Примеры межповерочных интервалов

1. Счетчики количества холодной и горячей воды - 5 лет.

2. Счетчики количества электроэнергии - 10-20 лет.

3. Расходомеры - 2 года.

4. Меры жидкости - 2 года.

5. Весоизмерительные установки - 1 год.

6. Меры веса (гири) - 1 год.

7. Электронные приборы – 1 год.

3.1.2. Поверочные схемы и схемы поверок

Поверочные схемы устанавливают систему передачи размера единицы физической величины от государственного эталона или образцового средства измерения рабочим средствам измерений.

Порядок составления поверочных схем установлен стандартом.

Поверочные схемы подразделяются на государственные, ведомственные, локальные.

Пример поверочной схемы приведён на рис. 3.1.

1. Образцовое средство измерения.

2. Поверяемое средство измерения.

3. Метод поверки.

На поверочной схеме указываются:

1) наименование поверяемого средства измерения, диапазон измерений или номинальное значение;

2) допустимые значения погрешности поверяемого средства измерений;

3) наименование образцового средства измерения;

4) допустимая погрешность образцового средства измерения;

5) метод поверки и погрешность поверки.

Схема поверки - это кинематическая или электрическая схемы, показывающие способ включения поверяемого и образцового средств измерений в измерительную цепь (рис. 3.2, 3.3).

Схема поверки микрометра

Рис. 3.2

Здесь 1 - микрометр; 2 - концевая образцовая мера.

Поверочная схема микрометра

Рис. 3.3

3.1.3. Методы поверок

Наиболее широко используются следующие методы поверок.

1. Метод непосредственного сличения.

2. Метод компарирования.

3. Метод прямого измерения величины, воспроизводимой мерой.

4. Метод прямого измерения образцовым прибором.

5. Метод замещения.

6. Косвенные методы.

1. Метод непосредственного сличения. Погрешность поверяемого прибора определяется путем сравнения его показаний с показаниями образцового прибора. Пример схемы поверки вольтметра приведён на рис. 3.4. Здесь РИН - регулируемый источник напряжения; V_Г - поверяемый вольтметр; V₀ - образцовый вольтметр.

Посредством изменения напряжения РИН стрелку поверяемого вольтметра последовательно подводят ко всем оцифрованным делениям шкалы, вначале снизу вверх, а затем сверху вниз.

Рис. 3.4

В каждый контрольной точке определяется погрешность поверяемого прибора:

,

где U_Пi - показания поверяемого прибора в i - той контрольной точке; U_Oi - показания образцового прибора.

Прибор считается годным, если выполняется условие

Макс Δi < Δд,

где Δд - допустимая погрешность прибора, определяемая классом точности.

2. Метод компарирования. При методе компарирования с помощью сравнивающего устройства (компаратора) оценивается разность измерительных сигналов поверяемого и образцового средств измерений.

Пример схемы поверки измерительного преобразователя приведён на рис. 3.5.

у_П

Δу

х

у₀

Рис. 3.5

Прибор годен, если Δу < Δу_ДОП.

На рис. 3.6 приведён пример схемы поверки нормального элемента.

НЭ_П НЭ₀ НЭ_П - поверяемый нормальный

элемент;

НЭ₀ - образцовый нормальный

элемент;

ППТ - потенциометр

постоянного тока

Рис. 3.6

Эта схема позволяет исключить большую токовую нагрузку на нормальный элемент.

3. Метод прямого измерения величины, воспроизводимой мерой. На рис. 3.7 показан пример схемы поверки вольтметра.

Калибратор напряжения

Рис. 3.7

Калибратор напряжения - это образцовый источник регулируемого напряжения.

На рис. 3.8 приведён пример схемы поверки штангенциркуля.

1 1 - поверяемый штангенциркуль;

2 - образцовая концевая мера

Рис. 3.8

4. Метод прямого измерения образцовым прибором. Этот метод в основном используется для поверки мер. Пример схемы поверки генератора сигналов приведён на рис. 3.9. Здесь ГЗ - ЗЧ - генератор сигналов низкой частоты; ЦЧ - цифровой частотомер.

Рис. 3.9

Пример поверки мер веса показан на рис. 3.10.

1 - мера веса (гиря);

2 - образцовые весы

Рис. 3.10

5. Метод замещения. Поверяемое средство измерения замещается в измерительной цепи образцовым средством измерения.

Примеры схем поверки образцового резистора приведены на рис. 3.11, 3.12.

R_П - поверяемый резистор

О

I1

RП UП

О

Рис. 3.11

Отмечается ток I₁ в цепи.

R₀ – образцовый магазин

сопротивлений

О

I2

R0 UП

О

Рис. 3.12

Устанавливается ток I₂, равный I₁.

В этом случае R_П = R_o.

6. Косвенные методы поверки. Эти методы применяются в тех случаях, когда отсутствуют приборы для прямых измерений или когда косвенные методы обеспечивают более высокую точность измерений.

Пример. Поверка ваттметра (рис. 3.13). Здесь W - поверяемый ваттметр; R_H - сопротивление нагрузки; А, V - образцовые амперметр и ваттметр.

W

R_H

Рис. 3.13

Мощность определяется косвенным методом:

P₀ = U₀ * I_0.

3.1.4. Выбор образцовой меры или образцового прибора
по точности при поверке

При поверке образцовая мера или образцовый прибор должны быть точнее поверяемого прибора. Но во сколько раз?

Большинство нормативных документов на отдельные виды приборов устанавливают следующее соотношение между абсолютной погрешностью образцового прибора и погрешностью поверяемого прибора:

(ГОСТ 8.497 – 83).

