какую роль в точности измерений играет быстродействие прибора
Что нужно знать о классе точности измерительного прибора?
Измерительные приборы: вольтметры, амперметры, токовые клещи, осциллографы и другие — это устройства, предназначенные для определения искомых величин в заданном диапазоне, каждый из них имеет свою точность, причем устройства, измеряющие одну и ту же величину, в зависимости от модели, могут отличаться по точности и классу.
В каких-то ситуациях достаточно просто определить значение, например, вольтаж батарейки, а в других необходимо выполнить многократное повторение измерений высокоточными приборами для получения максимально достоверного результата, так в чем отличие таких измерительных устройств, что означает класс точности, сколько их бывает, как его определить и многое другое читайте далее в нашей статье.
Что такое класс точности
Определение: «Класс точности измерения — это общая характеристика точности средства измерения, определяемая пределами допустимых основных и дополнительных погрешностей, а также другими факторами, влияющими на нее».
Сам по себе класс не является постоянной величиной измерения, потому что само измерение зачастую зависит от множества переменных: места измерения, температуры, влажности и других факторов, класс позволяет определить лишь только в каком диапазоне относительных погрешностей работает данный прибор.
Чтобы заранее оценить погрешность, которую измерит устройство, также могут использоваться нормативные справочные значения.
Относительная погрешность — это отношение абсолютной погрешности к модулю действительного приближенного показателя полученного значения, измеряется в %.
Абсолютная погрешность рассчитывается следующим образом:
∆=±a или ∆=(a+bx)
x – число делений, нормирующее значение величины
a, b – положительные числа, не зависящие от х
Абсолютная и приведенная погрешность рассчитывается по следующим формулам, см. таблицу ниже
Какие классы точности бывают, как обозначаются
Как мы уже успели выяснить, интервал погрешности определяется классом точности. Данная величина рассчитывается, устанавливается ГОСТом и техническими условиями. В зависимости от заданной погрешность, бывает: абсолютная, приведенная, относительная, см. таблицу ниже
Согласно ГОСТ 8.401-80 в системе СИ классы точности обычно помечается латинской буквой, часто с добавлением индекса, отмеченного цифрой. Чем меньше погрешность, соответственно, меньше цифра и буквенное значение выше по алфавиту, тем более высокая точность.
Класс точности обозначается на корпусе устройства в виде числа обведенного в кружок, обозначает диапазон погрешностей измерений в процентах. Например, цифра ② означает относительную погрешность ±2%. Если рядом со знаком присутствует значок в виде галочки, это значит, что длина шкалы используется в качестве вспомогательного определения погрешности.
Каким ГОСТом регламентируется точность приборов?
ГОСТ 8.401-80 «Классы точности средств измерений» общие требования. Нормативным документом устанавливаются общие положения классификации точностей измерительных приборов.
Как определить класс точности электроизмерительного прибора, формулы расчета
Чтобы определить класс точности, необходимо взглянуть на его корпус или инструкцию пользователя, в ней вы можете увидеть цифру, обведенную в круг, например, ① это означает, что ваш прибор измеряет величину с относительной погрешностью ±1%.
Но что делать если известна относительная погрешность и необходимо рассчитать класс точности, например, амперметра, вольтметра и т.д. Рассмотрим на примере амперметра: известна ∆x=базовая (абсолютная) погрешность 0,025 (см. в инструкции), количество делений х=12
Находим относительную погрешность:
Y= 100×0,025/12=0,208 или 2,08%
(вывод: класс точности – 2,5).
Следует отметить, что погрешность неравномерна на всем диапазоне шкалы, измеряя малую величину вы можете получить наибольшую неточность и с увеличением искомой величины она уменьшается, для примера рассмотрим следующий вариант:
Вольтметр с классом p=±2, верхний предел показаний прибора Xn=80В, число делений x=12
Предел абсолютной допустимой погрешности:
Относительная погрешность одного деления:
Если вам необходимо выполнить более подробный расчет, смотрите ГОСТ 8.401-80 п.3.2.6.
Поверка приборов, для чего она нужна
Все измерительные приборы измеряют с некой погрешностью, класс точности говорит лишь о том, в каком диапазоне она находится. Бывают случаи, когда диапазон погрешности незаметно увеличивается, и мы начинаем замечать, что измеритель «по-простому» начинает врать. В таких случаях помогает поверка.
Это процесс измерения эталонной величины в идеальных условиях прибором, обычно проводится метрологической службой или в метрологическом отделе предприятия производителя.
