Шпаргалка по "Метрологии"

 

5. Метрологические  хар-ки СИ. Нормирование МХ. Виды испытаний СИ.

МХ – это хар-ки, влияющие на результат измерений и его погрешность.

С помощью нормирования МХ можно  сравнивать результаты, полученные в  разное время и с помощью разных приборов.МХ можно разбить на следующие группы:

1. хар-ки, влияющие на результат измерений. К ним относятся:

а) статическая  хар-ка или функция преобразования;

б) цена деления;

в) чувствительность;

г) диапазон измерения  и т.д.

2. хар-ки погрешности:

а) основная погрешность;

б) абсолютная, относительная;

в) приведенная;

г) аддитивая;

д) мутипликативная;

е) нелинейности;

ж) погрешность гистерезиса.

3. динамические хар-ки:

а) дифференциальное уравнение;

б) передаточная функция;

в) амплитудно-частотная  хар-ка;

г) амплитудно-фазовая хар-ка и т.д.

4. хар-ки чувствительности к влияющим величинам:

а) функция влияния;

б) дополнительная погрешность.

5. хар-ки взаимодействия с подключаемыми устройствами:

а) входной;

б) выходной.

Статическая хар-ка (функция преобразования) – это зависимость выходного информативного сигнала от входного в статическом режиме. Статическую хар-ку можно представить следующим выражением: y=f(x), где y- выходная величина, x – входная величина.

За исключением некоторых специальных  случаев функцию f стараются получить линейно. Степень влияния входной величины на выходную оценивают с помощью чувствительности:

S= -это отношение изменения выходной величины к изменению входной величины. Если чувствительность одинакова (постоянна) во всём диапазоне измерений, то статическая хар-ка линейная, а шкала равномерная.

Порог чувствительности – минимальное уверенно фиксируемое изменение выходной величины. Т.к. уверенно фиксируемая величина, как правило, половина цены деления, то в перврм приближении цена деления равна удвоенной погрешности прибора.

Динамический  диапазон измерений – это отношение максимального значения измеряемой величины к минимальному.

Цена  деления - то изменение измеряемой величины, которому соответствует перемещение указателя на одно деление шкалы.

Характеристики погрешности

По форме представления погрешности  средств измерений бывают абсолютная, относительная, приведенная

Под абсолютной погрешностью измерительного прибора – разность между его показанием Х_П и действительным значением Х_Д измеряемой величины: .

Приведенная – это отношение абсолютной погрешности измерительного прибора к некоторому нормирующему значению:  . В качестве нормирующего значения принимается значение, характерное для данного вида измерительного прибора. Это может быть, например, диапазон измерений, верхний предел измерений, длина шкалы и т.д.

Основная  погрешность средства измерений – это погрешность, которую имеет средство измерений при эксплуатации в н.у. (р=760мм рт.ст., t=25°С, влажность 60%). Если прибор эксплуатируется в условиях, где хотя бы один параметр отличается от нормативных, то появляется дополнительная погрешность.

Аддитивная  погр-ть (погр-ть нуля) – это погр-ть, которая не зависит от измеряемой величины, т.е. при любой измеряемой величине она одна и та же.

Мультипликативная (погр-ть чувствительности) – погр-ть, которая увеличивается (уменьшается) с увеличением измеряемой величины.

Погр-ть нелинейности – погр-ть, которая возникает вследствие нелинейности отдельных элементов схемы.

Погр-ть гистерезиса обусловлена тем, что восходящая ветвь статической хар-ки не совпадает с нисходящей ветвью. Причинами этой погр-ти являются: гистерезис в магнитных и электрических цепях; люфт механических узлов; сухое трение. Для оценки погр-ти гистерезиса используют вариацию – это средняя разность мужду значениями выходной величины соответствующими одному и тому же значению входной величины и полученными при многократном разностороннем подходе к этому значению. Погр-ть гистерезиса одна из наиболее трудноустранимых погр-тей.

Динамические хар-ки

Почти все средства измерений содержат элементы, обладающие инерцией, поэтому  выходной сигнал зависит не только от величины входного, но и от его  изменений и времени.

Для описания динамических хар-к используют дифференциальные уравнения.

