Методическое указание к лабораторной работе по профессиональному модулю

Лабораторная работа № 4

Тема: определение массы лабораторными настольными передвижными весами. Расчет погрешностей.

Цель: ознакомиться с методикой определения массы при помощи весов, определить погрешность весов.

Входной контроль

1. Масса

2. Средства измерения массы

3. Единицы измерения массы

4. Классификация весов

5. Назначение лабораторных весов, классификация лабораторных весов по назначению

6. Обозначение весов

7. Достоинства и недостатки рычажных весов, весов с автоматическим уравновешиванием.

8. Специальные весы

9. Важнейшие метрологические характеристики весов

10. Способы определения погрешности средств измерений массы

Теоретические основы

Понятие «масса» характеризует инертность тел и веществ, то есть их способность создавать гравитационное поле.

В качестве средств измерений массы следует применять весы.

За единицу измерения массы в СИ принят килограмм (кг).

Допускается применение:

- дольных единиц - миллиграмм (мг), грамм (г),

- внесистемной единицы - тонна (т).

Для измерений массы должны применяться рабочие средства измерений.

При выборе весоизмерительных приборов следует отдавать предпочтение весам электронным и весам с циферблатными указателями перед гирными и шкальными. Применение циферблатных весов ускоряет процесс измерений массы, повышает наглядность отсчета результатов измерений.

Допускаемую погрешность средств измерений массы, предельные значения шкалы (диапазона измерений) следует определять одним из двух способов:

- расчётным,

- по таблицам

Измерение массы основано на использовании гравитационного взаимодействия тела, массу которого мы хотим определить, с массой Земли. Все весы можно разделить на четыре группы по способу уравновешивания гравитационной силы:

-гравитационное уравновешивание,

-автоматическое уравновешивание,

-инерционное уравновешивание,

-силовая компенсация.

Весы можно классифицировать по разным признакам. Наибольшее распространение получили весы с гравитационным уравновешиванием и с автоматическим уравновешиванием. К первым из них относятся широко распространенные коромысловые (часто их называют также рычажными) весы. Разновидностями коромысловых весов являются двухпризменные и квадрантные весы. Конструкции коромысловых весов достигли большого совершенства. Весы этого типа обладают высокой точностью, надежностью, простотой обслуживания, сравнительно невысокой стоимостью и достаточно широко используются в лабораториях предприятий и организаций различных отраслей народного хозяйства. К недостаткам этих весов можно отнести их низкое быстродействие.

Широкое распространение имеют весы с автоматическим уравновешиванием, в которых осуществляется электрическое преобразование усилия. Весы этого типа не имеют традиционного рычага, т.е. коромысла или квадранта, и называются "электронными весами". Это объясняется использованием электронных компонентов для преобразования значения измеряемой массы в электрические величины (ток, напряжение), удобные для согласования с другими измерительными, вычислительными и управляющими системами.

Согласно ныне действующему государственному стандарту лабораторные весы подразделяются по назначению на образцовые и общего назначения. Образцовые весы предназначены для поверки гирь. Проводить на этих весах другие виды взвешивания запрещается. Весы общего назначения используются для взвешивания. Согласно действующему стандарту лабораторные весы общего назначения подразделяются - на 4 класса точности.

В повседневной практике лабораторные весы подразделяют по назначению на аналитические, технические и специальные. Аналитические весы применяют для проведения научных исследований, в т.ч. для микрохимических анализов и взвешиваний высшей и высокой точности.

Отдельную группу весов составляют специальные весы, предназначенные для определения величин, зависящих от массы, и используемых для выполнения одной строго регламентированной операции. К подобным весам относятся, например, весовые влагомеры, их часто называют анализаторами влажности, разбраковочные весы, пурки, т.е. специальные лабораторные весы для определения натуры зерна и др. Примеры можно продолжать очень долго.

Основными характеристиками, которые необходимо знать для правильного выбора и эксплуатации весов, являются их метрологические и эксплуатационные характеристики. Важнейшими метрологическими характеристиками весов являются: наименьший и наибольший пределы взвешивания, цена деления или дискретность цифрового отсчета, погрешность измерений, стабильность показаний во времени. Требования к характеристикам весов определяются нормативными документами, в частности, государственными стандартами и рекомендациями Международной Организвйии Законодательнй Метрологии (МОЗМ).

