Определение и расчет метрологических характеристик измерительных устройств и моделирования средства измерения

МИИ ГОУ СПО Тверской машиностроительный колледж КУРСОВАЯ РАБОТА на тему: «Определение и расчет метрологических характеристик измерительных устройств и моделирования средства измерения»

Выполнил студент 38-АТП-12: Мигутин Р.И.

Проверил: Фатчихин П.К.

Тверь 2014

I. Определение погрешностей средства измерений, реализация прибора в программной среде National Instruments, Labview

1.1 Основные свойства измеряемых погрешностей

1.2 Технические характеристики средства измерений

1.3 Решение задачи

1.4 Реализация виртуального прибора в среде National Instruments, Labview

II. Определение метрологических характеристик средства измерений

2.1 Перечень основных метрологических характеристик средства измерений

2.2 Метрологические характеристики средства измерений

2.3 Сравнительный анализ средств измерений

2.4 Определение значения параметра измеренного средствами измерений

III. Мультиметр Ц4360

3.1 Определение, внешний вид

3.2 Задания по мультиметру

Введение

Цель нашей работы ознакомиться с основными электротехническими измерениями.

Электротехнические измерения — это совокупность электрических и электронных измерений (относятся к одному из разделов метрологии).

Метрология — это наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности.

Главная задача метрологии обеспечение единства измерений и средств измерений.

Огромное количество измерений производиться с помощью разных по принципу действия и точности средств измерений.

Электронные измерения, как и электрические, сводятся к измерению силы тока, напряжения, мощности, частоты, однако у электронных измерений есть ряд существенных особенностей:

1) Спектр частот электромагнитных колебаний простирается от сверх низких частот, до частот соответствующих инфракрасным и световым волнам.

2) Из-за широкого частотного диапазона возникают серьёзные трудности при устранении влияния разного рода паразитных индуктивностей и ёмкостей.

3) Диапазон измерения измеряемых величин очень широк.

4) Необходимо измерять малые токи, протекающие по большим сопротивлениям, поэтому предъявляются высокие требования к входному сопротивлению

5) Необходимо измерять множество параметров, не встречающихся при электрических измерениях: добротность, время импульса, тангенс потерь

6) Основной объект исследования в электронике электрический сигнал, в связи с этим возникает необходимость наблюдения формы и спектра электрических колебаний.

7) В связи со сложностью структуры современных электронных устройств и множества параметров, измерения осуществляется в широком разнообразии даже в одном эксперименте — это обусловило необходимость комплексного проведения быстро и точно.

Измерения — это процесс нахождения значения физической величины опытным путём с помощью специальных средств.

Задачи

1. Определить погрешности средства измерений, реализация прибора в программной среде National Instruments, Labview

1.1 Познакомиться с основными свойствами измеряемых погрешностей

1.2 Узнать технические характеристики средства измерений

1.3 Решить задачу

1.4 Реализовать виртуальный прибор в среде National Instruments, Labview

2 Определить метрологические характеристики средства измерений

2.1 Узнать перечень основных метрологических характеристик средства измерений

2.2 Познакомиться с метрологические характеристиками средства измерений

2.3 Провести сравнительный анализ средств измерений

2.4 Определить значения параметра измеренного средствами измерений

3 Изучение мультиметра Ц4360

3.1 Ознакомиться с техническими характеристиками средства измерений

3.2 Решить задачи

I. Погрешности измерений, погрешности средств измерений Задача: определение погрешностей средства измерения.

Первоначально познакомимся с погрешностями: как их определить, какие бывают и вследствии чего возникают.

1.1 Погрешности измерения Характерной чертой качества измерения является точность измерений — свойство, отражающее близость результатов измерений к истинным значениям измеренных физических величин. То есть, чем меньше разница, тем больше точность прибора.

Погрешность измерения — оценка отклонения измеренного значения величины от её истинного значения. Погрешность измерения является характеристикой (мерой) точности измерения.

Поскольку выяснить с абсолютной точностью истинное значение никакой величины невозможно, то невозможно и указать величину отклонения измеренного значения от истинного. Возможно лишь оценить величину этого отклонения. На практике вместо истинного значения используют действительное значение величины хд, то есть значение физической величины, полученное экспериментальным путем и настолько близкое к истинному значению, что в поставленной измерительной задаче может быть использовано вместо него. Такое значение, обычно, вычисляется как среднестатистическое значение, полученное при статистической обработке результатов серии измерений. Это полученное значение не является точным, а лишь наиболее вероятным.