Первичные преобразователи чаще всего  описываются уравнениями 1-го порядка. В качестве входных сигналов при  определении динамических характеристик  используют ступеньчатое воздействие (единичную функцию) 1(t), дельта-функцию или функцию Дирака δ(t) и синусоидальное воздействие Аsin(ωt+φ).

При подаче на вход ступеньчатого воздействия динамическая хар-ка наз. временной или переходным процессом. При подаче на вход дельта-функции динамическая хар-ка наз. импульсной. В третьем сучае получим частотные хар-ки.

Нормирование  МХ

СИ допускаются к применению только в том случае, если на их МХ установлены нормы. Эти нормы  указываются в технической документации. По средствам нормирования МХ обеспечивается взаимозаменяемость СИ и единство измерений.

МХ устанавливаются при изготовлении СИ и периодически подтверждаются в  ходе его эксплуатации. Общий подход к нормированию МХ состоит в том, что для всех нормируемых функций  устанавливаются номинальные функции, а для остальных хар-к устанавливают пределы допускаемых значений.

Предельными значениями нормируются  погр-ти. При этом, если преобладает аддитивная погр-ть, то предел основной допускаемой погр-тиустанавливается либо абсолютной, лбо приведенной погр-тью. Если же преобладает мультипликативная погр-ть – то относительной.

Дополнительная погр-ть обычно нормируется в долях от основной либо в виде функции.

Все СИ разделяют по классам точности. Под классом точности понимают обобщённую хар-ку, выраженную пределами основной и дополнительной погр-ти, а также другими факторами, влияющими на точность результата.

Виды  испытаний СИ

Государственные приёмочные испытания (ГПИ) проводятся с целью определения соответсвия заявленным хар-кам хар-к опытных образцов. Объём ГПИ определяется техническими условиями. В ходе этих испытаний определяются МХ, устойчивость к вибрациям и тряскам, воздействия климатических условий, электробезопасность, электромагнитная совместимость, пожарная безопасность. При положительных испытаниях утверждается тип СИ, выдаётся сертификат с приложением(описание типа) и прибор вносится в государственный реестр СИ.

Государственные котнтрольные испытания (ГКИ) бывают очередными и внеочередными. Очередные проводятся в течение первого года промышленного выпуска и далее 1 раз в 3-5 лет. Внеочередные ГКИ проводятся после внесения изменений в конструкцию пробора, которые могут повлечь изменение его хар-к. Объём ГКИ определяется программой, которая разрабатывается разработчиком прибора и утверждается в органах государственных метрологических служб (ГМС). При положительном испытании выдаётся соответсвующий акт ГКИ. Если хотя бы 1 из образцов не соответсвует требованиям, то проводят повторные испытания на удвоенном количестве приборов. Если опять результат отрицательный, то производство прибора приостанавливается до устранения недостатков.

Приёмо-сдаточные  испытания (ПСИ) – это испытания, которым подвергаются СИ, выходящие из производства. Эти испытания подвергаются все приборы (объём испытаний равен 100%). Перечень исследуемых при ПСИ параметров определяется методикой поверки. Поверка – это определение органом ГМС пригодности СИ к применению на основании экспериментально определяемых МХ и подтверждения их соответствия установленным нормам.

 

6. Измерение  температуры. Термометрические свойства  веществ. Температурные шкалы:  относительные и абсолютные. МТШ  – 90.

Температурой наз. физическую величину, характеризующую степень нагретости тела. Измерение температуры имеет ряд особенностей:

А) температуру можно измерить только косвенным способом, основываясь  на зависимости от температуры таких  свойств веществ, которые поддаются  непосредственному измерению; эти  свойсва наз. термические.

Б) температура является интенсивной  физической величиной и не обладает свойством аддитивности, поэтому не представляетс возможным создание эталонов температуры подобно тому, как создаются эталоны экстенсивных величин.

Температурные шкалы

Температурной шкалой наз. функциональную числовую зависимость температуры от некоторого термометрического свойства. В принципе шкалу можно построить, используя термометрическое свойство. Для построения такой шкалы необходимы 2 точки, которые наз. реперными.

