	Уровень: Глоссарии:

Погрешности и классы точности средств измерений

Погрешности и классы точности средств измерений^* . Назначением всякого прибора является обеспечение в момент измерений преобразований измеряемой величины или отклонений от её заданного значения в величину выходного сигнала средства измерения, например перемещения указателя. При этом способы преобразования могут быть весьма разнообразны и зависят от физического принципа, использованного в конструкции прибора и самой конструкции. Если через Q обозначить числовое значение измеряемой величины (или отклонения от ее заданного значения), через А - относительные перемещения указателя и через S - чувствительность прибора, то зависимость между величинами можно представить равенством A=S·Q Для конкретной конструкции прибора его чувствительность будет определяться качеством изготовления всех звеньев прибора, участвующих в преобразовании величины Q в относительное перемещение указателя А.
Погрешность показаний измерительного прибора является его результирующей погрешностью и определяется целым комплексом составляющих погрешностей. Процесс измерений любым прибором связан с неоднократным преобразованием измеряемой величины звеньями измерительной цепи прибора. При этом каждое из звеньев измерительной цепи осуществляет соответствующее преобразование с некоторой погрешностью, а измеряемая величина Х может оставаться постоянной или изменяться каким - либо образом во времени. Поэтому при анализе процесса измерения в общем случае мы будем рассматривать измеряемую величину как некоторую функцию времени.
При выполнении измерений, как в первом, так и во втором случае показания прибора будут с некоторой погрешностью.
На точность показаний измерительного прибора может существенно влиять чувствительность, под которой понимается отношение изменения сигнала на выходе измерительного прибора, например перемещение указателя к вызывающему его изменение измеряемой величины. Абсолютную чувствительность определяют по формуле

(1.11) где

l - изменение сигнала на выходе;
Q - измеряемая величина;