Классификация погрешностей По форме представления Абсолютная погрешность измерения (?) — это отклонение результата измерения от истинного значения, взятое по модулю. Определяется по формуле? = ¦Аn-А¦, где Аn — истинное значение, А — действующее значение.

Недостатком такого способа выражения этих величин является то, что их нельзя использовать для сравнительной оценки точности разных измерительных технологий.

Относительная погрешность измерения — отношение абсолютной погрешности измерения к истинному значению измеряемой величины или результату измерений. Для характеристики точности СИ применяют понятие «приведенная погрешность». Относительная погрешность разделяется на 2 вида.

Это действующая и приведенная погрешности.

Действующая погрешность (?д) — это отношение абсолютной погрешности к показанию рабочего прибора (действующее значение) выраженное в процентах (%).

В общем виде формула выглядит так: ?д = (¦?¦/ А) * 100%.

Приведенная погрешность (?пр) — погрешность, выраженная отношением абсолютной погрешности средства измерений к условно принятому значению величины, постоянному во всем диапазоне измерений или в части диапазона.

Вычисляется по формуле? пр = ¦?max¦/ Аn, где Аn — нормирующее значение, которое зависит от типа шкалы измерительного прибора и определяется по его градуировке:

* если шкала прибора односторонняя, то есть нижний предел измерений равен нулю, то Аn определяется равным верхнему пределу измерений;

* если шкала прибора двухсторонняя, то нормирующее значение равно ширине диапазона измерений прибора.

Приведённая погрешность является безразмерной величиной, либо измеряется в процентах.

По причине возникновения

* Инструментальные / приборные погрешности — погрешности, которые определяются погрешностями применяемых средств измерений и вызываются несовершенством принципа действия, неточностью градуировки шкалы, ненаглядностью прибора.

* Методические погрешности — погрешности, обусловленные несовершенством метода, а также упрощениями, положенными в основу методики.

* Субъективные / операторные / личные погрешности — погрешности, обусловленные степенью внимательности, сосредоточенности, подготовленности и другими качествами оператора.

Обобщённой характеристикой средств измерения является класс точности, определяемый предельными значениями допускаемых основной и дополнительной погрешностей, а также другими параметрами, влияющими на точность средств измерения; значение параметров установлено стандартами на отдельные виды средств измерений. Класс точности средств измерений характеризует их точностные свойства, но не является непосредственным показателем точности измерений, выполняемых с помощью этих средств, так как точность зависит также от метода измерений и условий их выполнения.

Классы точности:

0.02 0.05 0.1 0.2 0.5 1.0 1.5 2.5 4.0

1кл 2кл 3кл 4кл 5кл 6кл 7кл 8кл 9кл По характеру проявления Случайная погрешность — составляющая погрешности измерения, изменяющаяся случайным образом в серии повторных измерений одной и той же величины, проведенных в одних и тех же условиях. В появлении таких погрешностей не наблюдается какой-либо закономерности, они обнаруживаются при повторных измерениях одной и той же величины в виде некоторого разброса получаемых результатов. Случайные погрешности неизбежны, неустранимы и всегда присутствуют в результате измерения, однако их влияние как правило можно устранить статистической обработкой. Случайные погрешности могут быть связаны с несовершенством приборов (трение в механических приборах и т. п.), тряской в городских условиях, с несовершенством объекта измерений.

Систематическая погрешность — погрешность, изменяющаяся во времени по определённому закону (частным случаем является постоянная погрешность, не изменяющаяся с течением времени). Систематические погрешности могут быть связаны с ошибками приборов (неправильная шкала, калибровка и т. п.), неучтёнными экспериментатором. Систематическую ошибку нельзя устранить повторными измерениями. Её устраняют либо с помощью поправок, либо «улучшением» эксперимента.

Прогрессирующая (дрейфовая) погрешность — непредсказуемая погрешность, медленно меняющаяся во времени. Она представляет собой нестационарный случайный процесс.

Грубая погрешность (промах) — погрешность, возникшая вследствие недосмотра экспериментатора или неисправности аппаратуры (например, если экспериментатор неправильно прочёл номер деления на шкале прибора или если произошло замыкание в электрической цепи). Надо отметить, что деление погрешностей на случайные и систематические достаточно условно. Например, ошибка округления при определенных условиях может носить характер как случайной, так и систематической ошибки.

