Білоруський державний університет ІНФОРМАТИКИ РАДІОЕЛЕКТРОНІКИ
Кафедра метрології та стандартизації
РЕФЕРАТ
На тему:
«Методи і способи повірки СІ. Повірочні схеми »
Мінськ, 2008
Класифікація методів повірки
Під методами повірки розуміють методи передачі розміру одиниць фізичної величини. В основу класифікації застосовуваних методів повірки покладено такі ознаки, відповідно до яких СІ можуть бути повірені:
1) без використання компаратора або приладу порівняння, тобто безпосереднім звіренням вивіреного СІ з еталонним СІ того ж виду;
2) звіренням вивіреного СІ з еталонним СІ того ж виду за допомогою компаратора або інших засобів порівняння;
3) прямим вимірюванням вивіреним СІ значення фізичної величини, що відтворюється еталонної мірою;
4) прямим вимірюванням еталонним СІ значення фізичної величини, що відтворюється піддається перевірці мірою;
5) непрямим виміром величини, що відтворюється мірою або вивіреним приладом, піддаються перевірці;
6) шляхом незалежної (автономної) повірки.
Розглянуті методи повірки можуть мати свої різновиди, однак по своїй суті вони можуть бути зведені до одного з перерахованих вище методів.
Метод безпосереднього звірення
При перевірці даним методом встановлюють необхідні значення вимірюваної величини X і порівнюють свідчення вивіреного приладу Х п і еталонного приладу Х е. Різниця між їхніми показаннями буде визначати абсолютну похибка вивіреного приладу
Δ = Х п - Х е (1)
яку приводять до нормованого значенням X N для отримання зведеної похибки:
γ = . (2)
Цей метод на практиці може бути реалізований двома способами:
1) реєстрацією суміщень. При цьому способі покажчик вивіреного приладу суміщають з повіряється відміткою шкали. Похибка вимірювань визначають розрахунковим шляхом за формулою (1), як різниця між показанням вивіреного приладу (рисунок 1, а) і дійсним значенням, що визначається за показаннями еталонного приладу (рисунок 1, б).
а) б)
Малюнок 1
2) отсчітиванія похибки за шкалою вивіреного приладу. Суть способу пояснюється на малюнку 2.
Похибка визначають як відстань між повіряється відміткою і покажчиком вивіреного приладу.
а) б)
Малюнок 2
Перший спосіб зручний тим, що похибку можна більш точно відрахувати по еталонному приладу.
Перевагою другого способу є те, що ми можемо одночасно повіряти кілька приладів за допомогою одного еталонного.
Основною перевагою методу безпосереднього звірення є простота і відсутність необхідності застосування складного обладнання.
Метод звірення за допомогою компаратора (приладу порівняння)
Цей метод застосовують тоді, коли неможливо або складно порівняти свідчення двох приладів або двох заходів.
Вимірювання в цьому випадку виконують шляхом введення в схему повірки компаратора, що дозволяє побічно порівнювати дві однорідні або різнорідні фізичні величини.
Компаратором може бути СІ, однаково реагує на сигнал еталонного і вивіреного СІ.
Наприклад, при звіряння мір опору, ємності й індуктивності в якості компаратора використовують мости постійного або змінного струму. При порівнянні мір опору та ЕРС - потенціометри.
Звірення заходів за допомогою компаратора здійснюється з використанням того чи іншого різновиду методу порівняння. Найбільш поширеними є методи протиставлення і заміщення.
Суть цих методів полягає в наступному. При використанні методу протиставлення дві порівнювані величини подаються на різні входи компаратора, а при використанні методу заміщення - в одну і ту ж частину схеми подається одна величина, а потім інша. Спільним для цих методів повірки є вироблення різницевого (диференціального) сигналу
Δ Х = Х - Х м. (3)
Якщо Δ Х зводиться до нуля шляхом зміни значення X м заходи, тоді цей метод називається нульовим. Якщо ж значення D Х не дорівнює нулю - диференціальним.
