Лабы / Метрология ЛР1
.pdf
МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования
«Национальный исследовательский университет «МИЭТ»
Институт «Микроприборов и систем управления» (МПСУ)
Лабораторная работа №1 по дисциплине
«Метрология, стандартизация и сертификация»
Тема: «Однократные измерения и их погрешности»
Цель работы: Ознакомление со стендовым оборудованием и их характеристиками, оценка погрешностей однократных измерений.
Продолжительность работы: 4 часа.
Аппаратура: NI PXI-1033 (6259, 5102, 5402, 4065), NI ELVIS.
Выполнили студенты группы «МП-32а»: |
Шкурко Мария |
|
Яндайкина Елена |
Преподаватель: |
Калеев Дмитрий Вячеславович |
2018 г.
Содержание
1. |
Теоретические сведения...................................................................................................................... |
3 |
|
|
1.1. |
Основные определения................................................................................................................ |
3 |
|
1.2. |
Классификация погрешностей.................................................................................................... |
3 |
|
1.3. |
Метрологические характеристики.............................................................................................. |
3 |
2. |
Выполнение работы............................................................................................................................. |
5 |
|
|
2.1. |
Измерение постоянного напряжения ......................................................................................... |
5 |
|
2.2. Оценка инструментальной погрешности на диапазоне измерений ........................................ |
6 |
|
|
2.3. |
Измерение сопротивлений резисторов....................................................................................... |
8 |
|
2.4. |
Расчет схемы делителя напряжения........................................................................................... |
8 |
2.5.Оценка инструментальной погрешности делителя напряжения и сравнение с расчетным
значением |
.................................................................................................................................................9 |
3. Вывод.................................................................................................................................................. |
10 |
2
1. Теоретические сведения
1.1.Основные определения
Результат измерения величины - множество значений величины, приписываемых измеряемой величине вместе с любой другой доступной и существенной информацией
Опорное значение (величины) - значение величины, которое используют в качестве основы для сопоставления со значением величин того же рода.
Истинное значение (величины) - значение величины, которое соответствует определению измеряемой величины.
Точность измерений (точность результата измерения) - близость измеренного значения к истинному значению измеряемой величины.
Погрешность (результата измерения) - разность между измеренным значением величины и опорным значением величины.
1.2.Классификация погрешностей
По причинам возникновения погрешности делятся на методические, личные (оператора) и
инструментальные.
Инструментальная погрешность измерения — составляющая погрешности измерения,
обусловленная несовершенством применяемого средства измерений.
В данной работе проводятся только статические измерения и поэтому инструментальные погрешности делятся только на основные и дополнительные:
основная погрешность средства измерений - погрешность средства измерений,
используемого в нормальных условиях;
дополнительная погрешность – изменение основной погрешности средства измерения при отклонении влияющей величины от нормального значения либо выходе его за пределы нормальной области значений.
Методическая погрешность измерений — составляющая погрешности измерений,
обусловленная несовершенством метода измерений.
Личная погрешность измерения — составляющим погрешности измерения, обусловленная индивидуальными особенностями оператора, т. е. погрешность отсчёта оператором показаний по шкалам СИ.
1.3.Метрологические характеристики
Метрологическими характеристиками называют характеристики свойств СИ,
оказывающие влияние на результаты и погрешность измерений.
Выделяют нормируемые и ненормируемые метрологические характеристики.
Нормируемые метрологическое характеристики – комплекс метрологических характеристик, устанавливаемый в документации на СИ конкретного типа.
3
К нормируемым характеристикам относят:
1.Характеристики для определения результатов измерений (без введения поправки)
a.Цена деления шкалы – разность значений величины, соответствующих двум соседним отметкам шкалы;
b.Чувствительность измерительного прибора – отношение изменения сигнала на выходе измерительного прибора к вызывающему его изменению измеряемой величины.
2.Характеристики погрешностей средств измерений
a.Основная погрешность средства измерений;
b.Дополнительная погрешность средства измерений;
c.Приведенная погрешность средства измерений – отношение погрешности измерительного прибора к нормирующему значению;
Нормирование метрологических характеристик – установление границ на допустимые отклонения реальных метрологических характеристик СИ от их номинальных значений.
