Систематические погрешности. Обнаружение и исключение.
В настоящее время, особенно после введения одного из основополагающих метрологических стандартов ГОСТ 8.009-84 “ГСИ. Основные метрологические характеристики средств измерений”, понятие “систематическая погрешность” несколько изменилось по
отношению к определению, данному ГОСТ 16263-70 “ГСИ. Метрология Термины и определения”. Систематическая погрешность считается специфической, “вырожденной” случайной величиной, обладающей некоторыми, но не всеми свойствами случайной величины, изучаемой в теории вероятностей и математической статистике. Свойства систематической погрешности. которые необходимо учитывать объединении составляющих погрешности, отражаются такими характеристиками, что и свойства “настоящих” случайных величин - дисперсией (СКО) и коэффициентом взаимной корреляции.
Систематическая погрешность представляет собой определенную функцию влияющих факторов, состав которых зависит от физических, конструктивных и технологических особенностей СИ, условий их применения, а также индивидуальных качеств наблюдателя. В метрологической практике при оценке систематических погрешностей должно учитываться влияние следующих основных факторов:
1. Объект измерения. Перед измерением он должен быть достаточно хорошо изучен с целью корректного выбора его модели. Чем полнее модель соответствует исследуемому объекту, тем точнее могут быть получены результаты измерения. Например, кривизна земной поверхности может не учитываться при измерении площади сельскохозяйственных угодий, так как она не вносит ощутимой погрешности, однако при измерении площади океанов ею пренебрегать уже нельзя.
2. Субъект измерения. Его вклад в погрешность измерения необходимо уменьшать путем подбора операторов высокой квалификации и соблюдения требований эргономики при разработке СИ.
З. Метод и средство измерений. Чрезвычайно важен их правильный выбор, который производится на основе априорной информации об объекте измерения. Чем больше априорной информации, тем точнее может быть проведено измерение. Основной вклад в систематическую погрешность вносит, как правило, методическая погрешность.
4. Условия измерения. Обеспечение и стабилизация нормальных условий являются необходимыми требованиями для минимизации дополнительной погрешности, которая по своей природе, как правило, является систематической.
Систематические погрешности принято классифицировать до двум признакам.
По характеру изменения во времениони делятся на постоянные и переменные. Постоянными называются такие по грешности измерения, которые остаются неизменными в течение всей серии измерений. Например, погрешность от того, что неправильно установлен ноль стрелочного электроизмерительного прибора, погрешность от постоянного дополнительного веса на чашке весов и т.д. Переменными называются погрешности, изменяющиеся в процессе измерения. Они делятся на монотонно изменяющиеся, периодические и изменяющиеся по сложному закону. Если в процессе измерения систематическая погрешность монотонно возрастает или убывает, ее называют монотонно изменяющейся. Например, она имеет место при постепенном разряде батареи, питающей средство измерений. Периодической называется погрешность, значение которой является периодической функцией времени. Примером может служить погрешность, обусловленная суточными колебаниями напряжения силовой питающей сети, температуры окружающей среды и др. Систематические погрешности могут изменяться и по более сложному закону, обусловленному какими-либо внешними причинами.
По причинам возникновенияпогрешности делятся на методические, инструментальные и личные (субъективные). Эти погрешности подробно рассмотрены выше.
Результаты наблюдений, полученные при наличии систематической погрешности, называются неислравленными. При проведении измерений стараются в максимальной степени исключить или учесть влияние систематических погрешностей. Это может быть достигнуто следующими путями:
· устранением источников погрешностей до начала измерений. В большинстве областей измерений известны главные источники систематических погрешностей и разработаны методы, исключающие их возникновение или устраняющие их влияние на результат измерения. В связи с этим в практике измерений стараются устранить систематические погрешности не путем обработки экспериментальных данных, а применением СИ, реализующих соответствующие методы измерений;
· определением поправок и внесением их в результат измерения;
· оценкой границ неисключенных систематических погрешностей.
Постоянная систематическая погрешность не может быть найдена методами совместной обработки результатов измерений. Однако она не искажает ни показатели точности измерений, характеризующие случайную погрешность, ни результат нахождения переменной составляющей систематической погрешности. Действительно, результат одного измерения
,
где хи - истинное значение измеряемой величины;
Δ - i-я случайная погрешность;
Θ - i-я систематическая погрешность.
