Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
MR_vik_prakt_MTVP (1).doc
Скачиваний:
1
Добавлен:
01.03.2025
Размер:
4.01 Mб
Скачать

1.3. Похибки вимірювання

Якість результатів вимірювання (РВ) та засобів вимірювання (ЗВ) прийнято характеризувати показом їх похибок. У загальному, похибка вимірювання – це критерій якості проведеного вимірювання і, являє собою відхилення результату вимірювання ФВ від її істинного значення. Поняття похибки використовується для оцінки характеристик як ЗВ так і РВ. Потрібно відрізняти похибку засобу вимірювання та похибку результату вимірювання.

Похибка результату вимірювання Δрв - це число, яке показує можливі межі невизначеності значення вимірюваної ФВ, тобто, Δрв оцінює відхилення результату Хвим вимірювання ФВ певним ЗВ від її істинного Qіст чи дійсного Qдійс значення в об'єкті.

Похибка засобу вимiрювання Δзв - це властивість ЗВ, вимірювати ФВ з наперед заданою межею невизначеності, і для визначення цієї властивості у ЗВ необхiдно попередньо провести його метрологічні дослідження, використовуючи вiдповiднi правила метрологічної повірки або атестації.

За способом числового вираження розрізняють два види похибок: абсолютні та відносні, а також різновид відносних - приведені.

Абсолютною похибкою вимірювання ΔХ називається рiзниця мiж результатом вимiрювання (показом приладу) Хвим та iстинним (дійсним) значенням Qіст вимірюваної величини («виміряне мінус істинне») i надається в одиницях вимірюваної величини:

ΔX = ХвимQіст = Хвим - Qдійс. (1.2)

Так як істинне значення Qіст вимірюваної величини не відоме, то не відома й похибка вимiрювання. Тому для одержання, хоча б приблизних відомостей про неї у формулу (1.2) підставляють Qдійс вимірюваної величини.

Абсолютна похибка не може в повній мірі використовуватись як показник точності проведеного вимірювання, так як одне й теж її значення, наприклад, ΔX = 0,05мм при Qдійс = 100мм – відповідає відносно високій точності

вимірювання, а в другому випадку при Qдійс = 1мм – низькій.

Для більш наглядної оцінки точності проведеного вимірювання, введене

поняття відносної похибки. Відносною похибкою (γs) вимірювання називається похибка, яка визначається як відношення абсолютної похибки вимірювання до iстинного Qіст чи дiйсного Qдійс значення вимiрюваної

величини i подається у вiдсотках (%) або в долях одиниці:

γs = (Δ / Qдійс) ּ 100% = [(Хвим - Qіст) / Qіст] ּ 100% =

= [(Хвим - Qдійс) / Qдійс] ּ 100%. (1.3)

При використовуванні поняття γs для розглянутого вище випадку, високій точності вимірювання відповідає мале значення відносної похибки:

γs = (0,05/100) 100% = 0,05%, а низькій – велике: γs = (0,05/1) 100% = 5%.

Але і така наглядна характеристика точності РВ не завжди придатна, наприклад, для нормування похибок ЗВ, так як дійсне значення вимірюваної величини по діапазону його вимірювання (у цьому випадку це значення міри, що приведене до взаємодії з ЗВ при його метрологічній атестації) може дорівнювати нулю. Характер зміни γs по діапазону вимірювання у відповідності із залежністю (1.3) має вигляд гіперболи (γs приймає значення безмежності на початку діапазону ЗВ, а найменше значення - в його кінці).

У зв’язку із цим, для показу й нормування похибок ЗВ, використовується різновид відносної похибки – приведена похибка (γпр).

Приведеною похибкою (вона відноситься тільки до ЗВ) γпр називається

вiдношення абсолютної похибки до розмаху N шкали ЗВ (або до його діапазону D вимірювання), яке виражене у вiдсотках (може бути виражене і в долях одиниці):

γпр = (Δ / N) ּ 100% = (Δ / D) ּ 100%. (1.4)

При постійній абсолютній похибці по діапазону вимірювання, приведена похибка теж постійна й дорівнює відносній похибці в кінці діапазону.

Для того, щоб орієнтуватись у метрологічних характеристиках конкретного ЗВ, щоб завчасно оцінити похибку, яку внесе даний ЗВ в кінцевий результат вимірювання, використовують так звані нормовані значення похибки ЗВ.

