Реферат
на тему:
Характеристики засобів вимірювальної техніки. Похибки засобів
вимірювальної техніки
1. Характеристики засобів вимірювальної техніки
Залежно від призначення, будови, принципу дії, засоби вимірювальної
техніки мають різні характеристики, які визначаються точністю,
правильністю, чутливістю, відтворенням, збіжністю, швидкодією та
надійністю роботи.
Результати вимірюваної величини визначаються за шкалою приладу, діапазон
показів якого обмежений початковим і кінцевим значенням.
Діапазон вимірювань — інтервал вимірюваної величини, у межах якого
пронормовані похибки засобу вимірювання.
Досить часто діапазон вимірювань подається не в одиницях вимірюваної
величини, а у вигляді нормованого сигналу для відповідних оцифрованих
значень шкали засобу вимірювання і називається градуювальною
характеристикою. Вона встановлюється як залежність між значеннями
вимірюваної величини на вході та виході засобу вимірювань, отриманими
під час градуювання та поданими у вигляді таблиці, графіка або формули.
Наприклад, градуювальна характеристика автоматичного потенціометра,
моста, логометра та інших прикладів подана таблично як залежність
показань температури на шкалі приладу від вхідного сигналу, мілівольтах.
Точністю засобу вимірювання називається характеристика засобу
вимірювань, яка визначається за близькістю його показів до істинного
значення вимірюваної величини або ж близькістю до нуля всіх його похибок
(випадкових, систематичних методичних та інших).
Правильністю засобу вимірювань називається характеристика, яка показує
близькість до нуля його систематичних похибок.
Важливою характеристикою засобу вимірювання є його чутливість, що
розраховується з відношення зміни вихідної величини засобу вимірювання
до зміни вхідної величини, яка спричинила цю зміну:
(1)
де ?l і ?? — зміни відповідно лінійної чи кутової вихідної величин
засобу вимірювання у мм, поділках, градусах повороту;
?А — зміна вхідної вимірюваної величини у відповідних одиницях.
Поріг чутливості — найменше значення вимірюваної величини, яке може бути
виявлене засобом вимірювання, тобто на виході засобу вимірювання
відбудеться зміна вихідної величини хоча б на 0,5 поділки.
Поряд з приведеними характеристиками важливе значення мають
характеристики якості засобів вимірювань, які вказують на близькість
результатів вимірювань, виконаних як в однакових, так і в різних умовах
експерименту.
Збіжність засобу вимірювань — характеристика якості, яка відображає
близькість результатів вимірювань однієї і тієї самої величини у
однакових умовах.
Відтворюваність засобу вимірювань — характернетика якості, яка
відображає близькість результатів вимірювань однієї і тієї самої
величини, виконаних у різних умовах, різних місцях, різними методами і
засобами вимірювань.
Стабільність засобу вимірювань — характеристика якості засобу
вимірювань, яка вказує на незмінність у часі його метрологічних
властивостей.
Швидкодія засобу вимірювань характеризується часом реагування засобу
вимірювання на зміну вхідної вимірюваної величини. Для автоматичних
приладів швидкодія — час переміщення каретки з одного кінця в другий
кінець шкали приладу.
Надійність засобу вимірювання характеризується збереженням безвідмовної
роботи протягом заданого достатнього часу. Надійність характеризується
такими показниками: часом безвідмовної роботи, терміном роботи, наробкою
на відмову та ін. Інколи надійність роботи засобу вимірювання
характеризують за його працездатністю або можливістю виконувати свої
функції відповідно до технічних вимог.
Слід зауважити, що на характеристики засобів вимірювальної техніки
негативно впливають зовнішні умови (температура, тиск, вологість,
вібрація, магнітні поля та ін.), тому умови експлуатації засобів
вимірювальної техніки повинні відповідати умовам їх градуювання,
вказаним у технічних паспортах.
2. Похибки засобів вимірювальної техніки
Вимірювання фізичних величин не можна виконати абсолютно точно через
недосконалість методів і засобів вимірювальної техніки, а також через
вплив зовнішнього середовища та залежно від індивідуальних особливостей
спостерігача.
Внаслідок дії багатьох випадкових та детермінованих чинників, які
проявляються як у процесі виготовлення та експлуатації засобів
вимірювань, так і в процесі вимірювань, покази вимірювальних приладів
неминуче відрізняються від істинного значення вимірюваної величини.
Такі відхилення характеризуються похибками засобів вимірювань.
Розрізняють похибки абсолютні, відносні, приведені тощо.
Абсолютною похибкою засобу вимірювань називається різниця між показом
засобу вимірювань та істинним значенням вимірюваної величини за
відсутності методичних похибок і похибок від взаємодії засобу вимірювань
з об’єктом вимірювання:
? = Ai-Q, (2)
де Аi — показання засобу вимірювань;
Q — істинне значення вимірюваної величини.
