БЛОГ ЭЛЕКТРОМЕХАНИКА
Блог судового электромеханика. Электроника, электромеханика и автоматика на судне. Обучение и практика. В помощь студентам и специалистам
19.09.2011
Выбор измерительных приборов. Способы уменьшения погрешностей приборов
При выборе прибора для тех или иных целей измерения необходимо внимательно рассмотреть и проанализировать ряд факторов и оптимизировать их по совокупности всех технических данных и характеристик.
Основные факторы, влияющие на выбор измерительного прибора следующие:
1. Возможность измерить исследуемый сигнал.
2. Тип параметра, который надо измерить.
3. Метод измерения (прямой, косвенный, совокупный, совместный и др.).
4. Продолжительность измерений.
5. Удобство прибора для проведения измерения (габаритные размеры, масса).
6. Нужная точность измерений.
7. Стоимость прибора.
8. Допускаемая погрешность измерений.
9. Климатические условия применения прибора.
10. Требования к форме фиксации результатов измерения (аналоговая, цифровая, аналого-цифровая и др.).
11. Предполагаемая форма использования прибора (автономно, в составе автоматизированной системы и др.).
При всяком измерении неизбежны обусловленные разно-образными причинами отклонения результата измерения от истинного значения измеряемой величины. Эти отклонения называют погрешностями измерений.
Погрешности измерений классифицируют по виду (абсолютная, относительная, случайная и др.), причинам возникновения, характеру проявления и др. Разумеется, что в процессе измерений необходимо учитывать все виды возникающих погрешностей и, поняв их причину, стремиться их уменьшить. Остановимся на методах уменьшения (исключения) систематических погрешностей измерения. Измерения проведены правильны, если систематические погрешности в их результатах близки к нулю.
Для определения и исключения систематических погрешностей используют методы: теоретического анализа, замещения, компенсации погрешности по знаку, статистический, различных измерений, образцовых сигналов, метод введения поправок и поправочных множителей.
Если исключить систематические погрешности не удается, то их уменьшают, устраняя причины их возникновения, регулируя средства измерения при поверке и перед началом измерения, применяя специальные методы измерения и др.
В состав современных измерительных приборов включают микропроцессоры, которые позволяют автоматически на-ходить 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. Например, измеряют ослабления аттенюатора с помощью образцового переменного аттенюатора.
Метод компенсации погрешности по знаку основан на том, что если источник погрешности имеет направленное действие (например, погрешности от влияния постоянных магнитных полей, термо-эдс и др.), то измерения проводят так, чтобы систематическая погрешность входила в результаты измерений дважды, но с противоположными знаками.
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.
Снизить систематические погрешности можно термостатированием и термоизоляцией отдельных узлов или всего измерительного прибора, проведением измерений в термостатированных помещениях (для исключения температурной погрешности), применением экранов для защиты от влияния электромагнитных полей, использованием стабилизированных источников питания, амортизацией прибора, удалением его от источников возможного воздействия, от объектов измерений.
Уменьшению систематической погрешности прибора способствует регулировка средств измерения при поверке и перед началом измерения. Сюда входят проверка установки указателя прибора в нулевое положение, правильность положения самого прибора, его расположения относительно окружающих объектов и др.
Существенно уменьшает влияние систематической погрешности перевод ее в случайную. Так, если измерить некий параметр приборами несколько раз, а затем вычислить среднее арифметическое всех результатов, то значение погрешности существенно уменьшится.
Систематические погрешности при косвенных измерениях определяются по значениям систематических погрешностей непосредственно измеряемых независимых величин.
С уменьшением погрешности измерений повышается их точность. Точностью измерений называют их качество, отражающее близость полученного значения величины к ее истинному значению. Следует отметить, что для конкретных условий и целей измерения существует обычно некий рациональный уровень точности, который нецелесообразно превышать из-за усложнения процесса измерений и удорожания измерительных
приборов.
На практике для различных целей ежедневно и ежечасно выполняют большое количество измерений физических величин и, в частности, электротехнических. В интересах народного хозяйства страны необходимо, чтобы результаты этих измерений (имеются в виду измерения одинаковых величин), полученные в разное время и в различных местах с помощью измерительных средств, были бы равны или отличались на некоторое заданное значение.
Иными словами, должно существовать единство измерений.
Единство измерений — это состояние измерений, при котором их результаты выражены в узаконенных единицах, а погрешности известны с заданной вероятностью. Вопросами теории и практики обеспечения единства и необходимой точности измерений занимается метрология.
