Погрешность. Классы точности средств измерений.
Позволю себе вначале небольшое отступление. Такие понятия как погрешность, класс точности довольно подробно описываются в нормативной документации ГОСТ 8.009-84 «Нормируемые метрологические характеристики средств измерений», ГОСТ 8.401-80 «Классы точности средств измерений. Общие требования» и им подобных. Но открывая эти документы сразу возникает чувство тоски… Настолько сухо и непонятно простому начинающему «киповцу», объяснены эти понятия. Давайте же пока откинем такие вычурные и непонятные нам определения, как «среднее квадратическое отклонение случайной составляющей погрешности» или «нормализованная автокорреляционная функция» или «характеристика случайной составляющей погрешности от гистерезиса — вариация Н выходного сигнала (показания) средства измерений» и т. п. Попробуем разобраться, а затем свести в одну небольшую, но понятную табличку, что же такое «погрешность» и какая она бывает.
Погрешности измерений – отклонения результатов измерения от истинного значения измеряемой величины. Погрешности неизбежны, выявить истинное значение невозможно.
По числовой форме представления подразделяются:
- Абсолютная погрешность: Δ = Xд — Xизм, выражается в единицах измеряемой величины, например в килограммах (кг), при измерении массы.
где Xд – действительное значение измеряемой величины, принимаются обычно показания эталона, образцового средства измерений;
Xизм – измеренное значение. - Относительная погрешность: δ = (Δ ⁄ Xд) · 100, выражается в % от действительного значения измеренной величины.
- Приведённая погрешность: γ = (Δ ⁄ Xн) · 100, выражается в % от нормирующего значения.
где Xн – нормирующее значение, выраженное в тех же единицах, что и Δ, обычно принимается диапазон измерения СИ (шкала).
По характеру проявления:
- систематические (могут быть исключены из результатов);
- случайные;
- грубые или промахи (как правило не включаются в результаты измерений).
В зависимости от эксплуатации приборов:
- основная – это погрешность средства измерения при нормальных условиях; (ГОСТ 8.395-80)
- дополнительная погрешность – это составляющая погрешности средства измерения, дополнительно возникающая из-за отклонения какой-либо из влияющих величин от нормативного значения или выход за пределы нормальной области значений. Например: измерение избыточного давления в рабочих условиях цеха, при температуре окружающего воздуха 40 ºС, относительной влажности воздуха 18% и атмосферном давлении 735 мм рт. ст., что не соответствует номинальным значениям влияющих величин при проведении поверки.
Как определить погрешность комплекта приборов, в который входит первичный преобразователь, вторичный преобразователь (усилитель) и вторичный прибор. У каждого из элементов этого комплекта есть своя абсолютная, относительная или приведённая погрешность. И чтобы оценить, общую погрешность измерения, необходимо все погрешности привести к одному виду, а дальше посчитать по формуле:
Дальше будет интересно, наверное, только метрологам и то, только начинающим. Теперь совсем немного вспомним о средних квадратических отклонениях (СКО). Зачем они нужны? Так как истинное значение выявить невозможно, то необходимо хотя бы наиболее точно приблизиться к нему или определить доверительный интервал, в котором истинное значение находится с большой долей вероятности. Для этого применяют различные статистические методы, приведём формулы наиболее распространённого. Например, Вы провели n количество измерений чего угодно и Вам необходимо определить доверительный интервал:
- Определяем среднее арифметическое отклонение:
где n – количество отклонений
- Определяем среднее квадратическое отклонение (СКО) среднего арифметического:
- Рассчитываем случайную составляющую погрешности:
где t – коэффициент Стьюдента, зависящий от числа степеней свободы
Таблица 1.α =0,68 α =0,95 α =0,99 n tα,n n tα,n n tα,n 2 2,0 2 12,7 2 63,7 3 1,3 3 4,3 3 9,9 4 1,3 4 3,2 4 5,8 5 1,2 5 2,8 5 4,6 6 1,2 6 2,6 6 4,0 7 1,1 7 2,4 7 3,7 8 1,1 8 2,4 8 3,5 9 1,1 9 2,3 9 3,4 10 1,1 10 2,3 10 3,3 15 1,1 15 2,1 15 3,0 20 1,1 20 2,1 20 2,9 30 1,1 30 2,0 30 2,8 100 1,0 100 2,0 100 2,6 - Определяем СКО систематической составляющей погрешности:
- Рассчитываем суммарное СКО:
- Определяем коэффициент, зависящий от соотношения случайной и систематической составляющей погрешности:
- Проводим оценку доверительных границ погрешности:
В последнее время всё чаще на слуху термин «неопределённость». Медленно, но верно и настойчиво его внедряют в отечественную метрологию. Это дань интеграции нашей экономики во всемирную, естественно необходимо адаптировать нормативную документацию к международным стандартам. Не буду тут «переливать из пустого в порожнее», это хорошо сделано в различных нормативных документах. Чисто моё мнение, «расширенная неопределённость измерений» = основная погрешность + дополнительная, которая учитывает все влияющие факторы.
