Характеристики средств измерений

Статической характеристикой прибора (см. рис. 1.2) называется зависимость выходной величины y от входной величины x в установившемся режиме работы (т.е. когда x и y не меняются во времени: x =const, y =const), выраженная таблично, графически или аналитически.

Статическую характеристику получают следующим образом (см. рис. 1.3, таблицу 1.3):

1) подают на вход прибора постоянное значение входного сигнала x = х₀ =const (см. рис. 1.3, а);

2) дожидаются установившегося режима работы прибора, когда его выходной сигнал y станет постоянным (см. рис. 1.3, б), т.е. когда x =const, y =const;

3) измеряют значение входного сигнала х=х₀ и выходного сигнала y=y₀, а результаты измерения записывают в таблицу (см. таблицу 1.3);

4) повторяют необходимое количество раз пункты 1–3, подавая на вход различные значение входного сигнала х=x_i =const, i = .

В результате получают таблицу значений x и y (табличное выражение статической характеристики прибора). Используя данные таблицы, строят статическую характеристику в виде графической зависимости (см. рис. 1.3, в) y=f(x) (графическое выражение статической характеристики прибора). Функция f(x) представляет собой аналитическое выражение статической характеристики.

Рис. 1.3. Экспериментальное определение статической характеристики прибора:

а) изменение входного сигнала x в ходе экспериментального определения статической характеристики;

б) изменение выходного сигнала y в ходе экспериментального определения статической характеристики;

в) полученная статическая характеристика y=f(x) (выраженная графически)

Для приборов наилучшей является линейная статическая характеристика y=kx+a, где а – постоянная, k – передаточный коэффициент, причем среди линейных статических характеристик более предпочтительны характеристики, для которых a =0, т.е. y=kx.

Самой желательной статической характеристикой прибора является y=x, получаемая при коэффициенте передачи k= 1. В этом случае искомое значение физической величины отсчитывают непосредственно по шкале прибора.

Примеры линейных и нелинейных статических характеристик приборов представлены на рис. 1.4.

Рис. 1.4. Примеры статических характеристик приборов:

а) нелинейная статическая характеристика;

б) линейная статическая характеристика y=kx+a;

в) линейная статическая характеристика y=kx.

Чувствительность S прибора представляет собой предел отношения приращения выходного сигнала к приращению входного сигнала,т.е.

.

Чувствительность прибора численно равна тангенсу угла наклона касательной к графику, представляющему статическую характеристику, т. е.: (рис. 1.4). В случае линейной статической характеристики чувствительность прибора постоянна и численно равна передаточному коэффициенту k:

.

Чувствительность является мерой, при помощи которой сравнивают приборы для измерения одинаковых физических величин (чем выше чувствительность, тем прибор лучше).

Порог чувствительности прибора Dх – это минимальное изменение входного сигнала, которое может быть зарегистрировано (обнаружено, замечено) с помощью прибора без применения дополнительных технических средств.

Для приборов часто характерен гистерезис – (магнитный, электрический, механический), когда значения выходного сигнала y при одних и тех же значениях входного сигнала x не совпадают при прямом и обратном ходе. В этом случае статическая характеристика прибора имеет вид так называемой петли гистерезиса (см. рис. 1.5).

Причинами гистерезиса обычно являются: наличие трения в деталях прибора; наличие люфтов (зазоров) между деталями прибора.

Гистерезис является причиной существования порога чувствительности прибора и, как следствие, возникновения вариации показаний прибора. Гистерезис понижает точность измерений, поэтому желательно свести его к минимуму.

Цена деления прибора С – разность значений величин, соответствующих двум соседним отметкам шкалы

Перегрузочная способность – способность прибора в определенное время выдерживать нагрузки, превышающие допустимые.

Быстродействие прибора В – время, затрачиваемое на одно измерение. Для аналоговых приборов – время установления показания, для цифровых – отношение числа измерений n к промежутку времени t, за которое эти измерения произведены; . Для цифровых приборов В=1…10⁴ изм/сек.

Время установления показаний (время успокоения) – время, за которое амплитуда колебания подвижной части прибора станет меньше абсолютной погрешности прибора.

Надежность – способность прибора сохранять эксплуатационные параметры в течение заданного времени.

Основные понятия теории погрешностей

1.8.1. Классификация погрешностей

Качество средств и результатов измерений принято характеризовать, указывая их погрешности. Введение понятия «погрешность» требует определения и четкого разграничения трех понятий: истинного и действительного значений измеряемой физической величины и результата измерения.

Истинное значение х_И физической величины – это значение, идеальным образом отражающее свойство данного объекта как в количественном, так и в качественном отношении. Оно не зависит от средств нашего познания и является той абсолютной истиной, к которой мы стремимся, пытаясь выразить ее в виде числовых значений. На практике истинное значение практически всегда неизвестно (в редких случаях оно может быть определено с применением первичных или вторичных эталонов), поэтому его приходится заменять понятием «действительное значение».