Під нормованим значенням похибки засобу вимірювання розуміється граничне значення похибки для даного ЗВ у відповідності з його класом точності.

Нормуються основна та додаткові похибки ЗВ. Тільки границі (межі)

основної похибки, а також коефіцієнти впливу додаткових похибок і заносять

в паспорт кожного ЗВ. Правила, у відповідності з якими назначаються ці межі, або кажуть процедура нормування похибки ЗВ, грунтується на системі стандартів, які забезпечують єдність вимірювання.

Основна похибка ЗВ (Δ0) – це похибка ЗВ при нормальних умовах його

використовування. Вона визначається внаслідок проведення метрологічних випробовувань ЗВ в нормальних умовах, під якими при експлуатації ЗВ розуміється наступні загально прийняті умови:

■ напруга мережі живлення - (220 ) В;

■ температура навколишнього середовища – (20 2)С;

■ відносна вологість – від 30 до 80 відсотків;

■ тиск – (760 25) мм рт. ст. (101325 Па);

■ відсутність зовнішніх електричного та магнітного полів, крім земного.

Основна похибка ЗВ може надаватись як абсолютною О, так і приведеною γпр.

Клас точності ЗВ – це його загальна характеристика, яка визначає значення

максимальної допустимої приведеної похибки ЗВ в указаному для нього

діапазоні та гарантовані межі значення основної і додаткових похибок ЗВ.

Клас точності ЗВ визначається найбільшим значенням основної приведеної похибки ЗВ по діапазону вимірювання, яка визначена при проведенні метрологічних досліджень ЗВ та відповідним чином округлена до більшого із ряду: 6-4-2,5-2,0-1,5-1,0-0,5-0,2-0,1-0,05-0,02-0,01-0,005-0,002-0,001 і т.д.. Значення класу точності наносять на шкалу приладу.

Відповідність похибки ЗВ, присвоєному йому класу точності за час експлуатації, провіряється при періодичних повірках.

Основні способи встановлення граничних значень допустимих похибок і позначення класів точності ЗВ регламентується відповідним стандартом .

Похибка засобів вимірювання Δзв описується певною математичною моделлю. У загальному випадку при багаторазових вимірюваннях математичну модель абсолютної похибки Δ вимірювання надають у вигляді декількох складових, а в мінімумі - як суму двох складових, які розрізняються за закономірностями прояву:

Δ = Δс + Δв , (1.5)

де Δс систематична та Δв випадкова складові похибки.

Кожна із цих складових обумовлена дією різних чинників і може складатись у свою чергу ще з декількох складових. При такому додаванні Δв повинна бути визначена як довірча межа інтервалу невизначеності і відповідати

певній довірчій ймовірності.

Випадкова складова похибки (ВСП) Δв - це складова загальної похибки вимiрювань, яка змінюється за повторних вимiрювань одного i того ж значення ФВ випадковим чином і в появі різних значень якої (і по знаку, і по розміру) не вдається визначити будь-яку закономірність.

Під систематичною складовою похибки (ССП) Δc розуміється складова загальної похибки, яка залишається постійною або закономірно змінюється за повторних вимiрювань одного i того ж значення ФВ і, як правило, вона може бути усунена введенням поправки із зворотним знаком.

Для визначення ССП та ВСП проводяться перевірення або метрологічна атестації ЗВ, при яких виконуються (як правило) багаторазові вимірювання значення Х зразкової міри, що приводиться до взаємодії з ЗВ. Можуть в якості дійсного значення Qдійс вимірюваної по діапазону фізичної величини використовуватись покази зразкового ЗВ більш високого класу точності.

Отримавши ряд n результатів вимірювання X1, X2, X3, ... Xn (загалом прийнято, щоб їх було не менше 20), для визначення систематичної складової похибки Δс, необхідно обчислити найвірогідніше значення результату вимірювання даної вибірки, вирахувавши математичне сподівання M[X] або середнє арифметичне за формулою:

M[X] = ( Xі)/n =(1/n) (X1+X2+X3+...+Xn), (1.6)

та вирахувати ССП ЗВ за формулою:

Δс = – Х . (1.7)

Таким чином, відхилення середнього значення вимірюваної величини (значення зразкової міри, що подається на вхід ЗВ) від її дійсного (істинного) значення (для цього випадку Qдійс = Х ), характеризує ССП. ССП щe

називають середньою арифметичною похибкою, або середнім арифметичним

відхиленням.

