Влияющие факторы при измерениях

Факторы, влияющие на точность измерений

Точность измерений не может быть выше точности воспроизведения единицы государственным первичным или специальным эталоном (по определению). Никакое техническое устройство не может рассматриваться в качестве измерительного прибора, если ему установленным порядком не передана информация о размере единицы. А передача этой информации от государственного эталона всегда сопровождается потерей точности.

Однако, кроме этого, точность измерений зависит от множества других факторов, связанных с измерительным процессом. Рассмотрение этих факторов следует начать с рассмотрения самого понятия «измерительный процесс», под которым понимают весь объем информации, оборудования и операций, относящихся к данному измерению (МОЗМ, МД № 16).

При этом под понятием – «элемент измерительного процесса» понимают любой отдельный фактор, способный повлиять на результат измерений. Такими факторами являются:

— субъект измерения (оператор);

— метод (способ) измерения;

Объект измерения должен быть достаточно изучен и сформирована его модель, степень детализации которой (глубина изучения объекта измерения) должна быть адекватна цели измерения.

Например, при наличии задания — «измерить диаметр вала», можно предположить (составить модель объекта), что сечением вала является круг и провести только одно измерение диаметра, а можно измерить эллиптичность сечения вала. Или, при измерениях площади сельхозугодий обычно пренебрегают кривизной поверхности Земли, чего нельзя делать при определении площади поверхности океанов.

Оператор вносит в измерительный процесс элемент субъективизма, который, по возможности, должен быть уменьшен. Субъективизм оператора зависит от его квалификации, психофизиологического состояния, комфортности (санитарно-гигиенических) условий труда и многого другого. Оператор может оказывать существенное влияние на точность измерений.

Большое значение имеют используемые методы и способы измерений. Очень часто измерения одной и той же величины различными способами и с помощью различных средств измерений дают совершенно различные результаты. Каждый из этих вариантов имеет свои достоинства и свои недостатки и выбор наиболее оптимального (для данной измерительной задачи) является искусством экспериментатора. В таких случаях не может быть готовых решений и рекомендаций.

Практикой измерений накоплен значительный арсенал приемов, позволяющих существенно уменьшить отдельные составляющие погрешности измерений. Целесообразность применения тех или иных приемов определяется по результатам анализа источников возникновения погрешностей и их возможного влияния на конечный результат измерения для каждой конкретной измерительной задачи.

Необходимо отметить и несовершенство самой измерительной процедуры -неточность установки прибора и снятия показаний, конечное время выполнения измерения, в течение которого происходит изменение внешних условий и ряда влияющих факторов, зависимость качества измерения от квалификации оператора и многое другое. Это также влияет на потенциальную точность измерений.

Средства измерений должны выбираться в соответствии с назначением (целью) измерительного процесса и условиями его проведения. Любые средства измерений имеют ограниченную точность, обусловленную наличием проектных, конструктивных и технологических дефектов конструкции прибора, неточности его настройки и регулировки, неточности поддержания режимов работы и т.д., а также вследствие нестабильности параметров элементов и материалов из-за старения, износа и другими причинами.

Кроме того, невозможно создать измерительный прибор, метрологические характеристики которого абсолютно точно соответствовали бы проектным, а определение их экспериментальным путем, в свою очередь, имеет ограниченную точность.

Необходимо также помнить, что в процессе измерения объект и средство измерений вступают во взаимодействие. В процессе этого взаимодействия средство измерений оказывает влияние на объект, проявляющийся в изменении измеряемой величины. Например, подключение амперметра или вольтметра для измерений характеристик электрических сигналов меняет параметры самой контролируемой электрической цепи и, соответственно, вносит погрешность в результат измерений.

В итоге результат измерения оказывается искаженным по сравнению с тем, каким он должен был бы быть, если бы средство измерений не влияло на объект. Как бы ни учитывалось это обстоятельство (а во многих случаях им просто пренебрегают), оно снижает точность результата измерения.