Определение погрешности весов расчетным способом

1. Выполнить 5 измерений массы, обозначить их как Х₁, Х₂, Х₃, Х₄, Х_5.

2. определить среднеарифметическое значение измерений величины Х _ср

3. определить абсолютную погрешность отдельных намерений

4. вычислить среднюю квадратичную погрешность S_n

5. найти среднюю квадратичную погрешность среднего арифметического, характеризующую отклонение Х_ср от истинного значения искомой величины.

Отсюда следует, что чем больше проделано измерений одной и той же величины, тем меньше случайная погрешность результата. Это вполне понятно, т.к. согласно (1) и (2), чем больше число опытов, тем ближе Х_ср к Х_ист

Используя соотношения (4) и (5) , можно записать сле­дующее окончательное выражение для средней квадратичной пог­решности результата серии измерений

Это не означает, однако, что истинное значение измеря­емой величины обязательно будет заключено в интервале от X_ср - ΔX_кв до Х_ср + ΔX_кв. Оказывается, что паже при очень большом числе измерений вероятность того, что истинное значение попадет в указанный интервал, не превышает 0,7. Другими словами, надежность полученного резуль­тата в данном случае составляет около 70 %. При малом числе измерений (n

Вероятность того, что истинное значение измеряемой величины попадет в заданный интервал, называется доверитель­ной вероятностью, или коэффициентом доверия Р , а соответствующий интервал, определяемый величиной абсолютной погреш­ности – доверительным интервалом. Достоверность результата при данном количестве измерений можно увеличить, уменьшая его точность, т.е. расширяя доверительный интервал.

6. рассчитать случайную погрешность

где α_n,p — коэффициент Стьюдента, зависящий от числа из­мерений n и выбранного значения доверительной вероятнос­ти P. Значения α_n,p для ряда случаев приведены в таблице I.

Таблица I.

Как видно из таблиц, увеличение числа опытов позво­ляет при заданной доверительной вероятности существенно уменьшить случайную погрешность. Здесь следует учесть, что помимо коэффициента α_n,p с ростом n уменьшается и значение Х_кв.

Таким образом, для характеристики величины случайной погрешности в принципе необходимо задать два числа : саму погрешность X_кв и доверительную вероятность P, позво­ляющую оценить степень надежности полученного результата. Необходимая степень надежности определяется спецификой производимых измерений. Доверительная вероятность должна быть, например, очень высокой при контроле размеров дета­лей самолетов и достаточно низкой при аналогичном контроле деталей ручной тележки. В условиях учебной лаборатории достаточно брать P = 0,7.

7. сравнить ΔХ_ср погрешность прибора, выбирая в качестве абсолютной погрешности наибольшую из этих погрешностей;

8. записать результат измерений в виде X = Х_ср ± ΔХ

9. рассчитать относительную погрешность измерения Р.

Ход работы

1. Прочитать теоретические основы

2. Ответить на вопросы входного контроля

3. Дать определение понятиям «цена деления», «цена поверочного деления», «число поверочных делений» в соответствии с ГОСТ 24104-2001

4. Заполнить табл.1 «Значения n, е, НмПВ в зависимости от класса точности»

5. Заполнить табл.2 «пределы допускаемой погрешности»

6. Указать общие технические требования к лабораторным весам

7. Указать требования безопасности при взвешивании

8. Определить массу груза настольными весами

9. Определить погрешность весов расчетным способом

10. Ответить на вопросы выходного контроля

11. Сделать вывод о проделанной работе

Выходной контроль

1. Расшифруйте обозначение весов

2. Какие нормативные документы устанавливают требования к характеристикам весов?

3. Что такое предпочтительные числа, ряды предпочтительных чисел?

4. Для чего необходимо устранять математические погрешности измерений?

5. Какие способы применяются для определения погрешностей весов?

6. Что такое наименьший и наибольший предел взвешивания? Чему они должны быть равны?

7. В каких случаях показания весов должны отсутствовать?

Используемая литература

1. ГОСТ 24104-2001 Весы лабораторные общие технические требования

2. ГОСТ 8032-84. Предпочтительные числа и ряды предпочтительных чисел

3. ГОСТ 12997-84. Изделия ГСП. Общие технические условия

4. ГОСТ 12.2.003-91 ССБТ Оборудование производственное

общие требования безопасности