При використанні методу протиставлення дві порівнювані величини подаються на входи компаратора одночасно, що дозволяє зменшити вплив на результати повірки впливають величин, так як ці впливають величини практично однаково спотворюють сигнал.
Перевагою методу заміщення є те, що дві порівнювані величини включаються в одну і ту ж частину схеми. Це дозволяє виключити похибки, що виникають внаслідок несиметрії схеми компараторів.
Недолік нульового методу заміщення полягає в тому, що ми повинні мати міру, яка дозволяє відтворювати будь-яке значення вимірюваної величини без істотного зниження точності.
Особливістю диференціального методу порівняння є можливість отримання достовірних результатів звірення навіть при використанні порівняно грубих засобів для вимірювання різниці.
Метод прямих вимірювань
Суть його полягає в прямому вимірі вивіреним приладом значення фізичної величини відтворюваної мірою. Практична реалізація методу прямих вимірювань пред'являє до заходів такі вимоги:
1) можливість відтворення мірою тієї ж фізичної величини, в одиницях якої проградуйована вивіреному СІ;
2) достатній для перекриття всього діапазону вимірювання вивіреного СІ діапазон фізичних величин відтворюваних мірою;
3) відповідність точності заходи, а в ряді випадків і її типу і плавність змін розміру вимогам, які пред'являються в НД з перевірки даного СІ.
Визначення основної похибки вивіреного СІ проводять двома способами:
1) зміною розміру заходи до збігу риски вивіреного СІ з повіряється відміткою, тобто способом безпосередньої оцінки. Похибка визначають у цьому випадку за формулою (1).
2) попередньою установкою розміру заходи, рівного номінальному для даного показання вивіреного СІ, з наступним відліком значення Х п і розрахунком похибки за формулою (1).
Реалізація цих двох способів можлива при наявності магазина заходів, що дозволяють досить плавно змінювати значення фізичної величини.
Метод непрямих вимірювань
Суть методу непрямих вимірювань полягає в наступному: проводять прямі вимірювання кількох фізичних величин за допомогою еталонних СІ і отримують значення X 01 , X 02 , ..., X 0 m. Потім, використовуючи відому функціональну залежність f між цими величинами і величиною, яка вимірюється вивіреним приладом, визначають дійсне значення величини, тобто знаходять результат опосередкованого вимірювання за формулою:
Q 0 = f (X 01 , X 02 , ..., X 0 m). (4)
Метод використовується тоді, коли дійсні значення величин, що вимірюються вивіреним засобом вимірів неможливо або важко визначити прямим виміром чи коли непрямі виміри більш прості або точні.
Наприклад, перевірка електричного лічильника активної енергії за допомогою зразкового ваттметра та секундоміра. За свідченнями ваттметра визначають значення потужності P 0 і підтримують її незмінною протягом часу t 0, яке у свою чергу визначається по еталонному секундоміром. Тоді дійсне значення енергії W 0 можна розраховувати за формулою:
W 0 = P 0 ∙ t 0,
а похибка вивіреного лічильника визначити з виразу
δ = ((W П - W 0) / W 0) 100%.
При виконанні повірки методом непрямих вимірювань слід враховувати той факт, що кінцевий результат і похибка опосередкованого вимірювання залежить від складових похибок прямих вимірювань:
Δ W 0 = .
Метод незалежної (автономної) повірки
Автономна повірка це повірка без застосування еталонних СІ. Вона застосовується при розробці особливо точних СІ, які неможливо або дуже складно повірити одним з розглянутих вище методів повірки зважаючи на відсутність ще більш точних СІ з відповідними межами вимірі. Суть цієї повірки, яка найбільш часто використовується для повірки приладів порівняння, полягає в порівнянні величин, відтворюваних окремими елементами вивіреного СІ з величиною, обраної в якості опорної і конструктивно відтворюється в самому вивіреному СІ. Наприклад, при перевірці m-ної декади потенціометра необхідно переконатися в рівності падінь напруг на кожній n-ної щаблі цієї декади. Для цього, вибравши в якості опорної величини опір першого ступеня декади, можна по черзі порівнювати за допомогою компаратора падіння напруги на кожній n-ної сходинки з падінням напруги на цьому опорі. Метод трудомісткий, але має високу точність.
