Методы и средства измерений

Размещено на http://allbest.ru

Содержание

Введение

1. Краткое описание, область применения и основные технические характеристики поверяемого средства измерения

2. Выбор и обоснование рабочих эталонов

3. Условия, при которых проводится поверку, последовательность и содержание операций поверки

3.1 Условия, при которых следует проводить поверку

3.2 Операции поверки

3.3 Последовательность и содержание операций поверки

4. Метрологическая оценка погрешностей, сопутствующих поверочным операциям, и способы их уменьшения

4.1 Методы уменьшения погрешности измерений

4.2 Методы уменьшения случайных погрешностей

4.3 Методы уменьшения систематических погрешностей

5. Оформление результатов поверки

Заключение

Список используемой литературы

Введение

Измерения играют важную роль в жизни человека. С измерениями он встречается на каждом шагу своей деятельности, начиная от определения расстояний на глаз и заканчивая контролем сложных технологических процессов и выполнением научных исследований [1].

Имеется тесная связь между достижениями производства и возможностями измерительной техники. Любое современное производство немыслимо без точного, объективного контроля технологического процесса, осуществляемого с помощью средств измерений. Улучшение качества продукции и повышение производительности в значительной степени обусловлены тем, насколько хорошо оснащено и организовано измерительное хозяйство предприятия. Автоматизация производства также невозможна без измерений, так как нельзя управлять объектом, не имея информации об объекте. С другой стороны, достижения производства в области получения новых материалов, новых элементов с расширенными функциональными свойствами, новой технологии отражаются на характеристиках средств измерений, создаются возможности для разработки принципиально новых средств измерений.

Среди аналитических измерений, используемых в автоматических системах управления технологическими процессами (АСУТП), важную роль играют измерения влажности веществ, своевременная информация о которой служит основанием для принятия решений, влияющих на качество готовой продукции.

Решение важнейших научно-технических задач, в том числе проблемы обеспечения качества продукции, в значительной степени зависит от достижения единства и достоверности измерений [2].

Единство измерений - состояние измерений, при котором их результаты выражены в допущенных к применению в Российской Федерации единицах величин, а показатели точности измерений не выходят за установленные границы [3].

Существуют принципы обеспечения единства измерений, к основным из которых относятся:

- применение только узаконенных единиц физических величин [4];

- воспроизведение физических величин с помощью государственных эталонов;

- применение узаконенных средств измерений, которые прошли государственные испытания и которым переданы размеры единиц физических величин от государственных эталонов [5];

- обязательный периодический контроль через установленные промежутки времени характеристик применяемых средств измерений;

- гарантия обеспечения необходимой точности измерений при использовании поверенных средств измерений и аттестованных методик выполнения измерений;

- использование результатов измерений только при условии оценки их погрешности с заданной вероятностью;

- систематический контроль за соблюдением метрологических правил и норм.

Для реализации этих принципов созданы необходимые научная, техническая и организационная основы.

1. Краткое описание, область применения и основные технические характеристики поверяемого средства измерения

В данной аттестационной работе описывается поверка анализатора влажности Xentaur модификации XPDM.

Анализатор влажности Xentaur модификации XPDM предназначен для измерений температуры точки росы в различных газах, включая природный и газовых смесях [6].

В анализаторе влажности Xentaur модификации XPDM используется сорбционно-емкостной принцип действия, основанный на поглощении содержащейся в газе влаги датчиком, выполненным по тонкопленочной технологии из пористого оксида алюминия Al₂O₃, покрытого сверху золотой пленкой.

Равномерная пористая структура сенсора обеспечивает большую устойчивость к повреждающим воздействиям и стабильность эксплуатационных характеристик.

Рисунок 1 - Структура и свойства чувствительного элемента.

метрологический погрешность поверка прибор влажность

Прибор имеет встроенный микропроцессорный контроллер и представляет результаты измерений влажности в единицах температуры точки росы, °С, либо позволяет их перевод, для справки, в единицы абсолютной влажности (ppm (об. долях млн^-1)), либо в г/м³, а также обеспечивает простую процедуру коррекции калибровочной кривой. Контроллер формирует стандартные выходные аналоговые сигналы, подаваемые на внешние регистрирующие приборы, а также интерфейс RS232, HART.

Рисунок 2 - Система хранения сенсора в сухом состоянии.

