Почему мультипликативная погрешность в процентах. Каждую группу погрешностей необходимо рассмотреть более подробно. Инструментальные и методические погрешности

Погрешность средства измерений - разность между показанием средства измерений и истинным (действительным) значением измеряемой физической величины.

Погрешность меры - разность между номинальным значением меры и действительным значением воспроизводимой ею величины. Поскольку истинное значение физической величины неизвестно, то на практике пользуются ее действительным значением, которое воспроизводится образцовым средством измерений или мерой. Для самой меры показанием является ее номинальное значение.

На рисунке 3.1 показана классификация погрешностей средств измерений, в которой они условно разбиты на пять групп в зависимости от природы их происхождения.

Рисунок 3.1 - Классификация погрешностей средств измерений

Систематическая погрешность средства измерений - составляющая погрешности измерения, которая при повторении равноточных измерений остаётся постоянной или закономерно изменяется. Эту погрешность можно исключить или вносить соответствующие поправки.

Систематическая погрешность конкретного средства измерений, как правило, будет отличаться от систематической погрешности другого экземпляра средства измерений этого же типа, вследствие чего для группы однотипных средств измерений систематическая погрешность может иногда рассматриваться как случайная погрешность. Причины возникновения систематических погрешностей и их классификация будут рассмотрены отдельно.

Случайная погрешность средства измерений (случайная погрешность) - составляющая погрешности измерения, которая изменяется случайным образом. случайная погрешность может быть обнаружена при повторных измерениях одной и той же величины, когда получаются неодинаковые результаты. Её нельзя исключить, но их влияние на результата измерения может быть теоретически учтено методами 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. Иногда вместо термина «промах» применяют термин грубая погрешность измерений.

Промахи связаны с резким нарушением условий испытаний при отдельном наблюдении: толчки, неисправности измерительной аппаратуры, неправильные действия наблюдателя. Результаты измерений, содержащие промахи, должны быть отброшены как недостоверные.

Основная погрешность средства измерений (основная погрешность) - погрешность средства измерений, применяемого в нормальных условиях.

Дополнительная погрешность средства измерений (дополнительная погрешность) - составляющая погрешности средства измерений, возникающая дополнительно к основной погрешности вследствие отклонения какой-либо из влияющих величин от нормального ее значения или вследствие ее выхода за пределы нормальной области значений.

Статическая погрешность средства измерений (статическая погрешность) - погрешность средства измерений, применяемого при измерении физической величины, принимаемой за неизменную.

Динамическая погрешность средства измерений (динамическая погрешность) - погрешность средства измерений, возникающая при измерении изменяющейся (в процессе измерений) физической величины.

Абсолютная погрешность средства измерений (абсолютная погрешность) - погрешность средства измерений, выраженная в единицах измеряемой физической величины

D = х изм - х д, (3.1)

где х изм - измеренное значение, х д - действительное значение измеряемой величины.

Абсолютное значение погрешности - значение погрешности без учета ее знака (модуль погрешности). Необходимо различать термины абсолютная погрешность и абсолютное значение погрешности.

Относительная погрешность средства измерений (относительная погрешность) - погрешность средства измерений, выраженная отношением абсолютной погрешности средства измерений к результату измерений или к действительному значению измеренной физической величины

. (3.2*)

Приведенная погрешность средства измерения (приведенная погрешность) - относительная погрешность, выраженная отношением абсолютной погрешности средства измерений к условно принятому значению величины, по-

стоянному во всем диапазоне измерений или в части диапазона

, (3.3)

где - нормирующее значение.Часто за нормирующее значение принимают верхний предел измерений.

Аддитивная погрешность (по лат. - получаемая путем сложения ) - погрешность, не зависящая от измеряемой величины. По закономерности проявления аддитивные погрешности могут быть случайными или систематическими.

Случайная аддитивная погрешность, например, вызываемая трением в опорах измерительного механизма, контактными сопротивлениями, дрейфом нуля и др., при изменении измеряемой величины принимать произвольное, но не зависящее от измеряемой величины значения. Её предельные значения образуют на характеристике полосу постоянной величины (рисунок 3.2,а). Точно такая же картина будет, если погрешность представляется как приведенная, поскольку знаменатель в выражении (3.3) не изменяется на протяжении всей шкалы независимо от значения измеряемой величины.

Примером систематической аддитивной погрешности является смещение нуля характеристики аналогового средства измерения (рисунок 3.2,б).