Для приборов измерения неэлектрических величин обычно применяется соотношение 1:3, 1:4, а для приборов измерения электрических величин - 1:5.

Эти соотношения берутся по основной абсолютной погрешности.

Пример. Поверяемый вольтметр имеет диапазон измерения В и класс точности 2.5. Образцовый вольтметр имеет диапазон измерения 0 ÷ 50 В. Каков должен быть класс точности образцового вольтметра, чтобы соотношение между их абсолютными погрешностями составляло 1:5?

Решение. По классу точности поверяемого вольтметра определяется его абсолютная погрешность:

По соотношению 1:5 находится погрешность образцового прибора:

Класс точности образцового прибора - 0.1.

Соотношение по классам точности

3.1.5. Погрешность поверки.
Статистические методы поверки

В процессе поверки с помощью образцовой меры или образцового прибора определяется погрешность поверяемого прибора в контрольных точках диапазона измерения:

где х_п - показания поверяемого прибора; х₀ - показания образцового прибора.

Если выполняется условие

Δ_П < Δ_Д,

то прибор считается годным.

Здесь Δ_Д - допустимые значения погрешности, задаваемые классом точности поверяемого прибора.

Однако значение х₀ также задается с погрешностью, вследствие чего появляется погрешность поверки.

Рассмотрим график образования погрешности поверки (рис. 3.14). Здесь х - контрольная точка диапазона измерения поверяемого прибора; Р (Δ_П) - плотность вероятностей погрешности поверяемого прибора; + Δ_Д, - Δ_Д - границы допустимой погрешности поверяемого прибора; Р (Δ₀) - плотность вероятностей погрешности образцового прибора; +Δ₀, - Δ₀ - границы погрешностей образцового прибора.

Погрешность образцового прибора как бы сдвигает границу допустимой погрешности поверяемого прибора в ту или иную сторону. Различают погрешности поверки 1-го и 2-го рода.

Погрешность 1-го рода - это отношение исправного прибора к негодным. Вероятность появления этой погрешности характеризуется заштрихованным участком 1.

Р (Δ_П) Р (Δ₀)

1 2

-Δ₀ + Δ₀ х

-Δ_Д х + Δ_Д

Рис. 3.14

Погрешность 2-го рода - это отношение неисправного прибора к годным. Вероятность появления этой погрешности характеризуется заштрихованным участком 2.

Наиболее опасна погрешность 2-го рода.

Для уменьшения вероятности появления погрешности 2-го рода можно сдвинуть границу допустимой погрешности поверяемого прибора с учетом погрешности образцового прибора.

Пример. Поверяемый вольтметр имеет пределы измерения 0 ÷10 В и класс точности 2.5. Образцовый вольтметр имеет диапазон измерения 0 ÷10 В и класс точности 0.5.

При поверке необходимо исключить ошибку 2-го рода.

Определим абсолютные погрешности поверяемого и образцового приборов по классам точности:

Устанавливается новый предел допускаемой погрешности поверяемого прибора:

Однако при этом возрастает вероятность появления погрешности 1-го рода.

Для повышения точности поверки переходят от однократных измерений в контрольных точках к многократным измерениям, т.е. используются статистические методы.

Статистический метод поверки. Проводятся многократные измерения в i - той контрольной точке диапазона измерения поверяемого прибора. Получают значения

х₁; х₂; х₃;….х_i;…х_n.

х₀ - значение меры или показания образцового прибора в этой контрольной точке.

Находится среднее значение показаний поверяемого прибора:

.

За погрешность поверяемого прибора принимается среднее значение погрешности

Прибор считается годным, если выполняется условие , с определенной вероятностью.

Определяется вероятность годности прибора.

Дисперсия показаний

Дисперсия среднего значения показаний

Среднеквадратическое отклонение среднего значения показаний

Принимая, что погрешность распределена по нормальному закону, и применяя функцию Лапласа, находим вероятность принятия измерительного прибора как годного:

где Ф - функция Лапласа; Δ_Д - допустимое значение погрешности поверяемого прибора; - среднее значение погрешности поверяемого прибора; - среднеквадратическое отклонение средней погрешности.

Разделим числитель и знаменатель под знаком функции Лапласа на Δ_Д:

Задаваясь значением , вычисляем значение Р_Г и строим оперативную характеристику поверки (рис. 3.15).

Р_Г

S₁

1.0

S₀

S₂

0 S =

1.0

Рис. 3.15

Идеальная оперативная характеристика поверки - это прямоугольник с основанием =1, высотой Р_Г = 1 и площадью S₀ = 1. Реальная оперативная характеристика выражается кривой.

Площадь S₁ характеризует вероятность появления ошибки 1-го рода, т.е. отнесение неисправного прибора к годным.

В качестве критерия достоверности поверки принимается величина

.

Для нормального закона распределения пользуются табл. 3.1.

Таблица 3.1

	1/6	1/3	1/2	2/3	1.0
N, %

Если выполнимо условие , то поверка считается достоверной при N ≥95%.

3.1.6. Особенности поверки
измерительных преобразователей
и информационно-измерительных систем

Измерительный преобразователь преобразует физическую величину одного вида в физическую величину другого вида (рис. 3.16).

х у

Рис. 3.16

Основной характеристикой ИП является функция преобразования

у = f (х).

Измерительный преобразователь считается годным, если эта функция находится в заданных границах (рис. 3.17). Здесь 1 - реальная функция преобразования; 2 - заданные границы, определяемые классом точности.