1. Входящий газ; 2. Исходящий газ; 3. Поршень; 4. Корпус измерительной ячейки; 5. Чувствительный элемент; 6. Пружинное уплотнение; 7. Кнопка ручного управления; 8. Камера с влагопоглотителем; 9. Полость картриджа; 10. Электронная плата; 11. Корпус прибора.

Анализатор влажности Xentaur модификаций XPDM имеет портативное конструктивное исполнение проточного типа с автономным источником питания. Прибор имеет малые размеры и массу, автоматическую проверку диапазона и отличается простотой управления. Чтобы достичь минимального времени отклика, в анализаторе реализована система хранения датчика в сухом состоянии посредством его периодического помещения в камеру с осушителем (рис.2). В анализаторе влажности Xentaur модификации XPDM могут применяться любые из сенсоров XTR-60, XTR-65, XTR-100 или, используемый для измерений влаги в непроводящих жидкостях XTR-LQ. Последний также поверяется в газовой среде.

Анализатор влажности Xentaur модификаций XPDM изготовлен во взрывозащищенном исполнении и имеет соответствующую маркировку, может применяться во взрывоопасных зонах, требующих маркировки по взрывозащите ExiaIIСТ4

Рисунок 3 - Внешний вид преобразователей влажности модификация XPDM.

Анализатор влажности Xentaur модификации XPDM имеет встроенное программное обеспечение (программа “Xentaur firmware” для модификации XPDM записанная в ППЗУ микроконтроллера анализаторов).

Встроенное программное обеспечение разработано изготовителем прибора для решения задач измерения влажности газов, перевода результатов измерений влажности в различные единицы.

Программное обеспечение управляет работой микропроцессора, обеспечивающего функционирование всего прибора и выполнение функций сбора, хранения и отображения на индикаторе прибора результатов измерений влажности и температуры, а также их подготовки к считыванию внешним персональным компьютером [7].

Идентификационные данные программного обеспечения анализатора влажности Xentaur модификации XPDM приведены в таблице 1.

Таблица 1

Наименование программного обеспечения	“XPDM Software”
Идентификационное наименование программного обеспечения	Xentaur firmware
Номер версии программного обеспечения	5.2.2
Цифровой идентификатор программного обеспечения (контрольная сумма исполняемого кода)	691F97
Алгоритм вычисления цифрового идентификатора программного обеспечения	CRC32

Уровень защиты программного обеспечения от преднамеренных и непреднамеренных изменений соответствует уровню защиты «С».

Влияние программного обеспечения на метрологические характеристики учтено при нормировании метрологических характеристик.

Основные метрологические и технические характеристики анализатора влажности Xentaur модификации XPDM приведены в таблице 2.

Таблица 2

Параметр	Значение
Диапазон измерений температуры точки росы, °С сенсор XTR-65 сенсор XTR-100	от минус 65 до плюс 20 от минус 80 до плюс 20
Пределы допускаемого значения абсолютной погрешности, °С	± 2,0
Диапазон показаний температуры точки росы, °С сенсор XTR-100	от минус 100 до плюс 20
Выходной сигнал (дополнительная комплектация)	4 - 20 мА RS-232
Габаритные размеры, не более, мм электронный блок: длина ширина высота	190 160 135
Масса, не более, кг электронный блок	4,5 (с системой пробоподготовки)
Напряжение питания, В	9
Потребляемая мощность, Вт	1,0
Срок службы, лет	10
Средняя наработка на отказ, ч	25000
Максимальное рабочее давление, МПа	0,7 34 (доп.комплектация)
Температура анализируемого газа, °C	от минус 30 до плюс 50
Максимальная скорость газового потока: при давлении выше 0,1 МПа, л/мин	20
Условия эксплуатации: диапазон температуры окружающего воздуха, °C: датчик электронный блок диапазон атмосферного давления, кПа относительная влажность, не более, %	от минус 30 до плюс 50 от минус 10 до плюс 50 от 84 до 104,7 80

2. Выбор и обоснование рабочих эталон

Достоверность результатов поверки определяется, прежде всего, правильностью выбора средств поверки и в первую очередь -- рабочих эталонов. Рабочий эталон, предназначен для передачи единицы величины или шкалы измерений средствам измерений [8].

