Глава 11. Электрические измерительные приборы

11.1. Основные определения и термины

11.1.1 Погрешности измерений

Процесс измерения различных физических величин является неотъемлемой частью научно-технической деятельности, контроля качества продукции, управления технологическими процессами, оценки состояния технических и биологических систем и т.д.

В основе измерений лежит учение о методах и средствах обеспечения единства измерительных процедур и способов достижения заданной точности контроля физических величин, которые изучаются дисциплиной, называемой метрологией.

В современной метрологии установлена система понятий позволяющая однозначно определять процесс получения и трактовки измерительной информации о физических величинах.

Под физической величинойпонимают свойство, общее в качественном отношении многим физическим объектам, но в количественном отношении индивидуальное для каждого объекта.

Значение физической величины- оценка физической величины в виде некоторого числа принятых для неё единиц.

Различают истинное и действительное значения физической величины.

Истинное значение физической величины- значение физической величины, которое идеальным образом отражало бы в качественном и количественном отношениях соответствующее свойство объекта. Так как истинное значение определить практически невозможно, то вместо истинного пользуются действительным значением.

Действительное значение физической величины- значение физической величины, найденное экспериментальным путём и настолько приближающееся к истинному значению, что для данной цели может быть использовано вместо него.

Единица физической величины- физическая величина, которой по определению присвоено числовое значение, равное единице.

Измерение - нахождение значения физической величины опытным путём с помощью специальных технических средств.

Результат измерения- значение величины, найденное путём её измерения.

Результат измерения должен описывать то состояние или то явление в окружающем нас мире, которое мы измеряем. Между этим состоянием или явлением и результатом измерения должно существовать то или иное соотношение. Кроме того, результат измерения должен быть избирательным и объективным.

Для осуществления измерений соответствующими приборами необходимо воспроизвести единицу физической величины, сравнить с ней измеряемое значение, зафиксировать результаты сравнения и оценить погрешность измерения.

Погрешность измерения - отклонение результата измерения от истинного значения Х₀измеряемой величины, которое может быть обусловлено конструктивными недостатками прибора, несовершенством технологии его изготовления, а также влиянием различных внешних факторов. Разность между показанием прибора Х и истинным значением измеряемой величины Х₀называетсяабсолютной погрешностьюизмерительного прибора:

(11.1)

Относительная погрешность измерения  определяется обычно в процентах к истинному значению Х₀ но, так как отклонения Х от Х₀ сравнительно малы, то

 = 100%100% (11.2)

Поскольку величина Х при измерении может принимать любые значения в пределах от 0 до Х_N , где Х_N - верхний предел диапазона измерения прибора (номинальное значение), то оценить качество прибора по значению абсолютной или относительной погрешности невозможно. Поэтому было введено понятие приведённой погрешности

(11.3)

Значение приведённой погрешности, выраженное в процентах

100% , определяет класс точности прибора.

Высокая точность измерения соответствует малым значениям погрешности измерения. Если погрешность измерения 10^-5, то точность равна 10⁵.

Метод измерения - совокупность приёмов использования принципов и средств измерений.

Средства измерений - технические средства, используемые при измерениях и имеющие нормированные метрологические свойства, т.е. свойства, оказывающие влияние на результаты и погрешности измерений.

Единство измерений - такое состояние измерений, при котором их результаты выражены в узаконенных единицах и погрешности измерений известны с заданной вероятностью. Единство измерений позволяет сопоставить результаты измерений, выполненные с использованием различных методов и средств измерения в различных местах и в разное время.

Мероприятия по обеспечению единства и требуемой точности измерений установлены законодательно.

Законодательство по метрологии включает в себя комплексы взаимосвязанных и взаимообусловленных общих правил, требований, и норм, а также другие вопросы, нуждающиеся в регламентации и контроле со стороны государства, направленные на обеспечение единства измерений и единообразия средств измерения.

Характерными особенностями электроизмерений являются многообразие измеряемых величин, большие пределы измеряемых значений, широкий диапазон частот от постоянного тока до десятков гигагерц, разнообразие форм измеряемых величин.

По характеру измерения во времени все сигналы можно классифицировать как детерминированные и случайные (недетерминированные) (рис. 11.1).

Рис. 11.1. Классификация сигналов

К детерминированным сигналам относятся сигналы, описываемые математическими выражениями. Это сигналы, мгновенные значения которых в любой момент времени известны.

Случайные сигналы - это такие сигналы, мгновенные значения которых принимают одно из множества возможных значений, неизвестных заранее. Полное описание случайных сигналов производится с помощью ряда вероятностных характеристик, каждая из которых определяется либо усреднением совокупности реализации X_К(t), либо усреднением по времени одной реализации x(t). Результаты усреднения могут зависеть или не зависеть от времени или номера реализации. Исходя из этой зависимости случайные величины подразделяются на стационарные и нестационарные. Стационарные могут быть эргодическими и неэргодическими. С вероятностными характеристиками случайных сигналов можно познакомиться в специальной литературе.