у

1 - у = f (х)

х

Рис. 3.17

Поверка ИП производится двумя способами:

1) входная величина задается образцовой мерой, а выходная величина измеряется образцовым прибором;

2) входная и выходная величины измеряются образцовыми приборами.

Примеры

1. Поверка измерительного преобразователя линейных перемещений. Схема поверки (рис. 3.18). Здесь 1 - микрометрический винт; 2 - измерительный преобразователь; 3 - вольтметр.

1 2 3

Рис. 3.18

Измерительный преобразователь воспроизводит функцию

U_вых = f (l),

где l - линейное перемещение измерительного штока. l задается микрометрическим винтом 1, выполняющим роль меры перемещения. Выходное напряжение измеряется образцовым вольтметром 3.

2. Поверка датчика температуры. Схема поверки (рис. 3.19).

Датчик температуры воспроизводит функцию U_вых = f (t ^o).

Входная и выходная величины измеряются образцовыми приборами.

2 3 4 1 - термостат;

2 - образцовый термометр;

3 - поверяемый датчик

температуры;

..... 1 4 - образцовый вольтметр.

......

U.....

......

Рис. 3.19

Датчик температуры может также поверяться по реперным точкам, которые будут выполнять функции образцовых мер.

При поверке измерительных преобразователей должно выполняться условие

,

где - относительная погрешность заданной входной величины; - относительная погрешность измерения выходной величины; - допустимая погрешность измерительного преобразователя, определяемая классом точности; к - коэффициент запаса.

Особенность поверки информационно-измерительных систем (ИИС). Правила поверки ИИС установлены стандартом. ИИС обычно содержат несколько измерительных каналов. Каждый канал поверяется в отдельности, а также определяется взаимное влияние измерительных каналов друг на друга.

Поверка ИИС может быть комплектной или поэлементной.

При комплектной поверке заранее рассчитываются допустимая погрешность всего измерительного канала, его класс точности, и проводится поверка всего измерительного канала в целом.

При поэлементной поверке каждый измерительный преобразователь поверяется в отдельности. Поверка ИИС, как правило, должна быть автоматизирована на основе использования собственных вычислительных средств, встроенных образцовых средств и образцовых источников сигналов.

Встроенные образцовые средства и образцовые источники сигналов должны также поверяться.

Определение взаимного влияния измерительного канала ИИС. Рекомендуется следующая методика. В одном из каналов устанавливается нулевой входной сигнал и определяется погрешность другого канала в трех точках диапазона измерения. Затем в первом канале устанавливается 100%-ный входной сигнал, и опять определяется погрешность второго канала в тех же контрольных точках.

Результат испытаний считается положительным, если выполняется условие

,

где Δ₁ - погрешность второго измерительного канала при первом эксперименте; Δ₂ - погрешность второго измерительного канала при втором эксперименте; Δ_Д - допустимое значение погрешности измерительного канала; λ - допустимый коэффициент влияния, допускается λ ≤ 0.2.

Аналогично определяется взаимное влияние других каналов.

Обычно поверка ИИС проводится в следующем порядке.

1. Проверяются комплектность и состояние технической документации.

2. Проводится внешний осмотр системы.

3. ИИС опробывается в действии.

4. Проводится поверка измерительных каналов.

5. Определяется взаимное влияние измерительных каналов.

6. Поверка заканчивается составлением свидетельства о поверке по установленной форме.

3.1.7. Выбор числа контрольных точек
по диапазону измерения

Для измерительных приборов со шкальными отсчетными устройствами поверка производится во всех оцифрованных отметках шкалы. Пример приведён на рис. 3.20.

Рис. 3.20

Поверка производится на отметках 10, 20, 30 и т.д.

Для измерительных приборов и измерительных каналов с цифровым принципом измерения число контролируемых точек по диапазону измерения должно быть не менее 10.

Для измерительных каналов с аналоговым принципом измерения количество контролируемых точек должно быть не менее 6, равномерно отстоящих друг от друга.

Определение количества измерений в каждой контрольной точке при статических методах поверки. Руководящими материалами по ИИС рекомендуется следующая методика.

Ориентировочно количество n измерений в каждой контрольной точке рассчитывается по формуле

n ,

где Р - заданная доверительная вероятность поверки (обычно Р не менее 0,95);

2____

n 1 – 0,95 = 40.

Далее по экспериментальным данным определяется суммарная погрешность измерения:

= ,

где - систематическая погрешность; - случайная погрешность; - среднеквадратическое отклонение случайной погрешности; t - коэффициент Стьюдента.

Для Р = 0,95, t = 1,1;

Р = 0,99, t = 1,4.

По классу точности или нормативным документам определяется допустимое значение погрешности .

Затем находится допустимое значение случайной погрешности:

.

Если выполняется условие

,

то количество измерений необходимо уменьшить;

если ,

то количество измерений необходимо увеличить

при

принимается расчетное количество измерений.

3.1.8. Определение продолжительности
межповерочных интервалов

Продолжительность межповерочных интервалов у стандартных средств измерений установлена соответствующими стандартами. Она зависит от условий эксплуатации и надежности приборов. В большинстве случаев продолжительность межповерочных интервалов составляет 1 год.

Для новых средств измерений и сложных ИИС продолжительность межповерочных интервалов устанавливается на основе статистических данных.

Продолжительность межповерочных интервалов определяется формулой

t _мп = ,

где Р_бз - заданная вероятность безотказной работы по метрологическим отказам за время t _э; Р_бз выбирается из стандартного ряда чисел: 0,80; 0,90; 0,95; 0,98; 0,99; Р_бэ - экспериментально определенная вероятность безопасной работы по метрологическим отказам за время t _э; t _э - время эксплуатации средств измерений.

