Основная и дополнительная погрешности

Классы точности средств измерений

Класс точности – это обобщенная метрологическая характери­стика СИ, определяемая предельными значениями допустимых основной и дополнительных погрешностей.

Классы точности раз личных СИ могут задаваться по-разному в соответствии с ГОСТ 8.401–80. «Классы точности средств измерений. Общие требова­ния». Настоящий стандарт устанавливает деление СИ по классам точности, способы нормирования метрологических характеристик, комплекс требований к которым зависит от класса точности СИ, а также – обозначения классов точности.

Пределы допустимых погрешностей СИ выражаются в форме аб­солютной, относительной и приведенной погрешностей (табл. 2).

Если погрешность СИ носит аддитивный характер, то класс точности задается пределом основной абсолютной или приведен­ной погрешностей (варианты 1 и 2 в табл. 2). Если погрешность СИ носит мультипликативный характер, то класс точности задается пределом основной относительной погрешностей (вариант 3 в табл. 2). Если же погрешность имеет как аддитивную, так и мультиплика­тивную составляющие, то класс точности может задаваться преде­лом абсолютной погрешности (вариант 4 в табл. 2) или пределом основной относительной погрешности (вариант 5 в табл2).

Классы точности простых измерительных приборов невысо­кой точности, например, щитовых стрелочных вольтметров, задаются пределом основной приведенной погрешности (вариант 2 из табл. 2). Для самопишущих приборов характерным является задание класса точности пределом основной относительной по­грешности (вариант 3 из табл. 2). Для СИ средней и высокой точности применяются варианты 4 и 5 из табл. 2. Например, для мостов, компенсаторов, цифровых измерительных приборов, как правило, используется вариант 5 из табл. 2. Наиболее распрост­раненной во всем мире (и одновременно наиболее понятной) формой задания погрешностей для современных цифровых СИ является вариант 4 из табл. 2.

Таблица 2

Формы задания классов точности

При этом предел основной абсолютной погрешностиΔ_псо­держит и аддитивную (±а), и мультипликативную (±bХ)состав­ляющие:

Δ_п = ±(a + bX),

где X–значение измеряемой величины; а и b – постоянные ко­эффициенты.

Форма задания класса точности пределом абсолютной погрешно­сти, содержащей аддитивную и мультипликативную составляющие, может иметь несколько вариантов записи. Например, класс точно­сти цифрового термометра может быть задан следующим образом:

Δ_п = ±(0,5 % результата + 2 единицы МЗР),

где МЗР – младший значащий разряд.

Здесь первое слагаемое – это мультипликативная погрешность, а второе – аддитивная.

Другой пример – цифровой мультиметр в режиме измерения переменных напряжений имеет класс точности, определяемый выражением

Δ_п = ±(1,0 % результата + 0,5 % диапазона измерения).

Для зарубежной аппаратуры (и для англоязычной литературы) характерна такая форма записи класса точности

Δ_п =±( аFS +bR),

где FS (Full Scale) – верхнее значение диапазона измерений; R (Reading) – результат измерения (отсчет); a, b – постоянные ко­эффициенты.

Основная инструментальная погрешность находится по классу точности СИ. Например, при нормальных условиях щитовым элек­тромагнитным вольтметром класса точности 1,5 (т.е. имеющим пре­дел основной приведенной погрешности γ_п, не превышающий ±1,5 %) с диапазоном измеряемых значений 0...300 В (нормирую­щее значение Х_н = 300 В) получен результат измерения действую­щего значения напряжения U= 220 В. Требуется определить пре­дельные значения абсолютнойΔ и относительной δ инструмен­тальных погрешностей результата измерения U.

Оценим предельное значение основной абсолютной погреш­ности Δ:

Δ = γX_к/100 = ±1,5·300/100 = ±4,5 В.

Предельное значение основной относительной погрешности δ:

δ = Δ100/U = ±4,5·100/220 ≈ ±2,0 %.

Расчет суммарной погрешности результата измерения в общем случае предполагает нахождение максимально возможного числа составляющих (основной, дополнительной, методической, взаи­модействия и т.д.).

Дополнительная погрешность возникает при работе СИ (в част­ности, прибора) не в нормальных, а в рабочих условиях, когда одна или несколько влияющих величин выходят за пределы обла­сти нормальных значений (но находятся внутри диапазона рабо­чих значений).

