Погрешности средств измерений

Процедура измерения состоит из следующих этапов: принятие моде- ли объекта измерения, выбор метода измерения, выбор СИ, проведение эксперимента для получения результата. Это приводит к тому, что резуль- тат измерения отличается от истинного значения измеряемой величины на некоторую величину, называемую погрешностью измерения. Измерение можно считать законченным, если определена измеряемая величина и ука- зана возможная степень ее отклонения от истинного значения.

Причины возникновения погрешностей чрезвычайно многочислен- ны, поэтому классификация погрешностей, как и всякая другая классифи- кация, носит достаточно условный характер.

Следует различать погрешность СИ и погрешность результата изме- рения этим же СИ. Погрешности измерений зависят от метрологических характеристик используемых СИ, совершенства выбранного метода изме- рений, внешних условий, а также от свойств объекта измерения и изме-

ряемой величины. Погрешности измерений обычно превышают погрешно- сти используемых СИ, однако, используя специальные методы устранения ряда погрешностей и статистическую обработку данных многократных на- блюдений, можно в некоторых случаях получить погрешность измерения меньше погрешности используемых СИ.

По характеру проявления погрешности СИ делятся на:

• систематическая погрешность – составляющая погрешности СИ,

принимаемая постоянной или закономерно изменяющейся. К сис-

тематическим погрешностям СИ относят методические, инстру- ментальные, субъективные и другие погрешности, которые при проведении измерений необходимо учитывать и по возможности устранять;

• случайная погрешность – составляющая погрешности СИ, изме-

няющаяся случайным образом. Она приводит к неоднозначности

показаний и обусловлена причинами, которые нельзя точно пред- сказать и учесть. Однако при проведении некоторого числа по- вторных опытов теория вероятности и математическая статистика позволяют уточнить результат измерения, т. е. найти значение из- меряемой величины, более близкое к действительному значению, чем результат одного измерения;

• промахи – грубые погрешности, связанные с ошибками оператора

или неучтенными внешними воздействиями. Их обычно исключа-

ют из результатов измерений.

По причинам возникновения погрешности СИ делятся на:

• методические – погрешности, возникающие вследствие несовер-

шенства, неполноты теоретических обоснований принятого метода

измерения, использования упрощающих предположений и допу- щений при выводе применяемых формул, из-за неправильного вы- бора измеряемых величин. Например, измерение температуры с помощью термопары может содержать методическую погреш- ность, вызванную нарушением температурного режима исследуе- мого объекта (вследствие внесения термопары);

• инструментальные – погрешности, обусловленные свойствами

применяемых СИ (стабильностью, чувствительностью к внешним

воздействиям и т.д.), их влиянием на объект измерений, техноло-

гией и качеством изготовления (например, неточность градуиров-

ки, конструктивные несовершенства);

• субъективные – погрешности, вызванные состоянием оператора,

проводящего измерения, его положением во время работы, несо-

вершенством органов чувств, эргономическими свойствами СИ – все это сказывается на точности визирования. Использование циф- ровых приборов и автоматических методов измерения позволяет исключить такого рода погрешности.

По отношению к изменяемости измеряемой величины погрешности

СИ делятся на:

• статическая погрешность – погрешность СИ, используемого при

измерениях постоянной величины;

• динамическая погрешность – погрешность СИ, возникающая

при измерении изменяющейся (в процессе измерения) физической

величины.

По способу выражения погрешности СИ делятся на:

• абсолютная погрешность – разность между показаниями прибора

и действительным значением измеряемой величины:

Δ = x − xд, (1.4)

где x – показания прибора; xд – действительное значение измеряе-

мой величины;

• относительная погрешность – погрешность СИ, выраженная от-

ношением абсолютной погрешности СИ к действительному значе-

нию измеренной физической величины в пределах диапазона из-

мерений:

δ = Δ ⋅100 %, (1.5)

xд

Так как

x >> Δ, то вместо действительного значения измеряемой ве-

личины можно использовать показания прибора;

• приведённая погрешность – относительная погрешность, выра-

женная отношением абсолютной погрешности СИ к условно при-

нятому значению величины, постоянному во всем диапазоне изме- рений или в части диапазона. Условно принятое значение величи- ны называют нормирующим значением х норм. Приведенная по- грешность равна:

γ = Δ

x норм

⋅100%. (1.6)

 

Выбор нормирующего значения производится в соответствии с ГОСТ 8.009-84. Это может быть верхний предел измерений СИ, диапазон измерений, длина шкалы и т.д. Для многих средств измерений по приве- денной погрешности устанавливают класс точности прибора.

По характеру зависимости от измеряемой величины погрешности

СИ делятся на:

• аддитивная погрешность – это погрешность, постоянная для ка-

ждого значения измеряемой величины, вызванная поступательным

смещением реальной статической характеристики (функции пре-

образования) от идеальной статической характеристики;

• мультипликативная погрешность – это погрешность, линейно

возрастающая или убывающая с ростом измеряемой величины,

вызванная поворотом реальной статической характеристики (функции преобразования) от идеальной статической характери- стики.

По отношению к условиям применения погрешности СИ делятся на:

• основная погрешность – погрешность СИ, определяемая в нор-

мальных условиях его применения. Например, если для прибора

установлены нормальные температурные условия +10…+35ОС, то в этом диапазоне гарантируется основная погрешность, указанная в паспорте. Прибор может работать в более широком диапазоне температур от 0 до +40ОС. Этот диапазон называют рабочим;

• дополнительная погрешность – составляющая погрешности СИ,

дополнительно возникающая вследствие отклонения какой-либо

из влияющих величин от нормального ее значения или вследствие ее выхода за пределы нормальной области значений.

Предел допускаемой основной погрешности – наибольшая основ- ная погрешность, при которой СИ может быть признано годным и допу- щено к применению по техническим условиям.

Предел допускаемой дополнительной погрешности – это та наи- большая дополнительная погрешность, при которой средство измерения может быть допущено к применению. Например, для прибора класса точ- ности 1,0 приведенная дополнительная погрешность при изменении тем- пературы на 10°С не должна превышать ±1%. Это означает, что при изме-

нении температуры среды на каждые 10°С добавляется дополнительная погрешность 1%.

Пределы допускаемых основной и дополнительной погрешностей выражают в форме абсолютных, относительных и приведенных погрешно-

стей.

Обобщенная характеристика данного типа средств измерений, как правило, отражающая уровень их точности, определяемая пределами до- пускаемых основной и дополнительных погрешностей, а также другими характеристиками, влияющими на точность, называется классом точности СИ. Класс точности дает возможность судить о том, в каких пределах на- ходится погрешность СИ одного типа, но не является непосредственным показателем точности измерений, выполняемых с помощью каждого из этих средств, так как погрешность зависит также от метода измерений, ус- ловий измерений и т.д. Это важно учитывать при выборе СИ в зависимо- сти от заданной точности измерений. Класс точности СИ конкретного типа устанавливают в стандартах технических требований (условий) или в дру- гих нормативных документах. Например, прибор класса 0,5 может иметь основную приведенную погрешность, не превышающую 0,5%. Вместе с тем, прибор должен удовлетворять соответствующим требованиям и в от- ношении допускаемых дополнительных погрешностей.