Класс точности: что это такое, как обозначается, как рассчитывается и чем регламентируется
Класс точности измерительных приборов – это техническая характеристика, величина которой показывает допустимые пределы погрешности измерений. Ее ведение обосновано невозможностью получить 100% точность из-за наличия ряда механических, электромагнитных и иных воздействий на устройство измерения. Чем ниже класс точности, тем выше корректность получаемых данных при условии прохождения поверки.
Природа погрешностей и обозначения класса точности
Природа погрешностей связывается с множеством ограничений, которые пока не может преодолеть человек. Последнее связывается с используемыми материалами, с различными силами, которые воздействуют на элемент измерения. Именно поэтому в метрологии и приборостроении было решено ввести понятие класса точности прибора. Для нормирования используется несколько подходов:
- нормирование по результатам измерения;
- нормирование по верхнему пределу шкалы.
Для измерительных приборов стрелочного типа класс точности указывается в виде числа. Это число показывает максимально возможный процент отклонения. К примеру, для вольтметра, который работает в диапазоне 0-30 В при классе точности 1,0 погрешность будет составлять не более 0,3 В. В ряде случаев КТ указывается цифрой с буквой s. В этом случае берется половина деления от минимальной цены деления. Достаточно часто такой характеристикой обозначают элементы, которые не обладают шкалой, к примеру, трансформаторы тока.
Также характеристика иногда указывается арабскими или римскими цифрами, латинскими буквами. В последнем случае рассчитывается абсолютная погрешность. Для арабских цифр показатель рассчитывается на основании приведенной погрешности. В случае с римскими цифрами – по относительной погрешности.
Виды измерений
Погрешность измерения – это величина отклонения от истинного значения измеряемых показателей и величин. Для расчета используются следующие формулы:
- Абсолютная погрешность: Δ = Xд – Xизм. Рассчитывается путем вычитания от действительного числа измеренное. Выражается в единицах измеряемых показателей.
- Относительная погрешность: δ = (Δ ⁄ Xд)*100. Показывает процент отклонения по модулю и рассчитывается отношением абсолютной к действительной, умноженной на 100%.
- Приведённая погрешность: γ = (Δ ⁄ Xн)*100. Рассчитывается на основании нормирующего значения, что позволяет указать диапазон измерений. В этом случае абсолютная делится на нормирующую величину, умноженной на 100%.
Если существует комплекс приборов, то определяется совокупная характеристика. Сначала приводятся погрешности к единому виду, после чего складываются.
Регламентирующие документы
Существует несколько нормативно-технических документов, которые регламентируют понятие класса точности и погрешности. Первым документом является ГОСТ 13600-68, где установлен общие положения по делению средств измерения, а также возможные варианты нормирования метрологических показателей. Стандарт не регулирует технические моменты для каждого отдельного прибора, к ним должны применяться инструкции.
