Измерение больших величин

Что такое большие и малые измеряемые величины? Рассмотрим этот вопрос на примере измерения электрического сопротивления с помощью моста постоянного тока.

На рисунке ИР – индикатор равновесия, R₀ – образцовое сопротивление, R₁ и R₂ сопротивления плеч реохорда, l₁ и l₂ – длины плеч реохорда.

Условие равновесия моста в данном случае имеет вид , откуда .(1). Очевидно, что , (2), причем l₁+l₂=L=const. (3). Из (1) и (2) следует, что . Логарифмируя и дифференцируя это выражение, получим: , где — погрешность оценки сопротивления R_x, — погрешность образцового сопротивления R₀, — погрешности измерения длины.

Из (3): , и (4), найдём: (5), – относительная погрешность измерения.

Очевидно , . Можно записать (5) в виде: . Учитывая, что L=l₁+l₂, после простого преобразования, получим _.

Из (1) и (2) следует, что , из предыдущего выражения, получим

(6)

Из (6) следует, что как при R_x®0, так и при R_x®¥.

Учитывая, что резистор R₀ образцовый, его погрешностью можно пренебречь. Тогда формула (6) запишется в виде (7)

Эта формула позволяет вычислить относительную погрешность измерений как больших, так и малых величин.

Найдём вид полосы неопределённости. Поскольку, с учетом знаков абсолютной погрешности, сигнал на выходе нашего СИ, приведенный к входу,, вид полосы неопределенности определяется следующими соотношениями: (8).

Поскольку абсолютная погрешность , из формулы(7), пренебрегая величиной , имеем . (9). Учитывая (8), найдем максимальный и минимальный сигналы на выходе: (10).

Функция– парабола, ветви которой обращены вверх. В свою очередь, (11).Функция– парабола с ветвями, обращенными вниз. На графике зависимости параметр d – ширина полосы неопределенности R_xмакс и R_xмин — максимальное и минимальное значения, которые еще могут быть измерены.

При R_x=R_xмакс и R_x=R_xмин погрешность DR_x=DR_{x max}=R_x, так что g_Rx=1 (или g_Rx=100%) и .

Ширина полосы неопределенности d определяется по формуле (12) Функция d(R_x) – парабола. Обозначим в формуле (7) , тогда . Проведем анализ этой формулы. Сначала найдем минимум функции , взяв производную по х. Найдем, что при х=1 . Найдем максимально и минимально возможные значения х. Они находятся там, где . Из этого равенства имеем . Обычно . Решая квадратное уравнение, получим .

Т.к. при a<<1, где , выполняется соотношение , получим:. Отсюда следует, что и , где и - погрешность реохорда. Отсюда легко найти минимальное и максимальное значения R_x, которые можно измерить с погрешностью £100%. Таким образом, значения следует отнести к большим значениям, а значения – к малым.

Значение – это нижний порог чувствительности данного СИ, значение – это верхний порог чувствительности СИ.

Обобщим полученные результаты. Пусть в формуле (7) – любая величина, подлежащая измерению. Будим считать, что:

— погрешность чувствительности,

– нижний порог чувствительности,

– верхний порог чувствительности,

– погрешность СИ.

Подставляя эти обозначения в формулу (7): , получим универсальную формулу для расчета статических погрешностей СИ:

, (13), где - абсолютная погрешность прибора (сдвиг нуля), - погрешность чувствительности (погрешность наклона функции преобразования) или мультипликативная погрешность.