Существует первичная и периодическая, первичную проверку проводят после выпуска изделия и выдают сертификат, периодическую проводят не реже чем раз в год, для ответственных приборов чаще.
Поэтому если вы сомневаетесь в правильности работы устройства, вам следует провести его поверку в ближайшей метрологической службе, потому что измеритель может врать как в меньшую, так и в большую сторону.
Как легко проверить потребление электроэнергии в квартире, можете узнать в нашей статье.
Видео на тему относительная погрешность прибора
Заключение
Класс точности является важным показателем для каждого прибора, при выборе всегда обращайте внимание на него. Если вам нужен, например, электрический счетчик, важно чтобы он измерял потребление энергии с максимальной точностью, благодаря этому за весь период эксплуатации, вы сможете сэкономить приличную сумму средств.
Но, а если вам необходимо просто периодически проверять напряжение в розетке, для этого не стоит переплачивать за дорогостоящую покупку.
Принципы выбора измерительных приборов для проведения измерения электрических величин
Измерительные приборы в зависимости от их назначения, области применения и условий работы должны выбираться по следующим основным принципам:
1) должна существовать возможность измерения исследуемой физической величины;
2) пределы измерения прибора должны охватывать все возможные значения измеряемой величины. При большом диапазоне изменений последней целесообразно использовать многопредельные приборы;
3) измерительный прибор должен обеспечивать требуемую точность измерений.
Поэтому следует обратить внимание не только на класс выбираемого измерительного прибора, но и на факторы, влияющие на дополнительную погрешность измерений: несинусоидальность токов и напряжений, отклонение положения прибора при установке его в положение, отличное от нормального, влияние внешних магнитных и электрических полей и т. п.;
4) при проведении некоторых измерений важную роль играют экономичность (потребление) измерительного прибора, его масса, габариты, расположение органов управления, равномерность шкалы, возможность считывания показаний непосредственно по шкале, быстродействие и пр.;
6) прибор должен удовлетворять общим техническим требованиям техники безопасности при производстве измерений, устанавливаемым ГОСГ 22261-76, а также техническим условиям или частным стандартам;
7) не допускается использовать приборы: с явными дефектами измерительной системы, корпуса и т. д; с истекшим сроком поверки; нестандартные или не аттестованные ведомственной метрологической службой, не соответствующие по классу изоляции напряжениям, на которые подключается прибор.
Точность измерений зависит от метода измерений и класса точности выбранных приборов. Класс точности прибора определяется его погрешностью. Отклонение результата измерения от истинного значения измеряемой величины называют погрешностью измерения.
Если Вам понравилась эта статья, поделитесь ссылкой на неё в социальных сетях. Это сильно поможет развитию нашего сайта!
Подписывайтесь на наш канал в Telegram!
Просто пройдите по ссылке и подключитесь к каналу.
Не пропустите обновления, подпишитесь на наши соцсети:
РАЗДЕЛ 10. ВЛИЯНИЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ НА ТОЧНОСТЬ ИЗМЕРЕНИЙ
В метрологической практике при проведении измерений необходимо учитывать ряд факторов, влияющих на результаты измерения. Это — объект и субъект измерения, средство измерения (СИ) и условия измерения.
Объект измерения должен быть чист от посторонних включений (если измеряется плотность вещества), свободен от влияния внешних помех (природные процессы, индустриальные помехи и т. п.). Сам объект не должен обладать внутренними помехами (работа самого объекта измерения).
Субъект измерения, т. е. оператор. Привносит в результат «личностный» момент измерения. Он зависит от квалификации оператора, санитарно-гигиенических условий труда, психофизиологического состояния субъекта, от учета эргономических требований.
Метод измерения. Очень часто измерение одной и той же величины разными методами дает различные результаты, причем каждый из них имеет свои недостатки и достоинства.
Если измерение не удастся выполнить так, чтобы исключить или компенсировать какой-либо фактор, влияющий на результат, то в ряде случаев вносят соответствующую поправку.
Влияние СИ на измеряемую величину во многих случаях проявляется как возмущающий фактор, например, внутренние шумы измерительных электронных усилителей. Другим фактором является инерционность СИ. Некоторые СИ дают постоянно завышенные или постоянно заниженные показания, что может быть результатом дефекта изготовления.
Условия измерения как влияющий фактор включают температуру окружающей среды, влажность, атмосферное давление, напряжение в сети и т. п.