В нормативных документах, регламентирующих порядок поверки в разделе «Средства поверки» приводится таблица с перечнем рекомендуемых средств измерений и оборудования с указанием метрологических характеристик. Допускается применение других средств измерений, не приведенных в таблице, но обеспечивающих определение метрологических характеристик с требуемой точностью [9].

Для обеспечения правильной передачи размера единиц физической величины во всех звеньях метрологической цепи принят определенный порядок, который устанавливается в виде поверочной схемы.

В нашем случае в качестве государственной поверочной схемы используется ГОСТ 8.547-2009 «ГСИ. Государственная поверочная схема для средств измерений влажности газов» [10].

Согласно МП-242-1488-2013 «Анализаторы влажности Xentaur модификаций XPDM, XDT, LPDT, HDT. Методика поверки», утвержденная ГЦИ СИ ФГУП «ВНИИМ» им. Д.И. Менделеева» 15.01.2013 г, к средствам поверке предъявлены следующие требования:

- Генератор влажного газа эталонный, диапазон воспроизведения температуры точки росы от минус 79 до плюс 20 °С.

- Барометр-анероид М-98, ТУ 25-11-1316-76.

- Психрометр аспирационный М-34-М. ГРПИ.405132.001ТУ, диапазон

измерений относительной влажности от 10 до 100 %, погрешность не более ± 4,0 %.

Все средства поверки должны иметь действующие свидетельства о поверке.

Учитывая требования к средствам поверки [11], предъявленные в методике поверке и в государственной поверочной схеме, а также технические возможности метрологической службы нашего предприятия были выбраны следующие средства поверки:

1. Эталон единицы влажности газов 1 разряда в диапазоне значений от минус 100 до плюс 20 °С. Регистрационный № 3.2.АКА.0040.2014.

В составе:

- генератор влажного газа VDS-3, зав. № 136795, диапазон воспроизведения от минус 100 до плюс 20 °С, ПГ ± 0,2 °С;

- гигрометр точки росы S4000TRS, зав. № 136999, диапазон воспроизведения от минус 100 до плюс 20 °С, ПГ ± 0,2 °С;

- осушитель PSD-4, зав. № 136852, точка воспроизведения минус 100 °С.

2. Прибор комбинированный Testo 622, зав. № 39506099/404.

Диапазоны измерений:

- абсолютное давление от 300 до 1200 гПа, ПГ ± 5 гПа.

- относительная влажность от 10 до 95 %, ПГ ± 3 %,

- температура от 0 до 50 °С, ПГ ± 0,4 °С,

3 Условия, при которых проводится поверка, последовательность и содержание операций поверки

3.1 Условия, при которых следует проводить поверку

При проведении поверки должны быть соблюдены следующие условия:

- температура окружающей среды (20 ± 5) °С;

- атмосферное давление от 90,6 до 104,8 кПа;

- относительная влажность воздуха от 30 до 80 %.

3.2 Операции поверки

При проведении поверки должны быть выполнены следующие операции [12]:

Внешний осмотр

Опробование

- Опробование преобразователя;

- Подтверждение соответствия программного обеспечения.

Определение метрологических характеристик

- Определение погрешности анализатора.

Если при проведении той или иной операции поверки получен отрицательный результат, дальнейшая поверка прекращается.

3.3 Последовательность и содержание операций поверки

При проведении поверки необходимо выполнить следующие операции:

Внешний осмотр

Для анализатора должны быть установлены:

- четкость надписей на лицевой панели.

Анализатор влажности Xentaur считается выдержавшим внешний осмотр удовлетворительно, если он соответствует перечисленным выше требованиям.

Опробование

- Опробование преобразователя.

При проведении опробования производится включение анализатора. Убедиться, что на аналоговом выходе прибора появляется сигнал, батарея заряжена.

- Подтверждение соответствия программного обеспечения.

Встроенное программное обеспечение идентифицируется следующим образом.

Подтверждение соответствия программного обеспечения у анализатора Xentaur модификации XPDM проводится сличением версии ПО, указанной на идентификационной наклейке платы электроники СИ.

Результаты идентификации программного обеспечения считают положительными, если номер версии совпадает с указанным в таблице 1.

Определение метрологических характеристик

- Определение погрешности анализатора в рабочем диапазоне измерений производится следующим образом.