Q - изменение измеряемой величины.
При определении чувствительности значение измеряемой величины следует изменять настолько, чтобы изменение сигнала на выходе измерительного прибора было достаточно заметным, но и в то же время это изменение должно, быть, настолько, малым, чтобы, в его пределах чувствительность можно было считать постоянной.
В тех случаях, когда чувствительность - величина переменная, зависящая от измеряемой величины, ее находят для соответствующего ряда значений измеряемой величины и строят кривую этой зависимости.
Для шкальных приборов чувствительность обратно пропорциональна цене деления шкалы. Так как цена деления данного прибора есть величина постоянная, то шкала будет неравномерной, если чувствительность - величина переменная. Если при определении чувствительности постоянно уменьшать изменение измеряемой величины, то может случиться, что конечное изменение измеряемой величины не вызовет никакого перемещения указателя. Это происходит в приборах, подвижная часть которых, связанная с указателем, обладает трением или мёртвым ходом. В связи с этим появляется новый признак, характеризующий измерительные приборы, а именно порог чувствительности.
Под порогом чувствительности понимают наименьшее изменение значения измеряемой величины, способное вызвать малейшее изменение в показаниях прибора. Для определения порога чувствительности значение измеряемой величины сначала незначительно повышают, а затем немного понижают. Вызванное этим изменение в показаниях прибора и будет порогом чувствительности.
Чувствительность прибора должна полностью соответствовать его точности. При слишком низкой чувствительности прибор не может быть использован в полной мере. Но и очень высокая чувствительность приводит к ошибочной оценке точности прибора и может также уменьшить его действительную точность.
Весьма важным фактором является стабильность средств измерений - качество средств измерений, отражающее неизменность во времени его метрологических свойств. Стабильность характеризуется, главным образом, вариацией в показаниях измерительного прибора.
Вариацией называется наибольшая полученная экспериментально разность между многократными показаниями измерительного прибора, соответствующими одному и тому же действительному значению измеряемой величины при неизменных внешних условиях. Таким образом, вариация может включать в себя показания прибора при данном значении измеряемой величины, если устранены все причины колебаний, кроме присущих самому прибору. У работающих приборов вариацию можно обнаружит, если произвести ряд наблюдений, изменяя действительное значение измеряемой величины от наименьшего, а затем в обратном, порядке и отмечая соответствующие этим значениям показания прибора. Как правило, при таком испытании проявляется погрешность несколько меньшая, чем вариация. Эту погрешность называют погрешностью обратного хода.
Причиной вариации является трение и мёртвый ход подвижных частей механизма прибора, неполная упругость пружин и других деталей, подверженных действию сил. Изменяющих их форму или размер, а также совместное действие всех этих и других факторов.
Особый вид вариации представляют явления, вызываемые остаточными напряжениями, возникающими в материале прибора под действием чрезмерной нагрузки, или явления, происходящие вследствие необратимого теплового расширения, задержки притока тепла через оболочки, изменения температурного режима при прохождении электрического тока, стекания жидкости со стенок бюреток и пипеток. Сюда же можно отнести старение материалов, что наблюдается, например, у стеклянных приборов и магнитов.
Погрешности, вызываемые нестабильностью, могут значительно ограничить полезную область применения прибора, и поэтому следует предварительно установить степень влияния на результаты измерений. Нестабильность должна полностью соответствовать чувствительности средств измерения, а также градуировке шкалы. Так, не имеет смысла градуировать шкалу индикатора в микрометрах. Если нестабильность достигает сотой доли миллиметра.
Непостоянство измерительного усилия прибора для различных положений его механизма является одним из недостатков многих механических приборов. Для уменьшения влияния на результат измерений колебания измерительного усилия прибора применяют специальные стабилизирующие устройства.
На результат измерений и контроля могут существенно влиять субъективные погрешности, появление которых вызывается субъективными качествами оператора. Эти погрешности бывают особенно заметны при оценке дробных долей цены деления шкалы.
Если погрешности средств измерений ограничиваются пределами, из которых они не должны выходить, то наибольшая по абсолютному значению погрешность средств измерений, при котором оно может быть признано годным и допущено к применению, называется пределом допускаемой погрешности средства измерений. Эта погрешность характеризуется поставленными перед ней знаками или одним из знаков, если она распространяется на одни положительные или отрицательные значения допускаемых нормами погрешностей. Понятие допускаемой погрешности применимо к основной и дополнительной погрешностям, а также к изменению показаний средств измерений.
Для приборов, ограниченных допускаемой погрешностью показаний, устанавливают понятие класса точности прибора, характеризующее возможную точность показаний прибора.
Согласно ГОСТ 13600-68 класс точности средств измерений - это обобщённая характеристика средств измерений, определяемая пределами допускаемых основной и дополнительных погрешностей, а также другими свойствами средств измерений, влияющими на их точность, значения которых устанавливаются в стандартах на отдельные виды средств измерений. Классы точности характеризуют свойства средств измерений, но не являются непосредственным показателем точности измерений, выполняемых с помощью этих средств.
В зависимости от класса точности средств измерений стандарт устанавливает различные пределы допускаемых основных и дополнительных погрешностей средств измерений в виде абсолютных приведённых или относительных погрешностей. При этом под основной погрешностью понимают погрешность, свойственную средству измерений, эксплуатируемому в нормальных условиях применения.
Наибольшая основная погрешность средств измерений, при которой средство измерений по техническим требованиям может быть признано годным и допущено к применению , называется пределом допускаемой основной погрешности. ГОСТ 13600-68 вводит также понятие дополнительной погрешности средства измерений , под которой понимается изменение действительного значения меры, показания прибора или сигнала на выходе преобразователя , возникающее при отклонении одной из влияющих величин за пределы , установленные для нормального значения или для нормальной области значений. При этом согласно стандарту наибольшая дополнительная погрешность (изменение показаний), вызываемая изменением влияющей величины в пределах расширенной области, при которой средство измерений по техническим требованиям может быть допущено к применению, называется пределом допускаемой дополнительной погрешности.
Важными факторам, определяющими точность средств измерений, являются условия их применения, которые могут изменяться, вызывая появление дополнительных погрешностей. В стандарте введено понятие нормальных условий применения средств измерения. Это те условия, когда влияющие величины имеют нормальные значения или находятся в пределах нормальной области значений. При этом нормальное значение влияющей величины - значение величины (с нормированными отклонениями), устанавливаемое в стандартах или технических условиях на средства измерений данного вида, при котором значение погрешности не должно превышать установленных пределов. Нормальная область значений влияющей величины - это та область значений влияющей величины, устанавливаемая в стандартах или технических условиях на средства измерений данного вида, в пределах которой основная погрешность не должна превышать установленных пределов.
Для нормирования дополнительных погрешностей введено понятие расширенной области - области значений влияющей величины, устанавливаемой в стандартах или технических условиях на средства измерений, в пределах которой значение дополнительной погрешности (изменение показаний) не должно превышать установленных пределов.
В соответствии с ГОСТ 13600-68 пределы, допускаемые для основной и дополнительной погрешностей средств измерений каждого из классов точности, должны устанавливаться в виде абсолютных, приведённых или относительных погрешностей, или в виде определённого числа делений. При этом абсолютная погрешность должна быть выражена одним значением

=±a (

- предел допускаемой абсолютной погрешности, a - постоянная величина); в виде зависимости предела допускаемой погрешности от номинального значения показания или сигнала x, выраженной формулой

=±(a+b), (1.12) Где b - постоянная величина; х принимают без учёта знака. Относительная погрешность

в процентах, согласно ГОСТ13600-68, должна быть выражена с помощью одной из следующих формул:

(1.13); (1.13) где c,d - постоянные числа; х_к- конечное значение диапазона измерений или диапазона значений сигнала на входе преобразователя;

- предел допускаемой относительной погрешности в процентах от значения измеряемой величины. Допускается также применение формулы

(1.14) где х₀ - значение измеряемой прибором величины или сигнала на входе преобразователя, при котором предел допускаемой погрешности имеет минимальное значение. Значения х и х₀ в приведённых формулах принимают без учёта знака. Стандарт допускает также применение приведённой погрешности, определяемой по формуле

(1.15) где х_N - значение величины, к которой относят абсолютную погрешность средств измерений при вычислении приведённой погрешности (нормирующее значение).
При установлении приведенной погрешности нормирующее значение принимают равным: для средств измерений с равномерной или степенной шкалой, если нулевая отметка находится на краю или вне шкалы, конечному значению рабочей части шкалы; для средств измерений с равномерной или степенной шкалой, если нулевая отметка находится внутри рабочей части шкалы - арифметической сумме конечных значений рабочей части шкалы (без учёта знака);
для средств измерений, предназначенных для измерения величин, для которых установлено номинальное значение, этому номинальному значению;
для средств измерений с логарифмической или гиперболической шкалой - всей длине шкалы;
для всех других средств измерений нормирующее значение устанавливается в стандартах на отдельные виды средств измерений.