Методы повышения точности средств измерений

Их можно разделить на две группы: методы предотвращения возникновения погрешностей и методы снижения влияния погрешностей.

К первой группе относятся конструктивно-технологические и защитно-предохранительные методы.

Конструктивно-технологические методы заключаются в использовании материалов, элементов и узлов со стабильными параметрами, применении предварительного старения, выборе стабильных режимов использования деталей. Для уменьшения частотной зависимости применяют, например, частотно-независимые резисторы, для уменьшения температурной зависимости - манганиновые резисторы, имеющие малый температурный коэффициент сопротивления и т. п.

Защитно-предохранительные методы предназначены для уменьшения влияния внешних влияющих величин и заключаются в уменьшении диапазона их изменения. Это достигается применением термостатирования, экранирования, стабилизации, фильтрации и т. п. Применение защитно-предохранительных методов можно проиллюстрировать следующими примерами: для исключения влияния внешних магнитных и электрических полей, электромагнитных наводок применяют соответствующее экранирование; для исключения влияния напряжения питания - стабилизация напряжения источника питания; для исключения влияния пульсаций напряжения питания и наводок, возникающих от электрических и электромагнитных связей с другими электрическими устройствами, применяют электрические фильтры, для исключения погрешности от вибраций применяют амортизаторы и т.д.

Методы снижения влияния погрешностей включают в себя методы коррекции (обычно систематических погрешностей) и методы статистической минимизации.

Методы коррекции или методы функциональной минимизации погрешностей измерительных приборов заключаются в снижении их уровня в процессе аналитического или экспериментального определения погрешностей.

Статистическая минимизация заключается в снижении случайных погрешностей измерительных приборов и может осуществляться как в процессе, так и после измерения. Например, снижение погрешностей, изменяющихся по периодическому закону, путём интегрирования за время, равное периоду, уменьшение случайных погрешностей путём временного или пространственного осреднения результатов многократных или множественных измерений, статистическая минимизация погрешности от квантования.

Коррекция погрешностей может осуществляться как вручную, оператором, так и автоматически.

Методы ручной коррекции можно разделить на методы подналадки, которую раньше называли "калибровкой", заключающиеся в регулировке прибора, и методы обработки результата измерения без воздействия оператора на прибор, путём введения поправки.

Методы автоматической коррекции (структурные методы коррекции) основываются либо на использовании внешней влияющей величины или неинформативного параметра (применяется в схемах прямого преобразования), либо на использовании самой погрешности, выявленной с помощью дополнительных образцовых измерительных приборов, мер, измерительных преобразователей (применяется в схемах уравновешивающего преобразования).

При рассмотрении методов коррекции суммарную погрешность разделяют на три составляющие: аддитивную (погрешность нуля), мультипликативную (погрешность чувствительности) и погрешность от нелинейности, которая зависит от измеряемой величины нелинейно. Аддитивную составляющую можно обнаружить при измеряемой величине на входе измерительного прибора, равной нулю. Для обнаружения мультипликативной погрешности нужна образцовая мера или масштабный преобразователь. Коррекцию аддитивной погрешности называют установкой нуля, а коррекцию мультипликативной погрешности -корректировкой. Сначала производят установку нуля, а затем корректировку. Погрешности, как известно, можно скорректировать по результатам измерения без воздействия на измерительный прибор, введением поправки, а также обработкой результатов измерений, проведённых по специальной методике с целью уменьшения погрешностей.

Особые перспективы имеют структурные методы коррекции погрешности. В случае их реализации погрешности корректируются автоматически, без участия оператора. Принцип структурного метода коррекции состоит в выработке величины, с помощью которой можно было бы создать корректирующее воздействие на прибор. Такой величиной может быть, как указывалось, влияющая величина, неинформативный параметр входного сигнала или величина, пропорциональная погрешности. Первые два случая применяют в структурных схемах прямого преобразования, третий - в схемах уравновешивающего преобразования.

Структурные методы коррекции по способу введения корректирующего воздействия разделяют на аддитивные и мультипликативные. При аддитивной коррекции величина, пропорциональная погрешности, обычно суммируется с выходной величиной. Мультипликативная коррекция осуществляется изменением коэффициента преобразования преобразователя корректирующей величиной, пропорциональной погрешности. Управление коррекцией погрешностей осуществляется схемами с микропроцессорами.

Методы статистической минимизации направлены на снижение уровня уже возникших случайных погрешностей. В качестве примера рассмотрим статистическую минимизацию погрешности квантования в цифровом измерительном приборе (ЦИП). Пусть U - постоянная во времени измеряемая величина, а ΔUд - некоторый дополнительный случайный сигнал с известным средним квадратическим отклонением σ(ΔUд). Пусть ΔU_K - шаг квантования. С помощью некоторой схемы суммирования образуется новый случайный сигнал U_Σ=U + ΔUд, который подается на ЦИП. Снимается n отсчетов значения U_Σ. Например, один из них U_Σi = NiΔU_K. В этом результате будет погрешность квантования ΔU, значение которой оценивается путем статистической обработки. Результат измерения определяется временным осреднением n наблюдений. Среднее значение будет приближаться к значению U со средним квадратическим отклонением Погрешность определения U включает в себя погрешность квантования и зависит от числа отсчетов n, которое можно найти из условия уменьшения погрешности квантования по формуле (43.1):

(43.1)

где t_p - коэффициент Стьюдента.

Временное осреднение можно представить как преобразование быстродействия в точность. Поскольку n = Т/Т_и, где Т_и - время разового наблюдения, а Т - общее время измерения, то при Т = const можно снизить за счет уменьшения Т_и, т.е. увеличения быстродействия ЦИП.