Меню

Погрешности измерений систематические случайные погрешности причины возникновения погрешностей



Систематические погрешности. Причины возникновения и способы исключения

Классификация погрешностей

Погрешности измерений

Результат любого измерения отличается от истинного значения измеряемой величины на некоторое значение, зависящее от принятой модели объекта, метода измерения, характеристик технических средств, квалификации оператора, условий при которых производится измерение. Отклонение результата измерения от истинного значения измеряемой величины называется погрешностью измерения. Погрешность является достаточно сложным понятием и нуждается в развитой системе классификации.

Абсолютная погрешность D выражается в единицах измеряемой физической величины:

где х — значение, полученное при измерении;

хи — истинное значение измеряемой величины.

Указание абсолютной погрешности во многих случаях является удобным и естественным способом охарактеризовать точность измерений. Однако при этом не удается производить сравнение точности измерений в случаях, когда размеры измеряемых величин существенно отличаются друг от друга. Ясно, что, например, измерение расстояния 1 км с абсолютной погрешностью 1 см намного точнее, чем измерение с той же абсолютной погрешностью расстояния 1 м.

Относительная погрешность gотн, равна отношению абсолютной погрешности измерения к истинному значению измеряемой величины:

gотн = = . (3.2)

Поскольку обычно абсолютная погрешность D много меньше истинного значения хи, относительную погрешность gотн удобно умножать на 100, выражая ее в процентах. Например, если в результате измерения напряжения было получено значение 225 В, тогда как истинное значение составляет 220 В, то абсолютная погрешность D = 225 — 220 = 5 В, относительная погрешность gотн = 5 / 220 = 0,023 или gотн = 2,3 %.

В зависимости от характера проявления погрешности делят на систематические, случайные и грубые (промахи). Такое разделение целесообразно для удобства обработки результатов измерений.

Систематической погрешностью измерения называется составляющая погрешности измерения, остающаяся постоянной или закономерно изменяющаяся при повторных измерениях одной и той же физической величины. Причиной появления систематических погрешностей могут быть неисправности измерительной аппаратуры, несовершенство метода измерения, неправильная установка измерительных приборов и отступление от нормальных условий их работы, особенности и неправильные действия самого оператора. Систематические погрешности в принципе могут быть выявлены и почти полностью устранены. Для этого требуется проведение тщательного анализа возможных источников погрешностей в каждом конкретном случае. К сожалению, несмотря на все усилия, всегда остаются некоторые не исключенные, остаточные систематические погрешности. Задачей экспериментатора является определение их наибольших, граничных значений.

Случайной погрешностью измерения называется составляющая погрешности измерения, изменяющаяся случайным образом при повторных измерениях одной и той же физической величины. Наличие случайных погрешностей выявляется при проведении ряда измерений этой величины, когда оказывается, что результаты измерений не совпадают друг с другом. Если систематические погрешности исключены, то полученные при отдельных наблюдениях результаты вследствие случайных причин будут рассеяны в окрестности истинного значения. Если же систематические погрешности присутствуют, то результаты наблюдений будут соответственно смещены в сторону от истинного значения.

Обычно случайные погрешности возникают из-за одновременного действия многих случайных причин, каждая из которых в отдельности мало влияет на результат измерения. Поэтому нет простых способов избавиться от случайных погрешностей. Нужно либо коренным образом изменять условия измерительного эксперимента, либо удовлетвориться отысканием области, в которой лежит истинное значение измеряемой величины с заданной вероятностью. Математические дисциплины, устанавливающие поведение случайных величин, такие как теория вероятностей и математическая статистика, представляют для этого необходимые средства.

В некоторых случаях оказывается, что результат того или иного отдельного измерения резко отличается от результатов других измерений, выполненных при тех же контролируемых условиях. Причиной этого может быть ошибка оператора, возникновение сильной кратковременной помехи, толчок, нарушение электрического контакта и т.д. Естественно, что такой результат, содержащий грубую погрешность (промах), следует выявить, исключить и не учитывать при дальнейшей статистической обработке результатов. Надо сказать, что выявление грубых погрешностей не всегда является простой задачей. Для этого разработаны специальные процедуры, некоторые из которых будут описаны ниже в этой главе.