Анализатор влажности Xentaur модификации XPDM подключается к выходу генератора влажного газа VDS-3.

В генераторе в соответствии с руководством по эксплуатации устанавливают последовательно пять значений температуры точки росы в диапазоне от минус 80 до плюс 20 °С.

Устанавливать значения температуры точки росы следует равномерно по всему диапазону.

Допускается отступать от крайних значений диапазона на 5 °С.

После выхода генератора на заданный режим записывают три подряд измеренных анализатором значения температуры точки росы и соответствующие им показания генератора, после чего определяется погрешность в заданной точке по формуле:

(1)

где: - показания анализатора;

- действительное значение температуры точки росы, создаваемое в генераторе.

Прибор считается выдержавшим поверку, если максимальное значение погрешности при заданном значении температуры точки росы не превышает ± 2,0 °С.



4. Метрологическая оценка погрешностей, сопутствующих поверочным операциям, и способы их уменьшения

Любой процесс сопоставления меры с измеряемым объектом никогда не может быть идеальным в том смысле, что процедура, повторенная несколько раз, обязательно даст различные результаты. Поэтому, с одной стороны, невозможно в процессе измерения сразу получить истинное значение измеряемой величины, и, с другой стороны, результаты любых двух повторных измерений будут отличаться друг от друга. Причины возникновения погрешностей могут быть самыми разнообразными, но условно их можно разделить на две группы.

Первая группа возникновения погрешностей - возможные изменения свойств самого измеряемого объекта. Например, под влиянием температуры может измениться давление в замкнутом объеме газа, может измениться сопротивление проводника, коэффициент отражения поверхности и т. д.

Вторая группа возникновения погрешностей - несовершенство средств измерений, несовершенство методики измерений или недостаточная квалификация и тщательность работы оператора. Этот тезис достаточно очевиден, тем не менее, оценивая погрешности измерений, нередко забывают о том, что эти факторы нужно учитывать в комплексе [13].

Описанные причины возникновения погрешностей определяются совокупностью большого числа факторов, под влиянием которых складывается суммарная погрешность измерения. Их можно объединить в две основные группы (рис.4):

1. Факторы, проявляющиеся весьма нерегулярно и столь же неожиданно исчезающие или проявляющиеся с интенсивностью, которую трудно предвидеть. К ним относятся, например, перекосы элементов приборов в их направляющих, малые флюктуации влияющих величин, изменения внимания операторов и др.

Доля, или составляющая, суммарной погрешности измерения, определяемая действием факторов этой группы, называется случайной погрешностью измерения.

Ее основная особенность в том, что она случайно изменяется при повторных измерениях одной и той же величины.

Рисунок 4 - Классификация погрешностей измерений

При создании измерительной аппаратуры и организации процесса измерения в целом интенсивность проявления большинства факторов данной группы удается свести к общему уровню, так что все они влияют более или менее одинаково на формирование случайной погрешности.

Однако некоторые из них, например внезапное падение напряжения в сети электропитания, могут проявиться неожиданно сильно, в результате чего погрешность примет размеры, явно выходящие за границы, обусловленные ходом эксперимента в целом.

Такие погрешности в составе случайной погрешности называются грубыми. К ним тесно примыкают промахи - погрешности, зависящие от наблюдателя и связанные с неправильным обращением со средствами измерений, неверным отсчетом показаний или ошибками при записи результатов. Их надо отбросить.

В сомнительных случаях вопрос о том, является ли данный результат промахом, решают с помощью повторного, если возможно, более точного эксперимента или, привлекая математические методы обработки полученных результатов [14].

Приборные погрешности определяются двумя факторами:

1) классом точности прибора, связанным с его устройством - элементной базой и принципом действия.

2) ценой делений шкалы прибора, т.е. расстояние между ближайшими штрихами шкалы, выраженное в соответствующих единицах измерения.

Погрешности разброса возникают вследствие различия экспериментальных значений при многократном повторении измерений одной и той же величины.

2. Факторы, постоянные или закономерно изменяющиеся в процессе измерительного эксперимента, например плавные изменения влияющих величин или погрешности применяемых при измерениях образцовых мер.

Составляющие суммарной погрешности, определяемые действием факторов этой группы, называются систематическими погрешностями измерения. Их отличительная особенность в том, что они остаются постоянными или закономерно изменяются при повторных измерениях одной и той же величины.