Проте у метрологічній практиці вимірювань частіше доводиться мати справу
не з істинними величинами, а з дійсними значеннями Ад вимірюваних
величин, визначених розрахунковим або експериментальним шляхом за
допомогою точніших зразкових засобів вимірювань.
Абсолютна похибка дорівнює:
А = Аi-АД. (3)
Відносною похибкою засобу вимірювань називається відношення абсолютної
похибки засобу вимірювань до істинного або дійсного значення вимірюваної
величини, виражене у відсотках:
(4)
Приведеною похибкою засобу вимірювань називається відношення абсолютної
похибки до розмаху шкали засобу вимірювань, виражене у відсотках:
(5)
де N — розмах шкали засобу вимірювань.
Зауважимо, що при імітаційному методі повірки засобу вимірювання в
формулі (5) замість шкали N підставляється нормоване значення шкали, яке
відповідає градуювальним характеристикам.
Варіацією називається найбільша різниця між двома показами засобу
вимірювання, коли одне й те саме дійсне значення вимірюваної величини
досягається в результаті її збільшення чи зменшення: В =Азб – Азм.
Крім того, похибки засобів вимірювань поділяються на статичні й
динамічні.
Статичні похибки мають місце при вимірюванні величини після закінчення
перехідних процесів в елементах та перетворювачах засобу вимірювання.
Динамічні похибки з’являються при вимірюванні змінних величин і
зумовлені інерційними властивостями засобів вимірювань.
Статичні похибки у свою чергу поділяються на випадкові та систематичні.
При технічних вимірюваннях фізичних величин як на процес вимірювання,
так і на вимірювану величину діють чинники, виникнення яких має
стохастичний характер за непередбаченої інтенсивності. Чинники впливу як
з’являються, так і зникають несподівано, їх виникнення неможливо
передбачити у заданому інтервалі часу.
У загальному випадку випадкові похибки слід розглядати як випадкову
функцію часу, вимірюваної величини та зовнішніх чинників.
Систематичні похибки у загальному випадку є функцією вимірюваної
величини, чинників впливу (температури, вологості та ін.),
конструктивних характеристик засобів вимірювань та методів вимірювань.
Систематична похибка засобів вимірювальної техніки (ЗВТ) залишається
постійною або ж закономірно змінюється, тому її завжди можна врахувати
при кінцевих результатах вимірювання.
i
i
AeAE?
¬
i
Систематичні похибки визначаються при повірках та атестаціях зразкових
та робочих ЗТВ, а в результатах вимірювання враховуються як поправки з
протилежним знаком. Поправка у кожній оцифрованій точці шкали чисельно
дорівнює систематичній похибці і обернена до неї за знаком.
Систематичні похибки як функцію вимірюваної величини можна показати як
суму похибок схеми, яка визначається самою структурою засобу вимірювань,
та технологічних похибок, обумовлених похибками виготовлення елементів
цього засобу. Похибки схеми і технологічні похибки можна розглядати як
систематичні лише при вимірюванні постійної вимірюваної величини за
допомогою одного зразка засобу вимірювань. У загальній же масі
вимірювань фізичних величин за допомогою багатьох засобів вимірювань
одержані систематичні похибки слід відносити до класу випадкових.
Похибки схеми і технологічні похибки суттєво і принципово відрізняються.
Якщо перші впливають на характер зміни по шкалі сумарної похибки всіх
засобів вимірювання, то технологічні похибки індивідуальні для кожного
зразка ЗВТ, тобто їх значення для кожного приладу в одній і тій самій
точці різні.
Слід пам’ятати, що характеристики елементів засобів вимірювальної
техніки змінюються при їх експлуатації в екстремальних умовах або
агресивному середовищі. Це відбувається з двох причин: природні процеси
старіння та зносу елементів засобів вимірювань, навіть якщо їх
експлуатація відбувається в умовах, близьких до умов градуювання. Ці
причини можна віднести до інструментального виявлення нестабільності
характеристик.
Крім того, необхідність регламентування додаткових похибок може
зумовлюватись суттєвими змінами зовнішніх умов експлуатації засобів
вимірювань порівняно з умовами проведеного градуювання. Цю причину можна
вважати методичною, вона зумовлена мінливістю навколишнього середовища.
Всі ці обставини спричиняють зміну відхилення-етатичної характеристики у
той чи інший бік від градуювальної характеристики (рис. 1). Якщо ширина
смуги зростає пропорційно зростанню вхідної величини х, а при х = 0 вона
також дорівнює нулю, то така похибка називається мультиплікативною,
тобто такою, що розрахована шляхом множення або похибкою чутливості
незалежно від того, випадкова ця похибка чи систематична.
Мультиплікативна похибка описується рівнянням
?m=f(x).
Смуга, обмежена прямими S’x та S”x (рис. 1, а) є областю невизначеності
і характеризується похибкою чутливості.