Рис.3.1 иллюстрирует рассеяние результатов наблюдений в окрестности истинного значения хи для случаев, когда 1) — имеются только случайные погрешности, 2) — когда наряду со случайными погрешностями присутствует и систематическая составляющая, 3) — когда имеются все виды погрешностей, включая грубую (промах) при полученном результате одного из наблюдений хгр.

Природа ипроисхождение систематических погрешностей обусловлены несовпадением принятых моделей объекта, средства измерения и измерительного процесса с реальными условиями. Такое несовпадение имеет место всегда. Но степень и последствия его различны. Они определяются спецификой конкретного эксперимента. Задачей измерений является обнаружение и по возможности более полная коррекция возникающих из-за этого систематических погрешностей. Ее решение во многом зависит от мастерства экспериментатора, от того, насколько глубоко он изучил конкретные условия и особенности применяемых им методов и средств. Вместе с тем существуют некоторые общие причины возникновения систематических погрешностей, а, следовательно, и общие приемы их обнаружения и исключения. В соответствии с причинами возникновения погрешности подразделяют на:

Читайте также:  Чем можно измерить концентрацию

— методические,

— инструментальные,

— субъективные.

Методические погрешности происходят от несовершенства метода измерения, упрощающих предположений и допущений при выводе применяемых формул, влияния измерительного прибора на объект измерения.

В любом случае информацию о значении методической погрешности нельзя почерпнуть из нормативно-технической информации об используемом средстве измерения, например, из паспорта на него. Дело в том, чти методическая погрешность либо совсем не зависит от характеристик средства измерения, либо зависит относительно, то есть проявляется в каждом конкретном случае в различной степени.

Например, измерение высоты полета самолета барометрическим методом использует известную зависимость давления воздуха от высоты. Однако эта зависимость содержит такой параметр как температура воздуха. Можно учесть сведения о температуре за бортом и произвести необходимую коррекцию результата измерений. К сожалению, распределение температуры по высоте имеет очень сложный профиль, зависящий от многих причин и изменяющийся со временем. Поэтому приходится удовлетворяться знанием некоторой эффективной температуры, обеспечивающей лишь частичную коррекцию. В данном случае погрешность определяется выбранным методом измерения и не может быть исключена посредством каких бы то ни было манипуляций с барометром — прибором, который задействован для измерения высоты.

Нередко погрешности связаны с неточным знанием значений констант, входящих в расчетные формулы. Хрестоматийным примером является ошибка, которую допустил Р.Милликен при измерении элементарного электрического заряда e. Он в своем опыте наблюдал за движением заряженных капель масла в электрическом поле и при обработке результатов эксперимента использовал значение вязкости воздуха, которое оказалось заниженным. Что и привело к результату, содержащему неисключенную систематическую погрешность около 0,5 %. Затем эта погрешность перекочевала в значения многих физических величин и констант, при определении которых использовалось значение е, полученное Милликеном. Среди них оказались такие важные как постоянная Планка и число Авагадро. На то, чтобы найти и устранить все эти ошибки потребовалось почти три десятилетия.

Важным источником методических погрешностей является воздействие средства измерения на исследуемый объект. Например, измерение температуры массивным термометром может нарушить изучаемый тепловой режим и привести к получению искаженных результатов. Точно так же попытки произвести точные измерения напряжения в высокоомных электрических цепях вольтметром, имеющим недостаточно большое входное сопротивление, едва ли будут успешными. Внесение входного сопротивления вольтметра в такую цепь самым существенным образом нарушит ее работу и не позволит получить качественные результаты измерений. При измерениях в низкоомных цепях последствия не столь драматичны, но все равно шунтирование входным сопротивлением вольтметра участка цепи, на котором измеряется напряжение, приводит к погрешности. Эту погрешность следует считать методической, поскольку она определяется не столько свойствами прибора, сколько соотношением между его характеристиками и параметрами цепи.

