Погрешности измерений и электроизмерительных приборов

Важнейшими характеристиками средств измерения, отличающими их от других технических средств, являются метрологические характеристики, с помощью которых определяют значение измеряемой величины и аппаратную составляющую погрешности результата измерений.

К метрологическим характеристикам относятся погрешности средств измерения, чувствительность, цена деления и т. д.

Погрешность средства измерения – метрологическая характеристика, количественно выражающая отклонение номинального значения физической величины, измеряемое данным средством, от истинного значения.

Погрешности измерений можно подразделить на три группы: грубые (промахи), систематические и случайные.

Грубые погрешности иногда называют субъективными, т. к. они чаще всего возникают вследствие невнимательности человека или недостаточной его квалификации и опыта.

Случайными погрешностями называют погрешности, значение и знак которых не могут быть заранее указаны. Такие погрешности определяют путем многократного повторения измерений и применением статистических методов обработки результатов этих измерений. Систематические погрешности – это погрешности, абсолютное значение и знак которых либо известны, либо могут быть определены. К ним относятся: погрешности измерительного прибора, погрешности метода измерения и измерительного устройства, погрешности от пренебрежения малыми значениями величин, погрешности от влияния внешних факторов.

Систематические погрешности измерительного прибора подразделяются на аддитивные, пропорциональные и погрешности делений шкалы.

Типичная аддитивная погрешность возникает, когда стрелка измерительного прибора не находится, в отсутствие измерительного сигнала, на нулевой отметке.

Пропорциональные погрешности возникают в частности из-за отклонения от номинальных значений сопротивлений добавочных резисторов и шунтов показывающих приборов.

Погрешности делений шкалы устанавливаются и определяются путем поверки приборов с применением более точных образцовых приборов.

Систематические погрешности метода измерения и измерительного устройства возникают, например, когда ЭДС источника напряжения измеряют вольтметром с конечным внутренним сопротивлением.

Электроизмерительные приборы характеризуются чувствительностью, т. е. способностью реагировать на изменения входного сигнала. Чувствительность представляет собой отношение изменения сигнала Δy на выходе прибора к вызвавшему его изменению сигнала Δx на входе прибора: S = Δy/Δx. Чувствительность прибора имеет размерность, зависящую от характера измеряемой величины.

Величина, обратная чувствительности, называется ценой деления электроизмерительного прибора: С = 1/S. Она равна числу единиц измеряемой величины, приходящихся на одно деление шкалы. Если, например, S = 10 дел./А, то С = 0,1 А/дел.

В зависимости от условий применения средств измерения различают также основную и дополнительную погрешности.

Основная погрешность – погрешность средств измерения, используемых в нормальных условиях (при нормальном рабочем положении прибора, нормальной температуре окружающей среды, влажности, давлении, отсутствии внешних электрических и магнитных полей кроме земного магнетизма и т. п.).

Дополнительная погрешность – это погрешность средств измерения, возникающая в результате отклонения одной из влияющих величин от нормального значения.

Основная и дополнительная погрешности прибора, как и измерения, могут быть абсолютными и относительными.

Абсолютная погрешность прибора в данной точке диапазона измерения равна

Δ = x – х_i,

где x – показание прибора;

х_i – истинное значение измеряемой величины.

В связи с тем, что истинное значение чаще всего неизвестно, на практике вместо него используется действительное значение х_д, в качестве которого применяют либо среднее арифметическое значение ряда измерений, либо показания образцового прибора. По этой причине на практике значение погрешности можно оценить только приближенно.

Абсолютная погрешность может быть положительной и отрицательной. Она выражается в тех же единицах, что и измеряемая величина. Абсолютная погрешность с обратным знаком называется поправкой. Очевидно, что абсолютная погрешность прибора выражается в тех же единицах, что и измеряемая величина.

Абсолютная погрешность δ прибора не характеризует в полной мере точность измерения, поэтому при измерениях определяется также относительная погрешность – отношение абсолютной погрешности к истинному (действительному) значению измеряемой величины

(6.2)

Относительная приведенная погрешность γэлектрического измерительного прибора равна отношению абсолютной погрешности к нормирующему значению x_n,которое принимается видом шкалы (рисунок 6.1):

(6.3)

 

Относительная погрешность обычно существенно изменяется вдоль шкалы прибора и с уменьшением значений измеряемой величины увеличивается.

Точность электроизмерительного прибора является одним из важнейших показателей, характеризующих его качество. Она определяется величиной погрешности (наибольшей ошибки), которая может иметь место при измерении какой-либо величины.

Класс точности— основная метрологическая характеристика прибора, определяющая допустимые значения основных и дополнительных погрешностей, влияющих на точность измерения.

Класс точности записывается в виде числа, которое указывает максимально возможную погрешность прибора, выраженную в процентах от наибольшего значения величины, измеряемой в данном диапазоне работы прибора. Так, для вольтметра, работающего в диапазоне измерений 0 – 30 В, класс точности 1,0 предполагает, что указанная погрешность при положении стрелки в любом месте шкалы не превышает 0,3 В.

Согласно ГОСТ, приборам непосредственной оценки присваивают классы точности: 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5 и 4,0.

В таблице 6.1 приведены классы точности, допустимые значения основной относительной погрешности и область применения соответствующих приборов.

Таблица 6.1 –Классы точности, допустимые значения основной относительной погрешности и область применения соответствующих приборов

Класс точности прибора	Допустимое значение величины основной погрешности, %	Класс точности вспомогательного устройства для расширения пределов измерения прибора	Характеристика и область применения прибора
0,05	+ 0,05	0,02	Образцовые приборы.
0,1	± 0,1	0,05	Применяются для особо точных измерений.
0,2 0,5	+ 0,2 ± 0,5	0,1 0,1	Точные лабораторные приборы. Применяются для изме-рений в лабораториях и т.п.
1,0 1,5	+ 1,0 ± 1,5	0,5 1,0	Точные технические щитовые приборы. Применяются для обычных измерений.
2,5	± 2,5	1,0	Щитовые приборы.
4,0	± 4,0	1,0	Грубые технические приборы.

Пример 6.1 Определить точность результата измерения напряжения сети 220 В с помощью двух вольтметров класса 2,5 каждый, если предел измерения одного вольтметра равен 250 В, второго – 500 В.

Решение. Абсолютные погрешности прибора со шкалой 250 В: (250/100) · (± 2,5) = ± 6,25 В, со шкалой 500 В: (500/100) · (+ 2,5) = = ±12,5 В.

Из примера видно, что погрешность измерения в первом случае будет меньше. Поэтому необходимо пользоваться тем прибором, предел измерения которого ближе к предполагаемому значению измеряемой величины.