Учебное пособие: Методи нормування складових інструментальної похибки вимірювань

1. Для ЗВТ, абсолютна похибка яких визначається адитивною складовою і її границі можна вважати практично незмінними для будь-яких значень вимірюваної величини, тобто мультиплікативною складовою похибки можна знехтувати, іноді нормуються границі допустимої абсолютної основної похибки

,

де a - постійна додатна величина, виражена в одиницях вимірюваної величини.

Проте нормування допустимої абсолютної основної похибки ЗВТ використовується рідко, бо для засобів з багатьма межами вимірювань вона різна в кожному піддіапазоні, що створює певні незручності і для вказання всіх границь похибок (треба було б перелічити значення похибок для всіх піддіапазонів), і для практичного застосування. Границі допустимих абсолютних похибок задають для ЗВТ тільки тих фізичних величин, похибки вимірювань яких прийнято виражати в одиницях вимірюваної величини або в поділках шкали, наприклад, для засобів вимірювань довжини, маси, фазового зсуву.

Для більшості ЗВТ з переважною адитивною похибкою нормують границі допустимої основної зведеної похибки ЗВТ, які, згідно з формулою (3.2), визначають за рівністю

, (3.8)

деp - стала додатна величина, виражена у відсотках. Її числове значення вибирається з ряду: , де l = 1; 0; -1; -2 і т.д. Значення, які вказані в дужках, не рекомендуються при створенні нових ЗВТ. Наведений ряд чисел установлений відповідно до правила округлення значень похибок вимірювань (див. § 2.11). При тому самому показнику степеня l допускається встановлювати не більш ніж п’ять різних границь допустимої основної похибки для ЗВТ конкретного виду.

Слід пам‘ятати, що і при такій формі нормування класу точності ЗВТ характеристикою точності вимірювань залишається відносна похибка. Границі допустимої відносної похибки вимірювань у функції вимірюваної величини визначаються за формулою, одержаною з виразу (3.8) з урахуванням рівності (1.2):

. (3.9)

З формули (3.9) виходить, що зменшення розміру вимірюваної величини призводить до збільшення допустимої відносної похибки вимірювань даним ЗВТ. Зокрема, при допустима відносна похибка дорівнює класу точності ЗВТ лише на останній (кінцевій) позначці діапазону вимірювань . При зменшенні допустима відносна похибка вимірювань зростає і при , тому при виборі ЗВТ для проведення вимірювань необхідно враховувати не тільки їх класи точності, а й співвідношення . З цієї точки зору рекомендується межу вимірювань вимірювального приладу вибирати такою, щоб його покази знаходились у другій половині і навіть ближче до верхньої межі вибраного діапазону вимірювань.

Зважаючи на залежність відносної похибки вимірювань від значення Х, для ряду ЗВТ обмежують діапазон вимірювань такими значеннями вимірюваної величини Х, при яких допустима відносна похибка вимірювань не перевищує деякого, заздалегідь заданого значення, яке дорівнює, наприклад, 4, 10 або 20%. Поза діапазоном вимірювань, особливо в початковій частині діапазону показів для ЗВТ, в яких він починається з нуля, вимірювання не допустимі, оскільки тут адитивна похибка може бути порівняна з вимірюваним значенням і навіть перевищувати його.

2. Для ЗВТ, в абсолютній похибці яких переважає мультиплікативна складова, границю допустимої основної похибки виражають у відносній формі, через те, що у цьому випадку вона виявляється практично постійною величиною, не залежною від вимірюваної величини . Границі допустимої відносної основної похибки ЗВТ установлюються за формулою:

, (3.10)

де - границя допустимої абсолютної мультиплікативної похибки ЗВТ;

b - додатне безрозмірне число;

- постійна додатна величина, виражена у відсотках; вона вибирається з того самого ряду, що й величина p.

Таким способом нормуються похибки масштабних перетворювачів (подільників напруги, шунтів, вимірювальних трансформаторів струму і напруги та ін). І якщо б співвідношення (3.10) залишалось справедливим для всього діапазону можливих значень вимірюваної величини - від 0 до , то такі вимірювальні перетворювачі були б найбільш досконалими, тому що вони мали б широкий робочий діапазон, зокрема, забезпечували б з тією самою похибкою вимірювання необмежено малого значення Х. Проте реально таких перетворювачів не існує, оскільки поки що неможливо створити перетворювачі, в яких повністю вилучена адитивна похибка в широкому діапазоні значень вимірюваної величини. Тому для реальних ЗВТ завжди вказується діапазон вимірювань ЗВТ, в якому оцінка (3.10) справедлива. Поза цим діапазоном вплив адитивної складової похибки ЗВТ зростає настільки, що нею знехтувати не можна і, як наслідок, не можна використати допустиму відносну похибку (3.10) як норму основної похибки ЗВТ.

3. Для ЗВТ, адитивна і мультиплікативна складові абсолютної похибки яких сумірні, тобто жодною з них знехтувати не можна, нормуються або границі допустимої абсолютної основної похибки, або границі допустимої відносної основної похибки. У цьому разі границі допустимої абсолютної основної похибки визначаються виразом.

.

Підставляючи це співвідношення в рівність (2.5), одержимо двочленну формулу для нормування границь допустимої відносної основної похибки, вираженої у відсотках:

(3.11)

де - адитивна і мультиплікативна складові відносної основної похибки відповідно.

Таким чином, особливість класифікації складових похибки ЗВТ полягає в тому, що при переході від абсолютної похибки до відносної форми її відображення адитивна і мультиплікативна складові похибки міняються місцями: відносне значення абсолютної адитивної похибки є мультиплікативною похибкою, а відносне значення абсолютної мультиплікативної похибки - адитивною похибкою.

Вираз (3.11) звичайно представляють в іншій формі, яку одержують так. Нехай , де - модуль більшої з меж вимірювань. Додамо до правої частини виразу (3.11) і віднімемо від неї величину d. Тоді одержимо

У цю рівність уведемо позначення і остаточно маємо

(3.12)

деc, d - постійні додатні величини, виражені у відсотках; вибираються з того самого ряду, що й величина p. Співвідношення між числами c і d установлюються стандартами на конкретні ЗВТ, причому звичайно

Звернемо увагу на те, що складові частини формули (3.12) формально схожі на адитивну і мультиплікативну складові похибки ЗВТ, але за своєю суттю вони не є такими, і тому використовувати ці терміни до даної формули не можна. Аналіз двочленної формули (3.12) показує, що границі допустимої відносної основної похибки при наявності адитивної і мультиплікативної складових звужуються із зростанням вимірюваної величини , і при вони набирають мінімального значення, яке дорівнює (рис.3.8).