Реалізація розглянутих вище методів повірки здійснюється за допомогою способів комплектної і поелементного повірки.
Комплектна і поелементно повірки
Комплектному повірці засіб вимірювань перевіряють у повному комплекті його складових частин, без порушення взаємозв'язків між ними. Похибки, які при цьому визначають, розглядають як похибки, властиві вивіреним засобу вимірювань як єдиного цілого. При цьому засіб вимірів перебуває в умовах, максимально наближених до реальних умов експлуатації, що дозволяє в ході перевірки виявити багато характерних вивіреним засобу вимірювань недоліки: дефекти внутрішнього монтажу, несправності перемикаючих пристроїв і т.п. З урахуванням простоти і хорошою достовірності результатів, комплектної повірці завжди, коли це можливо віддають перевагу.
У разі неможливості реалізації комплектної повірки, зважаючи на відсутність еталонних засобів вимірювань, невідповідності їх вимогам точності або меж вимірювань, застосовують поелементну повірку. Поелементна повірка засобів вимірювань це повірка, при якій його похибки визначають за погрішностей окремих частин. Потім за отриманими даними розрахунковим шляхом визначають похибки, властиві вивіреним засобу вимірювань як єдиного цілого. При цьому припускають, що закономірності взаємодії окремих частин засобу вимірювань точно відомі, а можливості сторонніх впливів на його свідчення виключені і піддаються точному обліку.
Про комплектної повірці ми говоримо тоді, коли засіб вимірювань перевіряють як єдине ціле. При поелементного повірці СІ розбивають на вузли, блоки і повірять кожен блок окремо, а потім розрахунковим шляхом визначають похибка всього СІ.
Іноді застосування поелементного повірки виявляється єдино можливим. Часто її використовують при перевірці складних СІ, що складаються з компаратора з вбудованими в нього зразковими мірами. Слід особливо відзначити, що за результатами поелементного повірки, якщо дійсна похибка перевищує допустиму, то можна безпосередньо встановити причину несправності СІ.
Істотним недоліком поелементного повірки є її трудомісткість і складність реалізації в порівнянні з комплектною повіркою.
Система передачі розмірів одиниць фізичних величин від еталонів робочим СІ. Повірочні схеми
Для забезпечення єдності вимірювань необхідна тотожність одиниць, в яких проградуйована всі СІ однієї і тієї ж фізичної величини. Це досягається шляхом точного відтворення та збереження встановлених одиниць фізичної величини і передачі їх розмірів застосовуваним СІ.
Відтворення, збереження і передача розмірів одиниць здійснюється за допомогою еталонів.
Еталони. Їх класифікація та види
Еталони - це особливий вид СІ найвищої точності, за допомогою яких відтворюється і зберігається одиниця фізичної величини з метою передачі її розміру робочим СІ.
СТБ 8002-93 «Еталони одиниць фізичних величин. Порядок розробки, затвердження, зберігання і застосування »дає таке визначення еталону.
Еталон одиниці фізичної величини - СІ, призначене для визначення, відтворення та (або) зберігання одиниці величини з метою передачі її розміру іншим СІ.
Еталони поділяються на:
- Первинні;
- Вторинні;
- Робочі;
- Розрядні.
Первинний еталон - це еталон, що відтворює одиницю фізичної величини з найвищою точністю, можливою в даній галузі вимірювань на сучасному рівні науково-технічних досягнень.
Різновидом первинного еталона є спеціальний еталон. Спеціальні еталони створюються і затверджуються для відтворення одиниць в особливих умовах, у яких передача розмірів одиниці від існуючих еталонів технічно не здійсненна з необхідною точністю. Спеціальні еталони відтворюють одиницю в особливих умовах і заміняють у цих умовах первинний еталон.