Таким образом, несовершенство средств измерений, некоторая неопределенность их реальных метрологических характеристик и взаимодействие средства измерения с объектом измерения вносят свой вклад в ограничение точности результатов измерений.

Условия проведения измерений, влияющие на точность измерений, включают в себя внешние и внутренние влияющие факторы. Под внутренними понимаются факторы, действующие внутри самого средства измерения. К ним относятся взаимные и паразитные электромагнитные влияния элементов и их соединений друг на друга, тепловыделение, трение, акустическая эмиссия и т.д.

Внешние влияющие факторы включают в себя изменение параметров окружающей среды (температуры, влажности, давления), напряжения в сети питания, наводки от расположенных поблизости электрических, магнитных, электромагнитных гравитационных полей, ускорений и т.п. Исключение, компенсация и учет влияющих факторов в рабочих условиях измерений с помощью функций влияния являются не только наукой, но и искусством.

Условия проведения измерений влияют на все остальные элементы измерительного процесса — на объект измерений, способ и средства измерений, самого оператора. Например, температура окружающей среды может изменить геометрические размеры измеряемой детали или плотность контролируемой жидкости, т. е. изменить саму измеряемую величину. С другой стороны, изменение температуры окружающей среды изменяет характеристики средств измерений (влияет на инструментальную составляющую погрешности измерений) и влияет на физиологические свойства оператора, т.е. на субъективную погрешность измерений.

Все вышеперечисленные факторы, влияющие на точность измерений, учитываются при разработке, стандартизации и аттестации методик выполнения измерений.

Источник

1.6Факторы, влияющие на результаты измерений

В метрологической практике при проведении измерений необходимо учитывать ряд факторов, влияющих на результаты измерения. Это — объект и субъект измерения, метод измерения, средство измерения и условия измерения.

Объект измерения должен быть чист от посторонних включений, если измеряется плотность вещества, свободен от влияния внешних помех (природные процессы, индустриальные помехи и т. п.). Сам объект не должен обладать внутренними помехами (работа самого объекта измерения).

Субъект измерения, т. е. оператор, привносит в результат «личностный» момент измерения, элемент субъективизма. Он зависит от квалификации оператора, санитарно-гигиенических условий труда, психофизиологического состояния субъекта, от учета эргономических требований.

Метод измерения. Очень часто измерение одной и той же величины постоянного размера разными методами дает различные результаты, причем каждый из них имеет свои недостатки и достоинства. Искусство оператора состоит в том, чтобы соответствующими способами исключить или учесть факторы, искажающие результаты. Если измерение не удастся выполнить так, чтобы исключить или компенсировать какой-либо фактор, влияющий на результат, то в последний в ряде случаев вносят соответствующую поправку.

Влияние СИ на измеряемую величину во многих случаях проявляется как возмущающий фактор, например, внутренние шумы измерительных электронных усилителей.

Другим фактором является инерционность СИ. Некоторые СИ дают постоянно завышенные или постоянно заниженные показания, что может быть результатом дефекта изготовления.

Условия измерения как влияющий фактор включают температуру окружающей среды, влажность, атмосферное давление, напряжение в сети и т. п.

Учет указанных факторов предполагает исключение ошибок и внесение поправок к измеренным величинам.

1.7Методы измерения физических величин

Методы измерения определяются видом измеряемых величин, их размерами, требуемой точностью результата, требуемой быстротой процесса измерения и прочими данными.

Существует множество методов измерения, и по мере развития науки и техники число их все увеличивается.

По способу получения числового значения измеряемой величины все измерения разделены на три основных вида: прямые, косвенные и совокупные.

Прямыми называются измерения, при которых искомое значение величины находят непосредственно из опытных данных (например, измерение массы на циферблатных или равноплечных весах, температуры — термометром, длины — с помощью линейных мер).