Таким образом, мы имеем два типа погрешностей измерения:

- случайные (в том числе грубые погрешности и промахи), изменяющиеся случайным образом при повторных измерениях одной и той же величины;

- систематические погрешности, остающиеся постоянными или закономерно изменяющиеся при повторных измерениях.

В процессе измерения оба вида погрешностей проявляются одновременно, и погрешность измерения можно представить в виде суммы:



(2)

где: д- случайная погрешность, и - систематическая погрешность.

Для получения результатов, минимально отличающихся от истинных значений величин, проводят многократные наблюдения за измеряемой величиной с последующей математической обработкой опытных данных.

4.1 Методы уменьшения погрешностей измерений

Общим методом уменьшения погрешностей является конструктивно- технологический метод, основанный на выявлении и устранении причин и источников возникновения погрешностей.

Примерами использования такого метода являются: термостатирование прибора (для исключения температурной погрешности), применение экранов и фильтров (для уменьшения погрешностей от влияния электромагнитных полей, наводок) и др. Во многих случаях использование данного метода для достижения требуемой точности измерения встречает большие затруднения и может привести к резкому возрастанию стоимости средств измерений [15].

4.2 Методы уменьшения случайных погрешностей

Усреднение результатов многократных наблюдений при постоянстве значения измеряемой величины является наиболее эффективным методом уменьшения случайной погрешности измерения. При проведении многократных (n) наблюдений одного и того же значения физической величины во многих случаях в качестве результата измерения выбирается среднее значение результатов наблюдений.

В этом случае среднее квадратическое отклонение результата измерения уменьшается в n раз.

Эффективным способом уменьшения действия помех, следовательно, и случайной погрешности является фильтрация. Целью фильтрации является получение оптимальной оценки измеряемой величины.

Погрешность оценки представляет функцию времени. В качестве критерия оптимальной оценки используют некоторый функционал от погрешности оценки на временном интервале наблюдения.

Для реализации оптимальной фильтрации необходима информация о характеристиках измеряемой величины и помехи. Различают линейную и нелинейную фильтрацию. Следует отметить, что в средствах измерения линейная фильтрация реализуется более просто, чем нелинейная и применяется чаще. При правильном выборе фильтра погрешность от действия помех становится минимальной.

4.3 Методы уменьшения систематических погрешностей

Для уменьшения систематической погрешности наибольшее распространение получили следующие методы: введение поправок, метод замещения, метод компенсации погрешности по знаку.

Введение поправок является широко используемым методом исключения систематических погрешностей. Поправкой называют величину, которую надо прибавить к результату измерения с целью исключения систематической погрешности.

Метод замещения является одним из наиболее распространенных методов устранения большинства систематических погрешностей и заключается в том, что воздействие на измерительный прибор измеряемой величины заменяется эквивалентным, известным воздействием на прибор регулируемой меры. Измерение осуществляется в два этапа.

При сохранении условий эксперимента неизменными, за результат измерения принимается значение известной величины, определяемое по указателю переменной меры. Погрешность измерения при этом будет определяться погрешностью меры и случайной погрешностью измерительного прибора, умноженной на 2. Метод замещения широко используется для повышения точности измерения величин, для которых существуют точные регулируемые меры.

Метод компенсации погрешности по знаку применяется для исключения известных по природе, но неизвестных по значению погрешностей, источники которых имеют направленное действие (например, погрешности от влияния магнитных полей).

Для устранения таких погрешностей измерения проводят дважды (или четное число раз) так, чтобы систематическая погрешность входила в результаты измерений с противоположными знаками. Среднее значение из двух полученных результатов является окончательным результатом измерения.

5. Оформление результатов поверки

Согласно приказа № 1815 от 2 июля 2015года «Порядок проведение поверки средства измерений, требования к знаку поверки и содержанию свидетельства о поверке», требования к оформлению результатов поверки средств измерений указываются в соответствующем разделе методики поверки «Оформление результатов поверки» [16].

В соответствие с МП-242-1488-2013 «Анализаторы влажности Xentaur модификаций XPDM, XDT, LPDT, HDT. Методика поверки», раздел 7, результаты поверки заносят в протокол.