1 - фактическая характеристика, смещенная влево на длину О-О ¢ ; 2 - номинальная характеристика прибора; D с - значение систематической погрешности;

D 0 пр - предельное значение случайной погрешности

Рисунок 3.2 - Смещение характеристик аналогового измерительного прибора под влиянием аддитивных систематической (а) и случайной (б) погрешностей

Мультипликативная погрешность (по лат. - получаемая путем умножения ) - погрешность, величина которой изменяется прямо пропорционально измеряемой величине.

Пример - Источники мультипликативной погрешности - действие влияющих величин на параметры элементов и узлов СИ, например, изменение собственного сопротивления амперметра и встроенного в него шунта при изменении температуры окружающей среды.

В этом случае результат измерения определяется по формуле:

Поскольку при изменении температуры окружающей среды сопротивления и изменяются неодинаково, т.к. сделаны из разных материалов, погрешность измерения будет изменяться пропорционально соотношению этих сопротивлений.

Погрешность нелинейности имеет нелинейную зависимость от измеряемой величины. Чаще всего возникает как систематическая погрешность, связанная с линеаризацией номинальной статической характеристики.

Вариация имеет нелинейную зависимость от измеряемой величины, появляется вследствие гистерезисных явлений, вариации, проявляющейся при подходе к измеряемой точке со стороны меньших и больших значений; проявляется как систематическая погрешность (рисунок 3.3).

Рисунок 3.3 - Графическое представление вариации

Учёт всех нормируемых метрологических характеристик средств измерений является сложной и трудоёмкой процедурой. На практике такая точность не нужна. Поэтому для средств измерений, используемых в повседневной практике, принято деление на классы точности.

Класс точности средств измерений (класс точности) - обобщенная характеристика данного типа средств измерений, как правило, отражающая уровень их точности, выражаемая нормируемыми метрологическими характеристиками.

Класс точности дает возможность судить о том, в каких пределах находится погрешность средства измерений одного типа, но не является непосредственным показателем точности измерений, выполняемых с помощью каждого из этих средств. Это важно при выборе средств измерений в зависимости от заданной точности измерений. Класс точности средств измерений конкретного типа устанавливают в стандартах технических требований (условий) или в других нормативных документах.

Нормируемые метрологические характеристики типа средства измерений (нормируемые метрологические характеристики) - совокупность метрологических характеристик данного типа средств измерений, устанавливаемая нормативными документами на средства измерений

Требования к нормируемым метрологическим характеристикам устанавливаются в стандартах на средства измерений конкретного типа.

Например, для электроизмерительных приборов нормируют:

Пределы допускаемых погрешностей и соответствующие рабочие области влияющих величин;

Пределы допускаемых дополнительных погрешностей и соответствующие рабочие области влияющих величин;

Пределы допускаемой вариации показаний;

Невозвращение указателей к нулевой отметке.

Предел допускаемой погрешности средства измерений (предел допускаемой погрешности, предел погрешности) - наибольшее значение погрешности средств измерений, устанавливаемое нормативным документом для данного типа средств измерений, при котором оно еще признается годным к применению.

При превышении установленного предела погрешности средство измерений признается негодным для применения (в данном классе точности).

Обычно устанавливают пределы допускаемой погрешности, то есть границы зоны, за которую не должна выходить погрешность.

Пример - Для 100-миллиметровой концевой меры длины 1-го класса точности пределы допускаемой погрешности ±50 мкм.

Пределы допускаемой абсолютной основной погрешности устанавливают по формуле

где и - положительные числа, не зависящие от .

Пределы допускаемой приведенной погрешности

где - положительное число, выбираемое из ряда

(1; 1,5; 2,0; 2,5; 4,0; 5,0; 6,0), при . (3.6)

Пределы допускаемой относительной основной погрешности определяют из уравнения

если установлено по формуле (3.4).

Если же D определено по формуле (3.4 *), т.е. имеется мультипликативная составляющая погрешности, пределы допускаемой относительной основной погрешности определяют по формуле

, (3.8)

где - больший по модулю из пределов измерений; . Значения чисел и должны быть округлены до чисел из ряда (3.6).

Класс точности средств измерений характеризует их свойства в отношении точности, но не является непосредственным показателем точности измерений, выполняемых с помощью этих средств. Классы точности присваиваются средствам измерений с учётом результатов государственных приёмочных испытаний.