Косвенными называются измерения, при которых искомое значение величины находят на основании известной зависимости между этой величиной и величинами, подвергаемыми прямым измерениям (например, плотности однородного тела по его массе и геометрическим размерам; определение электрического сопротивления по результатам измерения падения напряжения и силы тока).

Совокупными называются измерения, при которых одновременно измеряют несколько одноименных величин, а искомое значение величин находят решением системы уравнений, получаемых при прямых измерениях различных сочетаний этих величин (например, измерения, при которых массы отдельных гирь набора устанавливают по известной массе одной из них и по результатам прямых сравнений масс различных сочетаний гирь).

Ранее говорилось о том, что на практике наибольшее распространение получили прямые измерения ввиду их простоты и скорости исполнения. Дадим краткую характеристику прямым измерениям.

Прямые измерения величин можно производить следующими методами:

Метод непосредственной оценки — значение величины определяют непосредственно по отсчетному устройству измерительного прибора (измерение давления — пружинным манометром, массы — циферблатными весами, силы электрического тока — амперметром).

Метод сравнения с мерой измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой (измерение массы рычажными весами с уравновешиванием гирями).

Дифференциальный метод — метод сравнения с мерой, при котором на измерительный прибор действует разность измеряемой величины и известной величины, воспроизводимой мерой (измерения, выполняемые при проверке мер длины сравнением с образцовой мерой на компараторе).

Нулевой метод — метод сравнения с мерой, когда результирующий эффект воздействия величин на прибор сравнения доводят до нуля (измерение электрического сопротивления мостом с полным его уравновешиванием).

Метод совпадений — метод сравнения с мерой, при котором разность между измеряемой величиной и величиной, воспроизводимой мерой, измеряют, используя совпадения отметок шкал или периодических сигналов (измерение длины с помощью штангенциркуля с нониусом, когда наблюдают совпадение отметок на шкалах штангенциркуля и нониуса).

Метод замещения метод сравнения с мерой, когда измеряемую величину замещают известной величиной, воспроизводимой мерой (взвешивание с поочередным помещением измеряемой массы и гирь на одну и ту же чашку весов).

Источник

Факторы, влияющие на качество измерений

Получение отсчета (либо принятие решения) — основная измерительная процедура. Однако во внимание должно при­ниматься еще множество факторов, учет которых представля­ет иногда довольно сложную задачу. При подготовке и прове­дении высокоточных измерений в метрологической практике Учитывается влияние:

субъекта (эксперта, или экспериментатора);

Объект измерения должен быть достаточно изучен. Перед из­мерением необходимо представить себе модель исследуемого

объекта, которая в дальнейшем, по мере поступления изме­рительной информации, может изменяться и уточняться. Чем полнее модель соответствует измеряемому объекту или иссле­дуемому явлению, тем точнее измерительный эксперимент.

Для измерений в спорте объект измерения — один из самых сложных моментов, потому что представляет собой перепле­тение многих взаимосвязанных параметров (рис. 2) с больши­ми индивидуальными «разбросами» измеряемых величин (на них, в свою очередь, оказывают влияние биологические «вне­шние» и «внутренние», географические, генетические, пси­хологические, социально-экономические и другие факторы).

КАЧЕСТВО ИЗМЕРЕНИЙ

Температура Влажность Рис. 2. Условия окружающей среды, влияющие на качество измерений

Эксперт, или экспериментатор, вносит в процесс измерения элемент субъективизма, который по возможности должен быть уменьшен. Он зависит от квалификации измерителя, его психо­физиологического состояния, соблюдения эргономических тре­бований при измерениях и многого другого. Все эти факторы заслуживают внимания. К измерениям допускаются лица, про­шедшие специальную подготовку, имеющие соответствующие знания, умения и практические навыки. В ответственных случа­ях их действия должны быть строго регламентированы.

Влияние средства измерений на измеряемую величину во многих случаях проявляется как возмущающий фактор. Вклю­чение электроизмерительных приборов приводит к перерас­пределению токов и напряжений в электрических цепях и тем самым оказывает влияние на измеряемые величины.