1.2 Технические характеристики вольтметра В7−16

измерение метрологический мультиметр виртуальный Областью применения вольтметра В7−16 является измерение напряжения в электрических цепях. Вольтметр В7−16 отличает множество преимуществ перед приборами данного класса приборов, в том числе и то, что вольтметр В7−16 выполняет целый ряд измерений основных физических величин — напряжение, сила, сопротивление постоянного и переменного тока. Вольтметр В7−16 используется в области настройки и проверки различного электрои радиотехнического оборудования. Отличительной чертой вольтметра В7−16 является его прочность, которая обеспечивает его применение в производственных условиях, а так же вольтметр В7−16 обладает очень высокой точностью, что позволяет применять его даже в лабораториях. Небольшой вес и габариты вольтметра В7−16значительно облегчают переноску, установку и использование данного оборудования. Главной причиной искажения показаний приборов подобного класса являются нестабильные сигналы, помехи.

Подобные факторы часто встречаются при практическом использовании вольтметров. Они оказывают серьёзное влияние на показания. В конструкции вольтметра В7−16 это учтено. Вольтметр В7−16 может быть использован в различных областях применения.

Технические характеристики следующие:

Диапазоны измерений:

— напряжения переменного тока — 0,1мВ-1000 В, 20Гц-100кГц, ПГ ±(0,2−1,6)%;

— напряжение постоянного тока — 100мкВ-1000 В, ±(0,05−0,1)%;

— сопротивление постоянному току — 0,1 кОм-10 МОм, ±(0,2−0,3)%;

Габаритные размеры — 348×128×360мм;

Масса прибора вольтметр В7−16 универсальный — не более 7 кг.

Внешний вид вольтметра В7−16

Лицевая панель:

Общий вид:

3. Определение погрешностей вольтметра В7−16

Условия задачи:

При измерении напряжения постоянного тока цифровым вольтметром В7−16, имеющим пределы измерения 1 — 10 — 100 — 1000 В, прибор показал 500 мВ. В техническом паспорте дана формула расчета приведенной относительной погрешности? пр = ± (0.1 + 0.1* Uн / U) %. Определить абсолютную и приведенную относительные погрешности.

1.3 Решение задачи Определим приведенную относительную погрешность по формуле данной в условия задачи.

?пр = ± (0.1 + 0.1* Uн / U), где — номинальное значение, которое рассчитывается по формуле :. В нашем случае, используется прибор с односторонней шкалой, следовательно, формула сокращается до.

По условию задачи, шкала прибора от 0 до 1000 В с пределами 1−10−100−1000 В, нужно измерить 500 мВ, поэтому Uн = 1 В.

Подставляем значения в формулу и получаем :

?пр = ± (0,1 + 0,1 + 1 / 0,5) = ± 0,3% ;

Определим действительную погрешность по формуле: ?д = ?пр *Uн / U;

Подставим полученные выше значения в формулы и получим :

?д = 0,3 * 1 / 0,5 = ± 0,6% .

Определим абсолютную погрешность по формуле: ? = ?пр * Uн / 100 ;

Подставляем известные нам значения: ? = 0,3 * 1 / 100 = 0,003 В.

Ответ :

? = 0,003 В

?пр = ±0,3%

?д = ± 0,6%

1.4 Реализация виртуального прибора в LabVIEW

Для поставленной выше задачи в программном комплексе LabVIEW был реализован виртуальный прибор. В результате получена следующая лицевая панель:

Наша структурная схема данного виртуального прибора выглядит следующим образом:

Рассмотрим подробнее каждый блок структурной схемы, его предназначение, а так же сопоставим элементы структурной схемы с элементами лицевой панели.

Ввод данных из «дано» задачи в виртуальный прибор осуществляется непосредственно на лицевой панели прибора с помощью элемента Knob (задаем придел (Uн)) и Dial (задаем U).

На лицевой панели :

На структурной схеме :

Автоматическое вычисление погрешностей осуществляется с помощью прописанного алгоритма в элементе Formula.

В теле узла прописана формула из условия задачи для вычисления приведенной погрешности вольтметра. Для отображения результата вычисления абсолютной, действительной, приведенной погрешностей используется набор индикаторов (Indicator). Для имитации шкалы вольтметра В7−16 используется элемент Meter. Виртуальный прибор позволяет автоматически вычислять оптимальный предел измерения электротехнического параметра.

Проверим правильность решенной нами задачи и, заодно, работоспособность нашего прибора. Для этого зададим соответствующие параметры данные в условиях.

Мы увидели, что значения на приборе соответствуют значениям решенной нами задачи, а это значит что прибор работает исправно и задача, также, решена верно.