Общие положения о делении средств измерений на классы точности и способы нормирования метрологических характеристик регламентированы ГОСТ 8.401—80. Однако этот стандарт не устанавливает классы точности средств измерения, для которых предусмотрены нормы отдельно для систематической и случайной составляющих погрешности, а также если необходимо учитывать динамические характеристики.

Если класс точности прибора установлен по пределу допускаемой относительной основной погрешности, т.е по значению погрешности чувствительности [см. формулу (3.7)] и форма полосы погрешности принята чисто мультипликативной, обозначаемое на шкале значение класса точности обводится кружком.

Пример - обозначает, что = 1,5 %.

Если же полоса погрешности принята аддитивной и прибор нормируется по пределу допускаемой приведенной основной погрешности [см. формулу (3.5)], т.е. по значению погрешности нуля (таких приборов большинство), то класс точности указывается на шкале без каких-либо подчеркиваний.

Пример - 1,5 обозначает, что = 1,5 %.

Если шкала прибора неравномерная (например, у омметров), предел допускаемой основной приведенной погрешности выражается формулой (3.5), а нормирующее значение принято равным длине шкалы или ее части, класс точности обозначается на шкале одним числом, помещенным между двумя линиями, расположенными под углом.

Пример - обозначает, что = 0,5 %.

Если средство измерений обладает как аддитивной, так и мультипликативной полосой погрешности, а пределы допускаемой относительной погрешности в процентах устанавливаются формулой (3.8), классы точности обозначают числами с и d (в процентах), разделяя их косой чертой.

Пример - Если установлено, что для средства измерения , где с = 0,02; d = 0,01, то обозначение в документации будет «класс точности 0,02/0,01», а на приборе 0,02/0,01.

Для средств измерений, пределы допускаемой основной погрешности которых принято выражать в форме абсолютных погрешностей по формуле (3.4), классы точности обозначают прописными буквами латинского алфавита или римскими цифрами. Чем дальше буква от начала алфавита, тем больше погрешность. Расшифровка соответствия букв значению абсолютной погрешности осуществляется в технической документации на средство измерения.

Для всех рассмотренных случаев вместе с условным обозначением класса точности на шкале, щитке или корпусе средств измерений наносится номер стандарта или технических условий, устанавливающих технические требования на эти средства измерений. Таким образом, обозначение класса точности средства измерений дает достаточно полную информацию для вычисления приближенной оценки погрешностей результатов измерений.

Примеры обозначения классов точности на шкалах приборов приведены на рисунке 3.4.

а - вольтметр класса точности 0,5 с равномерной шкалой;

б - амперметр класса точности 1,5 с равномерной шкалой; в - амперметр класса точности 0,02/0,01 с равномерной шкалой; г - мегаомметр класса точности 2,5 с неравномерной шкалой.

Рисунок 3.4 - Лицевые панели приборов

1. Погрешность средств измерения и результатов измерения

Погрешности средств измерений - отклонения метрологических свойств или параметров средств измерений от номинальных, влияющие на погрешности результатов измерений (создающие так называемые инструментальные ошибки измерений).
Погрешность результата измерения - отклонение результата измерения от действительного (истинного) значения измеряемой величины, определяемая по формуле - погрешность измерения.

2. Инструментальные и методические погрешности

Методическая погрешность обусловлена несовершенством метода измерений или упрощениями, допущенными при измерениях. Так, она возникает из-за использования приближенных формул при расчете результата или неправильной методики измерений. Выбор ошибочной методики возможен из-за несоответствия (неадекватности) измеряемой физической величины и ее модели.
Причиной методической погрешности может быть не учитываемое взаимное влияние объекта измерений и измерительных приборов или недостаточная точность такого учета. Например, методическая погрешность возникает при измерениях падения напряжения на участке цепи с помощью вольтметра, так как из-за шунтирующего действия вольтметра измеряемое напряжение уменьшается. Механизм взаимного влияния может быть изучен, а погрешности рассчитаны и учтены.

Инструментальная погрешность обусловлена несовершенством применяемых средств измерений. Причинами ее возникновения являются неточности, допущенные при изготовлении и регулировке приборов, изменение параметров элементов конструкции и схемы вследствие старения. В высокочувствительных приборах могут сильно проявляться их внутренние шумы.