К числу влияющих факторов относятся также условия изме­рений. Сюда входят температура окружающей среды, влажность, атмосферное давление, электрические и магнитные поля, на­пряжение в сети питания, тряска, вибрация и многое другое.

Общая характеристика влияющих факторов может быть дана под разными углами зрения: внешние и внутренние, случай­ные и неслучайные, последние — постоянные и меняющиеся во времени и т.д. и т.п. Один из вариантов классификации влияющих факторов приведен на рис. 3.

1. Качество и количество априорной информации

> а — априорные

2. Неадекватность модели объекта

3. Несовершенство метода измерений

4. Несовершенство средства измерений

1. Неправильная установка средства измерений

2. Влияние средства измерений на объект

4. Электрические и магнитные

> б — в процессе измерения

5. Механические и акустические

6. Ионизирующие излучения и др.

7. Случайные внешние помехи и внутренние шумы

8. Квалификация и психофизическое состояние персонала__________

1. Качество алгоритма обработки данных

в — апостериорные

2. Несовершенство средств обработки данных

3. Квалификация и психофизическое состояние персонала

Рис. 3. Классификация влияющих факторов

Априорные факторы (а) включают в себя:

1. Влияние на результат измерения качества и количества информации об измеряемом объекте. Чем ее больше, чем выше ее качество — тем точнее результат измерения. Накопление ап­риорной информации — один из путей повышения точности ре­зультатов измерений.

2. Влияние того очевидного факта, что модель не может в точности соответствовать объекту.

3. Влияние теоретических допущений и упрощений, лежа­щих в основе метода измерений.

4. Влияние несовершенства измерительного инструмен­та или прибора, которое может быть как следствием нека­чественного его изготовления, так и результатом длитель­ной эксплуатации. Отметка шкал показывающих приборов, например, не вполне точно соответствует измеряемым значениям. В процессе эксплуатации происходит старе­ние материалов, возникает износ механизмов и деталей, развиваются люфты, зазоры, случаются скрытые метро­логические отказы (выходы метрологических характерис­тик за пределы установленных для них норм). Понятно, что результат измерения находится в прямой зависимости от этих факторов.

В процессе измерения (б):

1. Неправильная установка и подготовка к работе средств измерений, принцип действия которых в той или иной степе­ни связан с механическим равновесием, приводит к искаже­нию их показаний. К подобным средствам измерений относят­ся приборы, в конструкцию которых входит маятник, приборы с подвешенной подвижной частью и др. Многие из них для установки в правильное положение снабжаются уровнями (от­весами, ватерпасами).

2. Влияние средства измерений на объект может до неузна­ваемости изменить реальную картину. Например, перераспре­деление токов и напряжений в электрических цепях при под­ключении электроизмерительных приборов иногда оказывает заметное влияние на результат измерения.

3. Влияние климатических (температура окружающей сре­ды, относительная влажность воздуха, атмосферное давле­ние), электрических и магнитных (колебания силы электри­ческого тока или напряжения в электрической сети, частоты переменного электрического тока, постоянные и перемен­ные магнитные поля и др.), механических и акустических (вибрации, ударные нагрузки, сотрясения) факторов, а так­же ионизирующих излучений, газового состава атмосферы и т.п. принято относить к условиям измерений. Такие условия, влиянием которых на результат измерения можно пренеб­речь, называют нормальными.

4. Случайные внешние помехи и внутренние шумы измери­тельных приборов оказывают непредсказуемое совместное вли­яние на результат измерения, вследствие чего он имеет стоха­стическую природу.

5. Квалификация и психофизическое состояние персонала (или оператора), выполняющего измерение (знания, умения и навыки, сосредоточенность, внимательность, уравновешен­ность, добросовестность, самочувствие, острота зрения и мно­гое другое), имеют большое значение.