Засіб вимірювання, наприклад, інформаційно-вимірювальна система, може мати декілька складових ССП, тому для оцінки результуючої ССП .всі складові додаються алгебраїчно з урахування знаку:

= . (1.8)

Враховуючи, що точність зразкового ЗВ або міри теж має кінцеве значення, яке визначається їх класом точності, поправка на систематичну складову похибки, яка визначена за допомогою останніх, теж буде мати якусь додаткову похибку з будь-яким знак та з рівною ймовірністю. Таку додаткову похибку називають не усуненим залишком ССП .

При оцінюванні схеми вимірювання можуть бути виявлені декілька .

У загальному випадку, рахуючи не усунені залишки складової систематичної похибки взаємонезалежними, використовують для визначення сумарної систематичної похибки формулу геометричного додавання, як для випадкових похибок. Формула сумарної систематичної похибки за геометричного додавання не усунених залишків систематичної складової похибки має вигляд:

;. (1.9)

при цьому враховують, що систематичні похибки в повній мірі визначаються випадковими причинами, і для їх урахування вводять поправочний коефіцієнт , який залежить від довірчої ймовірності і декілька значень якого приведені у таблиці нижче:

0,9

0,95

0,98

0,99

0,95

1,1

1,3

1,4

При визначення ВСП використовують математичний апарат теорії ймовірності та поняття законів розподілу ВСП, як випадкової величини. При цьому, для практичних розрахунків ВСП використовують тільки основні числові характеристики цих законів розподілу, до яких відноситься середньоквадратичне відхилення (СКВ) σх розсіювання окремих результатів Хі вимірювання відносно середнього .

При метрологічних дослідженнях в залежності від кількості n проведених вимірювань використовують різні формули для визначення СКВ ВСП, які залежать від закону її розподілу.

Для попередньої оцінки закону розподілу ВСП використовуються різні критерії, одним із яких є відносна величина середнього квадратичного відхилення – коефіцієнт варіації або у відсотках .

Якщо коефіцієнт варіації має значення 0,33...0,35, то можна рахувати, що розподіл ВСП підпорядкований нормальному закону.

Для нормального закону розподілу ВСП, який, як правило, має місце при великій кількості проведених вимірювань (n ≥ 20÷30), σх дорівнює:

σх= (при n 20÷30), (1.10)

а абсолютна ВСП Δр , яка відповідає довірчому інтервалу з заданою довірчою ймовірністю Рд (індекс при Р показує вибрану довірчу ймовірність Рд з якою проведена оцінки похибки), визначається за формулою:

Δр = tн (σх ) = tн σ , (1.11)

де tн - коефіцієнт (нормована квантіль) для заданої довірчої ймовірності Рд, який вибирають із довідника по метрології для конкретного числа n; а σ .- це дослідне середньоквадратичне відхилення при великій кількості проведених вимірювань: σ = σх (1.12)

При малій кількості n проведених вимірювань (2<n<20÷30) для розрахунку ВСП використовують формулу:

Δр = tp(Sх ) = tp , (1.13)

де Sх – теж СКВ σх, але для малої кількості проведених вимірювань, його зображують як Sх, і розраховують за формулою:

Sх = , (1.14)

а - це дослідне середньоквадратичне відхилення при малій кількості проведених вимірювань: , (1.15)

і tр - коефіцієнт Стьюдента, значення кого в залежності від кількості проведених вимірювань n та заданою довірчою ймовірністю Рд вибирають із метрологічних таблиць.

Вирахувана оцінка СКВ Sх при малій кількості n вимірювань є тільки деяким наближенням до істинного значення СКВ σх. Не можна використовува-

ти формули 1.10 та 1.11 при малій кількості n < 20,.а визначений довірчий інтервал похибки за формулами 1.13 та 1.14 з заданною ймовірністю Рд, є тим більш ненадійним, чим менше число спостережень n. В тих випадках, коли закон розподілу не є нормальним, інколи все ж таки використовують з деяким наближенням розподіл Стьюдента для оцінки довірчого інтервалу ВСП, але степінь цього наближення залишається невідомою.