3. Статическая и динамическая погрешности

Статическая погрешность измерений - погрешность результата измерений, свойственная условиям статического измерения, то есть при измерении постоянных величин после завершения переходных процессов в элементах приборов и преобразователей.
Статическая погрешность средства измерений возникает при измерении с его помощью постоянной величины. Если в паспорте на средства измерений указывают предельные погрешности измерений, определенные в статических условиях, то они не могут характеризовать точность его работы в динамических условиях.

Динамическая погрешность измерений - погрешность результата измерений, свойственная условиям динамического измерения. Динамическая погрешность появляется при измерении переменных величин и обусловлена инерционными свойствами средств измерений. Динамической погрешностью средства измерений является разность между погрешностью средсва измерений в динамических условиях и его статической погрешностью, соответствующей значению величины в данный момент времени. При разработке или проектировании средства измерений следует учитывать, что увеличение погрешности измерений и запаздывание появления выходного сигнала связаны с изменением условий.

Статические и динамические погрешности относятся к погрешностям результата измерений. В большей части приборов статическая и динамическая погрешности оказываются связаны между собой, поскольку соотношение между этими видами погрешностей зависит от характеристик прибора и характерного времени изменения величины.

4. Систематическая и случайная погрешности

Систематическая погрешность измерения - составляющая погрешности измерения, остающаяся постоянной или закономерно изменяющаяся при повторных измерениях одной и той же физической величины. Систематические погрешности являются в общем случае функцией измеряемой величины, влияющих величин (температуры, влажности, напряжения питания и пр.) и времени. В функции измеряемой величины систематические погрешности входят при поверке и аттестации образцовых приборов.

Причинами возникновения систематических составляющих погрешности измерения являются:

• отклонение параметров реального средства измерений от расчетных значений, предусмотренных схемой;
• неуравновешенность некоторых деталей средства измерений относительно их оси вращения, приводящая к дополнительному повороту за счет зазоров, имеющихся в механизме;
• упругая деформация деталей средства измерений, имеющих малую жесткость, приводящая к дополнительным перемещениям;
• погрешность градуировки или небольшой сдвиг шкалы;
• неточность подгонки шунта или добавочного сопротивления, неточность образцовой измерительной катушки сопротивления;
• неравномерный износ направляющих устройств для базирования измеряемых деталей;
• износ рабочих поверхностей, деталей средства измерений, с помощью которых осуществляется контакт звеньев механизма;
• усталостные измерения упругих свойств деталей, а также их естественное старение;
• неисправности средства измерений.

Случайной погрешностью называют составляющие погрешности измерений, изменяющиеся случайным образом при повторных измерениях одной и той же величины. Случайные погрешности определяются совместным действием ряда причин: внутренними шумами элементов электронных схем, наводками на входные цепи средств измерений, пульсацией постоянного питающего напряжения, дискретностью счета.

5. Погрешности адекватности и градуировки

Погрешность градуировки средства измерений - погрешность действительного значения величины, приписанного той или иной отметке шкалы средства измерений в результате градуировки.

Погрешностью адекватности модели называют погрешность при выборе функциональной зависимости. Характерным примером может служить построение линейной зависимости по данным, которые лучше описываются степенным рядом с малыми нелинейными членами.
Погрешность адекватности относится к измерениям для проверки модели. Если зависимость параметра состояния от уровней входного фактора задана при моделировании объекта достаточно точно, то погрешность адекватности оказывается минимальной. Эта погрешность может зависеть от динамического диапазона измерений, например, если однофакторная зависимость задана при моделировании параболой, то в небольшом диапазоне она будет мало отличаться от экспоненциальной зависимости. Если диапазон измерений увеличить, то погрешность адекватности сильно возрастет.

6. Абсолютная, относительная и приведенная погрешности

Абсолютная погрешность - алгебраическая разность между номинальным и действительным значениями измеряемой величины. Абсолютная погрешность измеряется в тех же единицах измерения, что и сама величина, в расчетах её принято обозначать греческой буквой - ∆. На рисунке 1 ниже, ∆X и ∆Y - абсолютные погрешности.

Рис.2. Абсолютная погрешость

В теории ИП оказывается весьма важным разделение погрешности преобразователя на составляющие в зависимости от изменения их значений при изменении входной величины х по диапазону преобразования.

