|
|
Погрешность цифровых вольтметров
Государственное образовательное учреждение
высшего профессионального образования
«Омский государственный технический университет»
Кафедра «Автоматизированные системы обработки информации и управления»
Реферат
на тему «Погрешность цифровых вольтметров»
по дисциплине «Метрология»
студента
Пояснительная записка
Специальность 2301020
Зав.кафедрой, дтн, проф.
Студент
Сургут 2010
 Погрешность цифровых вольтметров
Стремительное шествие цифровых технологий привело к интенсивному повсеместному использованию приборов с цифровой формой представления результатов измерений. Цифровые вольтметры прочно вошли в метрологию, что стало следствием таких их достоинств, как высокая точность и разрешающая способность, широкий диапазон измерений, представление результатов измерений в цифровой форме (сводящей до минимума глазомерные ошибки и создающие удобство считывания показаний прибора на расстоянии), возможность получения результатов наблюдений в форме, удобной для ввода в компьютер, и возможность включения их в состав измерительно-вычислительных комплексов.
Наиболее широко используемым в практике классом цифровых вольтметров являются приборы, позволяющие проводить измерения с точностью в пределах 0,05–0,1 %.
Классификации погрешностей измерений:
1) по форме выражения погрешности подразделяют на абсолютные и относительные. Погрешность, выраженная в единицах измеряемой величины, называется абсолютной. Если измеренная величина превышает действительное значение, погрешность положительна, если же действительное значение больше измеренного – отрицательна. Абсолютная погрешность характеризует качество измерений только однородных величин примерно одинакового размера.
Относительной погрешностью называется отношение абсолютной погрешности к истинному значению измеряемой величины: δQ=ΔQ/Qиcт ≈ ΔQ/Qд. Как правило, относительные погрешности выражают в процентах. Относительная погрешность может характеризовать качество измерений, как разнородных величин, так и однородных величин разного размера. Для оценки качества измерения необходимо вычислить относительные погрешности: меньшая погрешность при прочих равных условиях характеризует более высокое качество измерений.
В метрологии пользуются понятием точность измерений, причем точность – величина, обратная относительной погрешности.
2) по причине возникновения погрешности разделяют на две группы: объективные погрешности, не связанные с человеком-оператором, производящим измерения, и субъективные (личные), обусловленные экспериментатором, состоянием его органов чувств, опытом и т.д. В свою очередь, объективные погрешности разделяются на погрешности опознания объекта, методические, инструментальные погрешности и погрешности, обусловленные внешними условиями.
Погрешности опознания объекта измерения связаны с несоответствием реального объекта принятой модели.
Погрешности метода обусловлены несовершенством метода измерений, упрощающими предположениями, принятыми при обосновании метода. К этим погрешностям относятся составляющие погрешности, вызываемые влиянием средства измерения на измеряемую цепь.
Инструментальные погрешности возникают из-за несовершенства средств измерения, их схем, конструкций, состояния в процессе эксплуатации. Каждое средство измерения характеризуется свойственной ему погрешностью, которая входит в общую погрешность измерения.
3) по закономерностям проявления погрешностей различают систематические, случайные, грубые погрешности измерений и промахи.
Систематическая погрешность Δc – это составляющая погрешности измерения, которая остается постоянной или закономерно изменяется при повторных измерениях одной и той же величины в одних и тех же условиях. Закономерно изменяющаяся систематическая погрешность, в свою очередь, может быть прогрессирующей (возрастающей, убывающей), периодической или изменяющейся по сложному непериодическому закону. К постоянным систематическим погрешностям относят, например, погрешность градуировки шкалы, погрешность значения меры, температурную погрешность. К переменным систематическим погрешностям относят погрешности, обусловленные изменением напряжения питания (разряд аккумуляторной батареи), погрешности, связанные с действием электромагнитных помех и т.д.
Систематические погрешности могут быть обнаружены и оценены. Если систематическая погрешность достаточно точно определена, она может быть исключена введением поправки или поправочного множителя.
Поправка – значение величины, одноименной с измеряемой, прибавляемое к измеренной величине для исключения систематической погрешности. Поправка равна абсолютной систематической погрешности, взятой с обратным знаком.
Поправочный множитель – число, на которое умножают результат измерения с целью исключения систематической погрешности.
Случайная погрешность Δсл – составляющая погрешности измерения, которая при повторных измерениях в одних и тех же условиях изменяется случайным образом, т.е. без видимой закономерности. Случайные погрешности являются следствием случайных процессов, протекающих в измерительных цепях. Для оценки погрешностей и разработки способов уменьшения их влияния на результат измерения используют аппарат теории вероятностей и математической статистики. По мере того, как будут изучены отдельные процессы из множества, установлены их закономерности, погрешности из случайных перейдут в категорию систематических.
Таким образом, результат измерения всегда содержит как систематическую, так и случайную погрешности: Δ=Δс+Δсл.
Грубой погрешностью называют погрешность, существенно превышающую погрешность, оправданную условиями измерения, свойствами примененных средств измерений, методом измерения, квалификацией экспериментатора. Грубые погрешности могут появляться вследствие резкого изменения влияющей величины на результат измерения. Грубые погрешности обнаруживают статистическими методами и исключают из рассмотрения.
Промахи являются следствием неправильных действий экспериментатора. Это может быть описка при записи результатов, неправильно снятые показания прибора и т.д. Промахи обнаруживают нестатистическими методами, их следует всегда исключать из рассмотрения.