Визначення похибки засобу вимiрювань Δзв :

Якщо варіація відсутня або нею можна нехтувати, то основна абсолютна похибка ЗВ (при нормальних умовах його використовування), яка зображується в цьому випадку як Δ0, в кожній точці його характеристики перетворення визначається за формулами:

■ при малому числі n дослідів (n<20): Δ0 =с| + tp(Sх ); (1.16)

■ при великому числі n дослідів (n ≥ 20÷30): Δ0 =с| + tн(σх ). (1.17)

Результатом метрологічних досліджень (атестації) нестандартних ЗВ є теж визначення максимальної Δ0max із основних абсолютних Δ0 похибок ЗВ в діапазоні вимірювання D, які для всіх точок по діапазону (в спрощеному вигляді при відсутності варіації та довірчій ймовірності Рд = 0,95) вираховують за формулою:

Δ0 = |Δс | + 2 ּσх , (1.18)

де σх – середньоквадратичне відхилення ВСП.

При наявності варіації основну абсолютну похибку ЗВ в усіх точках характеристики перетворення по діапазону вимірювань визначають по формулі:

,

де gmax - коефіцієнт, який для цифрових приладів дорівнює: gmax = 2;

0,28 - це залежність, яка виражає для цифрових вимірювальних пристроїв

їх варіацію через середньо квадратичне точкове відхилення σн цієї варіації: σн = 0,28 .

Після отримання значення основної абсолютної похибки по всім точкам характеристики ЗВ, вибирають із них максимальну Δ0max по діапазону вимірювання D (або розмаху шкали N ) і визначають максимальну приведену γпр.max похибку ЗВ в цьому діапазоні:

γпр.max = (Δ0max / D) ∙100%= (Δ0max / N) ∙100%. (1.19)

Така основна приведена γпр.max похибка ЗВ, після округлення до більшого із ряду: 6-4-2,5-2,0-1,5-1,0-0,5-0,2-0,1-0,05-0,02-0,01-0,005-0,002-0,001 і т.д., визначає його клас точності, який наносять на шкалу ЗВ.

Додаткові похибки – це похибки, які виникають при відхиленні умов використовування ЗВ від нормальних і нормуються, показуванням впливу зміни окремого фактору на зміну показів ЗВ, у вигляді певного коефіцієнта або відсотка від основної похибки. Наприклад, при зміні при зміні напруги живлення в межах +10 та -15 відсотків від номінального значення 220 В, додаткова похибка не повинна перевищувати 0,15 основної приведеної γпр.

У загальному вигляді сумарна (експлуатаційна) абсолютна похибка засобу вимірювання з урахуванням факторів, що впливають на ЗВ, дорівнює:

∆ = Δ0 + , (1.20)

де Δ0 - основна абсолютна похибка ЗВ при нормальних умовах;

Δі - додаткові похибки, які визиваються зміною і-го фактору, що впливає на ЗВ.

Експлуатаційна похибка ЗВ – це похибка в реальних умовах використовування ЗВ і складається із його основної похибки та всіх додаткових похибок. Вона може бути набагато більшою за основну похибку, так як додаткові похибки відповідним чином додаються до основної (формула 1.18). Всі складові експлуатаційної похибки оговорюються в технічній документації на ЗВ і визначаються при його метрологічних випробовуваннях, по розробленим у відповідності із стандартами методикам.

В техніці вимірювань використовують поняття допустимої основної похибки ЗВ, яка дозволяє проводити вимірювання за допомогою конкретного ЗВ з наперед заданою і очікуваною точністю. Допустима основна похибка ЗВ - це найбільша похибка результатів вимірювання даним ЗВ, яка допустима стандартом для його класу точності.

Запис кінцевого РВ за багаторазових вимірювань.

