7.3. Классификация погрешностей средств измерений

Погрешность СИ (инструментальная погрешность) является частью общей погрешности измерений [4, 34, 66].

Погрешность си может быть определена как разность между показания си и значением известного сигнала на входе си.

По характеру изменения погрешности со временем и по характеру проявления можно выделить систематическую и случайную погрешности СИ.

Систематическая погрешность СИ – составляющая погрешности СИ, принимаемая за постоянную или закономерно изменяющуюся. Постоянная систематическая погрешность может быть обусловлена, прежде всего, неточностью градуировки или калибровки СИ, влиянием температуры и питающей сети рабочего напряжения и т.д. Изменяющаяся со временем систематическая погрешность может быть обусловлена изменением рабочих условий эксплуатации СИ (рабочая температура, влажность, атмосферное давление, механические воздействия и т.д.), разного рода помехами и другими факторами. Систематическая погрешность индивидуального образца СИ, как правило, не совпадает с систематической погрешностью другого экземпляра СИ данного типа. Поэтому группа однотипных СИ характеризуется некоторой средней систематической погрешностью и может рассматриваться как случайная величина для СИ данного типа.

Случайная погрешность СИ – составляющая погрешности СИ, изменяющаяся случайным образом. Эта погрешность может быть обусловлена электронными шумами, флуктуациями коэффициента преобразования, нестабильностью контактного сопротивления в коммутирующих устройствах, нестабильностью трения в опорах подвижной части приборов и т.д.

Погрешность СИ можно рассматривать по входу или/и по выходу. Приведя погрешность СИ, например ко входу, удобно сравнивать полезный сигнал с различными дестабилизирующими факторами, также приведенными ко входу СИ. На практике погрешность СИ по входу определяется как разность между известным значением величины (сигнала) на входе х и величиной определяемой, как частное от деления значения сигнала на выходе y(x) деленному на коэффициент преобразования K_пр: . Подобным образом определяется погрешность измерительного преобразователя по выходуОсобенно важной является процедура «приведения» погрешности ко входу, поскольку позволяет получить абсолютную погрешность, выраженную в единицах измеряемой ФВ.

Относительная погрешность – погрешность СИ, выраженная отношением абсолютной погрешности СИ к результату измерений или к действительному значению измеренной ФВ. На практике допускается абсолютную погрешность относить к показанию прибора и выражать её в процентах. Относительная погрешность называется приведенной погрешностью, если она отнесена к нормируемому значению (постоянному во всём диапазоне измерений или части диапазона). В качестве нормирующего значения часто принимают верхний предел измерений.

СИ при эксплуатации всегда подвергаются воздействию изменяющихся со временем внешних условий эксплуатации (температура окружающей среды, влажность, атмосферное давление, вибрация и т.д.). Возникает вопрос: какие условия измерения для СИ можно считать исходными или нормальными, как принято говорить в метрологии, а какие условия выходящими за рамки нормальных? Введем некоторые определения, поясняющие эти вопросы.

Влияющая величина – ФВ, не являющаяся измеряемой данным СИ, но оказывающая влияние на размер измеряемой величины и (или) результат измерений.

Нормальные условия измерения – условия измерения, характеризуемые совокупностью значений или областей значений влияющих величин, при которых изменением результата измерений пренебрегают вследствие малости. Нормальные условия измерений устанавливаются в НД на СИ конкретного типа или при их поверке (калибровке). Нормальные условия характеризуются, как правило, небольшими изменениями влияющих величин. Например, нормальная температура окружающей среды 202 С, нормальная влажность воздуха 60  5 % и т.д. Изменение метрологических характеристик СИ в нормальных условиях является одной из составляющих погрешности СИ – основной погрешности СИ.

Рабочие условия измерения – условия измерений, при которых значения влияющих величин находятся в пределах рабочих областей, в пределах которых, в свою очередь, нормируют дополнительную погрешность или изменение показаний СИ. Например, рабочая область температур окружающей среды от минус 60 до плюс 60 С, изменения напряжения в сети от 180 до 230 В.

Следует подчеркнуть, что нормальные и рабочие условия применения СИ определяются документацией на СИ (стандартами, техническими условиями) и зависят от вида СИ и условий его применения. Например, прецизионные СИ лабораторного типа должны эксплуатироваться при небольших изменениях влияющих величин, в то время как приборы военного назначения должны нормально функционировать в широком диапазоне изменения влияющих величин.