Если реальная функция преобразования/ (на рис. 2.2, а обозначена цифрой 1) смещена относительно номинальной (обозначена цифрой 2) так, что при всех значениях преобразуемой величины х выходная величина у оказывается больше (или меньше) на одну и ту же величину Д 0 , то такая погрешность называется аддитивной (в пер. с лат. - получаемая путем сложения) или погрешностью нуля. Если она является систематической, т.е. постоянной по величине и неизменной во времени, то она может быть скорректирована путем смещения шкалы или смещения нулевого положения указателя. Для выполнения этой операции во многих приборах предусматривается электрическое или механическое устройство установки нуля (так называемый корректор).

Рис. 2.2.

Если же аддитивная погрешность является случайной, то она не может быть скорректирована и реальная характеристика, смещаясь произвольным образом (оставаясь параллельной самой себе), образует полосу погрешностей, ширина которой остается постоянной для любых значений х (рис. 2.2, б).

Аддитивные погрешности возникают от постороннего груза на чашке весов при взвешивании, от неточной установки приборов на нуль перед измерением, от термоЭДС в цепях постоянного тока и т. п.

Изменения чувствительности S преобразователя (коэффициента усиления усилителя, коэффициента деления делителя, добавочного сопротивления вольтметра) ведут к тому, что абсолютная погрешность изменяется по диапазону преобразования и характеристика 1 преобразователя отклоняется от номинальной 2 (рис. 2.2, в). Если отклонения являются случайными, то они образуют полосу погрешностей (рис. 2.2, г).

Как видно из рисунка, возникающие вследствие этого абсолютные погрешности оказываются пропорциональными текущему значению преобразуемой величины х, поэтому такая погрешность называется мультипликативной (в пер. с лат. - получаемая путем умножения) или погрешностью чувствительности.

Таким образом, погрешность преобразователя мы представили в виде двух компонентов: аддитивной (погрешность нуля) и мультипликативной (погрешность чувствительности). Возвращаясь к рассмотренному примеру, можно утверждать, что Ау { = Д 0 = 10 мкВ есть погрешность нуля данного усилителя (поскольку имеет место при нулевом значении входного сигнала). При входном сигнале х 2 = = 20 мкВ погрешность складывается из погрешности нуля Д 0 = = 10 мкВ (еще раз подчеркиваем, что погрешность нуля постоянна во всем диапазоне изменения входной величины) и погрешности чувствительности Ay 2S , равной Ay 2S = Ау 2 - Д 0 = 200 - 10 = 190 мкВ.

Создается впечатление, что аддитивная составляющая погрешности, неизменная во всем диапазоне преобразования (в силу своей малости), несущественна по сравнению с мультипликативной составляющей, растущей вместе с входным сигналом. Поэтому аддитивной составляющей можно пренебречь, сосредоточившись на анализе и парировании мультипликативной погрешности.

Недопустимость подобного упрощения становится понятной, если рассмотреть относительные погрешности. Значения относительной аддитивной погрешности у(х) = Д 0 /х оказываются обратно пропорциональными х: при больших входных величинах х значения у(х) малы, но стремятся к бесконечности при приближении х к нулю. В этом заключается основное отрицательное свойство аддитивных погрешностей, не позволяющее использовать один и тот же преобразователь для преобразования как больших, так и малых физических величин.

Чтобы относительная величина погрешности ИП не возрастала по мере уменьшения х, абсолютная погрешность преобразователя должна быть чисто мультипликативной. Тогда характеристика преобразователя с учетом погрешности описывалась бы выражением у = S( 1 ± y s)x, где y s - относительная погрешность изменения чувствительности. Абсолютная ширина полосы неопределенности в этом случае была бы пропорциональна преобразуемой величине х как d = 2у 5 х, а относительная погрешность y s оставалась бы постоянной для любых малых значений х, ибо при х = 0 была бы равна нулю абсолютная погрешность преобразователя d.

Однако такой идеальный случай практически неосуществим, так как невозможно построить ИП, полностью лишенный аддитивных погрешностей. Эти погрешности в виде погрешностей от шума, дрейфа, трения, наводок неизбежны в любых типах измерительных преобразователей. Поэтому у реальных ИП полоса неопределенности характеристики выглядит так, как это показано на рис. 2.1.

