Розділ 2 зразкові прилади і допоміжні пристрої вимірювальної апаратури

2.1. Зразкові і робочі засоби вимірювань. Похибки

Вимірювання виконуються за допомогою спеціальних технічних засобів, що мають нормовані метрологічні властивості і називаються засобами вимірювань. До засобів вимірювань відносяться: міри, перетворювачі, прилади, установки і системи.

Міри відтворюють фізичну величину заданого розміру з необхідної для даних вимірювань точністю.

Перетворювачі виробляють сигнал вимірювальної інформації у формі, зручній для передачі, подальшого перетворення, обробки і (або) збереження. У перетворювачі можуть входити вимірювальні механізми.

Вимірювальні прилади виробляють сигнал вимірювальної інформації у формі, доступній для безпосереднього сприйняття спостерігачем (вольтметр, осцилограф, частотомір).

Вимірювальні установки — сукупність функціонально об'єднаних засобів вимірювань, розташованих в одному місці, а вимірювальні системи — подібна сукупність, що використовує канали зв'язку і призначена для вироблення сигналів вимірювальної інформації у формі, зручній для автоматичної обробки.

Для найбільш точних вимірювань маються державні зразкові міри — еталони різних фізичних величин. Для перевірки робочих технічних засобів вимірювань існують зразкові прилади, точність яких перевіряється по еталонах. Усі зразкові міри або прилади можуть використовуватися як такі тільки в тому випадку, коли вони у встановлений термін перевірені відповідними організаціями по більш точних мірах.

Результат вимірювань завжди має похибку. Тому результат вимірювань не може дати точного значення вимірюваної величини, а дає тільки так назване дійсне значення, прийняте за точне і визначене з тією або іншою похибкою.

Похибки вимірювань розрізняються по:

джерелу виникнення (метод, інструмент, суб'єкт);

умовам проведення вимірювань (температура, тиск, вологість) ;

характерові прояву (систематичні, випадкові, промахи);

часовому поводженню вимірюваної величини (статична похибка, коли вимірювана величина не міняється за час вимірювань; динамічна, коли прилад не встигає реагувати на зміни вимірюваної величини);

способові вираження: абсолютна , коли вона визначена як різниця між результатом вимірювань і дійсним значенням вимірюваної величини ; відносна, коли вона визначена відношенням абсолютної похибки до дійсного значення вимірюваної величини

( ; ).

Похибки за умовами вимірювань розділяються на основні (при умовах, прийнятих за нормальні: температура +20±5°С, відносна вологість 65±15%, тиск 100000±4000 Па (760±30 мм рт. ст.)] і додаткові. Додаткові похибки враховують як зміни зазначених умов, так і відхилення режиму роботи приладу або ланцюга від прийнятих для даного засобу вимірювань і ланцюга (у відношенні, наприклад, напруги живлення, впливу зовнішніх магнітних полів, температури й ін.). Вони вказуються в паспортах приладів у відсотках, частках класу точності (К ) або в одиницях вимірюваної величини. Так, відхилення частоти на 10% від нормованих для приладу меж може внести додаткову похибку на К %.

Систематичні похибки — складові загальної похибки вимірювань (звичайно одного знака), що залишаються постійними (або закономірно змінюються) при повторних вимірах тим же способом і засобами (наприклад, похибки: за рахунок шунтування вольтметром опору, на якому виміряється напруга; при установці нульових показань приладу; через особливості сприйняття особи, що вимірює; через недооблік, постійно діючого фізичного явища, що супроводжує процес виміру й ін.). У принципі, систематична похибка може бути виявлена, усунута або врахована.

Випадкові похибки — складовою загальної похибки, що змінюються випадковим образом при повторних вимірах однієї і тієї ж величини. Вони звичайно малі, а точний облік їх може бути зроблений тільки при досить великій кількості повторних вимірювань (як правило, не менш десяти) за законами теорії ймовірностей. За дійсне значення вимірюваної величини в цьому випадку приймається звичайно середнє арифметичне з ряду вимірювань.

Промахи — грубі помилки, обумовлені неправильним відліком або розрахунком, недбалістю вимірюючого і т.п., що у ряді вимірювань не враховуються і відкидаються. Для судження про те, чи можна віднести якийсь результат вимірювань до промахів, часто застосовують правило «трьох сигм». Під величиною сигма розуміється середнє квадратичне відхилення випадкової величини від її середнього значення . Величина відповідає в більшості випадків (при нормальному, гаусовому розподілі з імовірністю 0,997) гранично можливому відхиленню значення від _. Результати вимірювань, що відхиляються від більше чим на , звичайно можна вважати промахами.

Основна похибка для вимірювальних приладів визначається класом їхньої точності (К). Клас точності вказується на шкалі (або в паспорті) приладу і дорівнює вираженої у відсотках граничної відносної похибки при показаннях приладу, прийнятих за норму (часто називаною приведеною похибкою). У приладів з однобічною шкалою за норму приймається відлік при відхиленні стрілки на всю шкалу, названу номінальним ( ): . Для приладів з нулем у середині шкали за норму приймається сума відліків (по модулю) від крайньої лівої відмітки до крайньої правої; для приладів з істотно нерівномірною шкалою за норму приймається довжина шкали і береться в одиницях довжини. Електровимірювальні прилади виготовляються дев'яти класів точності (0,02; 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5; 4,0).

Відносна похибка результату вимірювання %, знаходиться з розрахунку, що похибка може мати місце на будь-якій ділянці шкали:

. (2.1)

Для зразкових приладів ємності, індуктивності, опору, загасання основна похибка визначається також класами їхньої точності відповідно до ДСТ на ці прилади. Для багатьох вимірювальних приладів, використовуваних у техніку зв'язку (зокрема, для вимірників рівня), основна похибка указується як абсолютна, тобто в одиницях вимірюваної величини на визначеній оцінці шкали (наприклад: 0,1 дБ на оцінці «0»). Клас точності при цьому не вказується.

Основними характеристиками, по яких оцінюють і вибирають у вимірювальній техніці зв'язку зразкові прилади, є номінальні межі регулювання зразкової величини, основна похибка і додаткова похибка від частоти. Нерідко приходиться також враховувати стабільність параметрів приладу в часі, припустиму потужність розсіювання, іноді додаткову похибку від температури й інші, здатні мати місце при даному вимірі.

При обліку декількох похибок (наприклад, основної і додаткової) гранична похибка виразиться їхньою сумою, причому усі вони повинні бути узяті з однаковим знаком (якщо точно знаки їх невідомі). Якщо складають більш трьох похибок, то вірніше враховувати ймовірну похибку. Орієнтовно її можна прийняти рівній 0,67 від граничної, а точніше, знайти як результат додавання похибок по квадратичному закону, узявши корінь квадратний із суми квадратів усіх похибок.