Влияющая величина (ВВ) – это такая физическая величина β, которая не измеряется в данном эксперименте, но влияет на ре­зультат измерения или преобразования. Например, в эксперимен­те по измерению тока в электрической цепи некоторые другие физические величины (температура окружающей среды, атмос­ферное давление, относительная влажность воздуха, электричес­кие и магнитные поля, напряжение питания СИ) являются влия­ющими величинами. Конечно, если мы измеряем температуру ок­ружающей среды, то температура в данном эксперименте есть из­меряемая величина.

Влияющие величины в общем случае могут меняться в доволь­но широких диапазонах. При оценке работоспособности СИ в раз­личных условиях воздействия окружающей среды различают три области возможных значений ВВ:

• область нормальных значений ВВ (при этом значение ВВ находится в пределах заранее оговоренных – нормальных – значений);

• область рабочих значений ВВ (при этом значение ВВ находится в диапазоне своих рабочих значений);

• область значений ВВ, при которых возможны хранение или транспортировка СИ.

С точки зрения оценки инструментальных погрешностей нас интересуют лишь первые две области. Область нормальных значений ВВ обычно задается симметричным относительно номи­нального значения диапазоном. В этом диапазоне воз­можных значений ВВ условия применения СИ считаются нор­мальными (НУ) и при этом имеет место только основная погрешность СИ.

Областью рабочих значений называется более широкий диапа­зон возможных изменений ВВ, в котором СИ может нормально использоваться. Границы этого диапазона задаются нижним и верхним предельными значениями ВВ, соответственно. В этом диапазоне значений ВВ условия применения СИ называются рабо­чими (РУ) и при этом имеет место не только основная, но еще и дополнительная погрешность. Таким образом, при работе в преде­лах рабочих условий, но за пределами нормальных, общая инстру­ментальная погрешность складывается уже из основной и допол­нительной составляющих.

Например, для самой важной практически во всех измеритель­ных экспериментах ВВ – температуры окружающей среды – об­ласть нормальных (для Беларуси) значений и, следовательно, нор­мальных условий применения СИ в большинстве обычных техни­ческих измерительных экспериментов составляет (20 ± 5) °С или (20 ± 2) °С.

Области нормальных значений не являются постоянными, а зависят от особенностей выполняемых измерений, измеряемых величин, классов точности СИ. Например, чем точнее СИ, тем уже требуемый диапазон нормальных температур. Для мер элект­рического сопротивления высшего класса точности (0,0005; 0,001; 0,002) допустимое отклонение температуры от номинального зна­чения составляет, соответственно, ±0,1 °С; ±0,2 °С; ±0,5 °С. Для за­рубежных приборов часто за номинальное принимается значение температуры +23 °С.

Области нормальных значений ВВ в специальных измерениях оговариваются отдельно в описании СИ или в методиках проведе­ния измерений.

Диапазоны рабочих условий эксплуатации для СИ разного на­значения различны. Скажем, для СИ лабораторного применения это может быть диапазон температур 0...+40 °С .

Для СИ промышленного применения области рабочих значений ВВ являются более широкими, чем, скажем, для лаборатор­ных СИ. Измерительная аппаратура военного назначения имеет еще более широкие области рабочих значений ВВ.

Условия хранения допускают наиболее широкие диапазоны значений ВВ. Например, для основного параметра окружающей среды – температуры – в паспорте на прибор может быть записа­но: «...диапазон рабочих температур: 0...+40 °С, диапазон темпера­тур хранения: –10...+60°С».

Зная класс точности, коэффициенты влияния окружающей сре­ды (например, температурный коэффициент), а также коэффици­енты влияния неинформативных параметров измеряемых сигналов (например, частоты периодического сигнала напряжения при из­мерении действующего значения), можно оценить значение допол­нительной погрешности и затем найти суммарную инструменталь­ную, сложив основную и дополнительную составляющие.

Рассмотрим пример нахождения оценки дополнительной составляющей инструментальной погрешности на примере влияния только одной (но самой важной и, к счастью, наиболее легко оп­ределяемой) ВВ – температуры. Допустим, после выполнения эк­сперимента по классу точности миллиамперметра найдена его основная инструментальная погрешность Δ_о = ±1,0 мА; темпера­тура в ходе эксперимента была зафиксирована +28 °С. Температур­ный коэффициент в паспорте на прибор определен таким обра­зом: «...дополнительная погрешность на каждые 10 °С отличия от номинальной температуры +20 °С равна основной погрешности в пределах изменения температуры окружающей среды от 0 до +50 °С». Тогда предельное значение дополнительной абсолютной погреш­ности Δ_д в данном случае определяется следующим образом:

Δ_д = Δ_о(28 – 20)/10 = ±1,0·8/10 = ±0,8 мА.