Визначена за формулами 1.11 або 1.13 випадкова складова похибки є похибкою Δрв результату вимірювання і дає змогу записати кінцевий результат вимірювання фізичної величини певним ЗВ за багаторазових вимірювань. В цьому випадку математичне сподівання M[X] або середнє арифметичне показує на найбільш вірогідне дійсне значення Qдійс. Запис кінцевого результату вимірювання має сенс тільки тоді, коли указана похибка Δрв, з якою вимірювання проведені і яка повинна бути відповідним чином округлена. При цьому використовуються наступні формули:

■ при n <20: Qдійс. = M[X] ± tp(Sх ) ≈ ± tp ; (1.21)

■ при n ≥ 20÷30): Qдійс.= M[X] ± tн(σх ) ≈ ± tн σ ; (1.22).

ЗАНЯТТЯ №1

«Розрахунки параметрів термометрів опору та манометрів

і обчислення їх похибок»

1. Мета заняття

Засвоїти основні визначення та методики розрахунку основних параметрів термометрів опору та манометрів, а також розрахунок їх похибок.

2. Загальні положення

Температура - це фізична величина, яка характеризує наявність кінетичної енергії в тілі і яка не піддається безпосередньому (прямому) вимірюванню. Тому температуру завжди перетворюють в іншу фізичну величину, яка зв’язана з температурою відомою залежністю.

Вимірювальні перетворювачі – це ЗВ, що призначені для формування сигналу вимірювальної інформації про значення вимірюваної величини у формі зручній для передачі, подальшого перетворення, обробки та збереження, хоч безпосередньо він не сприймається спостерігачем.

Первинні вимірювальні перетворювачі (ПВП) - це технічні засоби, що побудовані з використанням певного фізичного принципу й виконуючі тільки одне вимірювальне перетворення, як правило, перетворення фізичної величини в електричні величини. ПВП - ще називають сенсорами або датчиками (чутливими

елементами). Вони безпосередньо знаходяться під дією вимірюваної величини, і

формують сигнал вимірювальної інформації (здебільшого - аналоговий або

частотний). ПВП зображуються на схемах автоматизації як ХЕ, де замість символу Х ставляться символи: Т (температура), L(рівень), Q(концентрація) і т.д., наприклад, FЕ (первинний вимірювальний перетворювач витрати).

Принцип дії ПВП температури (термометрів опору ТО) грунтується на властивості провідників (металів) та напівпровідників змінювати свій електричний опір R в залежності від зміни їх температури t.

Для мідних ТО характеристика перетворення має вигляд:

Rм = R(1+t), (1.23)

де - ТКО = 4,2610-3 1/С.

Для платинових ТО залежність опору від температури визначається трьох членною формулою для температур 0С:

Rn = R0n (1+t+t2), (1.24)

де = +3.96810-3 1/С; = -5.84710-7 1/С.

Для платинових ТО залежність опору від температури визначається чотирьох членною формулою для температур < 0С:

Rn = R0n (1+t+t2t3) = R0n [1+t+t2+ct3(t - 100 )], (1.25)

де = +3.96810-3 1/С; = -5.84710-7 1/С; γ = c(t - 100); с = -4,22*10-121/С.

а) б) в) г)

Рис.1.1: а) - загальна схема термоелектричного ПВП; б) - загальний вигляд термопари і термометра опору; в) та г) - відповідно вигляд цих ПВП в розрізі.

ТО (рис. 1.1,г) являє собою дріт 1 певної довжини і діаметром 0,07мм, який намотується на стержень 2 із ізоляційного матеріалу (наприклад, слюди безіндуктивним методом, тобто, біфілярно в два проводи, одночасна подвійно-зустрічна намотка, нижні кінці проводів 1 з’єднуються) і який є чутливим елементом. Чутливий елемент ТО розміщують (рис.1.1,б) в корпус 1 (кожух) із нержавіючої сталі (конструкція схожа з термопарами), який має різьбове з’єднання 3 для його кріплення через фланець 2 до металевих стінок технологічного обладнання та головку 6, в якій розміщують клеми під’єднання зовнішніх проводів або може розташовуватись перетворювач для дистанційної передачі уніфікованого сигналу по струму..

ТО мають при виготовленні нормоване (стандартизоване) значення R0 при

0С і зображуються як ТСМ для мідного дроту та ТСП – для платинового.

ТО із міді виготовляються із нормованим значенням опору R на 10, 50, та

100 Ом і їм присвоєні умовні позначення: 10М, 50М, 100М. Платинові ТО теж

мають нормовані значення R0n при температурі 0С і, по аналогії з мідними, в залежності від R0n мають позначення: , , 10П, 50П, 100П, 500П.