II. Определение метрологических характеристик

2.1 Перечень основных метрологических характеристик вольтметра

· Класс точности.

· Внутренне сопротивление прибора.

· Чувствительность.

· Потребляемый ток.

· Потребляемая мощность.

· Диапазон измерений.

· Частотный диапазон.

· Равномерность шкалы.

· Защита от магнитных полей.

· Год выпуска.

· Рабочее положение.

· Род тока.

2.2 Метрологические характеристики вольтметров Э422 и М4203

Прибор Э422:

1. Э — Прибор электромагнитной системы.

2. 422 — номер разработки.

3. 1970 — год выпуска.

4. — 2 кВ испытуемое напряжение.

5. 4,0 — класс точности.

6. — прибор универсальный Прибор М4203:

1. М — прибор магнитоэлектрической системы с подвижной рамкой.

2. 4203 — номер разработки.

3.? — прибор используется при вертикальном положении шкалы.

4. 1,0 — класс точности.

5. — - прибор постоянного тока.

6. — 2 кВ испытуемое напряжение.

Метрологические характеристики:

а) Номинальное значение напряжения отслеживается по максимальным отметкам на шкалах приборов: для вольтметра Э422 Uн = 20 В, для вольтметра М4203 Uн = 20 В.

б) Приведенная погрешность нормируется классом точности, который: для вольтметра Э422 Yпр = 4,0%, вольтметра М4203 Yпр = 1,0%.

в) Внутреннее сопротивление находим на лицевой панели приборов: для вольтметра Э422 Rв=0,2 кОм, для вольтметра М4203Rв=2 кОм.

г) Цена деления находиться по формуле, где — количество делений между соседними отметками шкалы. Для вольтметра Э422 с1=20−15/5=1 В/дел.; для вольтметра М4203 с2=20−15/10= 0,5 В/дел.

д) Чувствительность определяется по формуле. Для вольтметра Э422 s1=1/c1=1/1=1 дел/В.; для вольтметра М4203 s2=1/c2=1/0,5=2 дел/В.

е) Мощность, потребляемая вольтметром, рассчитывается по формуле:

Рв = Uн2 / Rв. Для вольтметра Э422 Pв1 = 202/2*102 = 2 мВт.; для вольтметра М4203 Pв2=0,2 мВт.

ж) Падение силы тока на вольтметре, находиться по равенству Iв1 = Uн / Rв. Для вольтметра Э422 I1=20/2*102 = 0,1 B; для вольтметра М4203 I2= 20/2*103=0,01 B

з) Диапазон измерения напряжения. Минимальное значение напряжения определяется по первой минимальной оцифрованной отметке, не считая нуля. Максимальное значение напряжения определяется по последней оцифрованной отметке. Для вольтметра Э422 Du=5 — 20 В; для вольтметра М4203 Du=5−20 В.

и) Частотный диапазон средства измерения рассчитывается по формуле. Вольтметр М4203 служит для измерения только постоянного напряжения, поэтому у него нет частотного диапазона. Для вольтметра Э422 =0 — 400 Гц.

Полученные результаты заносим в таблицу:

2.3 Сравнительный анализ метрологических характеристик приборов Прибор Э422 по сравнению с прибором М4203 имеет следующие преимущества:

· Прибор универсальный.

· Работает в любом положении.

· Частотный диапазон.

Прибор Э422 по сравнению с прибором М4203 имеет следующие недостатки:

· Неравномерность шкалы.

· Большая Yпр (класс точности).

· Более старый год выпуска.

· Большой потребляемый ток.

· Маленькое внутренне сопротивление.

· Большая потребляемая мощность.

· Меньше чувствительность прибора.

2.4 Определение значения параметра измеренного средствами измерений Расчет погрешностей измерения Yд приборов для напряжения по положению стрелкок на шкалах.

По показаниям вольтметров мы определили, что для вольтметра Э422 U = 9 В;

для вольтметра М4203 U = 6.5 В. Расчет производится по формуле Yд = Yпр * Uн / U; для вольтметра Э422; Yд = 4 * 20 / 9 = 8,8%; для вольтметра М4203

Yд = 1 * 20 / 6,5 = 3,1%

III. Мультиметр Ц4360

3.1 Мультиметр Ц4360

Аналоговый комбинированный прибор, предназначенный для измерения силы и напряжения постоянного тока, действующего значения силы и напряжения переменного тока синусоидальной формы с коэффициентом искажения синусоидальности до 20%, сопротивления постоянному току.

