Чем определяется точность измерения данным прибором. V. Точность измерительных приборов. Повторим главное в изученном

Цель работы: научиться определять цену деления шкалы измерительного прибора и пределы измерения.

Оборудование: линейка, мензурка, термометры, секундомер (рис. 46).

Рис. 46

Проверьте себя

Прежде чем начать выполнение лабораторной работы, проверьте свою готовность к ней, ответив на вопросы.

1. Что такое цена деления шкалы прибора и как ее определить?
2. Чем определяется точность измерений данным прибором?

Ход работы:

1. Определите и занесите в таблицу цену деления шкалы представленных на рисунке 46 приборов.
2. Определите и занесите в таблицу нижний и верхний пределы измерений приборов, представленных на рисунке 46.
3. Определите и занесите в таблицу точность измерений приборами, представленными на рисунке 46.

Контрольные вопросы

Рис. 49

Повторим главное в изученном

• Физика - наука о природе.
• Этапы научного познания мира включают: наблюдение явлений, накопление фактов, выдвижение гипотезы, экспериментальную проверку гипотезы, формулировку законов.
• В физике любой предмет называют физическим телом.
• Изменения, происходящие с физическими телами и полями, называются физическими явлениями.
• Физические величины описывают свойства физических тел и физических явлений. Физическую величину можно измерить с помощью приборов или вычислить по формуле.
• Измерить физическую величину - значит сравнить ее с однородной величиной, принятой за единицу.
• Складывать, вычитать и сравнивать физические величины можно только в том случае, если они однородны, т. е. представляют одну и ту же физическую величину.
• Каждая физическая величина имеет символическое обозначение, числовое значение и единицу измерения.
• Деление шкалы измерительного прибора - промежуток между двумя ближайшими штрихами на его шкале. Цена деления - это значение наименьшего деления шкалы прибора.
• Если физическая величина измеряется непосредственно путем снятия данных со шкалы прибора, то такое измерение называют прямым.
• Если физическая величина определяется по формуле, т. е. косвенно, то такое измерение называется косвенным измерением.
• Пределы измерения - это минимальное (нижний предел) и максимальное (верхний предел) значения шкалы прибора.

Класс точности -- основная метрологическая характеристика прибора, определяющая допустимые значения основных и дополнительных погрешностей, влияющих на точность измерения.

Погрешность может нормироваться, в частности, по отношению к:

§ результату измерения (по относительной погрешности)

в этом случае, по ГОСТ 8.401-80 (взамен ГОСТ 13600-68), цифровое обозначение класса точности (в процентах) заключается в кружок.

§ длине (верхнему пределу) шкалы прибора (по приведенной погрешности)

Для стрелочных приборов принято указывать класс точности, записываемый в виде числа, например, 0,05 или 4,0. Это число дает максимально возможную погрешность прибора, выраженную в процентах от наибольшего значения величины, измеряемой в данном диапазоне работы прибора. Так, для вольтметра, работающего в диапазоне измерений 0 -- 30 В, класс точности 1,0 определяет, что указанная погрешность при положении стрелки в любом месте шкалы не превышает 0,3 В. Соответственно, среднее квадратичное отклонение s прибора составляет 0,1 В.

Относительная погрешность результата, полученного с помощью указанного вольтметра, зависит от значения измеряемого напряжения, становясь недопустимо высокой для малых напряжений. При измерении напряжения 0,5 В погрешность составит 20 %. Как следствие, такой прибор не годится для исследования процессов, в которых напряжение меняется на 0,1 -- 0,5 В.

Обычно цена наименьшего деления шкалы стрелочного прибора согласована с погрешностью самого прибора. Если класс точности используемого прибора неизвестен, за погрешность s прибора всегда принимают половину цены его наименьшего деления. Понятно, что при считывании показаний со шкалы нецелесообразно стараться определить доли деления, так как результат измерения от этого не станет точнее.