Анализаторы влажности Xentaur модификаций XPDM, XDT, LPDT, HDT удовлетворяющие требованиям настоящей методики поверки, признаются годными. Положительные результаты поверки оформляются свидетельством о поверки установленной формы. Наносится знак поверки (клеймо) на средство измерений и (или) на свидетельство о поверке. В паспорте (формуляре) на средство измерений делается соответствующая запись о выдаче свидетельства о поверке [17].

Анализаторы влажности Xentaur модификаций XPDM, XDT, LPDT, HDT не удовлетворяющие требованиям настоящей методики поверки, к эксплуатации не допускаются. В этом случае знак поверки (клеймо) должен быть погашен, ранее выданное свидетельство о поверке должно аннулироваться, в паспорт (формуляр) средства измерений должна быть внесена соответствующая запись и оформлено «Извещение о непригодности к применению».

Заключение

Целью данной аттестационной работы было проведение поверки анализатора влажности Xentaur модификации XPDM зав. № 6480.

Для реализации этой цели была изучена необходимая техническая и нормативная документация. На основании государственной поверочной схемы и методики поверки, в которых к средствам поверки предъявлены определенные требования, были выбраны рабочие эталоны, с помощью которых проводилась поверка.

По полученным измеренным значениям проводились расчеты, результат которых определил максимальную погрешность измерения влажности. Так как полученное значение максимальной погрешности не превышает предел допускаемого значения, анализатор влажности Xentaur модификации XPDM зав. № 6480, соответствует описанию утвержденного типа и признан пригодным к применению.

Список используемой литературы

1. А.Э Фридман - Основы метрологии. Современный курс. 2008 г.

2. И.В.Колчков - Метрология, стандартизация и сертификация. Учебное пособие, 2009 г.

3. Федеральный закон Российской федерации от 26 июня 2008 года № 102-Ф3 «Об обеспечении единства измерений», с изменениями на 13 июля 2015 года.

4. ПР 50.2.102-2009 ГСИ. Положение о единицах величин допустимых к применению в Российской Федерации.

5. Приказ № 36 от 22 января 2014 года «Об утверждении рекомендаций по проведению первичной и периодической аттестации и подготовке к утверждению эталонов единиц величин, используемых в сфере государственного регулирования обеспечения единства измерений»

6. Приложение к свидетельству об утверждении средств измерений.

7. ГОСТ Р 8.654-2009 «ГСИ. Требования к программному обеспечению средств измерений. Основные положения».

8. РМГ 29-2013 ГСИ. Метрология. Основные термины и определения.

9. Схиртладзе А.Г., Радкевич Я.М., Лактионов Б.И. Метрология, стандартизация и сертификация: Учебник для вузов, 2003.

10. ГОСТ 8.547-2009 «ГСИ. Государственная поверочная схема средств измерений влажности»

11. Положение Правительства Российской Федерации №734 от 23 сентября 2010 года «Об эталонах единиц величин, используемых в сфере государственного регулирования единства измерений».

12. МП-242-1488-2013 «Анализаторы влажности Xentaur модификаций XPDM, XDT, LPDT, HDT. Методика поверки», утвержденная ГЦИ СИ ФГУП «ВНИИМ» им. Д.И. Менделеева» 15.01.2013 г

13. Новицкий П.В., Зограф И.А. Оценка погрешностей результатов измерений.- Л.: Энергоатомиздат, 1985

14. Аксенова Е.Н. «Элементарные способы оценки погрешностей результатов прямых и косвенных измерений». - М.: Изд. МИФИ, 2003.

15. Куликовский К.Л., Купер В.Я. Методы и средства измерений. - М.:

Энергоатомиздат, 1986.

16. Приказ № 1815 от 2 июля 2015 года « Об утверждении Порядка проведения поверки средств измерений, требования к знаку поверки и содержанию свидетельств о поверке»

17. РК 4500-01-15. Руководство по качеству метрологической службы ПАО «Нижнекамскнефтехим» по организации и выполнению поверки средств измерений.

18. ГОСТ 2.105-95 ЕСКД. Общие требования к текстовым документам.

19. ГОСТ 8.417-2002 ГСИ. Единицы величин.

20. Техэксперт - электронный фонд правовой и нормативно - технической документации - http://docs.cntd.ru/

21. Главный форум метрологов http://metrologu.ru/

Размещено на Allbest.ru