После измерения — апостериорные факторы (в):

1. От правильной обработки экспериментальных данных во многом зависит результат измерения.

2. Технические средства, используемые для обработки экс­периментальных данных, не дают новой измерительной ин­формации. Они лишь помогают с большим или меньшим ус­пехом извлекать ее из экспериментальных данных и тем самым оказывают влияние на результат измерения.

3. Неграмотные или безответственные действия персо­нала (оператора) при обработке экспериментальных дан­ных могут свести на нет любые усилия, затраченные на их получение.

Приведенные классификации далеко не исчерпывают всего многообразия факторов, влияющих на результат из­мерения.

Вопросы для самоконтроля

1. Что называют измерением?

2. На какие виды делят измерения по способу получения числового значения?

3. Как различаются измерения по характеру изменения измеряемой величины?

4. Какими бывают измерения по количеству измерительной инфор­мации?

5. Как делят измерения по отношению к основным единицам?

6. Что такое шкала измерений?

7. Как образуется шкала порядка?

8. Что называется шкалой интервалов?

9. Каковы особенности шкалы отношений?

10. Что такое шкала наименований?

11. Как снизить влияние объекта измерений на точность измеритель­ного эксперимента?

12. Как влияют на процесс измерения субъекты измерений?

13. Что можно отнести к условиям измерений?

14. Как снизить влияние объекта измерений на точность измеритель­ного эксперимента?

15. Что можно отнести к условиям измерений?

Источник

Погрешность измерений

Неотъемлемой частью любого измерения является погрешность измерений. С развитием приборостроения и методик измерений человечество стремиться снизить влияние данного явления на конечный результат измерений. Предлагаю более детально разобраться в вопросе, что же это такое погрешность измерений.

Погрешность измерения – это отклонение результата измерения от истинного значения измеряемой величины. Погрешность измерений представляет собой сумму погрешностей, каждая из которых имеет свою причину.

По форме числового выражения погрешности измерений подразделяются на абсолютные и относительные

Абсолютная погрешность – это погрешность, выраженная в единицах измеряемой величины. Она определяется выражением.

(1.2), где X — результат измерения; Х0 — истинное значение этой величины.

Поскольку истинное значение измеряемой величины остается неизвестным, на практике пользуются лишь приближенной оценкой абсолютной погрешности измерения, определяемой выражением

(1.3), где Хд — действительное значение этой измеряемой величины, которое с погрешностью ее определения принимают за истинное значение.

Относительная погрешность – это отношение абсолютной погрешности измерения к действительному значению измеряемой величины:

(1.4)

По закономерности появления погрешности измерения подразделяются на систематические, прогрессирующие, и случайные .

Систематическая погрешность – это погрешность измерения, остающаяся постоянной или закономерно изменяющейся при повторных измерениях одной и той же величины.

Прогрессирующая погрешность – это непредсказуемая погрешность, медленно меняющаяся во времени.

Систематические и прогрессирующие погрешности средств измерений вызываются:

  • первые — погрешностью градуировки шкалы или ее небольшим сдвигом;
  • вторые — старением элементов средства измерения.

Систематическая погрешность остается постоянной или закономерно изменяющейся при многократных измерениях одной и той же величины. Особенность систематической погрешности состоит в том, что она может быть полностью устранена введением поправок. Особенностью прогрессирующих погрешностей является то, что они могут быть скорректированы только в данный момент времени. Они требуют непрерывной коррекции.

Случайная погрешность – это погрешность измерения изменяется случайным образом. При повторных измерениях одной и той же величины. Случайные погрешности можно обнаружить только при многократных измерениях. В отличии от систематических погрешностей случайные нельзя устранить из результатов измерений.

По происхождению различают инструментальные и методические погрешности средств измерений.