К ненормируемым метрологическим характеристикам относят:
1.Диапазон показаний – область значений шкалы, ограниченная начальным и конечным значениями шкалы;
2.Диапазон измерений – область значений измеряемой величины, для которой нормированы допускаемые погрешности средства измерений;
3.Класс точности средства измерений – обобщенная характеристика средства измерений, определяемая пределами допускаемых основных и дополнительных погрешностей, а также другими свойствами средств измерений, влияющими на точность, значения которых устанавливаются в стандартах на отдельные виды средств измерений;
4.Предел допускаемой погрешности средства измерений – наибольшая (без учета знака) погрешность средства измерений, при которой оно может быть признано годным и допущено к применению.
Предел измерения (диапазон измерения) - область значений измеряемой величины, для которой нормированы допускаемые погрешности средства измерений.
Разрешение - наименьшее изменение измеряемой величины, которое является причиной заметного изменения соответствующего показания.
4
2. Выполнение работы
2.1.Измерение постоянного напряжения
NI PXI-5402 |
|
Макетная плата |
CH 0 |
BNC |
BNC1(+) |
|
BNC1(-) |
|
|
|
|
NI PXI-4065 |
|
|
V(+) |
Banana |
Banana A |
V(-) |
|
Banana B |
Рисунок 1. Схема подключения
Для проведения однократного измерения постоянного напряжения и оценки его точности собрали схему (рис.1). Напряжение генерируется случайным образом в пределах от 0 до 10 В при
частоте дискретизации 50 Гц.
Значения:
NI PXI-5402 |
|
|
измеренного напряжения: изм = 8,9385 В; |
|
входного сопротивления: вх = 10 МОм; |
|
внутреннего сопротивления: = 50 Ом; |
|
температура устройства: = 34,84 ; |
|
нормальная температура: норм = 26,87 . |
Рисунок 2. Схема измерения постоянного напряжения мультиметром
|
= |
= |
|
вх ; |
|
|
= |
вх |
= 8,93854469 В; |
|
изм |
вх |
ген |
|
|
ген |
изм |
вх |
|
||
|
|
вх |
|
|
|
|
|
|
||
∆ м = изм − ген = -0,00004469 В. |
|
|
|
|
|
|
||||
|
Исправленный результат измерения: исп = изм − ∆ м = 8,93854469. |
|||||||||
|
Основная инструментальная погрешность: |
|
|
|||||||
∆ осн = ±(9 10 |
изм +12 10 |
) = ±0,000924465. |
|
|||||||
|
Т.к. норм < |
|
, существует дополнительная погрешность: |
|||||||
∆ доп = ± норм − |
|
(5 10 исп +10 10 |
) = ±0,0004359 В. |
|||||||
|
Суммарная инструментальная погрешность: ∆ = |
∆ доп +∆ осн = 0,00102 В. |
||||||||
|
Результат измерения: = исп ±∆ |
= 8,93854±0,00102 В. |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
5 |
|
|
2.2.Оценка инструментальной погрешности на диапазоне измерений
Задавая различное опорное напряжение, мы сделали 10 измерений напряжения. Результаты измерений и конечные расчеты представлены в Таблице 1 ( оп - погрешность генератора, равная 0,5% от опорного значения).
Таблица 1. Измерение постоянного напряжения и его погрешности
Опорное |
Измеренное |
Инструментальная |
Границы результата измерения |
|
напряжение |
напряжение Uизм |
погрешность PXI |
(Uизм − PXI; Uизм + PXI;) |
|
Uоп± оп |
|
|
|
|
0 |
-0,0003 |
0,000144 |
(-0,000444; -0,000156) |
|
1,000±0,005 |
0,9992 |
0,000242 |
(0,998958; |
0,999442) |
2,00±0,01 |
1,9984 |
0,00034 |
(1,99806; |
1,99874) |
3,000±0,015 |
2,9976 |
0,00044 |
(2,99716; |
2,99804) |
4,00±0,02 |
3,9962 |
0,00054 |
(3,99566; |
3,99674) |
5,000±0,025 |
4,9995 |
0,00063 |
(4,99887; |
5,00013) |
6,00±0,03 |
5,9994 |
0,00073 |
(5,99867; |
6,00013) |
7,000±0,035 |
6,9997 |
0,00083 |
(6,99887; |
7,00053) |
8,00±0,04 |
8,0002 |
0,00093 |
(7,99927; |
8,00113) |
9,000±0,045 |
8,9996 |
0,00103 |
(8,99857; |
9,00063) |
На основе полученных данных был построен график зависимости измеренных значений с границами погрешности измерения PXI и границ погрешности генератора оп от опорного напряжения Uоп:
6
Ниже представлен график зависимости абсолютной погрешности показаний от опорного напряжения, построенный на основе полученных результатов:
7
2.3.Измерение сопротивлений резисторов
Значения:
измеренного сопротивления на резисторе 1: изм = 22,11 кОм;
измеренного сопротивления на резисторе 2: изм = 16,02 кОм;
|
температура устройства: |
= 34,84 ; |
нормальная температура: норм = 26,87 ;
предел измерений: = 100 кОм.