Действительное значение х_Д физической величины – значение, найденное экспериментально и настолько приближающееся к истинному, что для данной цели оно может быть использовано вместо него. Действительное значение может быть получено при помощи рабочих эталонов.

Результат измерения (измеренное значение) х представляет собой приближенную оценку истинного значения величины, найденную путем измерения (результат, полученный с помощью рабочего средства измерения).

Понятие «погрешность» – одно из центральных в метрологии, где используются понятия «погрешность результата измерения» и «погрешность средства измерения».

Погрешность результата измерения – это отклонение результата измерения от истинного значения измеряемой величины.

Погрешность средства измерения – отклонение показания средства измерения от истинного (действительного) значения измеряемой величины. Оно характеризует точность результатов измерений, проводимых данным средством.

Эти два понятия во многом близки друг к другу и классифицируются по одинаковым признакам.

По способу выражения различают: абсолютные, относительные и приведенные погрешности.

Абсолютная погрешность D x выражается в единицах измеряемой величины х и равна разности между измеренным и истинным значениями (т.к. истинное значение практически всегда бывает неизвестно, то вместо него может использоваться действительное значение)

.

Абсолютная погрешность не может в полной мере служить показателем точности измерений, так как одно и то же ее значение, например, D х =0,5 мм при х =100 мм соответствует достаточно высокой точности измерений, а при х =1 мм – низкой. Поэтому и вводится понятие относительной погрешности.

Относительная погрешность d x представляет собой отношение абсолютной погрешности измерения к истинному (действительному, измеренному) значению и часто выражается в процентах

.

Эти формулы справедливы при условии, что .

Эта наглядная характеристика точности результата измерения не годится для нормирования погрешности средства измерения, так как, при изменении значений х_И, принимает различные значения вплоть до бесконечностипри х_И = 0. В связи с этим для указания и нормирования погрешностей средств измерений используется еще одна разновидность погрешности – приведенная.

Приведенная погрешность g x представляет собой отношение абсолютной погрешности средства измерения к так называемому нормирующему значению (постоянному во всем диапазоне измерений или его части), обычно выражается в процентах

.

Нормирующее значение определяется различным образом в зависимости от шкалы прибора.

Для приборов, шкала которых содержит нулевую отметку, в качестве нормирующего значения принимают размах шкалы прибора.

.

Например, если прибор имеет шкалу от 0 до 1000 единиц, то ед.; если прибор имеет шкалу от –30 до 70 единиц, то ед.

Для приборов, шкала которых не имеет нулевой отметки, в качестве нормирующего значения принимают максимальное по абсолютной величине значение шкалы.

.

Например, если прибор имеет шкалу от 900 до 1000 единиц, то ед.; если прибор имеет шкалу от – 300 до –200 единиц, то ед.

Понятие о вариации показаний приборов

Абсолютная вариация показаний прибораe – разность между показаниями прибора при многократных повторных измерениях одной и той же физической величины.

На практике вариацию показаний прибора определяют как разность показаний прибора в одной и той же точке диапазона измерений при плавном подходе к ней сначала со стороны меньших, а затем со стороны больших значений измеряемой величины

.

Значения получают при увеличении измеряемого параметра, значения – при уменьшении измеряемого параметра.

Абсолютная вариация показаний прибора обусловлена наличием эффектов гистерезиса, является частью абсолютной погрешности прибора.

Относительная вариация показаний прибораde – отношение абсолютной вариации к истинному (действительному, измеренному) значению измеряемой величины, обычно выражается в процентах

.

Приведенная вариация показания прибора ge – отношение абсолютной вариации к нормирующему значению, обычно выражается в процентах

.

По характеру проявления погрешности делятся на случайные, систематические и грубые (промахи).

Систематическая погрешность – составляющая погрешности измерения, остающаяся постоянной или закономерно изменяющаяся при повторных измерениях одной и той же физической величины. Систематические погрешности могут быть предсказаны, обнаружены и, благодаря этому, почти полностью устранены введением соответствующей поправки или регулировкой средства измерения.

Случайная погрешность – составляющая погрешности измерения, изменяющаяся случайным образом (по знаку и значению) в серии повторных измерений одного и того же значения физической величины, проведенных с одинаковой тщательностью в одних и тех же условиях. В появлении таких погрешностей не наблюдается какой-либо закономерности, они обнаруживаются при повторных измерениях одной и той же величины в виде некоторого разброса получаемых результатов. Случайные погрешности неизбежны, неустранимы и всегда присутствуют в результате измерения. Описание случайных погрешностей возможно только на основе теории случайных процессов и математической статистики. В отличие от систематических, случайные погрешности нельзя исключить из результатов измерений путем введения поправки, однако их можно существенно уменьшить путем увеличения числа наблюдений и их статистической обработки. Поэтому для получения результата, минимально отличающегося от истинного значения измеряемой величины, проводят многократные измерения физической величины с последующей математической обработкой экспериментальных данных.