Метрология — наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности. В методологическую основу метрологии — Государственную систему стандартов, обеспечивающую единство измерений— входит более 100 стандартов, регламентирующих: единицы физических величин; методы и средства передачи размеров единиц физических величин рабочим средствам измерений; номенклатуру и способы выражения погрешностей средств измерений; поверку используемых средств измерений для создания заданного уровня надежности метрологических характеристик; номенклатуру и способы представления результатов измерений.
В заключение отметим, что к систематическим погрешностям относятся: инструментальные, метода измерений, установки прибора, считывания.
Под инструментальной понимается погрешность применяемых средств измерений, вызванная несовершенством их изготовления.
Погрешности метода измерений связаны с ошибочностью или недостаточностью разработки теории метода измерений или с упрощениями, допущенными при проведении измерений.
Погрешность установки прибора может быть вызвана: неправильным выбором места измерения; влиянием неблагоприятных внешних условий (вибрации, температуры, влажности) ; удаленностью объекта измерения от приборов обработки измерительных сигналов; небрежной установкой прибора (например, не по отвесу или уровню).
Погрешности считывания, возникающие при не автоматизированных измерениях, объясняются индивидуальными особенностями наблюдателя.
Погрешности измерения и методы их уменьшения?
Конспект лекций
«метрология, стандартизация и сертификация»
МЕТРОЛОГИЯ
Определение метрологии, ее виды и основная функция?
Основные функции метрологии:
— создание общей теории измерений;
— образование единиц физических величин и систем единиц;
— разработка методов и средств измерений, методов определения точности, основ обеспечения единства и единообразия средств измерений;
— создание эталонов и образцовых средств, проверке мер и средств измерений.
Важнейшей задачей метрологии является обеспечение единства измерений,
Единство измерений—состояние измерений, характеризующееся тем, что их результаты выражаются в узаконенных единицах, размеры которых в установленных пределах равны размерам единиц, воспроизводимых первичными эталонами, а погрешности результатов измерений известны и с заданной вероятностью не выходят за установленные пределы.
Единство измерений достигается путем точного воспроизведения и хранения в специализированных организациях установленных единиц физических величин и передачи их размеров применяемым на практике СИ. Воспроизведение единицы физической величины осуществляется в результате операций по материализации единицы физической величины с помощью государственного эталона.
Передача размера единицы — приведение размера единицы физической величины, хранимой поверяемым средством измерений, к размеру единицы, воспроизводимой или хранимой эталоном, осуществляемое при их поверке (калибровке). Размер единицы передается от более точных средств измерений к менее точным.
Хранение единицы — совокупность операций, обеспечивающих неизменность во времени размера единицы, присущего данному средству измерений.
Определение измерения?
Измерение физической величины—совокупность операций по применению технического средства, хранящего единицу физической величины, обеспечивающих нахождение соотношения (в явном или неявном виде) измеряемой величины с ее единицей и получение значения этой величины.
Измерительная задача — задача определения значения физической величины путем ее измерения с требуемой точностью в заданных условиях измерений.
Объект измерения — тело (физическая система, процесс, явление и т.д.), которое характеризуется одной или несколькими измеряемыми физическими величинами.
§ Вал, у которого измеряют диаметр;
§ технологический процесс, во время которого измеряют температуру;
§ Положение корабля, координаты которого измеряют.
Область измерений — совокупность измерений физических величин, свойственных какой-либо области науки или техники и выделяющихся своей спецификой.
Примечание: Выделяют ряд областей измерений: механические, магнитные, акустические, измерения ионизирующих излучений и др.
Вид измерений — часть области измерений, имеющая свои особенности и отличающаяся однородностью измеряемых величин.
Пример:В области акустических измерений могут быть выделены как виды измерений: измерения амплитуды, частоты, фазы, акустического давления и др.
Принцип измерений — физическое явление или эффект, положенное в основу измерений.
1. Применение явления термо-ЭДС для измерения температуры.
2. Применение явления упругости материала для измерения его твёрдости.
3. Применение эффекта Допплера для измерения скорости.
4. Использование силы тяжести при измерении массы взвешиванием.
Метод измерений — прием или совокупность приемов сравнения измеряемой физической величины с ее единицей в соответствии с реализованным принципом измерений.
Методика выполнения измерений (МВИ) — установленная совокупность операций и правил при измерении, выполнение которых обеспечивает получение результатов измерений с гарантированной точностью в соответствии с принятым методом.
Погрешности измерения и методы их уменьшения?
Точность результата измерений—одна изхарактеристик качества измерения, отражающая близость к нулю погрешности результата измерения.