Пример. В эксплуатации находится 340 ИИС. За время эксплуатации t _э = 5000 ч по метрологическим отказам из строя вышли 4 ИИС. Заданная вероятность безотказной работы Р_бз = 0,95. Определим межповерочный интервал t_мп:

Р_бэ = .

Отсюда t_мп =

Округляем t_мп = 2 года.

3.1.9. Обеспечение нормальных условий поверки

К помещениям, в которых проводится поверка, предъявляются повышенные требования. В этих помещениях должны быть обеспечены нормальные условия поверки, установленные стандартами на поверки.

Нормальными условиями поверки называются такие условия, при которых погрешность поверяемого средства измерения под действием влияющих величин не превышает 35% предела допускаемой основной погрешности поверяемого СИ, а погрешность образцового средства измерения не превышает 50% предела допускаемой основной погрешности его.

Стандартом установлены номинальные значения наиболее распространенных влияющих величин и установлены ряды допустимых отклонений от номинальных значений (табл. 3.2).

Таблица 3.2

Влияющие величины	Номинальные значения	Допустимые отклонения
Температура: К °С		±2; ±5; ±10…
Атмосферное давление: кПа мм рт.ст.	101,3	±4; ±6; ±8; ±10…
Относительная влажность, %		±10; ±15; ±20…

3.2. Технические средства поверки

3.2.1. Меры электрических величин

К мерам электрических величин относятся меры электрического сопротивления, меры емкости, меры индуктивности, меры электрического напряжения и др.

1. Меры электрического сопротивления. Меры электрического сопротивления применяются при поверке омметров, измерительных мостов, для имитации разнообразных датчиков при поверке измерительных преобразователей и каналов ИИС, например при поверке теплосчетчиков.

В качестве мер электрического сопротивления используются образцовые катушки сопротивления и магазины сопротивлений.

Диапазон воспроизводимых сопротивлений лежит в пределах от 10^-4 до 10¹⁵ Ом.

Образцовая катушка сопротивления имеет следующую конструкцию (рис. 3.21): 1 - каркас катушки; 2 - бифилярная обмотка; 3 - панель; 4 - зажимы; 5 - отверстие для термометра; 6 - защитный кожух.

4

3 5

Рис. 3.21

Образцовые катушки изготавливаются из манганиновой проволоки или ленты. Манганин обладает малым значением ТКС, большим удельным сопротивлением и малой термоЭДС в контакте с медью.

Класс точности катушки характеризуется процентным отклонением действительного значения сопротивления от номинального значения при 20^ОС:

Стандартом предусмотрены классы точности от 0,0005 до 0,1.

Если катушка работает при температуре, отличной от 20^ОС, то ее сопротивление определяется по формуле

где R₂₀ - сопротивление катушки при 20^ОС; α и β - коэффициенты, определяемые заводом - изготовителем для каждой катушки.

Ток, протекающий через катушку, не должен превышать допустимых значений. Эти значения определяются максимальной мощностью. Как правило, этот ток составляет 10 ÷ 20 мА.

На постоянном токе эти параметры не сказываются, а при работе на переменном токе их необходимо учитывать.

Эквивалентная схема катушки на переменном токе представлена на рис. 3.22.

R L

o

C

Рис. 3.22

Приближенно полное сопротивление катушки на переменном токе определяется формулой

.

Здесь называется постоянной времени и указывается в паспорте катушки. По τ можно определить фазовый сдвиг

,

где ω - частота питающего напряжения.

Образцовые катушки для работы на постоянном токе обозначаются R 310, R 321 и т.д., а для работы на переменном токе - Р 4015, Р4018 и т.д.

Магазины сопротивлений. Магазины сопротивлений представляют собой многозначную меру. В зависимости от способа коммутации резисторов магазины делятся на штепсельные и рычажные. Наиболее широко применяются рычажные магазины.

Предел допускаемой основной погрешности (т.е. класс точности магазина), выраженный в процентах от значения включенного сопротивления, определяется двучленной формулой

,

где с и d - числа, обозначающие класс точности; R_макс - наибольшее значение сопротивления магазина; R - включенное сопротивление.

В эксплуатации находится большое количество магазинов сопротивления, когда все декады установлены в ноль.

Рабочий ток магазина определяется допустимой мощностью. Обычно допустимая мощность каждой декады составляет 0,1 Вт. Это значит, что ток будет определяться декадой с наибольшим сопротивлением:

.

Пример обозначения магазинов сопротивлений:

Р 3026/1 - магазин сопротивления для работы на постоянном токе, класс точности 0,002; число декад - 7.

Р 4830/1 - магазин сопротивлений для работы на переменном токе, класс точности 0,05; число декад - 6.

Пример старого обозначения: МСР - 63.

Поверка образцовых катушек сопротивлений и магазинов сопротивлений производится с помощью образцовых мостов, потенциометров, образцовых резисторов и цифровых омметров. Соотношение между погрешностью образцового прибора и погрешностью поверяемого должно составлять .

2. Меры емкости. В качестве мер емкости используются образцовые постоянные, переменные конденсаторы и магазины емкостей.

Меры емкостей охватывают диапазоны от 0,001 пФ до 0,01 Ф с классом точности от 0,01 до 0,5.

В паспорте меры емкости указывается тангенс угла диэлектрических потерь tg δ.

Пример обозначения магазинов емкостей:

Р 544 (tg δ = 2*10^-3), Р 583.

3. Меры индуктивности. В качестве мер индуктивности используются катушки индуктивности, магазины индуктивностей и вариометры.