Учет указанных факторов предполагает исключение ошибок и внесение поправок к измеренным величинам.
Измерительные приборы в зависимости от их назначения, области применения и условий работы должны выбираться по следующим основным принципам:
1) должна существовать возможность измерения исследуемой физической величины;
2) пределы измерения прибора должны охватывать все возможные значения измеряемой величины. При большом диапазоне изменений последней, целесообразно использовать многопредельные приборы;
3) измерительный прибор должен обеспечивать требуемую точность измерений.
Поэтому следует обратить внимание не только на класс выбираемого измерительного прибора, но и на факторы, влияющие на дополнительную погрешность измерений:
— несинусоидальность токов и напряжений,
— отклонение положения прибора при установке его в положение, отличное от нормального,
— влияние внешних магнитных и электрических полей и т. п.;
4) при проведении некоторых измерений важную роль играют экономичность (потребление) измерительного прибора, его масса, габариты, расположение органов управления, равномерность шкалы, возможность считывания показаний непосредственно по шкале, быстродействие и пр.;
5) подключение прибора не должно существенно влиять на работу исследуемого устройства, поэтому при выборе приборов следует учитывать их внутреннее сопротивление. При включении измерительного прибора в согласованные цепи входные или выходные сопротивления должны быть требуемого номинального значения;
6) прибор должен удовлетворять общим техническим требованиям техники безопасности при производстве измерений, а также техническим условиям или частным стандартам;
7) не допускается использовать приборы: с явными дефектами измерительной системы, корпуса и т.д; с истекшим сроком поверки; нестандартные или не аттестованные ведомственной метрологической службой, не соответствующие по классу изоляции напряжениям, на которые подключается прибор.
Поверка средства измерений (не путать со словом «проверка») — совокупность операций, выполняемых органами государственной метрологической службы (другими уполномоченными на то органами или организациями) с целью определения и подтверждения соответствия СИ установленным техническим требованиям.
В процессе измерений необходимо учитывать все виды возникающих погрешностей и, поняв их причину, стремиться их уменьшить.
Измерения проведены правильно, если систематические погрешности в их результатах близки к нулю. К систематическим погрешностям относятся: инструментальные, метода измерений, установки прибора, считывания.
Если исключить систематические погрешности не удается, то их уменьшают, устраняя причины их возникновения, регулируя СИ при поверке и перед началом измерения, применяя специальные методы измерения и др.
В состав современных измерительных приборов включают микропроцессоры, которые позволяют автоматически находить значения систематической погрешности и исключать ее.
Метод теоретического анализа состоит в том, что систематическую погрешность можно рассчитать на основании известных характеристик используемых приборов или особенностей метода измерения, т. е. по формулам. Так, можно определить систематическую погрешность прибора, обусловленную собственным потреблением мощности, если известно его входное сопротивление и т. д.
Метод замещения заключается в том, что измеряемую величину замещают известной величиной, воспроизводимой мерой.
Статистический метод состоит в том, что для обработки результаты измерений разбивают на несколько независимых групп наблюдений. Разница между групповыми средними и групповыми дисперсиями (средними в группе) указывают на наличие систематической погрешности, и позволяет вычислить ее.
Метод различных измерений позволяет обнаруживать систематические погрешности, источник которых неизвестен. Для этого величину измеряют несколькими различными методами, разными измерительными приборами, при различных условиях. В этом случае необходимо, чтобы используемые для измерений приборы имели примерно равные собственные погрешности.
Метод образцовых сигналов состоит в сравнении подаваемых на вход измерительного устройства сигналов: измеряемого и образцового такого же рода, что и измеряемый. Разность между ними определит систематическую погрешность.
Метод введения поправок и поправочных множителей.
Поправкой называют значение величины, одноименной с измеряемой, прибавляемое к полученному при измерении значению, с целью исключения систематической погрешности. Поправка численно равна абсолютной систематической погрешности, но имеет обратный знак. Поправки задаются в виде графиков, таблиц или формул.
Исключить систематическую погрешность измерения можно также путем умножения результатов измерения на поправочный множитель, который из-за малости систематических погрешностей обычно близок по значению к единице. Полагается, что поправки и поправочные множители предварительно определены при поверке средств измерений.
1. З.А. Хрусталева. «Электротехнические измерения», М.,Кно Рус, 2011.
2. З.А. Хрусталева, С.В. Парфенов«Электрические и электронные измерения в задачах, вопросах и упражнениях», Академия, 2009.