Примечание: Точность измерений тем или иным средством измерений (СИ) определяется их погрешностью. Высокая точность измерений соответствует малым погрешностям как систематическим, так и случайным.
Погрешность результата измерений—отклонение результата измерения от истинного (действительного) значения измеряемой величины.
· Погрешность не следует путать с ошибкой измерений, связанной с субъективными обстоятельствами.
Абсолютная погрешность измерения—погрешность измерения, выраженная в единицах измеряемой величины.
Относительная погрешность измерения—погрешность измерения, выраженная отношением абсолютной погрешности измерения к действительному или измеренному значению измеряемой величины.
Вагон массой 50000 кг измерен с абсолютной погрешностью ±50 кг, при этом относительная погрешность составляет: ±50/50000 = ±0,1%.
Примечание: Относительную погрешность в долях или процентах находят из отношений:
где Dх — абсолютная погрешность измерений;
х — действительное или измеренное значение величины.
Систематическая погрешность — постоянная, или изменяющаяся по определенному закону при повторных измерениях одной и той же величины погрешность. Она может быть связана, например, с ошибкой в градуировке шкалы.
Постоянные погрешности—погрешности, которые длительное время сохраняют свое значение, например, в течение времени выполнения всего ряда измерений.
Периодические погрешности—погрешности, значение которых является периодической функцией времени или перемещения указателя измерительного прибора.
Случайная погрешность измерения—составляющая погрешности результата измерения, изменяющаяся случайным образом (по знаку и значению) при повторных измерениях, проведенных с одинаковой тщательностью, одной и той же физической величины.
В отличие от систематической ее нельзя исключить из результатов измерений, однако ее значение может быть уменьшено в результате специальных способов обработки результатов измерений, основанных на положениях теории вероятности и математической статистики.
Промах — погрешность результата отдельного измерения, входящего в ряд измерений, которая для данных условий резко отличается от остальных результатов этого ряда.
Примечание: Иногда вместо термина «промах» применяют термин грубая погрешность измерений
Общим методом уменьшения погрешностей является конструктивно- технологический метод, основанный на выявлении и устранении причин и источников возникновения погрешностей.
Примерами использования такого метода являются: термостатирование прибора (для исключения температурной погрешности), применение экранов и фильтров (для уменьшения погрешностей от влияния электромагнитных полей, наводок и др.), рациональное расположение средств измерений по отношению друг к другу, к источнику влияющих воздействий и к объекту исследования (например, магнитоэлектрические приборы должны быть удалены друг от друга) и др.
Во многих случаях использование данного метода для достижения требуемой точности измерения встречает большие затруднения и может привести к резкому возрастанию стоимости средств измерений.
Более широкое применение получили методы структурной и (или) временной избыточности, т.е. на введении дополнительных средств измерений (измерительных преобразователей, приборов и др.) и (или) выполнении дополнительных измерений, результаты которых обрабатываются по определенному алгоритму.
Методы и способы повышения точности измерений*. Часть 2
После тщательно выполненного анализа, как правило, выявляют и оценивают отдельные составляющие погрешности измерений расчетными или расчетно-экспериментальными способами и определяют, какие составляющие погрешности измерений доминируют. В результате этой работы устанавливают, насколько снизится суммарная погрешность после того, как будет значительно уменьшена та или иная ее составляющая.
Пример. Пусть погрешность измерений складывается из составляющих Δ1 и Δ2, причем Δ2 = Δ1/2.
Примем закон распределения плотностей вероятностей для обеих составляющих одинаковым (например, нормальным), а значение вероятности, которой соответствуют границы Δ1 и Δ2, одним и тем же. Тогда суммарную погрешность можно найти по известной формуле квадратического суммирования:
Отсюда видно, что «подавив» погрешность Δ2, мы получим всего лишь десятипроцентный выигрыш в значении суммарной погрешности измерений. Поэтому, в данном случае, рассматривая метод повышения точности измерений, следует стремиться к «подавлению» именно погрешности Δ1.
Сегодня метрологи сходятся на том, что в большинстве практических ситуаций не удается оценить характеристики погрешности измерений с относительной погрешностью меньшей, чем на 20-25 %. Из этого, в частности, следует, что более или менее спокойно решаться проводить мероприятия, направленные на повышение точности измерений, можно лишь в тех случаях, когда, согласно оценкам, будет обеспечен выигрыш в точности, по крайней мере, в полтора-два раза.
Рассмотрим конкретные методы повышения точности измерений, которые используются в случаях доминирования:
При доминировании случайной составляющей погрешности измерений наиболее эффективным методом ее уменьшения является выполнение многократных наблюдений с последующим усреднением их результатов. Более подробно этот метод описан в РМГ 64, поэтому я лишь напомню его суть.