Мультиметр Ц4360 рассчитан на использования в помещениях со следующими условиями:

— температура окружающего воздуха — от -10?С до +40?С;

— относительная влажность воздуха — до 90% (при температуре +30?С).

рис. Мультиметр Ц4360

3.2 Задания

1. Определить цены деления при измерении силы тока и напряжения постоянного тока в пределах — 100 мА для тока, 10 В для напряжения.

Определяем по второй шкале, так как по условию задачи напряжение и ток постоянные. Сначала вычислим для тока: С1 = 100 мА / 50 = 2 мА или 2 * 10−3 А.

Для напряжения: С2 = 10 В / 50 = 0,25 В.

2. Определить приведенную относительную погрешность и чувствительность s прибора. (переменный ток, постоянное напряжение).

2.1 На лицевой панели прибора указана погрешность переменных величин указанных в процентах. Это и есть наша погрешность. Поэтому Yпр = 4,0% (для переменного тока).

2.2 Теперь определим чувствительность прибора постоянного напряжения.

Постоянное напряжения — нижняя шкала.

Первым делом определим коэффициент шкалы (Кш), для этого берем минимальный предел измерения и делим количество максимальное число, указанное на шкале.

Подставив в формулу, получим: Кш = 0,5 / 50 = 0,01. Теперь вычислим цену деления шкалы С = 30−20 / 5 * 0,01 = 0,02 В/дел.

Чувствительность прибора мы найдем по формуле S = 1 / C. Подставим известные значения: S = 1 / 0.02 = 50 дел/В, что и требовалось найти для данного задания.

3. Определить значения входного сопротивления мультиметра при измерении силы постоянного тока и напряжения переменного тока в пределах (0,5 мА постоянный ток и 250 В переменное напряжение).

3.1 Формула для вычисления входного сопротивления при измерении тока: RА = U / Iн, где Iн — номинальное значение, которое нам известно (0,5 мА), а U предстоит найти.

Напряжение находится следующим образом. Для этого воспользуемся табличкой ниже.

Так как ток постоянный и попадает в диапазон указанный в таблице, то напряжение U = 0,6 В. Теперь подставим известные нам величины в формулу:

RА = 0,6 / 0,5 * 10−3 = 1200 Ом.

3.2 Формула для вычисления входного сопротивления при измерении напряжения

Rв = Uн / I .

Аналогично предыдущему заданию, находим ток по таблице:

Напряжение переменное 250 В, соответствующее значение данному напряжению ток силой равной I = 0.5 мА. Подставляем полученные значения в формулу :

Rв = 250 / 0,5 * 10−3 = 500 кОм.

4. Указать измеряемые прибором параметры и частотный диапазон прибора.

4.1 Указать измеряемые прибором параметры.

* - общая клемма, используется для любого параметра;

— кї - измеряет сопротивление в килоОмах при постоянном токе;

— мї - измеряет сопротивление в мегаОмах при постоянном токе;

V — напряжение в вольтах;

I — ток в амперах;

4.2 Указать частотный диапазон.

Обратимся к табличке :

Смотрим минимальный частотный диапазон и максимальный: 45 — 5000 Гц.

5. Определить диапазон измерения переменного напряжения.

Напряжение переменное, следовательно работаем с верхней шкалой.

Ставим минимальный диапазон измерения. Для переменного тока это 2,5 В.

Далее составляем пропорцию, где 50 — максимально значение шкалы, 2,5 — минимальный диапазон, 10 — минимальное значение шкалы (не стичая 0) ,

Х — минимальное значение напряжения, которое мультиметр может измерить.

Наша пропорция приобретает вид: 50 / 10 = 2,5 / Х, упростим и посчитаем Х = 10 * 2,5 / 50 = 0,2. То есть это минимальное значение напряжения, измеряемое мультиметром. Максимальный диапазон 1000 В, т.к. это самый максимальный предел измерения как постоянного, так и переменного напряжения. В общем виде диапазон измерения переменного напряжения 0,2 В — 1000 В.

Выводы В этой курсовой работе мы выполнили все поставленные задачи.

Определили погрешности средства измерений и реализовали прибор в программной среде National Instruments, Labview. Познакомились со способами расчета и основными свойствами погрешностей измерения. Узнали технические характеристики вольтметров Э422 и М4203. Узнали основные метрологические характеристики приборов. Провели сравнительный анализ данных приборов на основе имеющейся информации.