Следует иметь в виду, что понятие класса точности встречается в различных областях техники. Так в станкостроении имеется понятие класса точности металлорежущего станка, класса точности электроэрозионных станков (по ГОСТ 20551).

Обозначения класса точности могут иметь вид заглавных букв латинского алфавита, римских цифр и арабских цифр с добавлением условных знаков. Если класс точности обозначается латинскими буквами, то класс точности определяется пределами абсолютной погрешности. Если класс точности обозначается арабскими цифрами без условных знаков, то класс точности определяется пределами приведённой погрешности и в качестве нормирующего значения используется наибольший по модулю из пределов измерений. Если класс точности обозначается арабскими цифрами с галочкой, то класс точности определяется пределами приведённой погрешности, но в качестве нормирующего значения используется длина шкалы. Если класс точности обозначается римскими цифрами, то класс точности определяется пределами относительной погрешности.

Аппараты с классом точности 0,5 (0,2) начинают работать в классе от 5 % загрузки. а 0,5s (0,2s) уже с 1 % загрузки

Следует иметь в виду, что каждый, даже самый лучший прибор, имеет некоторую погрешность измерения. По степени точности приборы делят на 8 классов: 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1; 1,5; 2,5; 4, причем самый точный прибор имеет класс 0,05. Погрешность тем меньше, чем ближе измеряемая величина к номинальному значению прибора. Поэтому предпочтительно использовать такие приборы, у которых во время измерения стрелка будет находиться во второй половине шкалы.

Средства измерений (СИ) имеют большое количество различного рода показателей и характеристик. Все средства измерений можно характеризовать некоторыми общими свойствами - метрологическими характеристиками. Различают статические и динамические характеристики СИ. Статические характеристики СИ возникают при статическом режиме его работы. Статический режим работы - это такой режим, при котором СИ воспринимает изменение входной величины и размеры измеряемой величины не изменяются во времени. К статическим метрологическим характеристикам СИ относятся: диапазон измерений; измеряемая, преобразуемая или воспроизводимая (для мер) величина; градировочная характеристика; чувствительность (коэффициент преобразования ИП); порог чувствительности; потребляемая мощность; входное и выходное сопротивления и др. Динамические характеристики ИП возникают при динамическом режиме его работы. Динамический режим работы - это такой режим, при котором средство ИП воспринимает изменение входной величины, и размеры измеряемой величины изменяются во времени. Динамическими характеристиками являются: операторная чувствительность, комплексная чувствительность, переходная характеристика, амплитудно-частотная и фазочастотная характеристики (АЧХ и ФЧХ) и др. Метрологическая характеристика - это характеристика одного из свойств средства измерений, влияющая на результат измерений и на его погрешность. Для каждого типа средств измерений устанавливают свои метрологические характеристики. Метрологические характеристики, устанавливаемые нормативно- техническими документами, называют нормируемыми метрологическими характеристиками, а определяемые экспериментально - действительными метрологическими характеристиками.

Рассмотрим основные метрологические характеристики СИ. Диапазон измерений - это область значений величины, в пределах которой нормированы допускаемые пределы погрешности средства измерений. Значения величины, ограничивающие диапазон измерений снизу и сверху (слева и справа), называют соответственно нижним пределом измерений или верхним пределом измерений. Нижний предел измерения (преобразования) реально не бывает равным нулю, так как он ограничивается обычно порогом чувствительности, помехами или погрешностями измерений. Диапазон измерений нельзя путать с диапазоном показаний средства измерений. Измеряемая, преобразуемая величина характеризует назначение ИП для измерения (преобразования) той или иной физической величины. Для каждого ИП устанавливается естественная входная величина, которая наилучшим образом воспринимается им на фоне помех, и естественная выходная величина, которая определяется подобным образом.

Например, естественной входной величиной терморезистивного ИП является температура, а естественной выходной величиной - сопротивление. Градуировочная характеристика средства измерения - это зависимость между значениями величин на входе и выходе средства измерений, полученная экспериментально.

Градуированная характеристика может быть выражена в виде формулы, графика или таблицы.