Если случайная составляющая погрешности измерений доминирует, то при вышеуказанном условии коэффициент снижения погрешности измерений приближенно составляет 
Теперь поговорим о методах повышения точности измерений, которые используются в случаях, когда преобладают систематические составляющие погрешности измерений. Систематические погрешности возникают на различных этапах проведения измерений. На них же они и исключаются (см. рис. 1).
Остановимся на каждом из этих этапов более подробно.
При подготовке к измерениям, то есть на 1-м их этапе, проводят так называемую профилактику или устранение источников погрешностей. Под устранением источника погрешностей следует понимать как непосредственное его удаление (например, удаление источника тепла), так и защиту измерительной аппаратуры и объекта измерений от воздействия этого источника.
Внешние факторы, влияющие на погрешность измерений, можно разделить на виды:
С целью уменьшения погрешности измерений к условиям их проведения предъявляют жесткие требования. Для конкретных областей измерений, например, устанавливают единые условия, называемые нормальными.
В качестве мероприятия, предупреждающего появление температурной погрешности, широко применяют термостатирование, то есть обеспечение определенной температуры окружающей среды с допускаемыми колебаниями. Термостатируют большие помещения (лаборатории), небольшие помещения (камеры), отдельные СИ или их части (меры сопротивления, нормальные элементы, свободные концы термопар, кварцевые стабилизаторы частоты и т.п.).
В зависимости от требований, предъявляемых к температурному режиму, применяют различные способы термостатирования.
В первую очередь следует назвать естественное термостатирование, т.е. сохранение существующей в помещении температуры неизменной путем его теплоизоляции. Примером такого термостатирования могут служить некоторые помещения ВНИИМ им. Д.И. Менделеева в С-Петербурге, благодаря специальному устройству здания в его центральных помещениях сохраняется постоянная температура.
В настоящее время термостатирование во многих случаях заменяют кондиционированием воздуха. При кондиционировании обеспечивается поддержание на требуемом уровне не только температуры, но других параметров окружающего воздуха и, в первую очередь, влажности.
Термостатирование, а также кондиционирование воздуха являются хорошей защитой и от направленного действия тепла. Однако, неудачное расположение подогревателей в термостате или в термостатированной комнате, а также отсутствие устройств (мешалок и т.п.), обеспечивающих равномерное распределение тепла по всему объему, может само по себе стать источником погрешностей.
Влияние такого фактора, как изменение атмосферного давления, устранить непросто. В тех случаях, когда соблюдение определенных требований является обязательным, применяют барокамеры с регулируемым давлением. Обычно в этих камерах можно одновременно регулировать влажность и температуру.
Система контроля метрологической пригодности СИ в процессе их эксплуатации и рекомендуемые способы обнаружения метрологической непригодности СИ более подробно изложены в МИ 2233-2000 «ГСИ. Обеспечение эффективности измерений при управлении технологическими процессами. Основные положения».
В ряде случаев добиться уменьшения систематических погрешностей можно, выбрав более совершенное (точное) СИ. Такой метод повышения точности измерений носит название замена менее точного СИ наболее точное (приобретение или разработка специальных СИ). Он эффективен при доминирующих инструментальных составляющих погрешности измерений. Для достоверной оценки реального выигрыша в точности измерений характеристики погрешности того СИ, которое предполагается заменить, и того, которое предполагается использовать, должны быть выражены в сопоставимой форме. Такой формой может служить, например, класс точности СИ.
Уменьшения относительной погрешности можно добиться, выбрав СИ, для которых нормированы приведенные погрешности с таким верхним пределом измерений, чтобы ожидаемые значения измеряемой величины (показания) находились в последней трети диапазона измерений.
Составляющая погрешности измерения, обусловленная погрешностью применяемого СИ, как известно, называется инструментальной погрешностью измерения. Она обусловлена свойствами применяемых СИ и, в свою очередь, состоит из ряда составляющих, вызванных неидеальностью собственных свойств СИ (элементов и материалов, используемых в СИ), реакцией СИ на изменения влияющих величин и на скорость (частоту) изменения измеряемых величии, воздействием СИ на объект измерений, способностью СИ различать малые изменения измеряемых величин во времени и т.д.
Составляющие инструментальной погрешности измерений представлены на рис.2.
Часто замена менее точного СИ на более точное дает существенный эффект в случае доминирования основной погрешности СИ.