3. В.Ю. Шишмарев, В.И. Шанин «Электрорадиоизмерения: учебник для среднего профессионального образования», «Академия», 2009.
Составитель: Алла Владимировна Костантиновская
Факторы, влияющие на точность измерений
Точность измерений не может быть выше точности воспроизведения единицы государственным первичным или специальным эталоном (по определению). Никакое техническое устройство не может рассматриваться в качестве измерительного прибора, если ему установленным порядком не передана информация о размере единицы. А передача этой информации от государственного эталона всегда сопровождается потерей точности.
Однако, кроме этого, точность измерений зависит от множества других факторов, связанных с измерительным процессом. Рассмотрение этих факторов следует начать с рассмотрения самого понятия «измерительный процесс», под которым понимают весь объем информации, оборудования и операций, относящихся к данному измерению (МОЗМ, МД № 16).
При этом под понятием – «элемент измерительного процесса» понимают любой отдельный фактор, способный повлиять на результат измерений. Такими факторами являются:
— субъект измерения (оператор);
— метод (способ) измерения;
Объект измерения должен быть достаточно изучен и сформирована его модель, степень детализации которой (глубина изучения объекта измерения) должна быть адекватна цели измерения.
Оператор вносит в измерительный процесс элемент субъективизма, который, по возможности, должен быть уменьшен. Субъективизм оператора зависит от его квалификации, психофизиологического состояния, комфортности (санитарно-гигиенических) условий труда и многого другого. Оператор может оказывать существенное влияние на точность измерений.
Большое значение имеют используемые методы и способы измерений. Очень часто измерения одной и той же величины различными способами и с помощью различных средств измерений дают совершенно различные результаты. Каждый из этих вариантов имеет свои достоинства и свои недостатки и выбор наиболее оптимального (для данной измерительной задачи) является искусством экспериментатора. В таких случаях не может быть готовых решений и рекомендаций.
Практикой измерений накоплен значительный арсенал приемов, позволяющих существенно уменьшить отдельные составляющие погрешности измерений. Целесообразность применения тех или иных приемов определяется по результатам анализа источников возникновения погрешностей и их возможного влияния на конечный результат измерения для каждой конкретной измерительной задачи.
Средства измерений должны выбираться в соответствии с назначением (целью) измерительного процесса и условиями его проведения. Любые средства измерений имеют ограниченную точность, обусловленную наличием проектных, конструктивных и технологических дефектов конструкции прибора, неточности его настройки и регулировки, неточности поддержания режимов работы и т.д., а также вследствие нестабильности параметров элементов и материалов из-за старения, износа и другими причинами.
Кроме того, невозможно создать измерительный прибор, метрологические характеристики которого абсолютно точно соответствовали бы проектным, а определение их экспериментальным путем, в свою очередь, имеет ограниченную точность.
Необходимо также помнить, что в процессе измерения объект и средство измерений вступают во взаимодействие. В процессе этого взаимодействия средство измерений оказывает влияние на объект, проявляющийся в изменении измеряемой величины. Например, подключение амперметра или вольтметра для измерений характеристик электрических сигналов меняет параметры самой контролируемой электрической цепи и, соответственно, вносит погрешность в результат измерений.
В итоге результат измерения оказывается искаженным по сравнению с тем, каким он должен был бы быть, если бы средство измерений не влияло на объект. Как бы ни учитывалось это обстоятельство (а во многих случаях им просто пренебрегают), оно снижает точность результата измерения.
Таким образом, несовершенство средств измерений, некоторая неопределенность их реальных метрологических характеристик и взаимодействие средства измерения с объектом измерения вносят свой вклад в ограничение точности результатов измерений.
Условия проведения измерений, влияющие на точность измерений, включают в себя внешние и внутренние влияющие факторы. Под внутренними понимаются факторы, действующие внутри самого средства измерения. К ним относятся взаимные и паразитные электромагнитные влияния элементов и их соединений друг на друга, тепловыделение, трение, акустическая эмиссия и т.д.
Внешние влияющие факторы включают в себя изменение параметров окружающей среды (температуры, влажности, давления), напряжения в сети питания, наводки от расположенных поблизости электрических, магнитных, электромагнитных гравитационных полей, ускорений и т.п. Исключение, компенсация и учет влияющих факторов в рабочих условиях измерений с помощью функций влияния являются не только наукой, но и искусством.
Все вышеперечисленные факторы, влияющие на точность измерений, учитываются при разработке, стандартизации и аттестации методик выполнения измерений.