Меры индуктивностей охватывают диапазон от 0,01 мкГн до 1 Гн, с классами точности от 0,01 до 2,0.

При изготовлении катушек индуктивностей стремятся сделать максимальным активное сопротивление, для чего применяется многожильный провод.

Важным параметром катушки индуктивности является добротность

,

или постоянная времени

.

Здесь L - индуктивность катушки; R - активное сопротивление; ω - частота питающего напряжения.

Обычно на частоте f = 50 Гц Q = 0,3 ÷ 1,5.

Поверка мер емкостей, индуктивностей и взаимной индуктивности производится с помощью образцовых мостов переменного тока путем прямых измерений или методом замещения при использовании более точных мер, а также с помощью цифровых измерителей С и L.

При поверке мер взаимной индуктивности вначале измеряют индуктивность при согласованном включении обмоток, а затем при встречном последовательном включении обмоток.

Пример приведён на рис. 3.23.

а б

^{о о}

_{о о} ^{о о}

_{о о о о}

L_согл. L_встр.

Рис. 3.23

Значение взаимной индуктивности вычисляется по формуле

.

4. Меры ЭДС, напряжения и тока. В качестве мер ЭДС применяются нормальные элементы, представляющие собой гальванический элемент на основе раствора сернокислого кадмия.

ЭДС нормальных элементов около 1 В сохраняется неизменной несколько лет.

Нормальные элементы могут быть насыщенными и ненасыщенными.

Насыщенные элементы имеют классы точности 0,001 - 0,005, но сильно зависят от температуры.

Ненасыщенные элементы имеют класс точности 0,01, малое внутреннее сопротивление и малый температурный коэффициент.

Нормальные элементы боятся тряски, вибраций и допускают только определенный ток нагрузки (порядка 1 мкА).

Поверяют нормальные элементы методом сличения с образцовым нормальным элементом. Обычно применяют метод компарирования, что обеспечивает малый ток нагрузки.

Пример обозначения нормальных элементов:

Х 4810; Е = 1,0188 В; класс точности 0,01;

Х 480; Е = 1,0185 В; класс точности 0,005.

В качестве мер напряжения и тока используются калибраторы напряжения и тока.

Калибраторы напряжения и тока - это многозначные меры напряжения и тока. На выходе их воспроизводится заданное значение напряжения или тока с установленной точностью.

Основными характеристиками калибраторов являются:

1) диапазон воспроизводимых напряжений и токов;

2) дискретность воспроизведения образцовых величин;

3) пределы допускаемых основных и дополнительных погрешностей;

4) уровень пульсаций и шумов;

5) допустимый ток нагрузки.

Калибраторы напряжения и тока - это высокоточные, как правило, цифровые приборы, управляемые микропроцессором.

Классы точности калибраторов устанавливаются двучленной формулой.

У калибраторов переменного напряжения и тока дополнительно нормируются параметры:

1) диапазон частот выходного напряжения;

2) погрешность установки частоты;

3) коэффициент нелинейных искажений (коэффициент гармоник).

Примеры калибраторов:

1) В1 – 18/1. Калибратор для поверки вольтметров постоянного напряжения и для измерения напряжения с высокой точностью.

Класс точности - 0,0005.

Применен микропроцессор для управления калибратором, самодиагностики и повышения точности;

2) В1 – 29. Калибратор для поверки вольтметров переменного напряжения (10 Гц ÷ 100 МГц) с микропроцессорным управлением. Класс точности - 0,06.

5. Меры стандартных электрических сигналов. В качестве мер стандартных электрических сигналов используются генераторы сигналов низкой и высокой частоты, а также генераторы импульсных сигналов.

Применяются следующие обозначения генераторов:

Г3 – генераторы сигналов низкой частоты (Г3 – 34);

Г4 – генераторы сигналов высокой частоты (Г4 – 83);

Г5 – генераторы импульсных сигналов (Г5 – 75);

Г6 – генераторы сигналов сложной формы.

У генераторов сигналов нормируются следующие параметры:

1) диапазон частот воспроизводимых сигналов;

2) амплитуда воспроизводимых сигналов;

3) погрешность установки частоты сигналов;

4) погрешность установки амплитуды;

5) допустимое значение коэффициента нелинейных искажений;

6) выходное сопротивление.

Генераторы сигналов низкой частоты являются источниками сигналов синусоидальной формы в диапазоне частот от долей герца до 300 Гц.

Пример. Генератор Г3 – 118.

Диапазон воспроизводимых частот - 1 Гц ÷ 200 кГц.

Погрешность установки частоты - 1%.

Коэффициент гармоник - 0,001%.

Генераторы сигналов высокой частоты являются источниками сигналов синусоидальной формы в диапазоне частот от 0,1 МГц до 10 ГГц.

В этих генераторах предусмотрена амплитудная и частотная модуляция выходного сигнала, при этом нормируется значение глубины модуляции.

Поверка генераторов сигналов низкой и высокой частоты производится с помощью цифровых частотомеров методом прямых измерений.

Поверка проводится не менее чем в 5 точках каждого поддиапазона, причем измерения проводят дважды - при подходе и контрольной точке снизу и сверху.

Погрешность установки выходного напряжения определяется с помощью образцового вольтметра.

Коэффициент гармоник определяется с помощью измерителя нелинейных искажений.

Генератор импульсных сигналов является источником одиночных или периодических прямоугольных импульсов с заданными параметрами.

Пример. Генератор Г5 – 75.

Период повторения импульсов - 0,1 мкс ÷ 9,99 с.

Длительность импульсов - 50 нс ÷ 1 с.

