Погрешности измерений

Понятие о погрешности измерений

Всякий процесс измерения независимо от условий, в которых его проводят, сопряжен с погрешностями, которые искажают представление о действительном значении измеряемой величины.

Источниками появления погрешностей при измерениях могут служить различные факторы, основными из которых являются несовершенство конструкции средств измерений или принципиальной схемы метода измерения, неточность изготовления средств измерений, несоблюдение внешних условий при измерениях, субъективные погрешности и т. п.

Под несовершенством средств измерений понимается, например, несоблюдение принципа Аббе при линейных измерениях, согласно которому в процессе измерения объект измерения должен быть расположен последовательно с мерой сравнения, т. е. так, чтобы мера и линия измерения являлись продолжением друг друга.

К группе погрешностей, вызванных несовершенством конструкции средств измерения, можно отнести погрешности измерения, вызванные измерительным усилием при контактных измерениях.

Классификация погрешностей измерения

Погрешностью средств измерений называется отклонение его показания (выходного сигнала) от воздействующей на его вход измеряемой величины (входного сигнала).

Погрешности, возникающие в процессе измерений, можно разделить на систематические и случайные. Кроме этого, в процессе измерения могут появиться грубые (очень большие) погрешности, а также могут быть допущены промахи.

К систематическим погрешностям относят составляющую погрешности измерений, которая остается постоянной или закономерно изменяется при повторных измерениях одной и той же величины. Как правило, систематические погрешности могут быть в большинстве случаев изучены до начала измерений, а результат измерения может быть уточнен за счет внесения поправок, если их числовые значения определены, или за счет использования таких способов измерений, которые дают возможность исключить влияние систематических погрешностей без их определения.

К случайным погрешностям измерения относят составляющие погрешности измерений, которые изменяются случайным образом при повторных измерениях одной и той же величины.

В отличие от систематических погрешностей случайные погрешности нельзя устранить заранее. Однако уточнить результат измерения можно за счет проведения повторных измерений, т. е. найти значение измеряемой величины, более близкое к истинному, чем результат одного измерения. Эти погрешности являются следствием, например, изменений внешних условий измерений случайного характера, изменений показания измерительного прибора, погрешности округления при снятии отсчета и т. п.

Промахами и грубыми погрешностями называют погрешности измерения, которые значительно превышают ожидаемые при данных условиях измерений систематические или случайные погрешности. Если результаты измерений используются в расчетах, то перед этим необходимо устранить измерения, содержащие грубые погрешности. Основными причинами этих погрешностей являются: ошибки экспериментатора; резкое и неожиданное изменение условий измерения; неисправность прибора и т. п. Для выявления грубых погрешностей используются методы математической статистки.

Систематические погрешности

Общие сведения о систематических погрешностях

Систематические погрешности при повторных измерениях остаются постоянными или изменяются по определенному закону. Эти погрешности в некоторых случаях можно определить экспериментально, а следовательно, полученный результат измерения может быть уточнен путем введения поправки.

Известен ряд способов исключения систематических погрешностей, которые условно можно разделить на четыре основные группы:

  • - устранение источников погрешностей до начала измерений;
  • - исключение погрешностей в процессе измерения способами замещения, компенсации погрешностей по знаку, противопоставления, симметричных наблюдений;
  • - внесение известных поправок в результат измерения (исключение погрешностей вычислением);
  • - оценка границ систематических погрешностей, если их нельзя исключить.

По характеру проявления систематические погрешности подразделяются на постоянные, прогрессивные и периодические.

Постоянные систематические погрешности - погрешности, которые в течение всего времени измерений сохраняют свое значение. Например, если для измерения некоторой величины используется шкала прибора, в градуировке которой имеется погрешность, то такая погрешность переносится на все результаты измерения. Это относится к погрешности концевых мер длины, гирь и т. п.

Прогрессивные погрешности - погрешности, которые в процессе измерений возрастают или убывают. К таким погрешностям можно отнести, например, погрешности, возникающие вследствие износа контактирующих деталей средств измерения, постепенное падение напряжения источника тока, питающего измерительную цепь, и т. п.

Периодические погрешности - погрешности, значения которых являются периодической функцией времени или функцией перемещения указателя измерительного прибора. Такие погрешности встречаются в индикаторах часового типа (приборах с круговой шкалой и стрелкой). Например, если ось стрелки индикатора смешена относительно центра шкалы на некоторую величину, то погрешность Ato изменяется по синусоидальному закону Ato = е sin to, где е - эксцентриситет (смешение центра шкалы); to - угол поворота стрелки в процессе измерения, отсчитываемый от прямой, проходящей через центр шкалы и ось поворота стрелки.

Систематические погрешности могут изменяться также по сложному закону за счет совместного действия нескольких систематических погрешностей. Например, такой погрешностью является погрешность меры длины, которая возникает при отклонении температуры, при которой выполняются измерения от нормальной температуры. Величина этой погрешности определяется по формуле

где А/, - погрешность меры длины, возникающая при изменении температуры на ДЛ°С; /н - длина меры при нормальной температуре; Дг = /"- /н - отклонение температуры от нормальной; /н - нормальная температура; /и - температура при применении меры длины; а и ¡5- постоянные коэффициенты, определяемые опытным путем.

В группу систематических погрешностей можно отнести: инструментальные погрешности; погрешности из-за неправильной установки измерительного устройства; погрешности, возникающие вследствие внешних влияний; погрешности метода измерения (теоретические погрешности); субъективные погрешности.

Инструментальными погрешностями называют погрешности, причина которых заключается в свойствах применяемых средств измерений. Например, равноплечие весы не могут быть идеально равноплечими. Причиной инструментальных погрешностей является также трение в сочленениях подвижных деталей приборов.

Средствам измерений, имеющим шкалу, присущи погрешности, возникающие в неточности нанесенных отметок шкалы (погрешности градуировки). Инструментальные погрешности могут появляться вследствие износа (размер концевой меры длины уменьшается). Величина износа зависит от интенсивности использования.

Правильность показаний ряда средств измерений может зависеть также от положения их подвижных частей по отношению к неподвижным. К таким средствам относятся, например, равноплечие весы, средства, в конструкцию которых входит маятник или другие подвешенные подвижные части (гальванометры). Отклонение такого средства от правильного положения может привести к погрешности результата. Для уменьшения погрешности измерения в таких средствах используются устройства для установки их в правильном положении (уровни, отвесы и т. п.). Окружающая температура, магнитные и электрические поля, атмосферное давление, влажность воздуха относятся к внешним условиям, приводящим к возникновению погрешностей вследствие их изменения. Если значения отдельных факторов выходят за пределы установленных границ, то это может оказаться причиной появления дополнительных погрешностей.

Если между измеряемым явлением или свойством и принципом действия средства измерений нет теоретически доказанной зависимости, то это может стать причиной возникновения погрешностей метода измерения (теоретических погрешностей).

Погрешности метода измерения являются следствием упрощений или допущений, применения эмпирических формул и зависимостей. Примером таких измерений является измерение твердости металлов различными методами (Роквелла, Бринелля, Викерса и др.). В каждом из этих методов твердость измеряется в своих условных единицах, а перевод результатов из одной шкалы в другую производится приближенно.

Индивидуальные свойства человека, которые обусловлены особенностями его организма или укоренившимися неправильными навыками, приводят к субъективным систематическим погрешностям. Например, скорость реакции на сигнал различна у разных лиц (на звуковой сигнал скорость реакции человека колеблется в пределах 0,082-0,195 с, а на световой сигнал - 0,15-0,225 с).

 
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ     След >