Инструментальные погрешности измерения зависят от погрешностей применяемых средств измерения, то есть приборов, преобразователей, мер и т.п. Неточность градуировки, конструктивные несовершенства, изменения характеристик прибора в процессе эксплуатации и некоторые другие причины вызывают появление инструментальных погрешностей. Невозможно создать идеальное средство измерения, совсем свободное от погрешностей. Однако есть возможность оценить предельные значения погрешностей реальных измерительных устройств. можно при конструировании приборов потребовать, чтобы их погрешности (абсолютные, относительные или приведенные) не превышали определенных, заранее установленных значений. В соответствии с такими максимально допускаемыми погрешностями средствам измерений приписывается тот или иной класс точности. Поскольку, как указывалось выше, требуемая точность определяется целью измерительного эксперимента, выбранное средство измерения должно иметь соответствующий класс точности, т.е. обеспечивать получение результатов измерений с приемлемой инструментальной погрешностью. К сожалению возможны случаи, когда в процессе измерения возникают инструментальные погрешности, превышающие те, что указаны в паспорте на применяемое средство измерения или соответствующие его классу точности в качестве максимально допускаемых. Это может случиться, например, из-за того, что поверка средств измерения производится периодически, а эксплуатация — непрерывно. Есть определенная вероятность, что в какой-то момент между поверками параметры прибора окажутся отличными от предполагаемых, а погрешности выйдут за допускаемые пределы.

Погрешности измерения возникают также из-за неправильной установки средства измерения, влияния на него магнитных и электрических полей, наличия дополнительных и динамических погрешностей. Дополнительные погрешности обусловлены отклонением условий, при которых работает прибор, от нормальных. Динамические погрешности возникают из-за инерционности применяемых технических средств при достаточно быстрых изменениях измеряемой величины. Все эти погрешности отличаются от инструментальных, поскольку они не столько связаны с самими средствами измерений, сколько с условиями, при которых они работают (ГОСТ 8.009-84). Их устранение производится иными способами, нежели устранение инструментальных погрешностей.

Читайте также:  Измерение концентрации для этиленгликоля

Субъективные погрешности вызываются неправильными отсчетами показаний прибора человеком (оператором). Это может случиться, например, из-за неправильного направления взгляда при наблюдении за показаниями стрелочного прибора (погрешность от параллакса). Использование цифровых приборов и автоматических методов измерения позволяет исключить такого рода погрешности. Компьютерные измерения также свободны от них.

Заметим, что выделение в составе систематических погрешностей методической, инструментальной, субъективной и других составляющих представляется естественным, так как отражает различные способы их исключения или оценки. Но это вовсе не означает то, что указанные погрешности (методические, инструментальные и прочие) всегда проявляют себя как систематические, то есть остаются постоянными или закономерно изменяются. При других обстоятельствах они могут вести себя случайно и относиться к случайным погрешностям.

Как уже отмечалось, обнаружение причин и источников систематических погрешностей позволяет принять меры к их устранению либо исключению посредством введения поправки.

Поправкой называется значение величины, одноименной с измеряемой, которое нужно прибавить к полученному при измерении значению величины с целью исключения систематической погрешности. Таким образом, поправка численно равна абсолютной погрешности измерения, взятой с противоположным знаком.

В некоторых случаях используют поправочный множитель – число, на которое надо умножить результат измерения, чтобы исключить систематическую погрешность.

Поправка или поправочный множитель определяются при помощи поверки технического средства, составления и использования соответствующих таблиц и графиков, Применяются также расчетные способы нахождения поправочных значений.

Источник

Измерения

Погрешность средств измерения и результатов измерения.

