Погрешность измерения - это отклонения результата измерения от истинного значения.
D х = х - хи,
где D х – погрешность измерения;
х - измеренное значение величины;
хи – истинное значение величины.
В действительности истинное значение величины неизвестно и его заменяют действительным значением х д. Действительное значение величины получают при помощи эталона или другого прибора более высокого класса точности. Тогда абсолютная погрешность D х находится как
D х = х - хд,
где хд – действительное значение величины.
Для характеристики средств измерений вводят понятие относительной погрешности приборов, преобразователей и мер. Для приборов и преобразователей
вводят также понятие приведенной погрешности.
Различают две составляющие погрешности измерения:
- инструментальную, зависящую от погрешности применяемых средств измерений;
- методическую, связанную с несовершенством средств измерений.
Относительная погрешность d представляет собой отношение абсолютной погрешности к действительному значению входной или воспроизводимой величины хд. Относительная погрешность обычно выражается в процентах
|
|
d = (х - хд)/ хд· 100% = Dх/ хд ∙100%.
На практике в большинстве случаев при определении d допустимо относить абсолютную погрешность к значению входной величины, найденному с помощью данного средства измерения.
Приведенная погрешность γ равна выраженному в процентах отношению абсолютной погрешности к нормирующему значению хN
γ = (х - хд)/ хN· 100% = D х/ хN ∙100%.
Нормирующее значение величины хN принимается равным:
а) для средств измерений, за исключением случая существенно неравномерной шкалы, если нулевая отметка находится на краю или вне шкалы - конечному значению диапазона измерений;
б) если нулевая отметка находится внутри диапазона измерений - арифметической сумме конечных значений диапазона измерений;
в) для средств измерений с установленным номинальным значением - этому номинальному значению. Например, для частотомеров с диапазоном измерений от 45 до 55 Гц и номинальной частотой 50 Гц нормирующее значение
хN =50 Гц;
г) для измерительных приборов с существенно неравномерной шкалой нормирующее значение устанавливают равным всей длине шкалы или ее части, соответствующей диапазону измерений. В этом случае абсолютную погрешность выражают, как и длину шкалы, в единицах длины.
Точность измерения - имеется в виду качество измерения, отражающее близость результата измерения к истинному значению измерения величины.
В зависимости от характера изменения различают:
- статическую погрешность – погрешность при измерении постоянной во времени величины;
|
|
- динамическую погрешность – разность между погрешностью в динамическом режиме, т. е. погрешность при измерении переменной во времени величины и статической погрешности, которая соответствует значению измеряемой величины в данный момент времени.
В зависимости от характера измерения различают:
- систематические погрешности, остающиеся постоянными или закономерно изменяющимися при повторных измерениях одной и той же величины;
- случайные погрешности – составляющие погрешности, изменяющиеся случайным образом при повторных измерениях одной и той же величины.
В зависимости от условий возникновения погрешности различают:
- основную погрешность – погрешность средства измерений при нормальных условиях;
- дополнительную погрешность – погрешность средства измерений, вызванную отклонением одной или более влияющих величин от нормального значения или их выходом за пределы областей нормальных значений.
Зависимость абсолютной ∆ погрешности от входной величины х может быть представлена некоторой полосой неопределенности, обусловленной случайной погрешностью и изменением характеристик средств измерения под действием влияющих величин, поэтому абсолютная погрешность ограничена двумя предельными величинами ∆max, которые могут быть как положительными, так и отрицательными. Их зависимость от измеряемой величины х характеризуется прямыми 1 (рисунок 2.1). Уравнение прямой 1 может быть выражено при помощи двух постоянных коэффициентов а и б. Таким образом,
| ∆max | = | а | + | bx |,
где а – называют предельным значением аддитивной погрешности;
bx - называют предельным значением мультипликативной погрешности.
Рисунок 2.1 – Зависимость абсолютной погрешности прибора от
измеряемой величины
Абсолютные аддитивные погрешности не зависят от значений измеряемой величины х, а мультипликативные – пропорциональны значению х.
Источником аддитивной погрешности является: терния в опорах; неточность отсчета; дрейф; наводки; вибрации и другие факторы. От этой погрешности зависит наименьшее значение величины, которое может быть измерено прибором. Источники мультипликативной погрешности – действие влияющих величин на параметры элементов и узлов средств измерений.
Согласно ГОСТ 8.401 средствам измерений присваиваются определенные классы точности. Классом точности средства измерения называется обобщенная его характеристика, определяемая пределами допускаемых основной погрешности и погрешностей, вызванных изменением значений влияющих величин.
Класс точности средства измерения может выражаться одним числом или дробью (таблица 2.1).
У приборов, аддитивная составляющая погрешности которых преобладает над мультипликативной, все значения погрешностей оказываются в пределах прямых 2, параллельных оси х (рисунок 2.1). В результате абсолютная и приведенная погрешности прибора оказываются постоянными в любой точке его шкалы. У таких приборов класс точности выражается одним числом, выбираемым из ряда (1; 2; 2,5; 4; 5) · 10n, где n 1, 2, -1, -2 и т д. У приборов, класс точности которых выражается одним числом, основная приведенная погрешность прибора в рабочем диапазоне шкалы, выраженная в процентах, не должна превышать значения, соответствующего классу точности. К таким приборам относится большинство регистрирующих и аналоговых показывающих приборов.
