, К……………….……..293 - предельное отклонение температуры от номинального значения, %…………………………+5 - номинальная относительная влажность влажность, %……………………………………………65 - предельное отклонение относительной влажности от номинального значения, %……………………..+15

Подготовка к выполнению измерений При подготовке к выполнению измерений следует провести следующие работы: - включить универсальный мост Е7-11 в сеть и прогреть его в течении 15 минут; - проверить работоспособность моста в соответствии с его техническим описанием. Выполнение измерений При выполнении измерений резонансной частоты последовательного колебательного контура измеряют последовательно индуктивность L и емкость C контура, получая показания: Lпок и Cпок. Обработка результатов измерений Обработка результатов измерений производится согласно зависимостям: f пок =

1 2π

L пок ⋅ C пок

,

± ε f = 0 ,5 f пок ⋅

δ L2 + δ C2 ⋅ 10

−2

,

Измеряемая частота находится в интервале: f пок − ε f ≤ f ≤ f пок + ε f , Результаты измерений оформляют записью в журнале по форме, приведенной в табл. 21. Таблица 21. Lпок,мГн Спок,пФ f,кГц Fпок,кГц +δL,% +δс,% +εf,кГц

32

Содержание 1. Цели и задачи изучения дисциплины……….. 3 2. Структура дисциплины………………………. 3 3. Содержание дисциплины..…………………… 4 3.1.Содержание дисциплины по ГОС…………… 4 3.2.Рабочая программа…………………………….4 3.3. Тематический план лекций для студентов очно-заочной формы обучения………………..8 3.4. Темы лабораторных занятий ……………….. 8 3.5. Темы практических занятий ………………... 8 4. Библиографический список…………………...8 5. Тестовые задания………………………………9 6. Задания на контрольную работу……………..10 7. Задание на курсовую работу………………… 25

Редактор М.Ю.Комарова Свободный темплан 2004г. Лицензия ЛР №020308 от 14.02.97 Пдписано в печать Б.кн. – журн.

Формат 60Х84 1/16 Б.л. РТП РИО СЗТУ заказ

П.л. Тираж

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

33