Также погрешности разделяют на: статические и динамические. Статические погрешности имеют место при статических измерениях, т.е. при неизменной во времени измеряемой величине, динамические – при динамических измерениях, т.е. при переменной во времени измеряемой величине. Динамическая погрешность возникает вследствие инерционности свойств средств измерений. Для оценки динамической погрешности необходимо знать передаточную функцию средства измерения, а также характер изменения измеряемой величины.
Пример
Выбираем цифровой вольтметр для измерения напряжения постоянного тока (рисунок 1) с учётом Rнг и условий измерения.
Рисунок 1
Показания вольтметра 0,92 В
Вариация напряжения в сети питания +10%
Допускаемая погрешность измерения 2,5 %
Сила тока в цепи 2,87 мА
Температура окружающей среды +35 С.
Прежде всего определим Rнг
Rнг = Ux /I = 0,92/2,87 = 320,5 ОМ
Так как это значение на несколько порядков меньше входных сопротивлений цифровых вольтметров, то осуществляем предварительный выбор прибора по значению осн .
 При измерении 0,92 В на вольтметре В7-16, предел измерения устанавливается 1 В. Для времени преобразования 20 мс, предел допускаемой основной погрешности будет равен
 А для времени преобразования 2 мс получим, что
Эти значения гораздо меньше доп = 2,5 %, поэтому не будем затруднять себя рассчитывать остальные погрешности измерения для этого прибора.
Практически такое же несущественное число получится при анализе характеристик вольтметра Ф203.
осн = 0, 208 %
В случае использования прибора В7-22 предел измерений установим равным 2 В.
 Вольтметр Щ4313. Установив диапазон измерений 0,5 - 5В, получим, что
 Полученное значение основной погрешности очень близко к допустимому значению (2,5 2,72), но в результате дальнейшего расчёта не выполняется условие (Р) доп. Поэтому этот вольтметр тоже не подходит.
Тогда попробуем другой наиболее близкий вольтметр - В7-22.
Определим дополнительную погрешность прибора, вызванную вариацией напряжения питания. Анализируя технические характеристики прибора приходим к выводу, что заданная вариация напряжения питания +10В является допускаемым верхним пределом (+22В) нормального значения напряжения в сети питания вольтметра. Таким образом
пит = 0
Следующим шагом будет определение дополнительной погрешности прибора, вызванной повышенной (+35С) рабочей температурой. Обратившись к техническим характеристикам данного вольтметра узнаём, что дополнительная погрешность прибора, вызванная отклонением температуры от нормальной (202С) до крайних значений рабочих температур (от -10 до +40С), не превышает половины предела допускаемой основной погрешности на каждые 10С изменения температуры.
Исходя из вышесказанного получим:
т = 0,5 осн + 0,25*осн = 0,75осн
т = 0, 435 %
Определим погрешность из-за несоответствия свойств объекта и прибора по формуле
Учитывая, что при данном диапазоне входное сопротивление составляет 100 МОм получим, что
Поправка для этой систематической погрешности
= 0,0000029
Исправленное значение показаний вольтметра
Uv = 0,92 + 0,0000029 = 0,9200029
Приближённо погрешность определения поправки равна погрешности определения Rнг. Так как значения I, Rнг, являются маленькими, то погрешность определения поправки является величиной второго порядка малости и ею можно пренебречь.
 И только теперь, выбрав доверительную вероятность Р = 0,95; к = 1,1 и учитывая
Получим, что
 Условие (Р) доп выполняется ( 0,79 < 2,5).
Абсолютная форма представления погрешности
(Р) = 0,79*0,9200029*10-2 = 0,0072 = 0, 007 В, Р = 0,95
Результат измерения напряжения с помощью выбранного вольтметра В7-22 может быть представлен так:
U = 0,92 0,007 В; Р = 0,95; ТРЕУГ.
Значение Ux попадает в первую половину диапазона с заниженной точностью. Поэтому данный случай использования вольтметра В7-22 следует отнести к нерекомендуемым.
Исходя из экономических соображений можно предположить использовать вольтметр более грубого класса точности, чем В7-22, но удовлетворяющий заданным условиям измерения за счёт благоприятного сочетания Ux и Uпр . В этом случае измерение 0,92 В должно осуществляться в пределе от 0 до 1,5 В. При расчёте предела допускаемой основной погрешности этого прибора предполагаем для него такое же значение осн в рабочей точке диапазона, какое было получено у нас выше (0,58 %).
 Это значение определяем по следующей формуле:
 Для верхнего предела диапазона предположим
Из совместного решения вышеприведенных выражений получим d = 0,1 и c = 0,4.
Значит, для предлагаемого вольтметра получим:
 При использовании этого вольтметра для Ux = 0,92 В при Uпр = 1,5 В получим осн = 0,57, что практически не отличается от значения, рассчитанного нами выше. Следовательно, дальнейшие расчёты можно не проводить.
 В соответствии с требованием стандартов формула основной погрешности, получившаяся выше, должна быть преобразована следующим образом:
В итоге для предполагаемого вольтметра получим класс точности 0,5/0,1.
Проведя аналогичные преобразования формулы осн вольтметра В7-22, для него получим класс точности 0,35/0,2. Исходя из экономической целесообразности (при прочих равных условиях) на производстве предпочтительнее использовать менее точный прибор класса 0,5/0,1.
Список используемых источников
Никонов А.В. Электронный учебник по «Истории АСОИУ» [Электронный ресурс]. – Омск: Изд-во ОмГТУ, 2004. – Объём 10 Мбайт.
Конспект по метрологии.
Информационный ресурс «Википедия».
|
|
|
Скачать 38.75 Kb.