Для ИП нормируется номинальная статическая градуировочная характеристика YH = fH(X).Она приписывается средству измерений на основе анализа совокупности таких средств.

Чувствительность средства измерений - это свойство средства измерений, определяемое отношением изменения выходного сигнала этого средства к вызывающему его изменению измеряемой величины.

Расчет класса точности средства измерения.

Абсолютная погрешность

Точность измерения оценивается обычно не абсолютной, а относительной погрешностью - выраженной процентным отношением абсолютной погрешности к действительному значению измеряемой величины:

Для оценки точности электроизмерительных приборов служит приведенная погрешность, определяемая следующим выражением

где - номинальное значение шкалы прибора, т.е. максимальное значение шкалы на выбранном пределе измерения прибора. Приведенная погрешность определяет класс точности прибора.

Числа, указывающие класс точности прибора г 0 , обозначают наибольшую допустимую приведенную погрешность в процентах (г 0 ?г пр. max). Т.е. при нормальной эксплуатации максимальное значение приведенной погрешности не должно превышать класс точности.

Точность измерения - это степень приближения результатов из­мерения к некоторому действительному значению физической величины. Чем меньше точность, тем больше погрешность изме­рения и, соответственно, чем меньше погрешность, тем выше точность.

Даже самые точные приборы не могут показать действитель­ного значения измеряемой величины. Обязательно существует погрешность измерения, причинами которой могут быть различ­ные факторы.

Погрешности могут быть:

систематические, например, если тензосопротивление плохо наклеено на упругий элемент, то деформация его решетки не будет соответствовать деформации упругого элемента и датчик будет постоянно неправильно реагиро­вать;

случайные, вызванные, например, неправильным функцио­нированием механических или электрических элементов измерительного устройства;

грубые, как правило, допускаются самим исполнителем, ко­торый из-за неопытности или усталости неправильно счи­тывает показания прибора или ошибается при обработке информации. Их причиной могут стать и неисправность средств измерений, и резкое изменение условий измерения.

Полностью исключить погрешности практически невозмож­но, а вот установить пределы возможных погрешностей измере­ния и, следовательно, точность их выполнения необходимо

Классификация и метрологические характеристики средств измерений

Средства измерений, утвержденные Госстандартом России, ре­гистрируются в государственном Реестре средств измерений, удостоверяются сертификатами соответствия и только после это­го допускаются для применения на территории Российской Фе­дерации.

В справочных изданиях принята следующая структура описания средств измерений: регистрационный номер, наименование, номер и срок действия сертификата об утверждении типа средства измерения, местонахождение изготовителя и основные метрологические характеристики. Последние оценивают пригодность средств измерений к измерениям в известном диапазоне с известной точностью.

Метрологические характеристики средств измерений обеспечивают:

Возможность установления точности измерений;

Достижение взаимозаменяемости и сравнение средств из­мерений между собой;

Выбор нужных средств измерений по точности и другим характеристикам;

Определение погрешностей измерительных систем и установок;

Оценку технического состояния средств измерений при их поверке.

Метрологические характеристики, установленные документами, считаются действительными. На практике наиболее распространены следующие метрологические характеристики средств измерений:

диапазон измерений - область значений измеряемой величины, для которой нормированы допускаемые пределы погрешности СИ;

предел измерения - наибольшее или наименьшее значение диапазона измерения. Для мер - это номинальное значе­ние воспроизводимой величины.

Шкала измерительного прибора - градуированная совокупность отметок и цифр на отсчетном устройстве средства измерения, соответствующих ряду последовательных значений измеряемой величины

Цена деления шкалы - разность значений величин, соответ­ствующих двум соседним отметкам шкалы. Приборы с равно­мерной шкалой имеют постоянную цену деления, а с неравно­мерной - переменную. В этом случае нормируется минималь­ная цена деления.

Основная нормируемая метрологическая характеристика средств измерений - это погрешность, т. е. разность между по­казаниями средств измерений и истинными (действительными) значениями физических величин.