Погрешности средств измерений – отклонения метрологических свойств или параметров средств измерений от номинальных, влияющие на погрешности результатов измерений (создающие так называемые инструментальные ошибки измерений).
Погрешность результата измерения – отклонение результата измерения от действительного (истинного) значения измеряемой величины.

Инструментальные и методические погрешности.

Методическая погрешность обусловлена несовершенством метода измерений или упрощениями, допущенными при измерениях. Так, она возникает из-за использования приближенных формул при расчете результата или неправильной методики измерений. Выбор ошибочной методики возможен из-за несоответствия (неадекватности) измеряемой физической величины и ее модели.

Причиной методической погрешности может быть не учитываемое взаимное влияние объекта измерений и измерительных приборов или недостаточная точность такого учета. Например, методическая погрешность возникает при измерениях падения напряжения на участке цепи с помощью вольтметра, так как из-за шунтирующего действия вольтметра измеряемое напряжение уменьшается. Механизм взаимного влияния может быть изучен, а погрешности рассчитаны и учтены.

Инструментальная погрешность обусловлена несовершенством применяемых средств измерений. Причинами ее возникновения являются неточности, допущенные при изготовлении и регулировке приборов, изменение параметров элементов конструкции и схемы вследствие старения. В высокочувствительных приборах могут сильно проявляться их внутренние шумы.

Статическая и динамическая погрешности.

  • Статическая погрешность измерений – погрешность результата измерений, свойственная условиям статического измерения, то есть при измерении постоянных величин после завершения переходных процессов в элементах приборов и преобразователей.
    Статическая погрешность средства измерений возникает при измерении с его помощью постоянной величины. Если в паспорте на средства измерений указывают предельные погрешности измерений, определенные в статических условиях, то они не могут характеризовать точность его работы в динамических условиях.
  • Динамическая погрешность измерений – погрешность результата измерений, свойственная условиям динамического измерения. Динамическая погрешность появляется при измерении переменных величин и обусловлена инерционными свойствами средств измерений. Динамической погрешностью средства измерений является разность между погрешностью средсва измерений в динамических условиях и его статической погрешностью, соответствующей значению величины в данный момент времени. При разработке или проектировании средства измерений следует учитывать, что увеличение погрешности измерений и запаздывание появления выходного сигнала связаны с изменением условий.

Статические и динамические погрешности относятся к погрешностям результата измерений. В большей части приборов статическая и динамическая погрешности оказываются связаны между собой, поскольку соотношение между этими видами погрешностей зависит от характеристик прибора и характерного времени изменения величины.

Систематическая и случайная погрешности.

Систематическая погрешность измерения – составляющая погрешности измерения, остающаяся постоянной или закономерно изменяющаяся при повторных измерениях одной и той же физической величины. Систематические погрешности являются в общем случае функцией измеряемой величины, влияющих величин (температуры, влажности, напряжения питания и пр.) и времени. В функции измеряемой величины систематические погрешности входят при поверке и аттестации образцовых приборов.

Читайте также:  Как правильно измерить тату

Причинами возникновения систематических составляющих погрешности измерения являются:

  • отклонение параметров реального средства измерений от расчетных значений, предусмотренных схемой;
  • неуравновешенность некоторых деталей средства измерений относительно их оси вращения, приводящая к дополнительному повороту за счет зазоров, имеющихся в механизме;
  • упругая деформация деталей средства измерений, имеющих малую жесткость, приводящая к дополнительным перемещениям;
  • погрешность градуировки или небольшой сдвиг шкалы;
  • неточность подгонки шунта или добавочного сопротивления, неточность образцовой измерительной катушки сопротивления;
  • неравномерный износ направляющих устройств для базирования измеряемых деталей;
  • износ рабочих поверхностей, деталей средства измерений, с помощью которых осуществляется контакт звеньев механизма;
  • усталостные измерения упругих свойств деталей, а также их естественное старение;
  • неисправности средства измерений.