Адитивною називається похибка, яка має стале значення по всій шкалі
(рис. 1, б).
Значення похибок засобів вимірювань установлюється відповідно до
стандартів і вимог при нормальних умовах їх використання, а також при
відхиленні впливових величин від нормальних значень.
Під нормальними розуміють такі умови використання засобів вимірювань,
при яких величини, що впливають на процес вимірювання (температура,
вологість, тиск, частота, напруга, зовнішні магнітні поля, вібрація
тощо) мають нормальні значення. Останні встановлюються стандартами або
вказуються у технічних умовах для відповідних засобів вимірювання як
номінальні значення з відхиленнями. Наприклад, температура повинна
становити 20 ± 2 °С; тиск — 101 325 Па; вологість — не перевищувати 80
%; напруга — 220 ±10 В та ін.
Рис. 1. Похибки засобів технічних вимірювань:
а — мультиплікативна, б — адитивна
Відповідно до стандарту, нормальні умови застосування засобів
вимірювальної техніки — це умови, за яких величини, що виявляють
зовнішній вплив, мають нормальні значення або перебувають у межах
нормального інтервалу значень. Похибка, властива засобам технічного
вимірювання, що працюють у нормальних умовах використання, називається
основною і нормується межами допустимої основної похибки. Тільки тоді,
коли основна похибка не перевищує допустимих меж, засіб вимірювальної
техніки допускається до використання за призначенням.
Межі допустимої основної похибки засобів технічних вимірювань задаються
у вигляді абсолютних, відносних та приведених похибок.
Основна похибка засобу вимірювання задається формулою, за якою
визначаються межі допустимої абсолютної похибки:
? = ±а, (6)
або межі приведеної відносної основної похибки:
(7)
де ? — межа допустимої основної абсолютної похибки;
? — межа приведеної допустимої основної похибки;
Хн — номінальне значення вимірюваної величини (розмах пікали приладу).
Додатковою називається похибка, властива засобам вимірювальної техніки,
які використовується для вимірювання за умови відхилення впливових
величин від їх нормальних значень.
Основні та додаткові похибки визначаються межами допустимих основних та
додаткових похибок і задаються формулами або ж встановлюються за
таблицями граничних допустимих абсолютних та приведених похибок для
різних номінальних значень і впливових величин.
Клас точності — узагальнена характеристика засобу вимірювальної техніки,
що визначається границями його допустимих основних і додаткових похибок,
а також іншими характеристиками, що впливають на його точність, значення
яких регламентуються стандартами на окремі види засобів вимірювань.
Історично склалося так, що усі засоби вимірювань, крім кутових та
довжин, поділені на класи точності.
Той чи інший клас точності присвоюється засобам вимірювальної техніки на
основі визначеної для них основної похибки та способу її виявлення. Якщо
основна похибка виражена в одиницях вимірюваної величини за формулою
(6), то клас точності позначається порядковим номером з ряду чисел.
Засобам вимірювань з більшою межею основної похибки присвоюється клас
точності з більшим порядковим номером, а з меншою межею похибки — менший
номер. Клас точності засобів вимірювання характеризує їхні точнісні
властивості, але не є безпосереднім показником точності вимірювання,
оскільки точність залежить від методу, умов проведення вимірювань,
розмаху шкали приладу та ін. Наприклад, якщо межі допустимої основної
похибки становлять ±0,5 дБ, то клас точності позначається так: кл. 0,5
дБ.
Засобам вимірювань, межі допустимих основних похибок яких задані у
вигляді приведених похибок за формулою (7), присвоюються класи точності
з такого ряду чисел:
К = [1; 1,5; 2,0; 2,5; 3,0; 4,0; 5,0; 6,0] • 10п;
де п = 1; 0; -1; -2; -3…
Класи точності відповідно до стандарту, як правило виводяться на шкалу
приладів. Промислові прилади мають такі класи точності: 0,5; 1,0; 1,5;
2,5; 3; 4. Для окремих видів засобів вимірювань вибирається ряд чисел не
більше 5.
При вимірюванні величин у відсотках клас точності на шкалі приладу
обводиться колом.
Для встановлення похибок засобу вимірювання, він періодично повіряється
зразковими засобами, які за класом точності на декілька класів вищі.
Повірка проводиться спочатку при зростанні вимірюваної величини (прямий
хід), а потім при її зменшенні (зворотний хід). Якщо при повірці приладу
встановлено, що найбільша приведена похибка не перевищує або дорівнює
класу точності, то прилад визнається придатним для подальшої
експлуатації. Варіація має вкладатися у клас точності засобу
вимірювальної техніки.
Список використаної літератури
В.Д.Цюцюра, С.В.Цюцюра. Метрологія та основи вимірювань. Навч. посібн.,
К., “Знання -Прес”, 2003
Нашли опечатку? Выделите и нажмите CTRL+Enter