Функция преобразования реального ИП с учетом аддитивной ±Д 0 , и мультипликативной ± у 5 составляющих погрешностей приобретает вид

Производя умножение в правой части выражения и пренебрегая произведением двух малых величин y s Д 0 , получим значение выходной величины в виде

Выражение (2.4) отображает важное принципиальное свойство измерительных преобразователей - наличие погрешностей приводит к тому, что одному значению входной физической величины х могут соответствовать различные значения выходной величины у. Это значит, что величина у отображает входную величину х не одним значением, а в интервале погрешностей (с учетом возможных знаков перед составляющими погрешности):

Погрешность преобразователей является следствием несовершенства их конструкции и технологии изготов­ления. Поэтому она определяется совокупностью частных составляющих погрешности или, как принято говорить, совокуп­ностью частных погрешностей. Наличие погрешности у преобразователя (а она всегда есть) проявляется в том, что реальная характеристика преобразователя отличается от номинальной, является неоднозначной и из линии превращается в полосу неопределенности.

Частные погрешности можно классифицировать по различным признакам:

1) по характеру влияния на уравнение преобразователя;

2) по характеру проявления: систематические и случайные;

3) по причине возникновения;

4) по зависимости от скорости изменения измеряемой величины: статические и динамические.

По характеру влияния на уравнение преобразователя погрешности подразделяются на аддитивные и мультипликативные .

Аддитивная погрешность (от лат. additio - прибавление) проявляется в смещении нулевого или условно нулевого положения. Это смещение не зависит от значения измеряемой величины и объясняется наличием внешних помех, шумов, трения, порога чувствительности. К числу аддитивных можно отнести и погрешность дискретности (квантования), хотя это и не погрешность нуля. С учетом аддитивной погрешности уравнение (2.161) преобразователя принимает вид

Y= S н Х +∆ у .а. . (2.165)

где ∆ у .а - аддитивная погрешность, приведенная к выходу.

Аддитивная погрешность может иметь как систематический, так и случайный характер. На рис. 2.22,а показаны номинальная и реальная характеристики преобразователя для случая систематической аддитивной погрешности, а на рис. 2.22,б - полоса неопределенности, в которую превращается номинальная характеристика преобразователя, если аддитивная погрешность носит случайный характер.

Рис. 2.22. Характеристики преобразователем при наличии аддитивной

погрешности систематического (а ) и случайного (б) характеров.

Систематическая составляющая аддитивной погрешности должна быть скорректирована перед началом измерения, а случайная может быть учтена по законам случай­ных ошибок. Перечисленные выше аддитивные погрешности являются случайными с отличным от нуля математическим ожиданием.

Мультипликативная погрешность - это погреш­ность чувствительности (от англ. multiplier - множитель, коэф­фициент), т. е. это погрешность, вызванная непостоянством чув­ствительности в диапазоне измерения вследствие несовершен­ства технологии изготовления преобразователя, а также вслед­ствие воздействия внешних факторов.

Если непостоянство чувствительности по шкале обозначить через ∆S , то относительное изменение ее (по отношению к номи­нальному значению чувствительности S Н, ее математическому ожиданию) и является относительной мультипликативной погрешностью. Действительно,

где т у = Y 0 - математическое ожидание Y , его действительное значение; ∆ у ,м - абсолютная погрешность преобразования.

т. е. равна относительному изменению чувствительности. Из (2.166) следует, что абсолютная мультипликативная погреш­ность пропорциональна измеряемой величине:

Здесь и ранее - это погрешности преобразователя, приведенные к выходу. Погрешности, приведенные к входу, в S Н раз меньше.

Рис. 2.23. Мультипликативные систематические погрешности (а )

и характеристики преобразователей (б ).

Мультипликативная погрешность также может иметь систематическую и случайную составляющие. На рис. 2.23, а изображены кривые абсолютной и относительной систематической мультипликативной погрешностей для γ m 1 =const, а на рис. 2.23,б номинальная и реальная характеристики преобразователя для γ m 1 . Если непостоянство чувствительности по шкале носит случайный характер, как это показано на рис. 2.24, а, и характеризуется среднеквадратичным отклонением ±σ м, то

∆ у ,м =±z σ м Y 0 . (2.169)

Рис. 2.24. Чувствительность (а ) и характеристика преобразователя (б) при случайной мультипликативной погрешности.

На рис. 2.24,б изображена номинальная характеристика пре­образователя и зона неопределенности, определяющая положе­ние (случайное) реальной характеристики.

Полная абсолютная погрешность преобразователя, приведен­ная к выходу,

∆ у =∆ у, a +γ м Y 0 . (2.170)

а приведенная к входу

∆ x =∆ x , a +γ м X. (2.171)

Относительная погрешность преобразователя

В дальнейшем индексы у и х у погрешностей будем опускать.