Инструментальные погрешности — это погрешности, вызываемые особенностями свойств средств измерений. Они возникают вследствие недостаточно высокого качества элементов средств измерений. К данным погрешностям можно отнести изготовление и сборку элементов средств измерений; погрешности из-за трения в механизме прибора, недостаточной жесткости его элементов и деталей и др. Подчеркнем, что инструментальная погрешность индивидуальна для каждого средства измерений.

Методическая погрешность — это погрешность средства измерения, возникающая из-за несовершенства метода измерения, неточности соотношения, используемого для оценки измеряемой величины.

Погрешности средств измерений.

Абсолютная погрешность меры – это разность между номинальным ее значением и истинным (действительным) значением воспроизводимой ею величины:

(1.5), где Xн – номинальное значение меры; Хд – действительное значение меры

Абсолютная погрешность измерительного прибора – это разность между показанием прибора и истинным (действительным) значением измеряемой величины:

(1.6), где Xп – показания прибора; Хд – действительное значение измеряемой величины.

Относительная погрешность меры или измерительного прибора – это отношение абсолютной погрешности меры или измерительного прибора к истинному

(действительному) значению воспроизводимой или измеряемой величины. Относительная погрешность меры или измерительного прибора может быть выражена в ( % ).

(1.7)

Приведенная погрешность измерительного прибора – отношение погрешности измерительного прибора к нормирующему значению. Нормирующие значение XN – это условно принятое значение, равное или верхнему пределу измерений, или диапазону измерений, или длине шкалы. Приведенная погрешность обычно выражается в ( % ).

(1.8)

Предел допускаемой погрешности средств измерений – наибольшая без учета знака погрешность средства измерений, при которой оно может быть признано и допущено к применению. Данное определение применяют к основной и дополнительной погрешности, а также к вариации показаний. Поскольку свойства средств измерений зависят от внешних условий, их погрешности также зависят от этих условий, поэтому погрешности средств измерений принято делить на основные и дополнительные .

Основная – это погрешность средства измерений, используемого в нормальных условиях, которые обычно определены в нормативно-технических документах на данное средство измерений.

Дополнительная – это изменение погрешности средства измерений вследствии отклонения влияющих величин от нормальных значений.

Погрешности средств измерений подразделяются также на статические и динамические .

Статическая – это погрешность средства измерений, используемого для измерения постоянной величины. Если измеряемая величина является функцией времени, то вследствие инерционности средств измерений возникает составляющая общей погрешности, называется динамической погрешностью средств измерений.

Также существуют систематические и случайные погрешности средств измерений они аналогичны с такими же погрешностями измерений.

Факторы влияющие на погрешность измерений.

Погрешности возникают по разным причинам: это могут быть ошибки экспериментатора или ошибки из-за применения прибора не по назначению и т.д. Существует ряд понятий которые определяют факторы влияющие на погрешность измерений

Вариация показаний прибора – это наибольшая разность показаний полученных при прямом и обратном ходе при одном и том же действительном значении измеряемой величины и неизменных внешних условиях.

Класс точности прибора – это обобщенная характеристика средств измерений (прибора), определяемая пределами допускаемых основной и дополнительных погрешностей, а также другими свойствами средств измерений, влияющих на точность, значение которой устанавливаются на отдельные виды средств измерений.

Классы точности прибора устанавливают при выпуске, градуируя его по образцовому прибору в нормальных условиях.

Прецизионность — показывает, как точно или отчетливо можно произвести отсчет. Она определяется, тем насколько близки друг к другу результаты двух идентичных измерений.

Разрешение прибора — это наименьшее изменение измеряемого значения, на которое прибор будет реагировать.

Диапазон прибора — определяется минимальным и максимальным значением входного сигнала, для которого он предназначен.

Полоса пропускания прибора — это разность между минимальной и максимальной частотой, для которых он предназначен.

Чувствительность прибора — определяется, как отношение выходного сигнала или показания прибора к входному сигналу или измеряемой величине.

Шумы — любой сигнал не несущий полезной информации.

Источник

Поделиться с друзьями
Моя стройка
Adblock
detector