Класс точности средств измерения, у которых аддитивная и мультипликативная составляющие основной погрешности соизмеримы, обозначается двумя числами, разделенными косой чертой, например класс точности 0,1/0,05. Предельные значения основной относительной погрешности средства измерения, выраженные в процентах, в этом случае могут быть определены путем расчета по формуле,
|
|
dmax = ±[ с + d (| XK / x| - 1)],
где XK – больший по модулю из пределов измерений;
x – измеряемая величина;
c и d - положительные постоянные числа.
Класс точности должен удовлетворять условию c / d > 1. Так как относительная, абсолютная и приведенная погрешности взаимосвязаны, то, зная одну из них, можно определить остальные. К приборам, класс точности которых выражается дробью, относятся цифровые приборы и приборы сравнения как с ручным так и с автоматическим уравновешиванием.
Чувствительность – это отношение изменения выходной величины к вызываемому это изменение входной величине.
Sабс = D х/ D у;
D у = у2 - у1; D х = х2 - х1.
Функция преобразования (статическая характеристика) - это функциональная зависимость между информативными параметрами выходного и входного средств измерения. Функцию преобразования, принимаемую для средства измерения и установленную в технической документации, называют номинальной функцией преобразования. Функция преобразования может быть задана графически, таблицей или в виде функциональной зависимости.
Пути повышения точности средств измерений:
- стабилизация важных параметров элементов и узлов средств измерений технологическим путем, использование материалов с малой зависимостью свойств от внешних факторов;
- методы защиты средств измерений от быстроизменяющихся влияющих величин, т.е. уменьшение случайных погрешностей путем фильтрации, теплоизоляции, экранирования, амортизации и др.;
Рисунок 2.2 - К понятию чувствительности
Таблица 2.1 – Обозначение классов точности
Форма выражения основной погрешности | Расчет допускаемой основной погрешности по формуле | Пределы допускаемой основной погрешности, % | Обозначение класса точности | |
в документации | на средстве измерений | |||
Приведенная основная погрешность | γ= (х - хд)/ хN= ± p - для средства измерения с равномерной шкалой; - для средства измерения с неравномерной шкалой | γ= ±1,5 γ= ±0,5 | Класс точности 1,5 Класс точности 0,5 | 1,5 |
Относительная основная погрешность | d=Dх/ хд = ± q d=±[с+d (| XK / x| - -1)] | d = ± 0,5 d=±[0,1+0,05· ·(| XK / x| -1)] | Класс точности 0,5 Класс точности 0,1/0,05 | 0,1/0,05 |
Абсолютная основная погрешность | Dх= ± а Dх=±(а + bx) или по более сложной формуле | - - | Класс точности М | М |
- стабилизация медленно изменяющихся влияющих величин;
|
|
- методы коррекции составляющих систематической погрешности - аддитивной, мультипликативной, погрешности от нелинейности;
- методы статистической минимизации обработки результатов наблюдения при наличии случайной погрешности.
Коррекцию аддитивной составляющей погрешности можно выполнить периодической проверкой положения нуля в процессе измерения; мультипликативной составляющей – калибровкой измерительного прибора.
Существуют методы коррекции погрешностей, позволяющие автоматически без участия оператора корректировать отдельные составляющие погрешности.
Диапазон измерения - область значений между верхним и нижним пределами измерений. Верхним и нижним пределами измерений прибора называются соответственно наибольшее и наименьшее значения величин, которые могут быть измерены с нормированной погрешностью.
Диапазон измерений может состоять из нескольких частей (поддиапазонов), для каждой из которых могут быть нормированы разные погрешности.
Для измерительных преобразователей верхним и нижним пределами преобразований следует считать соответственно наибольшее и наименьшее значения входной (или выходной) величины, в пределах которых нормирована крутизна преобразователя.
От диапазона измерений следует отличать диапазон показаний - область значений входной величины, ограниченную конечным и начальным значениями шкалы прибора.
Порог чувствительности - изменение измеряемой величины, вызывающее наименьшее изменение показаний, обнаруживаемое наблюдателем при нормальном для данного прибора способе отсчета.
Быстродействие - число измерений (преобразований), выполняемых в единицу времени. Эта характеристика особенно важна для цифровых приборов и преобразователей, а также для самопишущих приборов и измерительных систем, когда одним прибором с помощью коммутирующего устройства необходимо измерять несколько медленно меняющихся величин.
Время установления показаний (время успокоения) - это тот промежуток времени, который проходит с момента изменения измеряемой величины до момента, когда указатель займет положение, соответствующее новому значению измеряемой величины. Однако если учесть, что всем приборам присуща некоторая погрешность, время, которое занимает перемещение указателя в пределах допустимой погрешности прибора, не представляет интереса. Под временем установления показаний электроизмерительного прибора понимается интервал времени, прошедший с момента подключения или изменения измеряемой величины до момента, когда отклонение указателя от установившегося значения не превышает 1 % длины шкалы. Время установления показаний для большинства типов приборов не должно превышать 4 с.