Из (2.172) видно, что при малых значениях измеряемой вели­чины относительная аддитивная составляющая погрешности может принимать очень большие значения. На рис. 2.25 изобра­жены номинальная характеристика и полоса неопределенности, определяющая реальную характеристику, при наличии у преоб­разователя обеих составляющих погрешности.

Рис. 2.25. Номинальная характе­ристика и полоса неопределенности реальной характеристики преобра­зователя при наличии аддитивной и

мультипликативной погреш­ностей.

Погрешность, вызванная нелинейностью, возникает в том случае, когда за характеристику преобразователя, имеющего принципиально нелинейную характеристику, принимается линейная. В зависимости от способа линеаризации эта погрешность может иметь только мультипликативную или только аддитивную составляющие. Действительно, при линеаризации по касательной (рис. 2. 26, а ) и по хорде (рис. 2.26,б ) ошибка должна расцениваться как мультипликативная, имеющая систематический характер. При линеаризации, на­пример, по методу Чебышева погрешность является аддитив­ной (рис. 2.26, в).

Рис. 2.26. Влияние способа аппроксимации нелинейной характеристики на характер и величину погрешности.

(Пояснения в тексте).

В этом случае она характеризуется зоной, определяемой положениями касатель­ной и хорды, поэтому удобнее и правильнее считать частную погрешность от нелинейности при таком способе линеаризации слу­чайной величиной.

Для многих преобразователей характерно явление гистерезиса, вызывающее вариацию значений выходного параметра. Это - упругий гистерезис мембран, магнитный гистерезис ферромагнитных материалов и т. д. Замена реальной гистерезисной характеристики идеальной приводит к случайной мультипликативной ошибке.

Разделение погрешностей на мультипликативные и аддитивные очень существенно при решении вопроса о нормировании погрешностей измерительных устройств, о выборе метода оптимальной обработки получаемой информации о значении измеряемой величины.

По зависимости абсолютной погрешности от значений из­меряемой величины различают погрешности:

● аддитивные ∆ а, не зависящие от измеряемой величины;

● мультипликативные ∆ м, которые прямо пропорциональны измеряемой величине;

● нелинейные ∆ н, имеющие нелинейную зависимость от измеряемой величины.

Эти погрешности применяют в основном для описания метроло­гических характеристик СИ. Разделение погрешностей на аддитив­ные, мультипликативные и нелинейные весьма существенно при решении вопроса о нормировании и математическом описании по­грешностей СИ.

Примеры аддитивных погрешностей − от постоянного груза на чашке весов, от неточной установки на нуль стрелки прибора перед измерением, от термо-ЭДС в цепях постоянного тока. Причинами возникновения мультипликативных погрешностей могут быть: из­менение коэффициента усиления усилителя, изменение жесткости мембраны датчика манометра или пружины прибора, изменение опорного напряжения в цифровом вольтметре.

Данные разновидности погрешностей иногда называют также так:

● аддитивные---- погрешность нуля;

● мультипликативные-----погрешность крутизны характеристики;

● нелинейные--------- погрешность нелинейности.

В связи с тем, что аддитивная и мультипликативная составляющие погрешности характерны для средства измерения, причём в диапазоне измеряемых величин, то исходя из заданного истинного (действительного) значения линейного размера элемента конструкции (14,3 см), допустим, что использованное средство измерений, позволяет производить измерения в диапазоне от 0,1 см до 25 см, причём обладает единой для всей шкалы средней относительной погрешностью 12,7%, которое рассчитано по формуле (2.5) в 2-ом разделе данной работы. Исходя из выбранного диапазона измерений средства измерений (0.1см − 25 см), возьмём из него, например, 10 равноудалённых фиксированных (эталонных) значений линейного размера элемента конструкции, включая заданное истинное (действительное) значение, равное 14.3 метра. В результате ряд измеряемых эталонных значений линейных размеров L эт i , использованным средством измерения, будет иметь вид: 2,5; 5; 7,5; 10; 12,5; 15; 17,5; 20; 22,5; 25 (см).

Используя выражение (2.5), можно определить значения суммарной абсолютной погрешности для всех членов ряда (L эт i ), а именно:

(3.1)

Рассчитанные значения суммарной абсолютной погрешности ∆ с i для всех членов ряда, с учётом выполнения правил округления результатов измерений и погрешностей измерений (приведены в Приложении 1), представлены в таблице 3.1.