Фронт и срез - не более 10 нс.

Погрешность по временным интервалам - ±1%.

3.2.2. Образцовые средства измерения
электрических величин

1. Измерительные мосты постоянного и переменного тока. Измерительные мосты постоянного тока позволяют с высокой точностью измерять активные сопротивления.

При измерении сопротивлений в диапазоне от 10 до 10⁶ Ом используется двухзажимная схема измерения (рис. 3.24).

п2

I_g

R_X R₁

п1

R3 R2

U_п

Рис. 3.24

Условие равновесия моста

, при этом

Отсюда

Образцовый резистор R₁ разбивается на декады. Уравновешивание моста производится вручную.

При измерении сопротивлений от 0,0001 до 100 Ом используется четырехзажимная схема измерения (рис. 3.25).

Четырехзажимная схема позволяет уменьшить влияние переходного сопротивления контактов при измерении малых сопротивлений, так как сопротивление контактов становится соизмеримым с измеряемым сопротивлением.

т2

п2

R_X R₁

п1

т1 R3 R2

Рис. 3.25

Повышение точности измерения в четырехзажимной схеме достигается разнесением контактного сопротивления в разные плечи моста.

Для измерения еще меньших сопротивлений применяется двойной мост.

Класс точности мостов постоянного тока выражается двучленной формулой или одним числом:

где R_k - верхний предел измерения на данном поддиапазоне; R - значение измеряемого сопротивления, или

Пример. Одинарный измерительный мост Р369, число декад – 6 (табл. 3.3).

Таблица 3.3

Диапазон измерения	Класс точности
10-4 – 10-3	1,0
10-3 – 10-2	0,1
10-2 – 10-1	0,05
10-1 – 1,0	0,02
1,0 - 106	0,005
106 - 107	0,01
107 - 108	0,02
108 - 109	0,2
109 - 1010	2,0

Измерительные мосты переменного тока позволяют измерять активное сопротивление, индуктивность, емкость, тангенс угла диэлектрических потерь.

Эти мосты отличаются тем, что для их уравновешивания необходимо изменять два параметра - активное и реактивное сопротивления (рис. 3.26).

R₁

C_X

C₀

R₀ R₂

^O ~U_п ^O

Рис. 3.26

Класс точности измерительных мостов переменного тока обычно составляет 0,01.

2. Потенциометры и компараторы постоянного и переменного тока. Потенциометры. В потенциометрах постоянного тока (ППТ) используется компенсационный метод измерения, при котором измеряемое напряжение уравновешивается образцовым напряжением.

Выпускаются потенциометры с ручным уравновешиванием, полуавтоматические и автоматические потенциометры.

Упрощенная схема потенциометра постоянного тока с ручным уравновешиванием представлена на рис. 3.27. Здесь Е_Н - нормальный элемент; НИ - нуль индикатор; R_o - образцовый резистор; R_P - резистор установки рабочего тока; П - переключатель; R_C - резистор ступенчатого уравновешивания; R_П - резистор плавного уравновешивания; U_X - измеряемое напряжение.

Е_Н + U_X –

K И

П

U_K R_П

R₀ R_C

I_P

R_P + –

U_П

Рис. 3.27

В режиме «контроль» устанавливается рабочий ток потенциометра (переключатель П в положении «К»):

.

При соблюдении этого равенства нуль индикатор покажет «ноль».

Измерение производится в положении «И» переключателя П:

Значение измеряемого сопротивления считывается со шкал резисторов R_C и R_П. Таким образом, точность измерения определяется точностью нормального элемента.

Класс точности таких потенциометров - 0,001.

Автоматические потенциометры в качестве образцовых средств не применяются, а нашли применение в самопишущих приборах.

В потенциометрах переменного тока уравновешивание измеряемого напряжения производится по двум параметрам - по амплитуде и по фазе, поэтому эти потенциометры имеют две регулировки.

Класс точности потенциометров переменного тока - порядка 0,01.

Компараторы напряжения. В компараторах напряжения измеряемое напряжение сравнивается с образцовым напряжением, их разность усиливается и подается на показывающий прибор. Применение усилителя разности напряжений позволяет повысить точность измерения и расширить функциональные возможности прибора.

Упрощенная структурная схема компаратора приведена на рис. 3.28. Здесь U_X1, U_X2 - измеряемые напряжения; ДН - делитель напряжения; КОН - калибратор образцового напряжения; ДУ - дифференциальный усилитель; УН - усилитель напряжения; ПП - показывающий прибор.

U_X1

ДУ ΔU УН

U_X2 ПП

U_K

Рис. 3.28

Компаратор можно использовать как источник калиброванных напряжений, а также реализовать метод компарирования при поверке приборов и измерительных преобразователей.

Пример. Компаратор напряжения Р 3003.

Диапазон измеряемых напряжений - 0 ÷ 100 В.

Диапазон калиброванных напряжений - 10 нВ ÷ 100 В.

Класс точности - 0,0005.

Цифровые образцовые измерительные приборы. При поверке измерений широко применяются цифровые образцовые измерительные приборы, которые обладают следующими преимуществами:

1) высокая точность измерения;

2) высокое быстродействие;

3) автоматизация процесса измерения;

4) исключение погрешности отсчитывания;

5) возможность прямого ввода измерительной информации в ЭВМ.

Цифровые вольтметры. В цифровых вольтметрах применяются АЦП разного принципа действия. Наиболее точными являются АЦП двухтактного интегрирования.

Обычно образцовые цифровые вольтметры имеют микропроцессорное управление и позволяют измерять не только напряжение, но и токи, сопротивления, индуктивности и емкости.

Класс точности образцовых вольтметров - порядка 0,001.

Цифровые частотомеры. Цифровые частотомеры являются высокоточными приборами, которые широко используются в качестве образцовых.

Цифровой частотомер (например Z3 - 36) выполняет следующие функции:

1) измерение частоты синусоидальных и импульсных сигналов;

2) измерение периода этих сигналов;

3) измерение длительности импульсов;

4) измерение отношения частот;

5) выдача сигналов образцовой частоты.

Цифровые частотомеры относятся к одним из самых высокоточных приборов. Например, погрешность измерения частоты прибором Z3 - 36 определяется формулой

,

где δ_кв - погрешность кварцевого генератора (; f_H - значение измеряемой частоты, кГц; t_сч - время счета, мс; (1, 10, 10², 10³, 10⁴) мс.

Увеличивая время счета, можно уменьшать погрешность измерения частоты сигнала.

3.2.3. Меры неэлектрических величин

1. Меры длины. Меры длины предназначены для поверки приборов измерения линейных размеров и измерительных преобразователей линейных перемещений и размеров.

Меры длины подразделяются на концевые и штриховые.

Концевые меры длины. Эти меры имеют форму прямоугольного параллепипеда или цилиндра с двумя плоскими взаимно параллельными измерительными поверхностями (рис. 3.29).

l_H l_H

Рис. 3.29

Номинальный размер концевой меры соответствует середине измерительных поверхностей.

Меры комплектуются в наборы, позволяющие устанавливать с помощью нескольких мер требуемый размер. Высокоточные меры обладают свойством притираемости.

По точности изготовления концевые меры длины делятся на семь классов: 00; 0; 1; 2; 3; 4; 5. Например, мера 10 мм класса 00 имеет допустимое отклонение от номинального размера 0,05 мкм, а класса 5 - 4 мкм.

Меры класса 00 и 0 применяются только для поверки высокоточных образцовых приборов.

Рабочие микрометры с ценой деления 0,01 мм поверяются мерами 3 класса.

Штриховые меры длины. У штриховых мер номинальный размер обозначается штрихами, нанесенными на поверхностные меры. Штриховые меры могут быть однозначными и многозначными (рис. 3.30).

Рис. 3.30

Штриховые меры длины имеют 6 классов точности от 0 до 5. Точность штриховых мер существенно меньше, чем концевых. Например, штриховая мера длины с номинальным размером 100 мм 0 класса точности имеет погрешность 0,5 мкм, а 5 класса - 25,0 мкм.

2. Меры температуры. Для поверки термометров и датчиков используются термостаты, температура в которых поддерживается с помощью высокоточных образцовых термометров.

Кроме того, термометры и датчики температуры поверяются по температурам реперных точек, соответствующих переходу вещества из одного агрегатного состояния в другое.

При плавлении или кипении вещества температура его остается неизменной. Однако эта температура зависит от давления. Поэтому при создании реперных точек необходимо с высокой точностью контролировать давление.

Одной из реперных точек, позволяющих с высокой точностью задавать температуру, является тройная точка воды (рис. 3.31).

Р, Па

10⁶

Вода

Лед

10³

Пар

t,°C

-100 0 100 200

Рис. 3.31

Все три кривые сходятся в одной точке, называемой тройной точкой воды.

Температура этой точки 273,16 К (0,01°С) при давлении 610,6 Па.

Температура этой точки достаточно устойчивая.

Для воспроизведения температуры тройной точки воды используется специальная установка (рис. 3.32).

...... 5 1 – сосуд Дьюара (термостат);

...... 1 2 – лед;

.... 3 3 – ампула, заполненная дистиллированной

.... 2 водой;

... 4 – плавающий лед;

.. 4 5 – центральная трубка для поверяемого

.. термометра.

..

....

Рис. 3.32

Слой льда вокруг центральной трубки должен оттаять, чтобы трубка омывалась водой.

В центральной трубке сохраняется температура тройной точки воды в течение нескольких месяцев.

Погрешность воспроизведения температуры - 0,0001 К. Для установки используется дистиллированная вода с изотопным составом таким же, как и у океанской воды.

Точка кипения воды также используется в качестве реперной точки. При кипении воды необходимо измерять давление паров и вводить поправку по температуре. Поверяемые термометры помещают в насыщенные пары воды.

Промежуточные точки температуры создаются с помощью термостата, температура в котором измеряется с помощью стандартного платинового термосопротивления.

3.2.4. Образцовые средства измерения
неэлектрических величин

1. Средства измерения линейных размеров. Микрометрический инструмент. Основным элементом микрометра является микрометрический винт с шагом резьбы обычно 0,5 мм.

Погрешность изготовления микрометрического винта составляет 0,001 ÷ 0,005 мм.

Гладкий микрометр имеет две шкалы, при этом цена деления круговой шкалы составляет 0,01 мм. Для обеспечения постоянства измерительного усилия микрометрический винт снабжен трещеткой, обеспечивающей измерительное усилие порядка 5 ÷ 7 Н.

Рычажные микрометры имеют дополнительный рычажно-зубчатый механизм, соединенный с пяткой микрометра. Перемещение пятки преобразуется в угол поворота стрелки третьей шкалы с ценой деления 0,001 мм. Измерительное усилие этих микрометров задается пружиной пятки.

Для уменьшения теплового воздействия рук человека скоба микрометра покрыта теплоизолирующей накладкой.

Пример измерительных головок (измерителей часового типа) показан на рис. 3.33.

1 – измерительный щуп;

2 – зубчатая рейка;

3 – блок зубчатых колес;

4 4 – стрелка шкалы точного отсчета;

5 – стрелка шкалы грубого отсчета;

3 6 – поджимающая пружина

l_X 1

Рис. 3.33

Измерительные головки имеют шкалу грубого и точного измерения, что позволяет измерять линейные размеры с точностью до 0,01 мм. Поджимающая пружина «6» выбирает зазоры в зубчатых соединениях.

Оптико-механические измерительные приборы. Оптико-механические измерительные приборы предназначены для высокоточного измерения линейных размеров. Высокая точность измерения достигается применением механических и оптических рычагов. К Оптико-механическим измерительным приборам относятся оптикаторы, оптиметры, интерферометры, телевизионные микроскопы.

Оптикаторы (рис. 3.34).При перемещении щупа 1 поворачивается рычаг 3 и изменяется натяжение ленточной пружины 4. Зеркальце 5 поворачивается и отмечает луч света по шкале 7.

1 – измерительный щуп;

6 2 – диафрагменная пружина;

7 3 – механический рычаг;

4 4 – ленточная пружина;

5 – зеркальце;

6 – оптическая система;

3 7 – шкала отсчетного

5 устройства

l_X 1

Рис. 3.34

Оптикатор позволяет измерять линейные размеры с точностью до 0,01 мкм.

Интерферометры (рис. 3.35). Светоделительный кубик 2 образует два луча: луч 1 - опорный, луч 2 - рабочий. Эти два луча интерферируют в окуляре 6. По числу полос интерференции определяют измеряемый размер l_X.

1 1 – источник света;

2 – светоделительный кубик;

3 – неподвижное зеркало;

4 – подвижное зеркало;

3 5 – объект измерения;

2 2 6 6 – окуляр;

1 7 7 – глаз человека

l_X 5

Рис. 3.35

Промышленный интерферометр завода «Калибр» имеет следующие характеристики:

− диапазон измерения - 100 мм;

− цена деления - 0,1 мкм.

Телевизионные микроскопы. С помощью микроскопа получают увеличенное изображение объекта измерения, например топология микросхемы. Это изображение выводится на экран монитора. На этот же экран подаются импульсы образцовой частоты, с помощью которых образуется линейная шкала. По этой шкале определяется измеряемый размер.

Пример. Диапазон измерения - 400 мкм.

Цена деления - 0,01 мкм.

2. Образцовые средства измерения температуры. Стеклянные лабораторные термометры. Эти термометры позволяют измерять температуру с высокой точностью от 100 до +600°С. Термометры типа ТР (термометр ртутный) разбиты на поддиапазоны.

Пример:

ТР – I – 1 0 – 4°C;

TP – I – 2 4 – 8°C.

Цена деления на этих поддиапазонах - 0,01°С. Термометры ТР – II охватывают диапазон от 55 до 155°С и имеют цену деления 0,02°С.

Эталонные платиновые термометры. Международная практическая температурная шкала (МПТШ – 68) основана на ряде реперных точек. Температура между этими реперными точками устанавливается по эталонному платиновому термосопротивлению.

Используется отожженная чистая платиновая проволока с относительным сопротивлением

.

По изменению сопротивления определяется температура.

С помощью эталонного платинового термометра температура измеряется с точностью до 0,001°С.

В диапазоне температур свыше 630°С в качестве эталонного термометра используется платинородиевая термопара, которая предварительно калибруется по реперным точкам.

3. Образцовые средства измерения давления. Образцовые пружинные деформационные манометры. Эти манометры охватывают диапазон от 0 до 100 МПа.

Чувствительным элементом приборов является полая трубчатая пружина (трубка Бурдона). При подаче давления внутрь трубка распрямляется, и перемещение свободного конца трубки через передаточный механизм вызывает поворот стрелки отсчетного устройства. Образцовые пружинные манометры имеют класс точности 0,1.

Грузопоршневые манометры. Грузопоршневые манометры являются образцовыми мерами давления в диапазоне от 0 до 250 МПа.

Предназначены для поверки манометров и преобразователей давления.

Упрощенная схема грузопоршневого манометра приведена на рис. 3.36. Здесь 1 - корпус манометра; 2 - поршень, создающий давление; 3 - грузовая платформа; 4 - образцовый груз; 5 - рабочая жидкость; 6 - поверяемый манометр; 7 - вентиль.

4

mo 6

2 3

- - 7

- - - -

1 - - -

- - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 5

Рис. 3.36

Давление в рабочей жидкости создается поршнем 2 с помощью образцового груза 4. Вес груза

Давление в жидкости где S - площадь поршня.

Изменением массы грузов 4 устанавливается необходимое давление.

Это давление воспринимается поверяемым манометром 6. Для устранения влияния трения поршню 2 с грузами придают вращательное движение. Манометр снабжается комплектом калиброванных грузов.

Манометры выпускаются с классами точности 0,05; 0,02 и 0,01.

Жидкостные стеклянные манометры. Эти манометры предназначены для измерения малых давлений до 100 кПа.

Манометры подразделяются на двухтрубные U - образные и однотрубные чашечные манометры.

Схема двухтрубного манометра показана на рис. 3.37.

4 1 – стеклянная U – образная трубка;

2 – рабочая жидкость (ртуть, вода);

P_X 3 – шкала;

4 – шланг подвода измерительного

1 \ \ U давления

\ \

\ \

2 \ \

Рис. 3.37

При подаче давления Р_Х уровень жидкости в трубках изменяется на h.

Абсолютное давление , где Р_а - атмосферное давление; ρ - плотность рабочей жидкости.

Избыточное давление