Погрешности средств измерения. Классы точности приборов

В результате воздействия большого числа факторов, влияющих на изготовление и эксплуатацию средств измерений, действительные показания приборов отличаются от истинных значений измеряемых ими физических величин. Эти отклонения характеризуют погрешности средств измерений, являющиеся лишь составной частью погрешности измерения.

Классификация погрешностей средств измерений в зависимости от разных признаков представлена на рис. 1.17.

Погрешности средств измерения в зависимости от характера проявления подразделяют на случайные и систематические. Составляющую погрешность средства измерения, принимаемую постоянной или закономерно изменяющейся, называют систематической погрешностью, а погрешность, изменяющуюся случайным образом, - случайной.

Рис. 1.17. Классификация погрешностей средств измерений

В зависимости от условий применения средства измерений различают основную и дополнительную погрешности. Основная погрешность - это погрешность средства измерений, применяемого в нормальных условиях. При эксплуатации средства измерений на производстве возникают значительные отклонения от нормальных условий, вызывающие дополнительные погрешности.

Нормальными условиями для линейных измерений считают следующие:

• • температура окружающей среды 20 °С;
• • атмосферное давление 101 325 Па (760 мм рт. ст.);
• • относительная влажность окружающего воздуха 58%;
• • ускорение свободного падения 9,8 м/с ;
• • направление линии и плоскости измерения - горизонтальное;
• • относительная скорость движения внешней воздушной среды равна нулю.

Когда погрешность средства измерений физической величины принимается за неизменную или, наоборот, изменяющуюся в процессе измерения, используют понятия соответственно статической и динамической погрешностей. Динамическая погрешность определяется как разность между погрешностью измерения в динамическом режиме и его статической погрешностью, равной значению величины в данный момент времени. Динамические погрешности возникают вследствие инерционных свойств средств измерения.

В зависимости от формы представления выделяют абсолютную, относительную и относительную приведенную погрешности.

Абсолютная погрешность - это погрешность, выраженная в единицах измеряемой величины.

Относительная погрешность средства измерения выражается отношением абсолютной погрешности средства измерений к результату измерений или к действительному значению измеряемой физической величины.

Относительная приведенная погрешность средства измерений равна отношению абсолютной погрешности прибора А_х к некоторому условно принятому значению величины, постоянному во всем диапазоне измерений или в части диапазона, - нормирующему значению x_N:

Таким образом, приведенная погрешность - разновидность относительной погрешности прибора. В качестве нормирующего значения xn принимают диапазон измерений, верхний предел измерений, длину шкалы и др.

Для рассмотрения зависимости погрешности средства измерения от значения измеряемой величины х используют понятие номинальной и реальной функций преобразования: соответственно.

Номинальная функция преобразования fin (х) приписана измерительному устройству, указывается в его паспорте и используется при выполнении измерений.

Реальной функцией преобразования (х) называют ту функцию преобразования, которой обладает конкретный экземпляр средства измерения данного типа. Реальная функция преобразования имеет отклонение от номинальной функции и связана со значением измеряемой величины.

Погрешность линейности - погрешность, появляющаяся тогда, когда отличие реальной функции преобразования от номинальной вызвано нелинейными эффектами.

Рис. 1.18. Аддитивная и мультипликативная погрешности

Аддитивной (получаемой путем сложения), или погрешностью нуля, называют погрешность, которая остается постоянной при всех значениях измеряемой величины (рис. 1.18, линия 1).

Мультипликативная погрешность (получаемая путем умножения), или погрешность чувствительности СИ, линейно возрастает или убывает с изменением измеряемой величины (рис. 1.18, линия 2). В большинстве случаев аддитивная и мультипликативная составляющие присутствуют одновременно (рис. 1.18, линия 3).

Погрешность гистерезиса, или погрешность обратного хода, выражается в несовпадении реальной функции преобразования при увеличении (прямой ход) и уменьшении (обратный ход) измеряемой величины (рис. 1.19, а). Если взаимное расположение номинальной и реальной функции преобразования средства измерений вызвано* нелинейностью, то эту погрешность называют погрешностью линейности (рис. 1.196).

Рис. 1.19. Погрешности гистерезиса и линейности: а) - гистерезиса; б) - линейности

В разных точках диапазона средств измерений погрешность может принимать различные значения. В этом случае необходимо нормировать пределы допускаемых погрешностей, т.е. устанавливать границы, за пределы которых погрешность не должна выходить ни при изготовлении объекта, ни в процессе его эксплуатации. Для этого служит класс точности средства измерений.

Класс точности - это обобщенная характеристика, отражающая уровень точности средства измерений, выражаемая пределами допускаемых основной и дополнительных погрешностей, а также другими характеристиками, влияющими на точность. Класс точности дает возможность судить о том, в каких пределах находятся погрешности средства измерений, но не является непосредственным показателем точности измерений, так как точность измерений зависит еще от метода и условий измерений.

В зависимости от вида погрешности средства измерений существует несколько способов нормирования погрешности.

Если аддитивная погрешность средства измерений преобладает над мультипликативной, то удобнее нормировать абсолютную или приведенную погрешности соответственно:

Нормирование по абсолютной погрешности не позволяет сравнивать по точности приборы с разными диапазонами измерений, поэтому принято нормировать приведенную погрешность, где р - отвлеченное положительное число, выбираемое из ряда (1; 1,5; 2; 2,5; 4; 5; 6) х 10_n (n = 1, 0, -1, -2 и т.д.); хп- нормирующее значение, равное конечному значению шкалы прибора, диапазону измерений или длине шкалы, если она нелинейная.

Если мультипликативная погрешность преобладает над аддитивной, то нормируется предел 5 допускаемой относительной погрешности:

где q — отвлеченное положительное число, выбираемое из ряда, приведенного дляр.

При одновременном проявлении аддитивной и мультипликативной погрешностей нормируются пределы относительной или абсолютной погрешностей, определяемых формулами соответственно:

где х_к — конечное значение шкалы прибора; cud — положительные числа, выбираемые из ряда, приведенного дляр; х_1Ш1 — значение измеряемой физической величины на входе (выходе) средств измерений или число делений, отсчитанных по шкале; а и b — положительные числа, не зависящие от

?^изм*

Обозначение классов точности в документации и на средствах измерений приведены в табл. 1.7.

Таблица 1.7

Обозначение классов точности

Пределы допускаемой погрешности средств измерений задают в виде графиков, таблиц или в сложной форме. Классы точности обозначают римскими цифрами или прописными буквами латинского алфавита.