В якості вимірювальних приладів, які використовуються у комплекті з ТО,

використовуються врівноважені і неврівноважені мости, логометри та сучасні вимірювальні перетворювачі (н, ТРМ 200)з уніфікованим вихідним сигналом.

Тиском називається фізична величина, яка характеризується інтенсивністю нормальних, тобто, перпендикулярних до поверхні, розподілених сил, з якими одне тіло діє на поверхню іншого. Іншими словами тиск характеризується силою, що рівнорозподілена по нормалі до поверхні іншого тіла, на яке вона діє.

Розрізняють поняття: абсолютного , атмосферного та надлишкового тисків.

Абсолютний тиск Рабс – це тиск, який відраховується від стану повної

відсутності тиску. За початок абсолютного тиску приймають абсолютний нуль

тиску, що відповідає тиску в середині ємності після повної відкачки із неї повітря. Нуль такого тиску – це «тиск пустоти». Прикладом абсолютного тиску – є атмосферний тиск Ратм, який ще називають барометричним. Він визначається вагою стовпа атмосфери (слоїв атмосфери), що знаходиться на точкою вимірювання атмосферного тиску.

В більшості випадків тиск, який необхідно вимірювати, утворюється у відкритих чи закритих посудинах, тобто, в просторі оточеному атмосферою і який знаходиться під дією атмосферного тиску. В цих випадках практичне значення має перевищення тиску в посудині над атмосферним. Таке перевищення називають надлишковим тиском Рнад.

За початок відліку надлишкового тиску Рнад приймають значення атмосферного тиску. Таким чином, надлишковий тиск дорівнює відповідному

йому абсолютному тиску за відрахуванням значення атмосферного Ратм:

Рнад = Рабс - Ратм. (1.26)

Від’ємне значення надлишкового тиску за формулою (1.1) називають розрідженням або вакуумметричним тиском Рвак (від латинського «vacuum» -пустота). Це тиск , що менший атмосферного і дорівнює:

Рвак = Ратм - Рабс . (1.27)

Залежність (1.2) показує, що Рвак не може перевищувати атмосферний тиск Ратм, який має місце в даний момент і в даному місці, і що від’ємне значення абсолютного тиску бути не може.

Одиницею вимірювання тиску в системі СІ є паскаль (Па). 1Па – це тиск, що утворюється на поверхні площею в 1м2 прикладеною до неї силою 1 ньютон (Н), яка рівномірно розподілена по нормальній до цієї поверхні. Пристави кратності:

1кПа = 103Па, а 1МПа = 106Па.

В манометрії допускається використання і позасистемних одиниць тиску.

Найбільш розповсюджена - технічна атмосфера (ат або кгс/м2), що являє собою тиск, який утворюється силою в 1кг, рівномірно розподіленою по нормалі до поверхні, площею в 1см2.

1ат = 1кгс/см2 = 98066,5 Па 100 кПа = 0,1 МПа.

1бар (1 гектоп’єза) = 105Па = 0,1 МПа і є по величині трохи більшим за технічну атмосферу.

Ще використовується одиниця тиску - фізична атмосфера (атм), яка дорівнює тиску стовпа ртуті висотою 760 мм при температурі 0С на 1 см2 і прискоренні вільного падіння g = 9,81 м/с2. 1 атм = 1,0332 кгс/см2 101,325 КПа – відповідає нормальному атмосферному тиску і використовується як одиниця при перерахунках об’ємів газу та повітря, при їхньому переході із одного стану в інший (при зріджені газів).

Так як тиск в одну атмосферу або бар є досить великою величиною, то на практиці для вимірювання малих тисків використовують наступні одиниці тиску: мм ртутного та мм водяного стовпа:

■ 1ат = 735,56 мм.рт.ст при температурі 0С;

■ 1ат = 10 м водяного стовпа при 4С;

■ 1мм рт. ст. (1 торр) = 133,322 Па;

■ 1мм. вод. ст. при 4С = 9,8 Па.

Задача №1. Нестандартний мідний термометр опору (ТО) має опір Rм20 при температурі +20С, який дорівнює Rм20 =1,75 Ом. Визначити опір Rм100 та Rм150 даного ТО при температурах відповідно 100С та 150С.

Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]