Все погрешности в зависимости от внешних условий делятся на основные и дополнительные.

Основная погрешность - это погрешность при нормальных условиях эксплуатации.

На практике, когда имеется более широкий диапазон влияющих величин, нормируется и дополнительная погрешность средств измерений.

В качестве предела допускаемой погрешности выступаетнаибольшая погрешность, вызываемая изменением влияющей величины, при которой средство измерения по техническим требованиям может быть допущено к применению.

Класс точности - это обобщенная метрологическая характе­ристика, определяющая различные свойства средства измерения. Например, у показывающих электроизмерительных прибо­ров класс точности помимо основной погрешности включает в себя также вариацию показаний, а у мер электрических вели­чин - величину нестабильности (процентное изменение значе­ния меры в течение года).

Класс точности средства измерения уже включает системати­ческую и случайную погрешности. Однако он не является непо­средственной характеристикой точности измерений, выполняе­мых с помощью этих СИ, поскольку точность измерения зави­сит и от методики измерения, взаимодействия СИ с объектом, условий измерения и т. д.

Как известно при измерении (испытании, контроле, анализе) физической величины результат должен быть выражен с точностью, соответствующей поставленной задаче и установленным требованиям.

Точность результата измерений представляет собой качественный показатель, который при обработке результатов наблюдений (единичных наблюдаемых значений) должен быть выражен через его количественные характеристики. При этом наблюдаемое значение согласно ГОСТ Р 50779.10- 2000 (ИСО 3534.1-93) «Статистические методы. Вероятность и основы статистики. Термины и определения» - это значение характеристики, полученное в результате единичного наблюдения при многократных измерениях.

В существующих нормативных документах в настоящее время применяется ряд показателей точности. Проведенный нами анализ нормативнозаконодательных документов показал, что в ФЗ «Об обеспечении единства измерений» определение фундаментального метрологического понятия «показатели точности измерений» отсутствует.

В применяемых в последнее время (РМГ 29-99 ) и новом (РМГ 29-2013 ) терминологических документах понятие «показатели точности измерений» и его определение также не регламентированы.

Среди актуальных документов (межгосударственных - ГОСТ, национальных - ГОСТ Р, а также методических инструкций и рекомендаций - МИ, Р, РД) мы также не нашли стандарта, регламентирующего показатели точности измерений и формы их выражения.

Однако в примечании к понятию «результат измерений», приведенному в РМГ 29-2013, указано, что «... к показателям точности относятся, например, среднее квадратическое отклонение, доверительные границы погрешности, стандартная неопределенность измерений, суммарная стандартная и рас ш ирен ная неопредел ей ности ».

ГОСТ Р ИСО 5725-1-2002 определяет точность как степень близости результата измерений к принятому опорному значению. В нормативном документе отражена концепция «принятого опорного значения», применяемая в международной метрологической практике вместо концепции «истинного значения физической величины», характерной для отечественной метрологии до 2003 года (до принятия в нашей стране МС ИСО 5725).

В документе в качестве примечания (со ссылкой на международный стандарт) поясняется «... применительно к многократным измерениям «термин «точность», когда он относится к серии результатов измерений (испытаний), включает сочетание случайных составляющих и общей систематической погрешности (ИСО 3534-1), что не противоречит подходу к выражению точности через составляющие погрешности результата измерений». Кроме общего понятия качественной характеристики точности приведено пояснение, какие параметры могут быть приняты за количественные характеристики многократных измерений (испытаний).

Однако до 1986 года в нашей стране показатели точности были регламентированы ГОСТ 8.011-72 «ГСИ. Показатели точности измерений и формы выражения результатов измерений». В настоящее время ГОСТ 8.011-72 заменен на МИ 1317 (документ актуален в версии 2004 года ).

В метрологической практике точность измерений описывается рядом показателей, приведённых на рисунке 1.3, причём часть из них выражается в концепции погрешности, а другая часть - в концепции неопределенности.