В соответствии с «Методическим материалом по применению ГОСТ 8.009-84» типичными для общего случая применения СИ являются четыре составляющих инструментальной погрешности:

1) погрешность, обусловленная неидеальностью собственных свойств СИ, т.е. отличием действительной функции (коэффициента) преобразования СИ в нормальных условиях от номинальной функции преобразования или для меры, обусловленная отличием действительного значения выходной величины меры в нормальных условиях от номинального значения этой величины. Эта составляющая погрешности называется основной погрешностью СИ;

2) погрешность, обусловленная реакцией СИ на изменения внешних влияющих величин и неинформативных параметров входного сигнала относительно их нормальных значений. Эта составляющая зависит как от свойств СИ, так и от изменений влияющих величин и называется дополнительной погрешностью СИ;

3) погрешность, обусловленная реакцией СИ на скорость (частоту) изменения входного сигнала. Эта составляющая погрешности измерений зависит как от динамических свойств СИ, так и от частотного спектра входного сигнала и называется динамической погрешностью СИ;

4) погрешность, обусловленная взаимодействием СИ и объекта измерений. Подключение СИ к объекту измерений во многих случаях приводит к изменению значений измеряемой ФВ относительно того значения, которое имела измеряемая величина до подключения СИ к объекту измерений и определение которого является целью измерений. Эта составляющая зависит как от свойств СИ, так и объекта измерений.

Примечания. 1). Погрешность взаимодействия СИ может иметь место и при подключении СИ к другому СИ, например в измерительной системе. Такая возможность рассматривается в методическом материале по применению ГОСТ 8.009-84.

2) В РМГ 29-99 не введено понятия «погрешность взаимодействия», хотя имеются определения основной, дополнительной и динамической погрешностей СИ. Погрешность взаимодействия в соответствии с этим документом может быть отнесена к дополнительной погрешности. Действительно, взаимодействие СИ по входу или выходу с другими объектами или СИ влияет на метрологические характеристики основного СИ, например через выходной импеданс или изменение поля излучения в области чувствительной области СИ (датчика). Погрешность взаимодействия может быть отнесена также к методической погрешности, поскольку выбранный метод взаимодействия СИ с объектом измерения не соответствует указаниям НД на данное СИ.

Основная погрешность – это погрешность, обусловленная эксплуатацией СИ в нормальных условиях, а также несовпадением функции преобразования данного экземпляра СИ с номинальной функцией преобразования, присущей данному типу (данной группе) СИ. В общем случае основная погрешность состоит из систематической и случайной погрешностей, которые могут зависеть от времени. Эта погрешность может определяться неточностью градуировки, калибровки, временным дрейфом из-за старения элементов схемы, а при технических измерениях, разбросом функции преобразования группы СИ и т.д.

Дополнительная погрешность в отличие от основной погрешности появляется при эксплуатации СИ в рабочих условиях. Эта погрешность также может быть представлена в виде суммы систематической и случайной погрешностей и в значительной степени определяется температурой окружающей среды, а также другими условиями эксплуатации СИ.

Источником дополнительной погрешности может быть также реакция СИ на неинформативные параметры входного сигнала и особенно реакция СИ на изменение этих параметров. Это обусловлено тем, что входной сигнал может нести информацию об изменении измеряемой ФВ, а также и об изменениях других ФВ, не являющихся предметом измерения. Например, в приборе для измерения состава вещества, основанном на поглощении ионизирующего излучения, проходящего через это вещество, величина потока излучения, прошедшего через вещество, зависит не только от состава вещества (информативный параметр), но и от толщины образца вещества (неинформативный параметр).

Примечания: 1) В ГОСТ 8.009-84 для расчета суммарной погрешности СИ предлагается рассматривать одну из двух моделей. Модель I распространяется на подавляющую часть эксплуатируемых СИ и предполагает статистическое объединение всех существенных составляющих погрешности (основной, дополнительной и динамической). Модель II применима для консервативной оценки погрешности СИ, когда в первую очередь должны быть обеспечены вопросы безопасности. Для этой модели метод расчета погрешности заключается в арифметическом суммировании модулей наибольших возможных значений всех существенных составляющих инструментальной погрешности измерений. Эти наибольшие возможные значения представляют собой границы интервалов, в которых соответствующие составляющие находятся с вероятностью близкой к единице, т.е. представляют собой пределы допускаемых погрешностей.

2) При расчете погрешностей СИ учитываются только те составляющие, которые вносят заметный вклад в суммарную погрешность СИ, т.е. являются существенными. Что является критерием существенности составляющей погрешности СИ? В отличие от критерия значимости погрешности (критерий 1/3 от общей погрешности), критерий существенности распространяется на погрешности измерения разного характера (случайные и систематические) и разных причин возникновения (основная, дополнительная, динамические, гистерезиса и др.). Существенность составляющих определяется путем сравнения их между собой и с суммарной погрешностью [70, 71].