Наиболее часто применяемые на практике методы и способы повышения точности измерений
«На практике наиболее часто применяются следующие методы и способы повысить точность измерений:
1) Замена менее точного средства измерений на более точное.
При отсутствии более точного средства измерений его можно разработать.
Данный способ повышения точности измерений используется, когда преобладает инструментальная составляющая погрешности измерений.
Для измерительных каналов на более точные заменяют только те средства измерений, погрешности которых преобладают при расчете суммарной погрешности канала.
2) Выбор верхнего предела измерений средств измерений, для которых нормированы приведенные основная и дополнительная погрешности, таким, чтобы ожидаемые значения измеряемой величины находились в последней трети предела измерений.
Таким способом можно уменьшить относительную погрешность средств измерений.
3) Ограничение условий применения средств измерений.
Этим способом пользуются в случае доминирования дополнительных погрешностей средств измерений, которые возникают, например, при значительных отклонениях от
нормальных значений температуры окружающего воздуха; при влиянии электромагнитных полей, вибрации и т.д.
В этих случаях уменьшают подобные влияния путем установки кондиционеров, защитных экранов от электромагнитного воздействия, амортизаторов для снижения вибрации.
4) Индивидуальная градуировка средства измерений.
Данный способ повышения точности измерений применяется в случае преобладания систематических составляющих погрешности средств измерений. Систематические составляющие погрешности средств измерений (например, для термометров сопротивления и термопар) можно значительно уменьшить путем внесения в результаты измерений поправок, полученных при индивидуальной градуировке.
5) Использование метода замещения.
С помощью такого метода исключают систематические погрешности. Он заключается в том, что после измерения измеряемая величина заменяется переменной образцовой мерой, значение которой подбирается таким образом, чтобы в измерительной схеме получить одинаковое показание прибора. При этом значение измеряемой величины принимается равным значению образцовой меры.
Пример: измерение электрического сопротивления на мосте постоянного тока.
6) Внедрение способов контроля работоспособного состояния средств измерений в процессе их эксплуатации.
Это мероприятие способствует выявлению, исключению или снижению метрологических отказов в средствах измерений. Во многих случаях системы контроля работоспособности средств измерений в процессе эксплуатации эффективны без каких-либо ограничений на составляющие погрешности средств измерений и их случайный или систематический характер.
7) Автоматизация измерительных процедур.
Такое мероприятие снижает трудоемкость измерений, способствует исключению субъективных погрешностей, возникающих при обработке диаграмм, вычислении промежуточных и конечных результатов измерений, приготовлении проб для анализов и других операций, выполняемых человеком.
8) Использование метода обратного преобразования.
9) Выполнение многократных наблюдений с последующим усреднением их результатов.
Этот метод применяется при преобладании случайной составляющей погрешности измерений. Как известно, случайная составляющая погрешности измерений среднего значения меньше случайной составляющей погрешности измерений текущих значений.
Метод используется тогда, когда в течение интервала времени усреднения не происходит заметное изменение текущих значений измеряемой величины, но погрешность измерений текущих значений в течение этого же интервала существенно меняется.
10) Использование тестовых сигналов.
Этот метод повышения точности измерений применяется в измерительных системах для измерений электрических и неэлектрических величин.
Суть метода состоит в определении параметров статической функции преобразования (СФП) с помощью дополнительных преобразований тестов, каждый из которых функционально связан с измеряемой величиной. Тестовые методы позволяют повышать точность измерений за счет уменьшения систематических и так называемых квазисистематических погрешностей.
11) Использование информационной избыточности.
12) Разработка или совершенствование методик выполнения измерений
Если доминируют методические составляющие погрешности измерений, то этот способ повышения точности измерений является единственно эффективным.
В ИИС и АСУ ТП составляющие методической погрешности измерений, обусловленные отличием алгоритма вычислений от функции, строго определяющей зависимость результатов вычислений от аргументов измеряемых прямым методом величин, уменьшают применением более совершенного алгоритма.
При существенной методической погрешности измерений средних или интегральных значений, обусловленной ограниченным числом «точек» измерений или отклонениями действительных значений от номинальных значений неизмеряемых величин, входящих в функцию в виде констант, соответствующее совершенствование методики выполнения измерений дает заметный эффект в повышении точности измерений. Методики выполнения измерений могут быть усовершенствованы изменением алгоритма обработки результатов измерений. В этом случае проводят аттестацию алгоритма в соответствии с нормативными документами.