Случайной погрешностью называют составляющие погрешности измерений, изменяющиеся случайным образом при повторных измерениях одной и той же величины. Случайные погрешности определяются совместным действием ряда причин: внутренними шумами элементов электронных схем, наводками на входные цепи средств измерений, пульсацией постоянного питающего напряжения, дискретностью счета.

Погрешности адекватности и градуировки.

Погрешность градуировки средства измерений – погрешность действительного значения величины, приписанного той или иной отметке шкалы средства измерений в результате градуировки.

Погрешностью адекватности модели называют погрешность при выборе функциональной зависимости. Характерным примером может служить построение линейной зависимости по данным, которые лучше описываются степенным рядом с малыми нелинейными членами.

Погрешность адекватности относится к измерениям для проверки модели. Если зависимость параметра состояния от уровней входного фактора задана при моделировании объекта достаточно точно, то погрешность адекватности оказывается минимальной. Эта погрешность может зависеть от динамического диапазона измерений, например, если однофакторная зависимость задана при моделировании параболой, то в небольшом диапазоне она будет мало отличаться от экспоненциальной зависимости. Если диапазон измерений увеличить, то погрешность адекватности сильно возрастет.

Абсолютная, относительная и приведенная погрешности.

Абсолютная погрешность – алгебраическая разность между номинальным и действительным значениями измеряемой величины. Абсолютная погрешность измеряется в тех же единицах измерения, что и сама величина, в расчетах её принято обозначать греческой буквой – ∆. На рисунке ниже ∆X и ∆Y – абсолютные погрешности.

Относительная погрешность – отношение абсолютной погрешности к тому значению, которое принимается за истинное. Относительная погрешность является безразмерной величиной, либо измеряется в процентах, в расчетах обозначается буквой – δ.

Приведённая погрешность – погрешность, выраженная отношением абсолютной погрешности средства измерений к условно принятому значению величины, постоянному во всем диапазоне измерений или в части диапазона. Вычисляется по формуле

где Xn – нормирующее значение, которое зависит от типа шкалы измерительного прибора и определяется по его градуировке:

– если шкала прибора односторонняя и нижний предел измерений равен нулю (например диапазон измерений 0. 100), то Xn определяется равным верхнему пределу измерений (Xn=100);
– если шкала прибора односторонняя, нижний предел измерений больше нуля, то Xn определяется как разность между максимальным и минимальным значениями диапазона (для прибора с диапазоном измерений 30. 100, Xn=Xmax-Xmin=100-30=70);
– если шкала прибора двухсторонняя, то нормирующее значение равно ширине диапазона измерений прибора (диапазон измерений -50. +50, Xn=100).

Приведённая погрешность является безразмерной величиной, либо измеряется в процентах.

Аддитивные и мультипликативные погрешности.

  • Аддитивной погрешностью называется погрешность, постоянную в каждой точке шкалы.
  • Мультипликативной погрешностью называется погрешность, линейно возрастающую или убывающую с ростом измеряемой величины.

Различать аддитивные и мультипликативные погрешности легче всего по полосе погрешностей (см.рис.).

Если абсолютная погрешность не зависит от значения измеряемой величины, то полоса определяется аддитивной погрешностью (а). Иногда аддитивную погрешность называют погрешностью нуля.

Если постоянной величиной является относительная погрешность, то полоса погрешностей меняется в пределах диапазона измерений и погрешность называется мультипликативной (б). Ярким примером аддитивной погрешности является погрешность квантования (оцифровки).

Класс точности измерений зависит от вида погрешностей. Рассмотрим класс точности измерений для аддитивной и мультипликативной погрешностей:

– для аддитивной погрешности:
аддитивная погрешность
где Х – верхний предел шкалы, ∆0 – абсолютная аддитивная погрешность.
– для мультипликативной погрешности:
мультипликативная погрешность
порог чувствительности прибора – это условие определяет порог чувствительности прибора (измерений).

Источник