Вопросы КТ также представлены в ГОСТ 8.401-80 «Классы точности СИ общие требования». Это основной документ для метрологической службы, которая выполняет поверку приборов измерения. Документ подводит к единообразию характеристик средств измерения, что позволяет сопоставлять величины и определять комплексную погрешность систем измерений.
Как рассчитать класс точности прибора
Государственная система обеспечения единства измерений
КЛАССЫ ТОЧНОСТИ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ
State system for ensuring the uniformity of measurements. Accuracy classes of measuring instruments. General requirements
Дата введения 1981-07-01
Постановлением Государственного комитета СССР по стандартам от 12 ноября 1980 г. N 5320 дата введения установлена 01.07.81
ПЕРЕИЗДАНИЕ. Октябрь 2010 г.
Настоящий стандарт устанавливает общие положения деления средств измерений на классы точности, способы нормирования метрологических характеристик, комплекс требований к которым зависит от класса точности средств измерений, и обозначения классов точности.
Стандарт не устанавливает классы точности средств измерений, для которых в стандартах предусмотрены нормы отдельно для систематической и случайной составляющих погрешности, а также нормирование номинальных функций влияния, если средства измерений предназначены для применения без введения поправок с целью исключения дополнительных погрешностей с учетом номинальных функций влияния. Стандарт не устанавливает также классы точности средств измерений, при применении которых в соответствии с их назначением необходимо для оценки погрешности измерений учитывать динамические характеристики.
Пояснение терминов, используемых в настоящем стандарте, приведено в приложении 4.
Стандарт полностью соответствует международной рекомендации МОЗМ N 34*.
* Доступ к международным и зарубежным документам, упомянутым в тексте, можно получить, обратившись в Службу поддержки пользователей. — Примечание изготовителя базы данных.
1. ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
1.1. Классы точности следует устанавливать в стандартах или технических условиях, содержащих технические требования к средствам измерений, подразделяемым по точности. Необходимость подразделения средств измерений по точности определяют при разработке этой документации.
1.1.1. Классы точности средств измерений конкретного вида следует устанавливать в стандартах общих технических требований (технических требований) или общих технических условий (технических условий).
1.1.2. Классы точности средств измерений конкретного типа следует выбирать из ряда классов точности для средств измерений конкретного вида, регламентированного в стандартах, и устанавливать в стандартах технических требований (условий) или в технической документации, утвержденной в установленном порядке.
1.1.3. В стандартах или технических условиях, устанавливающих класс точности средств измерений конкретного типа, следует давать ссылку на стандарт, которым установлен ряд классов точности на средства измерений данного вида.
1.2. Для каждого класса точности в стандартах на средства измерений конкретного вида устанавливают конкретные требования к метрологическим характеристикам, в совокупности отражающие уровень точности средств измерений этого класса. Для малоизменяющихся метрологических характеристик допускается устанавливать требования, единые для двух и более классов точности.
Независимо от классов точности нормируют метрологические характеристики, требования к которым целесообразно устанавливать едиными для средств измерений всех классов точности, например входные или выходные сопротивления.
Совокупности нормируемых метрологических характеристик должны быть составлены из характеристик, предусмотренных ГОСТ 8.009-84. Допускается включать дополнительные характеристики.
Примеры составления совокупности нормируемых метрологических характеристик, требования к которым устанавливают в зависимости от классов точности средств измерений, приведены в приложении 1.
1.3. Средствам измерений с двумя или более диапазонами измерений одной и той же физической величины допускается присваивать два или более класса точности (см. приложение 2, п.1).
1.4. Средствам измерений, предназначенным для измерений двух или более физических величин, допускается присваивать различные классы точности для каждой измеряемой величины (см. приложение 2, п.2).
1.5. С целью ограничения номенклатуры средств измерений по точности для средств измерений конкретного вида следует устанавливать ограниченное число классов точности, определяемое технико-экономическими обоснованиями.
