Погрешности измерений. Основные понятия и определения

Основные понятия и определения

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ

Измерением называют процесс определения значения физической величины с помощью специальных технических средств — приборов.

Электроизмерительные приборы подразделяются на приборы непосредственного отсчета и приборы сравнения.

Приборы непосредственного отсчета имеют проградуированную шкалу в единицах измеряемой величины (стрелочные амперметры и вольтметры).

Приборы сравнения позволяют сравнивать измеряемую величину с мерой — образцом измеряемой величины (измерительные мосты). Эти приборы более точные, но требуют большего времени для измерения.

Электроизмерительные приборы, показания которых являются непрерывными функциями измеряемых величин, называются аналоговыми.

Измерительные приборы, автоматически вырабатывающие дискретные сигналы измеряемой информации, показания которых представлены в цифровой форме, называются цифровыми.

Если прибор не только показывает значение измеряемой величины, но и регистрирует ее (или только регистрирует), то такой прибор называют регистрирующим. Самопишущие приборы записывают результаты измерений в форме диаграммы.

Интегрирующие приборы суммируют показания измеряемых величин по времени или по другой независимой переменной (счетчик электрической энергии).

Пользование измерительными приборами с целью определения действительного значения А_д измеряемой величины сопровождается погрешностью измерения и приводит к показываемому прибором результату измерения А_{приб .} отличному от А_д.

Абсолютной погрешностью ∆А называется разность между показанием прибора А_{приб .} и действительным значением А_д измеряемой величины:

∆А = А_{приб .} - А_д.

Поправкой α называется величина, которую следует алгебраически прибавить к показанию прибора, чтобы получить действительное значение измеряемой величины:

α = - ∆А.

Относительной погрешностью измерения β называется отношение абсолютной погрешности к действительному значению измеряемой величины, обычно выражаемое в процентах.

Относительная погрешность измерения показывает, насколько точно определена при помощи прибора искомая величина А_д, но не характеризует степень точности самого прибора.

Приведенной погрешностью прибора J называется выраженное в процентах отношение абсолютной погрешности Δ А к наибольшему значению А_н измеряемой величины, на которое градуирована шкала прибора, т.е. к верхнему пределу измерения прибора, являющемуся номинальным значением измеряемой величины, на которое рассчитан прибор:

Рассмотрим пример, практически иллюстрирующий смысл относительной и приведенной погрешностей. Пусть напряжение, действительное значение которого равно U_н1 = 60 В, измеряется одновременно двумя вольтметрами, один из которых рассчитан на U_н2 = 75 В, а другой — на U_н2 = 300 В, причем абсолютная погрешность первого и второго вольтметра одинаковы и равны: Δ U₁ = Δ U₂ = 3 В.Точность определения напряжения в обоих случаях

получается одинаковой.

Приведенные погрешности соответственно равны

т.е. первый вольтметр, рассчитанный на 75 Ви дающий абсолютную погрешность 3 В, является менее точным, чем второй вольтметр, допускающий ту же погрешность 3 Впри пределе измерения 300 В.

Погрешности ∆А, β и также как и поправка α могут быть как положительными, так и отрицательными.

Каждому измерительному прибору присуще, как правило, постоянство или изменение в весьма незначительных пределах абсолютной погрешности ∆А вдоль всей его шкалы. Относительная погрешность измерения β по мере уменьшения значений измеряемой величины и приближения к нулю шкалы прибора не остается постоянной, а увеличивается, стремясь к бесконечности. Поэтому при оценке степени точности приборов ГОСТ нормирует приведенную, а не относительную погрешность. Согласно стандарту по степени точности приборы разделяются на следующие восемь классов: 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5 и 4,0, каждый из которых представляет собой взятую без знака (±) процентную норму, в которую должна уложиться приведенная погрешность для любых значений измеряемой величины в пределах рабочей части шкалы прибора. Для счетчиков активной энергии шкалы классов точности несколько другая: 0,5; 1,0; 2,0; 2,5. Цифра, обозначающая класс точности, указывается на шкале прибора.

Постоянной прибора, или ценой деления называется число, на которое должно быть умножено указываемой стрелкой прибора количество безразмерных делений или угловых градусов шкалы (на которые она градуирована), для того чтобы получить значение измеряемой прибором величины, выраженное в именованных единицах — вольтах, амперах, ваттах и т.д. Цена деления прибора С может быть найдена как отношение

где α _тах — максимальное число делений шкалы прибора.

Если шкала прибора градуирована непосредственно к именованных единицах, то понятие цены деления теряет практический смысл, так как в этом случае С = 1.

Чувствительностью прибора называется отношение числа делений или градусов, на которое перемещается указатель (стрелка) прибора, к изменению измеряемой величины, вызвавшему это перемещение. Для прибора, имеющего равномерную шкалу, чувствительность S может быть определена как

В этом случае S остается одинаковой вдоль всей шкалы прибора и представляет собой величину, обратную цене деления. При неравномерной шкале для каждой из ее точек чувствительность определяется как отношение элементарного углового перемещения Δ α указателя (стрелки) к вызвавшему его элементарному приращению Δ А измеряемой величины, т.е.

Порогом чувствительности прибора называется наименьшее значение измеряемой или контролируемой прибором физической величины, способное вызвать заметное изменение показания прибора.

Погрешность, которая присуща данному прибору при нормальных условиях его работы, являющаяся следствием несовершенства его конструкции и выполнения, например, следствием трения в опорах подвижной части, неточности градуировки или вычерчивания шкалы и т. п., называется основной погрешностью. Погрешности, обусловленные влиянием на показания прибора различных внешних факторов, например, температуры среды, магнитных полей и т.п., называются дополнительными погрешностями. Основная и дополнительные погрешности вместе с погрешностями, обусловленными личными свойствами человека, производящего эксперимент, составляют группу систематических погрешностей, которые при повторных измерениях остаются постоянными или же изменяются по определенному закону. Влияние систематических погрешностей может быть исключено введением соответствующих поправок. Кроме того, при измерении возможны также случайные погрешности, величины, природа и закономерность которых остаются неизвестными, и ошибки, приводящие к грубым искажениям результатов измерений и являющиеся обычно следствием неправильного отсчета по шкале прибора, неверной записью наблюдений и т.п.

В целях уменьшения дополнительных погрешностей приборов измерительные механизмы, имеющие слабые собственные магнитные поля, защищают от влияния внешних магнитных полей посредством экранирования.