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.
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. Пример методической погрешности, это вычисление расхода по скорости потока без учета его профиля (как делается в вихревых, электромагнитных и одноканальных ультразвуковых расходомерах).
Инструментальная погрешность обусловлена несовершенством применяемых средств измерений. Причинами ее возникновения являются неточности, допущенные при изготов-лении и регулировке приборов, изменение параметров элементов конструкции и схемы вследствие старения. В высокочувствительных приборах могут сильно проявляться их внутренние шумы. Пример, повреждение тела обтекания на вихревом расходомере вследствие эксплуатации, при этом возникнет инструментальная погрешность.
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. Пример, измерение расхода в установившемся режиме на расходомерной установке.
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 средства 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 связаны между собой, поскольку соотношение между этими видами погрешностей зависит от характеристик прибора и характерного времени изменения величины.
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 враще-ния, 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;
- Геточность 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;
- Неправильно установленная стрелка на ротаметре или буйковом уровнемере.
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.
Абсолютная, относительная и приведенная погрешности
Абсолютная погрешность — алгебраическая разность между номинальным и действитель-ным значениями измеряемой величины. Абсолютная погрешность измеряется в тех же единицах измерения, что и сама величина, в расчетах её принято обозначать греческой буквой — ∆ (дельта). Пример, погрешность уровнемера ±3 мм.
Относительная погрешность — отношение абсолютной погрешности к тому значению, которое принимается за действительное. Относительная погрешность является безразмерной величиной, либо измеряется в процентах, в расчетах обозначается буквой — δ.
Пример: данной погрешностью нормируются почти все расходомеры, она определяет отно-сительную и абсолютную погрешности в конкретной точке измерения. Например, при шкале прибора 0 … 1000 м3/ч и текущем расходе 700 м3/ч у электромагнитного расходомера с точностью 0,3%, абсолютная погрешность будет 2,1 м3/ч. При этом, на полной шкале — 3 м3/ч.
Приведённая погрешность — погрешность, выраженная отношением абсолютной погрешности средства измерений к условно принятому значению величины, постоянному во всем диапазоне измерений или в части диапазона. Вычисляется по формуле
где Xn — нормирующее значение, которое зависит от типа шкалы измерительного прибора и определяется по его градуировке:
- если шкала прибора односторонняя и нижний предел измерений равен нулю (например диапазон измерений 0…100), то Xn определяется равным верхнему пределу измерений (Xn=100);
- если шкала прибора односторонняя, нижний предел измерений больше нуля, то Xn определяется как разность между максимальным и минимальным значениями диапазона (для прибора с диапазоном измерений 30…100, Xn=Xmax-Xmin=100−30=70);
- если шкала прибора двухсторонняя, то нормирующее значение равно ширине диапазона измерений прибора (диапазон измерений −50…+50, Xn=100).
Приведённая погрешность является безразмерной величиной, либо измеряется в процентах.
Пример, если взять датчик давления со шкалой 0 … 250 кПа и приведённой погрешностью 0,1%, то нормирующее значение будет равно 250, а абсолютная погрешность в любой точке шкалы будет одинаковая и равна 0,25 кПа.
Аддитивные и мультипликативные погрешности
Аддитивной погрешностью называется погрешность, постоянная в каждой точке шкалы. Мультипликативной погрешностью называется погрешность, линейно возрастающая или убывающая с ростом измеряемой величины.
Различать аддитивные и мультипликативные погрешности легче всего по полосе погрешностей (см. рис.).
Если абсолютная погрешность не зависит от значения измеряемой величины, то полоса определяется аддитивной погрешностью (а). Иногда аддитивную погрешность называют погрешностью нуля.
Если постоянной величиной является относительная погрешность, то полоса погрешностей меняется в пределах диапазона измерений и погрешность называется мультипликативной (б).