1.6. Средства измерений должны удовлетворять требованиям к метрологическим характеристикам, установленным для присвоенного им класса точности, как при выпуске их из производства, так и в процессе эксплуатации.
1.7. Классы точности цифровых измерительных приборов со встроенными вычислительными устройствами для дополнительной обработки результатов измерений следует устанавливать без учета режима обработки.
1.8. Классы точности следует присваивать средствам измерений при их разработке с учетом результатов государственных приемочных испытаний. Если в стандарте или технических условиях, регламентирующих технические требования к средствам измерений конкретного типа, установлено несколько классов точности, то допускается присваивать класс точности при выпуске из производства, а также понижать класс точности по результатам поверки в порядке, предусмотренном документацией, регламентирующей поверку средств измерений. При этом класс точности набора мер определяется классом точности меры с наибольшей погрешностью (см. приложение 2, п.3).
2. СПОСОБЫ НОРМИРОВАНИЯ И ФОРМЫ ВЫРАЖЕНИЯ МЕТРОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК
2.1. Требования следует устанавливать к каждой нормируемой характеристике отдельно.
2.2. Пределы допускаемых основной и дополнительных погрешностей следует выражать в форме приведенных, относительных или абсолютных погрешностей в зависимости от характера изменения погрешностей в пределах диапазона измерений, а также от условий применения и назначения средств измерений конкретного вида (см. приложение 3). Пределы допускаемой дополнительной погрешности допускается выражать в форме, отличной от формы выражения пределов допускаемой основной погрешности.
Примечание. Выражение пределов допускаемой погрешности в форме приведенных и относительных погрешностей является предпочтительным, так как они позволяют выражать пределы допускаемой погрешности числом, которое остается одним и тем же (числами, которые остаются одними и теми же) для средств измерений одного уровня точности, но с различными верхними пределами измерений.
2.3. Пределы допускаемой основной погрешности устанавливают в последовательности, приведенной ниже.
2.3.1. Пределы допускаемой абсолютной основной погрешности устанавливают по формуле
(1)
, (2)
где — пределы допускаемой абсолютной основной погрешности, выраженной в единицах измеряемой величины на входе (выходе) или условно в делениях шкалы;
— значение измеряемой величины на входе (выходе) средств измерений или число делений, отсчитанных по шкале;
, — положительные числа, не зависящие от .
В обоснованных случаях пределы допускаемой абсолютной погрешности устанавливают по более сложной формуле или в виде графика либо таблицы.
Примечание. При применении формулы (1) или (2) для средств измерений, используемых с отсчитыванием интервалов между произвольно выбираемыми отметками шкалы, допускается указывать, что погрешность каждого отдельного средства измерений не должна превышать установленной нормы, оставаясь только положительной или только отрицательной.
2.3.2. Пределы допускаемой приведенной основной погрешности следует устанавливать по формуле
, (3)
где — пределы допускаемой приведенной основной погрешности, %;
— пределы допускаемой абсолютной основной погрешности, устанавливаемые по формуле (1);
— нормирующее значение, выраженное в тех же единицах, что и ;
— отвлеченное положительное число, выбираемое из ряда 1·10; 1,5·10; (1,6·10); 2·10; 2,5·10; (3·10); 4·10; 5·10; 6·10 (=1, 0, -1, -2 и т. д.).
Значения, указанные в скобках, не устанавливают для вновь разрабатываемых средств измерений.
При одном и том же показателе степени допускается устанавливать не более пяти различных пределов допускаемой основной погрешности для средств измерений конкретного вида.
2.3.3. Нормирующее значение для средств измерений с равномерной, практически равномерной или степенной шкалой (см. приложение 4), а также для измерительных преобразователей, если нулевое значение входного (выходного) сигнала находится на краю или вне диапазона измерений, следует устанавливать равным большему из пределов измерений или равным большему из модулей пределов измерений, если нулевое значение находится внутри диапазона измерений.