Грубая погрешность (промах) – это случайная погрешность результата отдельного наблюдения, входящего в ряд измерений, которая для данных условий резко отличается от остальных результатов этого ряда. Они, как правило, возникают из-за ошибок или неправильных действий оператора (его психофизиологического состояния, неверного отсчета, считывания показаний с соседней шкалы прибора, ошибок в записях или вычислениях, неправильного включения приборов или сбоев в их работе и др.). Возможной причиной возникновения промахов также могут быть кратковременные резкие изменения условий проведения измерений. Если промахи обнаруживаются в процессе измерений, то результаты, их содержащие, отбрасывают. Однако чаще всего промахи выявляют только при окончательной обработке результатов измерений с помощью специальных статистических критериев.

В зависимости от причин возникновения различают инструментальные, методические и субъективные погрешности.

Инструментальная погрешность – погрешность, присущая самому средству измерений, т. е. тому прибору или преобразователю, при помощи которого выполняется измерение. Причинами инструментальной погрешности могут быть несовершенство конструкции средства измерений, влияние окружающей среды на его характеристики, деформация или износ деталей прибора и т. п.

Методическая погрешность появляется вследствие несовершенства метода измерения; несоответствия измеряемой величины и ее модели, принятой при разработке средства измерения; влияния средства измерений на объект измерения и процессы, происходящие в нем. Отличительной особенностей методических погрешностей является то, что они не могут быть указаны в нормативно-технической документации на средство измерения, поскольку от него не зависят, а должны определяться оператором в каждом конкретном случае.

Субъективная (личная) погрешность измерения обусловлена погрешностью отсчета оператором показания по шкалам средства измерений, диаграммам регистрирующих приборов. Они вызываются состоянием оператора, его положением во время работы, несовершенством органов чувств, эргономическими свойствами средства измерений. Характеристики субъективной погрешности определяют на основе нормированной номинальной цены деления шкалы измерительного прибора (или диаграммной бумаги регистрирующего прибора) с учетом способностей «среднего оператора» к интерполяции в пределах деления шкалы. Эти погрешности уменьшаются по мере совершенствования приборов, например: применение светового указателя в аналоговых приборах устраняет погрешность вследствие параллакса, применение цифрового отсчета исключает субъективную погрешность.

Объективная погрешность измерения – погрешность, не зависящая от личных качеств человека, производящего измерение.

По влиянию внешних условий различают основную и дополнительную погрешности средства измерений.

Основной называется погрешность средства измерений, определяемая в нормальных условиях его применения. Для каждого средства измерений в нормативно-технических документах оговариваются условия эксплуатации – совокупность влияющих величин (температура окружающей среды, влажность, давление, напряжение, частота питающей сети и др.), при которых нормируется его погрешность (влияющая величина – это физическая величина, не измеряемая данным средством измерений, но оказывающая влияние на его результаты).

Дополнительной называется погрешность средства измерений, возникающая вследствие отклонения какой-либо из влияющих величин, т.е дополнительная погрешность, увеличивающая общую погрешность прибора, возникает, если прибор работает в условиях, отличных от нормальных.

В зависимости от характера изменения величины погрешности при изменении измеряемой величины погрешности делятся на аддитивные и мультипликативные.

Аддитивные погрешности обусловлены смещением статической характеристики прибора вверх или вниз (вправо или влево), например, из-за смещения шкалы прибора (дрейфа нуля), трения в опорах и т.д. Аддитивная погрешность не зависит от значения измеряемой величины х, т.е. постоянна по всей шкале прибора.

Влияние аддитивных погрешностей на статическую характеристику прибора показано на рис. 1.6.

Аддитивная погрешность (при выражении ее в виде абсолютной погрешности) имеет постоянную величину, не зависящую от значения измеряемой величины х

D y = y - y_и = k (x +D x) - kx = k D x = const, т.к. k =const, D x = const.

Аддитивные погрешности преобладают у большинства аналоговых приборов.

Мультипликативные погрешности возникают из-за погрешностей задания передаточного коэффициента k статической характеристики y = kx. Мультипликативная погрешность зависит от значения измеряемой величины и увеличивается к концу шкалы прибора.

Влияние мультипликативных погрешностей на статическую характеристику прибора показано на рис. 1.7.

Мультипликативная погрешность (при выражении ее в виде абсолютной погрешности) пропорциональная значению измеряемой величины

D y = y - y_и = (k +D k) x – kx = D kx = var, т.к. D k =const, x= var.

Мультипликативные погрешности преобладают у приборов, относящихся к масштабирующим преобразователям (шунты, добавочные сопротивления, усилители, делители, трансформаторы и т.п.).

Существуют приборы, у которых аддитивные и мультипликативные погрешности соизмеримы. К этому классу приборов относятся цифровые приборы. Влияние соизмеримых аддитивных и мультипликативных погрешностей на статическую характеристику прибора показано на рис. 1.8.