Первинні еталони бувають:
- Національні (державні);
- Міжнародні.
Національний еталон затверджується в якості вихідного СІ для країни національним органом з метрології (у Республіці Білорусь - Держстандарт).
Національний еталон одиниці фізичної величини - еталон, визнаний рішенням уповноваженого на те державного органу служити основою для встановлення значень усіх інших еталонів одиниці даної величини.
Національні еталони зберігають і підтримують національні органи з метрології.
Міжнародний еталон - еталон, прийнятий за міжнародною угодою в якості первинного міжнародного еталона і службовець для узгодження з ним розмірів одиниць, відтворюваних і збережених національними еталонами.
Міжнародні еталони зберігає і підтримує Міжнародне бюро мір і ваг (МБМВ). Найважливіше завдання його дій полягає в міжнародних систематичних звіреннях національних еталонів найбільших метрологічних лабораторій різних країн з міжнародними еталонами, а також між собою, що необхідно для забезпечення достовірності, точності та єдності вимірювань як одного з найважливіших умов міжнародних економічних зв'язків. Звірення підлягають як еталони основних величин систем СІ, так і похідних. Для кожного еталона встановлені певні періоди звірення.
Таким чином, основне призначення еталонів - служити матеріально-технічною базою відтворення та зберігання одиниць.
Прийнято принцип систематизації еталонів по відтворюваним одиницям. Основні одиниці системи СІ повинні відтворюватися за допомогою національних еталонів, тобто централізовано. Додаткові позасистемні і похідні одиниці, виходячи з міркувань техніко-економічної доцільності, відтворюються одним з трьох способів:
1) централізовано - за допомогою єдиного для всієї країни національного еталону;
2) частково централізовано - (в межах регіону, міністерства або відомства) за допомогою декількох робочих чи вихідних еталонів;
3) повністю децентралізовано - за допомогою непрямих вимірювань, які виконуються в органах метрологічної служби за допомогою робочих еталонів інших величин, функціонально пов'язаних з вимірюваною величиною.
Вторинний еталон - це еталон, який отримує розмір одиниці шляхом звірення з первинним еталоном аналізованої одиниці.
Вони створюються з метою забезпечення збереження та найменшого зносу первинного еталона.
За своїм метрологічного призначенням вторинні еталони поділяються на:
- Еталони-копії;
- Еталони порівняння;
- Еталони-свідки;
- Робочі еталони.
Еталон-копія призначений для зберігання одиниці та передачі її розміру робочим еталонам.
Еталон порівняння застосовується для порівняння еталонів, які з тих чи інших причин не можуть бути безпосередньо сличает один з одним.
Еталон-свідок застосовується для перевірки збереження державного еталона та для заміни його у разі псування або втрати. Еталон-свідок застосовується лише тоді, коли державний еталон є не відтворюваним.
Робочий еталон застосовується для зберігання одиниці та передачі її розміру розрядним еталонам вищої точності, а при необхідності і найбільш точним робочим СІ.
Національний еталон можна застосовувати як робочий, якщо це передбачено правилами зберігання та застосування еталонів. Національні еталони завжди реалізуються у вигляді комплексу СІ і допоміжних пристроїв.
Вторинні еталони реалізуються у вигляді:
- Комплексу СІ;
- Одиночних еталонів;
- Групових еталонів;
- Еталонних наборів.
Одиночний еталон складається з одного заходу, одного вимірювального приладу або однієї вимірювальної установки, які забезпечують відтворення або зберігання одиниці самостійно без участі інших СІ того ж типу.
Груповий еталон складається із сукупності однотипних заходів, вимірювальних приладів або інших СІ, застосовуваних як одне ціле для підвищення надійності зберігання одиниці.