Для электроизмерительных приборов с равномерной, практически равномерной или степенной шкалой и нулевой отметкой внутри диапазона измерений нормирующее значение допускается устанавливать равным сумме модулей пределов измерений.
2.3.4. Для средств измерений физической величины, для которых принята шкала с условным нулем, нормирующее значение устанавливают равным модулю разности пределов измерений (см. приложение 2, п.4).
2.3.5. Для средств измерений с установленным номинальным значением нормирующее значение устанавливают равным этому номинальному значению (см. приложение 2, п.5).
2.3.6. Для измерительных приборов с существенно неравномерной шкалой нормирующее значение устанавливают равным всей длине шкалы или ее части, соответствующей диапазону измерений. В этом случае пределы абсолютной погрешности выражают, как и длину шкалы, в единицах длины.
2.3.7. В случаях, не предусмотренных в пп.2.3.3-2.3.6, указания по выбору нормирующего значения должны быть приведены в стандартах на средства измерений конкретного вида.
2.3.8. Пределы допускаемой относительной основной погрешности устанавливают по формуле
, (4)
если установлено по формуле (1),
, (5)
где — пределы допускаемой относительной основной погрешности, %;
— отвлеченное положительное число, выбираемое из ряда, приведенного в п.2.3.2;
— больший (по модулю) из пределов измерений;
, — положительные числа, выбираемые из ряда, приведенного в п.2.3.2.
;
В обоснованных случаях пределы допускаемой относительной основной погрешности устанавливают по более сложной формуле или в виде графика либо таблицы.
В стандартах или технических условиях на средства измерений должно быть установлено минимальное значение , равное , начиная от которого применим принятый способ выражения пределов допускаемой относительной погрешности.
Соотношение между числами и следует устанавливать в стандартах на средства измерений конкретного вида.
2.4. Пределы допускаемых дополнительных погрешностей устанавливают:
в виде постоянного значения для всей рабочей области влияющей величины или в виде постоянных значений по интервалам рабочей области влияющей величины;
путем указания отношения предела допускаемой дополнительной погрешности, соответствующего регламентированному интервалу влияющей величины, к этому интервалу;
Что нужно знать о классе точности измерительного прибора?
Измерительные приборы: вольтметры, амперметры, токовые клещи, осциллографы и другие — это устройства, предназначенные для определения искомых величин в заданном диапазоне, каждый из них имеет свою точность, причем устройства, измеряющие одну и ту же величину, в зависимости от модели, могут отличаться по точности и классу.
В каких-то ситуациях достаточно просто определить значение, например, вольтаж батарейки, а в других необходимо выполнить многократное повторение измерений высокоточными приборами для получения максимально достоверного результата, так в чем отличие таких измерительных устройств, что означает класс точности, сколько их бывает, как его определить и многое другое читайте далее в нашей статье.
Что такое класс точности
Определение: «Класс точности измерения — это общая характеристика точности средства измерения, определяемая пределами допустимых основных и дополнительных погрешностей, а также другими факторами, влияющими на нее».
Сам по себе класс не является постоянной величиной измерения, потому что само измерение зачастую зависит от множества переменных: места измерения, температуры, влажности и других факторов, класс позволяет определить лишь только в каком диапазоне относительных погрешностей работает данный прибор.
Чтобы заранее оценить погрешность, которую измерит устройство, также могут использоваться нормативные справочные значения.
Относительная погрешность — это отношение абсолютной погрешности к модулю действительного приближенного показателя полученного значения, измеряется в %.