Таблица 3.1

Результаты расчетов суммарной, аддитивной и мультипликативной

абсолютных погрешностей

№ члена ряда	L эт i , м	, %	∆ с i , см	Δ а, см	Δ м, см
	2,5	12,7	0,318	0,318
		12,7	0,635	0,318	0,318
	7,5	12,7	0,953	0,318	0,635
		12,7	1,270	0,318	0,952
	12,5	12,7	1,588	0,318	1,27
		12,7	1,905	0,318	1,587
	17,5	12,7	2,223	0,318	1,905
		12,7	2,540	0,318	2,222
	22,5	12,7	2,858	0,318	2,54
		12,7	3,175	0,318	2,857

Используя результаты расчётов суммарной абсолютной погрешности ∆ с i и ряд измеряемых эталонных значений линейных размеров L эт i , строится график (см. рис. 3.2) зависимости , при этом аппроксимируются точки по которым он строится. На осях графика обозначаются начальные и конечные значения диапазона измерения средства измерения (Lэн = 2.5 см и Lэк =25 см) и максимального значения суммарной погрешности Δ с (Δ ск = 3,175 см).

Рис. 3.2. График суммарной абсолютной погрешности

На полученном графике (рис. 3.2) выделяется аддитивная составляющая (Δ а) суммарной абсолютной погрешности (Δ с), которая равна суммарной абсолютной погрешности при минимальном (начальном) значении эталонных значений линейных размеров (в начале диапазона измерений СИ), т.е. Δ а = 0,318 см.

Строится график (рис. 3.3) зависимости абсолютной аддитивной погрешности Δ а = f (L ЭТ. i ), который представляет собой прямую параллельную оси абсцисс, проходящей из точки с ординатой Δ а = 0,318 см.

Рис. 3.3. График абсолютной аддитивной погрешности

На полученном графике (см. рис. 3.2) зависимости Δ с i = f (L ЭТ), выделяется график мультипликативной составляющей Δ м = f (L ЭТ). Результаты расчета абсолютной мультипликативной погрешности приведены в таблице 3.1, а график на рисунке 3.4.

Рис. 3.4. График абсолютной мультипликативной погрешности

Исходя из того, что использованное средство измерения обладает единой для всей шкалы средней относительной погрешностью δ ср 12,7%, которое рассчитано по формуле (2.5) в 2-ом разделе данной работы и использовалось для выделения аддитивной и мультипликативной составляющих погрешностей измерений в данном разделе работы, то графиком этой погрешности будет горизонтальная прямая с ординатой 12,7% для всего диапазона изменения линейного размера L ЭТ.

Рассчитаем относительные аддитивные составляющие погрешности (δ а i ) для каждого измерения средством измерения, используя полученное значение Δ а = 0,318 см и зависимость вида:

Результаты расчётов относительных аддитивных составляющих погрешностей (δ а i ) представлены в таблице 3.2, а график на рис.3.5.

Используя результаты расчётов абсолютной мультипликативной составляющей погрешности, которые приведены в таблице 3.1, рассчитаем относительные аддитивные составляющие погрешности (δ м i ) для каждого измерения средством измерения, используя зависимость вида:

Результаты расчётов относительных мультипликативных составляющих погрешностей (δ м i ) представлены в таблице 3.2, а график на рис. 3.6.

Таблица 3.2

Результаты расчётов относительных составляющих погрешностей измерений

№ члена ряда	L эт i , см	δ ср, см	δ а i , см	δ м i , см
	2,5	12,7	12,72	0,0
		12,7	6,36	6,3
	7,5	12,7	4,24	8,5
		12,7	3,18	9,5
	12,5	12,7	2,544	10,2
		12,7	2,12	10,6
	17,5	12,7	1,8	10,9
		12,7	1,6	11,1
	22,5	12,7	1,4	11,3
		12,7	1,3	11,4

Рис. 3.5. График относительной аддитивной погрешности

Рис. 3.6. График относительной мультипликативной погрешности

ВЫВОДЫ

Выполненная контрольная работа позволила:

1) произвести расчёт абсолютной, относительной и приведенной погрешностей результатов измерений линейного размера конструкции строящегося здания, средние значения которых составили соответственно:

∆ ср =1,82 cм, %, .

2) рассчитать и построить графики суммарной абсолютной и относительной погрешностей результатов измерений линейного размера конструкции химического оборудования, выделить из них и построить графики аддитивной и мультипликативной составляющих погрешностей;