|
|
Основная инструментальная погрешность: |
|
|
||
∆ осн = ±(1,1 10 |
изм +2 10 10 ); |
|
|
|
||
∆ осн |
= ±0,0044321 кОм; |
|
|
|
||
∆ осн |
= ±0,0037622 кОм; |
|
|
|
||
|
|
Т.к. норм < |
, существует дополнительная погрешность: |
|
||
∆ доп = ± норм − |
(8 10 изм +10 |
10 ); |
|
|
||
∆ доп |
= ±0,0022067336 кОм; |
|
|
|
||
∆ доп |
= ±0,0018184352 кОм. |
|
|
|
||
|
|
Суммарная инструментальная погрешность: ∆ |
= ∆ доп |
+∆ осн ; |
||
∆ |
_ |
= ±0,005 кОм; |
|
|
|
|
∆ |
_ |
= ±0,0042 кОм. |
|
|
|
|
|
|
Результаты измерения = изм ±∆ |
: |
|
|
|
|
= 22,11±0,005 кОм; |
|
|
|
||
|
= 16,02±0,0042 кОм. |
|
|
|
||
|
|
Границы измерений: (22,105; 22,115) и (16,0158; 16,0242). |
|
|||
Номинальные значения: = 22,1 кОм, = 16 кОм.
Границы номинальных значений: (22,045; 22,155) и (15,96; 16,04).
Номинальные границы и границы измерений пересекаются.
2.4.Расчет схемы делителя напряжения
Значения:
н = 16 кОм;н = 22,1 кОм;= 5 В.
= |
н = |
, |
5 = 2,90 В; |
н |
н |
, |
|
Рисунок 3. Делитель напряжения |
|
|
|
|
8 |
|
|
д = н ±∆ |
= 16,00± 0,04 кОм; |
д = н ± ∆ |
= 22,100±0,055 кОм; |
∆ |
= ± |
|
|
н ∆ |
|
± |
|
н |
∆ ; |
|
|
|
н |
н |
|
|
|
н н |
|
∆ |
= ± |
( н |
н |
∆ ± |
|
|
н |
∆ |
= ±0,00303±0,00304 = ±0,0061 В. |
|
|
н) |
|
( |
н |
н) |
|
|
2.5.Оценка инструментальной погрешности делителя напряжения и сравнение с расчетным значением
|
|
NI ELVIS |
|
|
Макетная плата |
|
|
+5 B |
|
|
GND |
NI PXI-4065 |
|
|
V(+) |
Banana |
Banana A |
V(-) |
|
Banana B |
Рисунок 4. Схема делителя напряжения
Значения:
измеренного напряжения: изм = 2,963 В;
|
температура устройства: |
= 34,84 ; |
нормальная температура: норм = 26,87 ;
предел измерений: = 10 В.
Основная инструментальная погрешность:
∆ осн = ±(9 10 |
изм +12 10 ) = ±0,00038667. |
Т.к. норм < , существует дополнительная погрешность:
∆ доп = ± норм − |
(5 10 изм +10 10 ) = ±0,000024815 В. |
|
Суммарная инструментальная погрешность: ∆ |
= ∆ доп +∆ осн = 0,00039 В. |
|
Границы результата измерения мультиметром и границы аналитически рассчитанной погрешности делителя напряжения не пересекаются.
9
3. Вывод
Измеренное напряжение с «черного ящика» с учетом точности измерения:
= 8,93854 ± 0,00102 В.
При измерении постоянного тока абсолютная погрешность принимала значения от -0,0038 до 0,0002 В, что говорит о том, что мультиметр имеет систематическую погрешность, близкую к -0,0018 В. Наибольшее значение принимается при 4 В, наименьшее – при 8 В. Инструментальная погрешность и погрешность генератора возрастают пропорционально увеличению опорного напряжения.
Результаты измерения сопротивления резисторов с учетом инструментальной погрешность полностью лежат в пределах номинальных значений.
Границы аналитического расчета выходного напряжения делителя напряжения не пересекается с границами измеренного значения (с учетом погрешности). Минимальное расхождение – 0,057 В.
10