Розмір одиниці, що зберігається груповими еталонами, визначається як середнє арифметичне із значень, відтворених окремими заходами або приладами, що входять до складу групового еталона. Окремі заходи або прилади з його складу можуть застосовуватися в якості одиночних робочих еталонів, якщо це припустимо за умовами зберігання одиниць.
Групові еталони можуть бути:
- Змінного складу;
- Постійного складу.
Еталонний набір являє собою набір заходів або вимірювальних приладів, що дозволяють зберігати одиницю або вимірювати величину в певних межах. Ці заходи або прилади призначені для різних значень або різних областей значень вимірюваної величини. Вони також можуть бути:
- Змінного складу;
- Постійного складу.
Еталонна база Республіки Білорусь
Еталонна база Республіки Білорусь складається з національних, вихідних і розрядних еталонів.
Національний еталон Республіки Білорусь призначений для відтворення одиниці і передачі її розміру вихідним еталонам, а при необхідності і можливості і робочим розрядним еталонам.
До складу національного еталону включають СІ, за допомогою яких:
1) відтворюють і зберігають одиниці;
2) контролюють умови вимірювань і незмінність розміру зберігається одиниці;
3) здійснюють передачу розміру одиниці.
Створенням національних еталонів займаються органи державної метрологічної служби із залученням при необхідності інших організацій. Національні еталони зберігаються в органах національної метрологічної служби.
Вихідний еталон Республіки Білорусь - це еталон, що володіє найвищими метрологічними властивостями з наявних еталонів в Республіки Білорусь. Ці еталони призначені для передачі розміру одиниці розрядним еталонам та робочим СІ найвищої точності. Вихідні еталони отримують розмір одиниці шляхом звірень з національними або міжнародними еталонами. Вихідні еталони створюються з метою запобігання національних еталонів від пошкоджень і забезпечення єдності вимірювань, у тих областях вимірювань, в яких як первинних використовуються міжнародні еталони. Створюють вихідні еталони органи державної метрологічної служби і метрологічні служби підприємств. Стверджує їх Держстандарт, а зберігають органи метрологічної служби підприємств і держави.
В області Електрорадіоізмеренія є п'ять національних еталонів:
1 Еталон часу і частоти.
Сумарна похибка еталона за частотою, виражена у вигляді випадкового квадратичного відхилення (СКО), при щоденних звіреннях з державним еталоном Росії не перевищує ± 5.10 -14. На базі цього еталону створена служба часу і частоти, яка здійснює:
а) взаємне звірення шкал часу і частоти країн СНД;
б) метрологічну атестацію вихідних СІ часу і частоти для підприємств і організацій республіки;
в) метрологічний контроль правильності передач сигналів часу і частоти через національні системи, включаючи супутникові;
г) передачу еталонних частот підприємствам і сигналів точного часу «6 точок підвищеної інформативності» через Білоруське радіо.
2 Еталон напруги змінного струму.
Діапазон напруг: 0,001 ÷ 1000 В.
Діапазон частот: 10 Гц ÷ 2 ГГц (до 1 В на ВЧ).
Похибка: 0,002% ÷ 1,2%.
3 Еталон магнітної індукції.
Відтворює одиницю в діапазоні 0,05 ÷ 2 Тл з похибкою 0,0035%.
4 Еталон одиниці електричної потужності.
f = 50 Гц, U = 500 В, I = 100 А, С.к.о 1.10 -4.
5 Еталон одиниці постійної напруги.
Відтворює одиницю В з похибкою 2.10 -7.
ЛІТЕРАТУРА
1 Дімов Ю.В. метрологія, стандартизація і сертифікація. Підручник для вузів. 2-е вид. - СПб.: Пітер, 2006.
2 Метрологія, стандартизація і сертифікація: Підручник / Ю.І. Борисов, А.С. Сігов та ін; Під ред. А.С. Сігова. - М. Форум: Инфра-М, 2005.
3 Посібник з висловом невизначеності вимірювання. - ВНИИМ, С-Пб.: 2005.