Абсолютная погрешность рассчитывается следующим образом:
∆=±a или ∆=(a+bx)
x – число делений, нормирующее значение величины
a, b – положительные числа, не зависящие от х
Абсолютная и приведенная погрешность рассчитывается по следующим формулам, см. таблицу ниже
Какие классы точности бывают, как обозначаются
Как мы уже успели выяснить, интервал погрешности определяется классом точности. Данная величина рассчитывается, устанавливается ГОСТом и техническими условиями. В зависимости от заданной погрешность, бывает: абсолютная, приведенная, относительная, см. таблицу ниже
Согласно ГОСТ 8.401-80 в системе СИ классы точности обычно помечается латинской буквой, часто с добавлением индекса, отмеченного цифрой. Чем меньше погрешность, соответственно, меньше цифра и буквенное значение выше по алфавиту, тем более высокая точность.
Класс точности обозначается на корпусе устройства в виде числа обведенного в кружок, обозначает диапазон погрешностей измерений в процентах. Например, цифра ② означает относительную погрешность ±2%. Если рядом со знаком присутствует значок в виде галочки, это значит, что длина шкалы используется в качестве вспомогательного определения погрешности.
- 0,1, 0,2 – считается самым высоким классом
- 0,5, 1 – чаще применяется для устройств средней ценовой категории, например, бытовых
- 1,5, 2,5 – используется для приборов измерения с низкой точностью или индикаторов, аналоговых датчиков
Каким ГОСТом регламентируется точность приборов?
ГОСТ 8.401-80 «Классы точности средств измерений» общие требования. Нормативным документом устанавливаются общие положения классификации точностей измерительных приборов.
Как определить класс точности электроизмерительного прибора, формулы расчета
Чтобы определить класс точности, необходимо взглянуть на его корпус или инструкцию пользователя, в ней вы можете увидеть цифру, обведенную в круг, например, ① это означает, что ваш прибор измеряет величину с относительной погрешностью ±1%.
Но что делать если известна относительная погрешность и необходимо рассчитать класс точности, например, амперметра, вольтметра и т.д. Рассмотрим на примере амперметра: известна ∆x=базовая (абсолютная) погрешность 0,025 (см. в инструкции), количество делений х=12
Находим относительную погрешность:
Y= 100×0,025/12=0,208 или 2,08%
(вывод: класс точности – 2,5).
Следует отметить, что погрешность неравномерна на всем диапазоне шкалы, измеряя малую величину вы можете получить наибольшую неточность и с увеличением искомой величины она уменьшается, для примера рассмотрим следующий вариант:
Вольтметр с классом p=±2, верхний предел показаний прибора Xn=80В, число делений x=12
Предел абсолютной допустимой погрешности:
Относительная погрешность одного деления:
Если вам необходимо выполнить более подробный расчет, смотрите ГОСТ 8.401-80 п.3.2.6.
Поверка приборов, для чего она нужна
Все измерительные приборы измеряют с некой погрешностью, класс точности говорит лишь о том, в каком диапазоне она находится. Бывают случаи, когда диапазон погрешности незаметно увеличивается, и мы начинаем замечать, что измеритель «по-простому» начинает врать. В таких случаях помогает поверка.
Это процесс измерения эталонной величины в идеальных условиях прибором, обычно проводится метрологической службой или в метрологическом отделе предприятия производителя.
Существует первичная и периодическая, первичную проверку проводят после выпуска изделия и выдают сертификат, периодическую проводят не реже чем раз в год, для ответственных приборов чаще.
Поэтому если вы сомневаетесь в правильности работы устройства, вам следует провести его поверку в ближайшей метрологической службе, потому что измеритель может врать как в меньшую, так и в большую сторону.
Как легко проверить потребление электроэнергии в квартире, можете узнать в нашей статье.
Видео на тему относительная погрешность прибора
Заключение
Класс точности является важным показателем для каждого прибора, при выборе всегда обращайте внимание на него. Если вам нужен, например, электрический счетчик, важно чтобы он измерял потребление энергии с максимальной точностью, благодаря этому за весь период эксплуатации, вы сможете сэкономить приличную сумму средств.
Но, а если вам необходимо просто периодически проверять напряжение в розетке, для этого не стоит переплачивать за дорогостоящую покупку.