Первые температурные шкалы  были разработаны в 18 веке. В качестве термометрического свойства было выбрано  объёмное расширение жидкости. В качестве одной реперной точки использовали температуру таяния льда, а в качестве второй – температуру кипения воды. Вообще в качестве реперных точек стараются выбрать такие, которые можно достоточно просто воспроизвести с высокой прочностью (температуратурой фазовых переходов).

(t₁-t₂) – основной интервал. Этот интервал разбивали на n равных частей. Таким способом было предложено 3 шкалы:

1. Шкала Фаренгейта F. Температура таяния льда было присвоено значение +35°С, а температура кипения воды равна + 212 F.
2. Шкала Цельсия С. Температура таяния льда = 0, а температура кипения воды = 100.
3. Шкала Реомюра R. Температура таяния льда = 0, а температура кипения воды = 80.

Все эти шкалы наз. относительными шкалами. При исследовании температурных шкал было установлено, что если использовать разные термометрические вещества, то показания термометров совпадают только в реперных точках. Это оъясняется тем, что температурный коэффициент оъёмного расширения зависит от температуры, причём зависимость эта различная; поэтому предпринимались попытки разработать такую шкалу, которая не зависела бы от термометрического вещества. Такая шкала была предложена Кельвином.

Чтобы постоить шкалу для абсолютных значений температуры необходимо использовать газовый закон Гей-Люсака для идеальных газов: Р_t=Р₀(1+αt), где Р₀-давление для исходной точки; α- температурный коэф-т давления. α был определён экспериментально и для идеальных газов при температуре =0°С он равен 1/273,15 (1/°С). Абсолютный ноль, ниже которого быть не может, равен t= -273,15°С. Интервал температуры по шкале Кельвина в 1 градус = 1 градусу по шкале Цельсия.

Со временем выяснили, что более  высокой точностью (в 10 раз) может  быть воспроизведена температура таяния льда, т.е. 273,15.

Для воспроизведения термодинамической  шкалы (шкалы Кельвина, абсолютной шкалы) использовали газовый термометр, который  представляет собой сосуд, заполненный  идеальным газом. Погр-ть измерения зависела от изменения объёма балона, от диффузии газа через стенки и т.д. Соблюсти все требования для точного вроспроизведения шкалы было очень сложно. Поэтому в 1927г. на Междунаодной конференции мер и весов было принято решение о создании международной практической температурной шкалы и назвали её МПТШ-27. Эта шкала строилась на основе нескольких реперных точек.

В дальнейшем по мере совершенствования  методов и СИ температуры эта  шкала уточнялась и были приняты соответсвенно МПТШ-47 и МПТШ-68.

В 1990г. была принята шкала МТШ-90, которая по сравнению с МПТШ-68 была расширена в области низких температур. Были значительно уточнены значения температур, что настолько  приблизило эту шкалу к термодинамической, что позволило отказаться от обозначения практической.

 

7. Термопреобразователи сопротивления (ТС). Классы точности ТС. 2-х и 4-хпроводная схемы подключения ТС.

Принцип ТС основан на зависимости  электрического сопротивления проводников  и полупроводников от температуры. К материалам ТС предъявляют следующие  требования:

- стабильность градуировочной хар-ки во времени

- воспроизводимоть номинальной статической хар-ки, обеспечивающая взаимозаменяемость изготавливаемых термометров

- линейность статической хар-ки

- высокое значение температурного  коэф-та сопротивления

- невысокая стоимость

Установлено, что чем чище металл, тем в большей степени он соответсвует указанным требованиям. Поэтому в качестве материалов используют платину, медь и никель.

Платиновые  термометры

Преимуществом является то, что платина  может быть достаточно легко получена в чистом виде. Она обладает хорошей  воспроизводимостью и стабильностью хар-ки. Широкий диапазон измерений от -200 до +750°С.

Недостатком платиновых термометров  является нелинейность статической  хар-ки. В диапазоне от 0° и выше статическая хар-ка имеет квадратичный вид: R_t=R₀(1+Аt+Вt²), где А и В – коэф-ты, зависящие от градуировки.

Для оценки хар-ки термометров используют хар-ку W₁₀₀=R₁₀₀/R₀.

В соответсвии с существующим стандартом выпускаются 2 градуировки термометров: