Лабораторная работа № 1 по дисциплине: Метрология, стандартизация и сертификация. Вариант 09

1.ЦЕЛЬ РАБОТЫ.
1.1. Изучить методы поддержания единства измерений.
1.2. Изучить способы нормирования погрешностей средств измерений.
1.3. Изучить методику обработки результатов измерений с многократными наблюдениями.
1.4. Приобрести практические навыки измерения напряжения аналоговыми вольтметрами.
1.5. Освоить методику оценки случайной составляющей погрешности (не-определенности) средств измерений.
1.6. Приобрести навыки оценки погрешности средств измерений по метроло-гическим характеристикам.

2. ПРОГРАММА ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ
2.1. Провести многократные наблюдения напряжения аналоговыми вольт-метрами для определения зависимости погрешности (неопределенности) вольт-метра от его показаний.
2.2. Оценить случайную и систематическую составляющие погрешности единичных измерений аналоговым вольтметром путем обработки полученных результатов наблюдений.
2.3. Найти границы суммарной погрешности единичных измерений аналого-вым вольтметром и отобразить их графически в зависимости от показания воль-тметра.
2.4. Вычислить пределы основных допускаемых абсолютных погрешностей вольтметра, отобразить их на графике фактических границ суммарной погреш-ности аналогового вольтметра.
2.5. Произвести сравнение результатов экспериментальных исследований по-грешности аналогового вольтметра с метрологическими характеристиками при-бора. Сделать вывод о пригодности вольтметра к применению.

3. СОСТАВ ЛАБОРАТОРНОЙ УСТАНОВКИ
 При выполнении лабораторной работы используется компьютерная мо-дель лабораторного стенда, которая включает в себя:
3.1. Аналоговый вольтметр.
3.2. Образцовой вольтметр.
3.3. Регулируемый источник напряжения.

4. ПОДГОТОВКА К ВЫПОЛНЕНИЮ
ЛАБОРАТОРНОЙ РАБОТЫ

4.1. . Изучение теории .
4.1.1. Ознакомиться с теоретическим материалом, относящимся к данной ра-боте, по литературе [1] (стр. 27 – 43, 60 – 80, 82 – 84 ), [2] (стр.35 – 53, 62 – 66 , 112) [5] (стр. 74 – 79, 84 – 88) и электронному конспекту лекций.
4.1.2. Изучить описание данной работы и заготовить в бланке отчета табли-цы, оформленные в соответствии с указаниями к содержанию отчета.
 4.2. Требования к заготовке отчета.
Перед выполнением работы рекомендуем оформить заготовку отчета, ко-торая должна содержать:
- титульный лист;
- номер и наименование лабораторной работы;
- формулировку цели работы;
- программу работы;
- перечень применяемых приборов по форме табл. 4.1, 4.2;
- схему измерений, выполненную в соответствии с требованиями стандар-тов;
- таблицы для записи результатов наблюдений и измерений;
- расчетные формулы и формулы оценки погрешностей.
Таблица 4.1
Основные метрологические характеристики аналогового вольтметра.
Тип вольтметра  
Тип преобразователя 
Вид градуировки 
Нормальные условия эксплуатации 
Диапазон частот 
Пределы измерения напряжения, В 
Входное сопротивление, Ом 
Входная емкость, пФ 
Пределы допускаемой основной погрешности
измерения либо класс точности 
Пределы допускаемых дополнительных
погрешностей 
Таблица 4.2
Основные метрологические характеристики образцового вольтметра.
Тип вольтметра  
Тип преобразователя 
Вид градуировки 
Нормальные условия эксплуатации 
Диапазон частот 
Пределы измерения напряжения, В 
Входное сопротивление, Ом 
Входная емкость, пФ 
Пределы допускаемой основной погрешности
измерения либо класс точности 
Пределы допускаемых дополнительных
погрешностей 


4.3. Контрольные вопросы.
4.3.1.Основные метрологические характеристики вольтметров переменного тока.
4.3.2. Основная и дополнительные погрешности средств измерений.
4.3.3. Абсолютная, относительная и приведенная погрешности.
4.3.4. Систематическая и случайная составляющие погрешности измерения: причины возникновения, формы проявления, законы распределения случайных погрешностей.
4.3.5. Методики оценки систематической составляющей погрешности при-бора.
4.3.6. Определение доверительного интервала случайной составляющей по-грешности при заданной доверительной вероятности для результата наблюдения и результата измерения.
4.3.7. Вариация показаний прибора.
4.3.8. Способы нормирования погрешностей измерительных приборов: клас-сы точности приборов, использующих для отображения измерительной инфор-мации шкальные измерительные механизмы.
4.3.9. Определение пределов допускаемых основных абсолютной и относи-тельной погрешностей прибора по его классу точности.
4.3.10. Правила суммирования погрешностей.
4.3.11. Формы представления результата измерения.

5. Методические указания по выполнению лабораторной работы.

5.1. Описание лабораторного стенда
Лабораторный стенд представляет собой LabVIEW компьютерную модель, располагающуюся на экране персонального компьютера. На стенде находятся модели: электромагнитного вольтметра; электронного аналогового вольтметра; генератора сигналов (рис.5.1).

При выполнении лабораторной работы модели средств измерений и вспо-могательных устройств выполняют описанные ниже функции.
Модель электромагнитного вольтметра используется при моделировании процесса прямых измерений среднеквадратического значения напряжения сиг-нала синусоидальной формы методом непосредственной оценки. При вы-полнении работы модель электромагнитного вольтметра служит образцовым средством измерений, с помощью которого методом сличения определяют (контролируют) погрешность рабочего средства измерений.
Модель электронного аналогового вольтметра используется при моделиро-вании процесса прямых измерений среднеквадратического значения напряжения сигнала синусоидальной формы. При выполнении работы модель выполняет роль рабочего (поверяемого) средства измерений, погрешность которого под-лежит определению.
Модель генератора сигналов используется в качестве источника электриче-ского сигнала синусоидальной формы с плавной регулировкой амплитуды и ча-стоты генерируемого сигнала. 
Схема соединения приборов при выполнении работы No 2.2 соответствует рисунку 5.2.
 5.2. Подготовка стенда к работе.
  Установите на компьютере программу LVRunTimeEng, при необходимости разархивируйте файл LR_2_2 и запустите программу стенда лабораторной ра-боты No 2.2 LR2_2.ехе. На появившемся экране нажмите кнопку «Выполнить». На экране компьютера появятся изображение лабораторного стенда с моделями средств измерений и вспомогательных устройств (рис. 5.1)
 Ознакомьтесь с расположением моделей отдельных средств измерений на лабораторном стенде.
 Подготовьте к работе модель электромагнитного вольтметра, установив с помощью ползункового переключателя предел измерений равным 15 В.
 Подготовьте к работе модель электронного аналогового вольтметра:
• включите модель вольтметра с помощью кнопки «Вкл.»;
• с помощью переключателя «~/=» выберите род работы модели, соответ-ствующий измерению переменного напряжения;
• установите предел измерений вольтметра равным 10 В.
 Подготовьте к работе модель генератора сигналов:
• включите модель генератора с помощью кнопки «Вкл.»;
• установите, ориентируясь на стрелочный индикатор, амплитуду выходного сигнала равной нулю;
• установите частоту выходного сигнала равной примерно 50 Гц.
 Опробуйте модели средств измерений: плавно изменяйте напряжение на вы-ходе генератора сигналов и следите за показаниями вольтметров. Изменяя диа-пазон измерений вольтметров, амплитуду и частоту выходного сигнала, просле-дите за изменениями показаний приборов и убедитесь в их работоспособности.

 5.3. Проведение многократных наблюдений аналоговым вольтметром для определения зависимости погрешности (неопределенности) вольтметра от его показаний
 Приготовьте таблицу 5.3 для записи результатов наблюдений. Исследование провести для трех значений напряжения (в трех точках шкалы: U1 - в начале, U2 - в середине и U3 - в конце одного предела измерения) в соответствии с Вашим вариантом задания в таблице 5.1.
Таблица 5.1
Варианты задания для выполнения лабораторной работы No2.2.
точки
для
исследо-вания последняя цифра номера зачетной книжки (пароля)
 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
U1, B 1 2 3 2 1 3 2 3 1 4
U2, B 3 4 5 5 4 6 6 7 5 6
U3, B 7 8 9 7 9 8 9 9 8 8
вероятность
Pдов 0,9 0,98 0,95 0,99 0,95 0,9 0,95 0,98 0,99 0,9

Таблица 5.2
Варианты задания для выполнения лабораторной работы No2.2.
параметр
поверки предпоследняя цифра номера зачетной книжки (пароля)
 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9
f, частота Гц 40 60 80 100 200 600 800 1000 400 20
n, число
наблюдений 7 5 6 7 5 6 7 5 6 7

5.3.1. Убедитесь, что схема соединения приборов на стенде соответствует схеме измерения на рис. 5.2.
 Обратите внимание! Предел допускаемой погрешности образцового воль-тметра должен быть, по крайней мере, в три раза меньше предела допускаемой погрешности исследуемого вольтметра.
 
 5.3.2. Выбрать и установить пределы измерения Uк обоих вольтметров, близкими к наибольшему значению напряжения из трех значений, заданных в таблице 5.1. Установить на источнике заданную частоту сигнала (таблица 5.2).
5.3.3. Регулируя напряжение источника, установить стрелку на отметку (оцифрованную риску) U1 на шкале исследуемого вольтметра в соответствии с заданием (см.таблицу 5.3). Записать показание UО1 образцового вольтметра в таблицу 5.3. (столбец 2). Выполнить n наблюдений, каждый раз расстраивая и тщательно устанавливая указатель как можно точнее на отметку U1 шкалы ис-следуемого вольтметра.
5.3.4. Повторить наблюдения по п. 5.3.3 для значений U2 и U3 . Показания образцового вольтметра UОi занести в 6-й и 10-й столбцы табл. 5.3 соответ-ственно.
 5.4. Оценка случайной и систематической составляющих погрешности еди-ничных измерений (результатов наблюдений) аналоговым вольтметром.
 Обработать результаты наблюдений напряжений U1, U2, U3 следующим об-разом.
5.4.1. Вычислить абсолютную погрешность каждого наблюдения I , содер-жащую систематическую и случайную составляющие погрешности измере-ния
        i = Uj – Uоi         ( 5.1. )
и записать их значения в 3-й, 7-й и 11-й столбцы; внизу каждого столбца поме-стить алгебраическую сумму

где Uj принимает значения U1 , U2 и U3 соответственно.

5.4.2. Оценить систематическую составляющую погрешности
         ,       (5.2)
которая постоянна для каждого значения напряжения U1, U2,U3.

У к а з а н и е. Абсолютная погрешность отдельного наблюдения i является суммой систематической cj и случайной погрешности i
5.4.3. Вычислить случайные составляющие погрешности каждого наблюдения и записать их значения в 4-й, 8-й, 12-й столбцы. Если вычисления верны, сумма .

  Таблица 5.3.Результаты наблюдений и расчета составляющих основной погрешности исследуемого вольтметра
i U1 = B U2 = B U3 = B
 U0j В i
В 
В 
В2 U0i
В i
В 
В  В2
U0i
В i
В 
В  В2

1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13
12

i

n            
            
c1 = В c2 = В c3 = В
S1 = В S2 = В S3 = В
Рдов = n = t =

дов.1 = В  дов.2 = В  дов.3 = В
= В
= В
= В
= В
= В
= В

Пределы допускаемой абсолютной погрешности вольтметра пред: ± В

  5.4.4. Найти квадраты случайных составляющих погрешночсти и полученные значе6ния занести в 5-й, 9-й и 13-й столбцы, а внизу каждого из них поместить суммы этих квадратов
5.4.5. Определить оценку среднего квадратического отклонения случайной составляющей погрешности вольтметра по формуле

          ( 5.4.).

Найденные значения S1, S2, S3 округлите в соответствии с нормативными документами (см. раздел 7.2.3 данной работы и COURSE88, контрольные рабо-ты, тема5, п.8) и поместите в табл.5.3. Перед округленным значением укажите неокругленное значение, чтобы можно было оценить верность округления.

5.4.6. Вычислить доверительный интервал случайной составляющей по-грешности вольтметра.
=SJ*t (5.5)

где t – коэффициент, значение которого зависит от заданной доверительной ве-роятности Рдов и числа наблюдений n.
 Округлите вычисленный доверительный интервал в соответствии с норма-тивными документами (см. раздел 7.2.3 данной работы и COURSE88, контроль-ные работы, тема5, п.8) и поместите в табл.5.3. Перед округленным значением укажите неокругленное значение, чтобы можно было оценить верность округ-ления.

У к а з а н и е. Предполагая, что закон распределения случайной составляющей погрешности нормальный, коэффициент t, при малом числе наблюдений, опре-деляется распределением Стьюдента. Значение коэффициентов t можно опре-делить по таблицам в учебниках [1] (стр.413 ) и [2] ( стр.418 ).

 П р и м е ч а н и е. Полученные значения составляющих основной погрешно-сти вольтметра являются лишь приближенными оценками. Если необходимо улучшить точность этих оценок, то нужно при низменных условиях измерений увеличить число наблюдений n вплоть до нескольких сотен, сделать заключение о характере закона распределения случайной составляющей погрешности с по-мощью процедуры проверки согласия опытного и теоретического распределе-ний.
5.5. Определение границ суммарной погрешности единичных измерений ана-логовым вольтметром
5.5.1.Оценку суммарной основной абсолютной погрешности вольтметра вы-полняют на основании формулы (5.3) вычисляя как (UJ) = cJ довJ .
5.5.2. Построить график, характеризующий область значений основной по-грешности   (U), полученных экспериментально при напряжениях U1,U2,U3:  


Значения cJ и возьмите из табл.5.3. Примерный вид графика приве-ден на рис.5.3.
5.6. Определение пределов допускаемых погрешностей аналогового вольт-метра.
 5.6.1. По метрологическим характеристикам исследуемого вольтметра вы-числить пределы основной допускаемой абсолютной погрешности. Если класс точности прибора нормирован приведенной погрешностью , область допуска-емой абсолютной суммарной погрешности определяется с помощью формулы:
пред = ± · Uk /100 , В    (5.7)

Если пределы основной допускаемой абсолютной погрешности прибора харак-теризуется двучленной формулой вида

пред = ± (с + d ( | Uk / U | -1 ) ) , % (5.8 )

то область допускаемой основной абсолютной погрешности вычисляется по формуле

пред. = ± ( с / 100) ∙U + ( d / 100) ∙ ( │Uk│- U ), В (5.9 )

В формулах (5.7.), (5.8.) и (5.9.) Uk – конечное значение установленного преде-ла измерения, в формулах (5.8 ), ( 5.9 ) U – показание прибора.
 5.6.2. Нанести область границ (пределов) допускаемых погрешностей иссле-дуемого вольтметра на рисунок, на котором уже отображен график, характери-зующий область значений основной погрешности  (U), полученный экспе-риментально.
 5.7. Сравнение результатов экспериментальных исследований погрешности аналогового вольтметра с метрологическими характеристиками прибора.  Используя построенный график, сравните результаты экспериментальных исследований погрешности аналогового вольтметра с метрологическими харак-теристиками прибора. Если область экспериментальных значений не выходит за границы допускаемых погрешностей прибора, то он пригоден к измерениям. Сделайте вывод о пригодности вольтметра к применению по результатам Ваше-го эксперимента.
 
6. ТРЕБОВАНИЯ К ОТЧЕТУ:
6.1. Отчет по лабораторной работе должен быть оформлен каждым студен-том в соответствии со своим вариантом (паролем) задания.
6.2. Удовлетворять всем требованиям к заготовке отчета (см. п. 4.2.) и дол-жен содержать:
- титульный лист;
- номер и наименование работы;
- формулировку цели работы;
- программу работы;
- метрологические характеристики основных измерительных приборов;
- схему измерений в соответствии с программой лабораторной работы, оформленную в соответствии со стандартами;
- расчетные формулы по обработке результатов наблюдений и измерений, а также формулы для оценки погрешностей по каждому пункту программы лабо-раторной работы; при этом необходимо указать источник (литературный или электронный конспект (ЭК), или контрольное задание (КЗ), или методические указания к лабораторной работе), из которого взята данная формула, со ссылкой на номер страницы или формулы, список использованных источников информа-ции привести в конце отчета;
- результаты экспериментальных исследований в таблицах;
- результаты обработки экспериментальных данных в форме таблиц, графи-ков и результатов измерений, оформленных в соответствии с нормативными до-кументами;
- выводы по каждому пункту программы лабораторной работы и выводы по работе в целом в завершении отчета.
6.3. При выполнении численных расчетов надо записать расчетную формулу определяемой величины, сделать соответствующую численную подстановку и произвести вычисления.
6.4. Графики и рисунки выполнять в удобном для обработки масштабе. По-ле графиков должно быть не менее 170х120 мм, координатные оси графиков должны быть обозначены, указаны единицы измерения и масштаб.
6.5. Необходимо пользоваться общепринятыми условными обозначениями величин и сокращениями названий.
6.6. Выводы по работе должны отражать результаты изучения теории и ана-лиза полученных экспериментальных данных, давать характеристику исследо-ванным методам и средствам измерения в отношении точности, производитель-ности, сложности, удобства и экономичности измерений, то есть выявлять их достоинства и недостатки. Не следует в выводах перечислять пункты задания и приводить полученные результаты.
6.7. Привести список использованных источников информации и ссылки на него в тексте работы.
6.8. Не следует включать в отчет весь текст настоящих методических ука-заний и теоретический материал из конспекта лекций.

Лабораторная работа 2 11.01.2021 17.01.2021 Зачет Уважаемый , Сметанин Владимир Иванович