Если же доминируют дополнительные погрешности СИ, которые вызваны существенными отклонениями действительных значений внешних влияющих величин от их значений, принятых соответствующими нормативными документами в качестве нормальных, то применяют другой способ повышения точности измерений. Он называется ограничение условий применения СИ. Существенное ограничение условий эксплуатации СИ и связанное с этим уменьшение различных дополнительных погрешностей характерно для помещений так называемых центральных пунктов управления (ЦПУ) производствами с помощью различных АСУТП. В таких помещениях специальные кондиционеры поддерживают в узких интервалах температуру и влажность воздуха, а специальные электромагнитные экраны защищают от воздействия электромагнитных полей.
Индивидуальная градуировка СИ — способ повышения точности измерений, который эффективен при доминирующих систематических составляющих погрешности СИ. Индивидуальную градуировку шкал осуществляют в тех случаях, когда статическая характеристика прибора нелинейна или близка к линейной, но характер изменения систематической погрешности в диапазоне измерения случайным образом меняется от прибора к прибору данного типа (например, вследствие разброса нелинейности характеристик чувствительного элемента) так, что регулировка не позволяет уменьшить основную погрешность до пределов ее допускаемых значений.
Градуировка СИ представляет собой процесс нанесения отметок на шкалы СИ, а также определение значений измеряемой величины, соответствующих уже нанесенным отметкам для составления градуировочных кривых или таблиц. Для термопар и термометров сопротивления систематическая составляющая погрешности при узком диапазоне измеряемых температур доминирует и остается практически неизменной в течение нескольких месяцев.
Такая погрешность может быть значительно снижена путем внесения в результаты измерений поправок, полученных при индивидуальной градуировке. Этот способ может быть успешно применен в ИИС и АСУТП.
Мы рассмотрели способы повышения точности измерений и мероприятия, с помощью которых исключают систематические погрешности на 1-м этапе измерений, а теперь рассмотрим способы исключения систематических погрешностей на 11-м этапе, то есть в процессе измерений.
Если при измерениях используются преобразователи электрических и неэлектрических величин, то для автоматической коррекции погрешности ряда таких преобразователей применяют метод обратногопреобразования.
Для реализации этого метода используют обратный преобразователь, реальная статическая функция преобразования которого совпадает с функцией, обратной номинальной характеристике преобразования СИ. Этот метод эффективен только в том случае, если обратный преобразователь значительно точнее прямого преобразователя.
На вход обратного преобразователя подают реальный выходной сигнал СИ. Разность двух сигналов (входной сигнал средства измерений минус выходной сигнал обратного преобразователя) соответствует погрешности СИ и может быть использована для выработки корректирующего сигнала как в системе самонастройки, так и в системе введения поправок. Обратный преобразователь в данном методе играет роль как бы многозначной меры, по которой корректируется статическая характеристика прямого преобразователя. Метод обратного преобразования позволяет уменьшать в зависимости от используемого алгоритма коррекции аддитивную и мультипликативную погрешности СИ.
Метод обратного преобразования обладает следующими особенностями:
а) в состав системы коррекции входит эталонный обратный преобразователь, от точности которого существенно зависит точность коррекции;
б) корректирующий сигнал соответствует суммарной погрешности СИ в точке диапазона измерений, соответствующей значению входной величины, т.е. коррекции подвергнуты инструментальные погрешности любого
происхождения;
в) коррекцию осуществляют непрерывно в течение рабочего режима (режима измерений). Пример использования этого метода приведен в приложении В в рекомендациях РМГ64.
Метод замещения — метод сравнения с мерой, в котором измеряемую величину замещают мерой с известным значением величины.
Пример. При измерении электрического сопротивления на мосте постоянного тока этот мост уравновешивают при включенном измеряемом сопротивлении rх, после чего вместо rх включают переменную эталонную меру. Изменяя значение меры, добиваются равновесия моста и по значению эталонной меры определяют измеряемое сопротивление rх. Благодаря такому измерению удается исключить влияние неполной уравновешенности моста, термоконтактных э.д.с. и других причин, вызывающих систематические погрешности.
Метод противопоставления заключается в том, что об отличии сравниваемых размеров физических величин (массы, электрического сопротивления,электрической емкости, индуктивности и др.) судят по показанию специального двухканального компаратора, на оба входа которого сравниваемые физические величины действуют одновременно. Обусловленная несимметрией компаратора составляющая погрешности измерений часто является доминирующей. Она может быть уменьшена методом противоположного влияния.
Пример. Измерение массы на равноплечих весах (см. рисунок 3)
одинаковы, то тх = т0. Если же /1 ≠ /2 (например, из-за технологического разброса длин плеч при их изготовлении), то при взвешивании каждый раз возникает систематическая погрешность