В новой версии Международного словаря терминов и определений - VIM 3 (2010) особо подчеркивается, что «понятие «точность измерений» не является величиной и ей нс может быть присвоено числовое значение величины. Считается, что измерение является более точным, если оно имеет меньшую погрешность измерения». Кроме этого в VIM 3 отмечается, что полную характеристику точности измерений можно получить, оценивая оба показателя точности - правильность и прецизионность. Термин «точность измерений» не следует использовать для обозначения правильности измерений, а термин прецизионность измерений - для обозначения «точности измерений», хотя последнее имеет связь с двумя этими понятиями .

Рисунок 1.3 - Показатели точности результатов, традиционно используемые в нормативных документах

Из всех представленных и традиционно применяемых в метрологической практике показателей точности мы выделили только те, которые дают полное представление о показателях точности результатов измерений. Результаты проведенного анализа сведены в таблицы 1.1 и 1.2.

В качестве «показателей точности измерений», как следует из схемы (рисунок 1.4) могут также использоваться, характеристики,

регламентированные ГОСТ Р 8.563-2009:

Характеристики погрешности измерений по МИ 1317-2004 ;

характеристики неопределенности по РМГ 43-2001 (прекращено применение МД на территории РФ с 01.10.2012 года) ;

Показатели точности по ГОСТ Р ИСО 5725-2002 .

Таблица 1.1 - Анализ возможности применения характеристик погрешности в качестве показателей точности результата измерений_

Характеристика или г, математическое выражение Показатель г в концепции погрешности или неопределенности		Комментарий
1 Погрешность измерений		Выражение (1) имеет теоретический характер, поскольку истинное значение измеряемой величины всегда остается неизвестным, поэтому на практике применяется уравнение (2). В качестве модели погрешности измерений принимается модель случайной величины (или случайного процесса). Поэтому метрологи не рассматривают возможность использования выражения (2) для разработки представлений о показателях точности измерений.
2 Границы, в погрешность измерений находится с заданной вероятностью		Границы погрешности измерений для заданной вероятности дают полное основание судить о возможной степени близости результата измерения к действительному значению измеряемой величины.
3 Среднее квадрагги ческое отклонение погрешности		Знание Од позволяет (при определенных предположениях о виде функции распределения плотности вероятностей погрешностей) оценить интервал значений, в котором может находиться Х л.
4 Среднее квадратическое отклонение случайной составляющей погрешности измерений		Знание только среднего квадратического отклонения случайной составляющей погрешности измерений Одел в общем случае не позволяет судить О возможной степени близости результатов измерений к действительному значению измеряемой величины Х л, поскольку дополнительно к случайной составляющей погрешности измерений может иметь место систематическая составляющая.

Продолжение таблицы 1.1

5 Сходимость результатов измерений	Оценивается мерами сходимости	Сама по себе сходимость измерений нс дает ни малейшего представления о границах, в которых может находиться погрешность измерений.
6 Воспроизводимость результатов	Оценивается мерами воспроизводимости	Подобно сходимости измерений, воспроизводимость также не дает представления о границах, в которых может находиться погрешность измерений.
7 Среднее квадратическое отклонение систематической составляющей погрешности измерений		Сами по себе характеристики систематической составляющей погрешности измерений (какими бы они ни казались удовлетворительными) не позволяют судить нам о границах, в которых может находиться (при заданной вероятности) суммарная погрешность измерений. Причины этого - не учёт роли случайной составляющей погрешности измерений.
8 Границы, в которых не исключённая систематическая составляющая погрешности измерений находится с заданной вероятностью
9 Прецизионность измерений	Характеризует степень близости между нсзависи м ы ми резул ьтатам и измерений, полученными при определенных принятых условиях.	Знание только стандартного отклонения прецизионности не позволяет судить о степени возможной близости результатов измерений к действительному значению измеряемой величины Х л.

Регламентированные национальным стандартом ГОСТ Р ИСО 5725-2002, гармонизированным с международными требованиями, показатели точности измерений приведены на рисунке 1.5.

Рисунок 1.4 - Показатели точности измерений методики, регламентированные ГОСТ Р 8.563-2009

Рисунок 1.5 - Показатели точности измерений, регламентированные в ГОСТ Р ИСО 5725-1-2002

Таблица 1.2 - Анализ возможности применения характеристик

неопределенности в качестве показателей точности результата измерений_

Точность измерительного прибора – это его свойство, характеризующее степень приближения показаний данного измерительного прибора к действительным значениям измеряемой величины и определяется той наименьшей величиной, которую с помощью этого прибора можно определить надёжно.

Точность прибора зависит от цены наименьшего деления его шкалы и указывается или на самом приборе, или в заводской инструкции (паспорте). Заметим, что точность измерений обратно пропорциональна относительной погрешности измерений Е: = .

Погрешность электроизмерительных приборов определяется классом точности (или приведенной погрешностью Е пр), который указывается на лицевой стороне прибора соответствующей цифрой в кружке. Классом точности прибора К называют выраженное в процентах отношение абсолютной погрешности к предельному (номинальному) значению х пр измеряемой величины, т. е. к наибольшему её значению, которое может быть измерено по шкале прибора (предел измерения):

.

Зная класс точности и предел измерения прибора, можно рассчитать его абсолютную погрешность:

Эта погрешность одинакова для любого измерения сделанного с помощью данного прибора. Классов точности семь: 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5; 4,0. Приборы первых трех классов точности (0,1; 0,2; 0,5) называются прецизионными и используются при точных научных измерениях, приборы остальных классов точности называются техническими . Приборы без указания класса точности считаются внеклассными.

Пример . Сила тока измеряется в цепи амперметром, класс точности которого К=0,5, а шкала имеет предел измерения I пр =10 А. Находим абсолютную погрешность амперметра:

Отсюда следует, что амперметр позволяет измерять силу тока с точностью не более 0,05 А, и поэтому нецелесообразно делать отсчёт по шкале прибора с большей точностью.

Допустим, что с помощью данного амперметра были измерены три значения силы тока: I 1 =2 А; I 2 =5 А; I 3 =8 А. Находим для каждого случая относительную погрешность: ; .

Из этого примера следует, что в третьем случае относительная погрешность самая маленькая, то есть чем больше величина отсчёта по прибору, тем меньше относительная погрешность измерения. Вот почему для оптимального использования приборов рекомендуется их подбирать так, чтобы значение измеряемой величины находилось в конце шкалы прибора. В этом случае относительная погрешность приближается к классу точности прибора. Если точность прибора неизвестна, то абсолютная погрешность принимается равной половине цены наименьшего деления (линейка, термометр, секундомер). Для штангенциркуля и микрометра – точность их нониусов (0,1 мм, 0,01 мм).

Примечания: 1) При отсчетах следует следить за тем, чтобы луч зрения был перпендикулярен шкале. Для устранения так называемой ошибки параллакса на многих приборах устанавливается зеркало («зеркальные приборы»). Глаз экспериментатора расположен правильно, если стрелка прибора закрывает свое изображение в зеркале.

2) При косвенных измерениях (например, определение объема цилиндра по его диаметру и высоте) следует определять все измеряемые вершины с приблизительно одинаковой относительной точностью.

3) При обработке результатов измерений следует помнить, что точность вычислений должна быть согласована с точностью самих измерений. Вычисления, произведенные с большим, чем это необходимо, числом десятичных знаков, приводят к большому объему ненужной работы. Например, если хотя бы одна из величин в каком-либо выражении определена с точностью до двух значащих цифр, то нет смысла вычислять результат с точностью, большей двух значащих цифр. В тоже время в промежуточных расчетах рекомендуется сохранять одну лишнюю цифру, которая в дальнейшем – при записи окончательного результата – будет отброшена. В теории погрешностей из существующих правил округления имеется следующее исключение: при округлении погрешностей последняя сохраняемая цифра увеличивается на единицу, если старшая отбрасываемая цифра 3 или больше 3.