После усреднения результатов многократных измерений получаем среднее арифметическое значение измеряемой величины
.
Если систематическая погрешность постоянна во всех измерениях, т.е. Θi=Θ, то
.
Таким образом, постоянная систематическая погрешность не устраняется при многократных измерениях.
Постоянные систематические погрешности могут быть обнаружены лишь путем сравнения результатов измерений с другими, полученными с помощью более высокоточных методов и средств. Постоянные инструментальные систематические погрешности обычно выявляют посредством поверки средства измерений.
Поверкой называют определение метрологическим органом погрешностей средства измерений и установление пригодности средства измерений к применению. Обнаруженные путем поверки систематические погрешности исключаются из результата измерения путем введения поправки.
Пример.
При измерении напряжения в сети показания вольтметра 225 В. В свидетельстве о поверке указано, что на этой отметке шкалы систематическая погрешность вольтметра равна +3 В. С учетом поправки напряжение в сети равно 225-3=222 В.
Иногда эти погрешности могут быть устранены специальными приемами проведения процесса измерений. Эти методы рассмотрены ниже. Наличие существенной переменной систематической погрешности искажает оценки характеристик случайной погрешности и аппроксимацию ее распределения. Поэтому она должна обязательно выявляться и исключаться из результатов измерений.
Для устранения постоянных систематических погрешностей применяют следующие методы.
Графический метод. Для обнаружения изменяющейся систематической погрешности рекомендуется построить график, на котором нанесены результаты наблюдений в той последовательности, в какой они были получены. Простейшим случаем является погрешность, прогрессирующая по линейному закону, например, пропорционально времени.
х
х2
х1
х0
t1 t2 t
Рис 10.2. Линейное изменение систематической погрешности.
Такие погрешности могут быть оценены и исключены следующим образом. Если известно, что при измерении постоянной величины х0 систематическая погрешность изменяется линейно во времени, т.е.
х=х0 +Сt (где С=const),
То для ее исключения достаточно сделать 2 наблюдения х1 и х2 с фиксацией времени t1 и t2, тогда искомое значение величины будет
. (10.1.)
Однако, далеко не всегда систематическая погрешность изменяется по линейному закону. В этом случае для контроля систематической погрешности применяется метод симметричных наблюдений.
Выполняют несколько наблюдений через равные промежутки времени. Вычисляют средние арифметические симметрично расположенных отсчетов
.
Теоретически, при линейной зависимости погрешности от времени, эти средние арифметические должны быть равны. Убедившись, что погрешность изменяется по линейному закону, находят результат по вышеприведенной формуле.
х
х5
х4
х3
х2
х1
х0 
t1 t2 t3 t4 t5 t
Рис.10.3. Иллюстрация метода симметричных наблюдений
Систематические составляющие, обусловленные несовершенством методов измерения, ограниченной точностью расчетных формул, положенных в основу измерений, влиянием средств измерений на объект, свойства которого измеряются, относятся к методическим погрешностям. Единых рекомендаций по обнаружению и оцениванию методических составляющих систематической погрешности нет. Задача решается в каждом конкретном случае индивидуально, на основе анализа примененного метода измерений, результаты которого часто зависят от квалификации и опыта экспериментатора.
Личные систематические погрешности связаны с индивидуальными особенностями наблюдателя. Для уменьшения этого вида погрешностей надо точно соблюдать правила эксплуатации средств измерений и иметь навыки работы с измерительной техникой.
В практике измерений применяются несколько методов, позволяющих за счет некоторого усложнения процедуры измерений получить результат измерения свободным от систематической погрешности. К ним относятся метод замещения, метод противопоставления и метод компенсации погрешности по знаку.
Метод замещения. Этот метод дает наиболее полное решение задачи компенсации постоянной систематической погрешности и представляет собой разновидность метода сравнения. Сравнение производится путем замены измеряемой величины известной величиной таким образом, чтобы воздействием известной величины привести средство измерения в то состояние, которое оно имело при воздействии измеряемой величины.
Пример. Взвешивание на пружинных весах, у которых имеется постоянная систематическая погрешность (например, из-за смещения шкалы).
Рис.10.4. Измерение массы тела методом замещения
Взвешивание производится в два приема. Вначале на чашу весов помещают взвешиваемое тело массой mх и отмечают положение указателя (на отметке N). Затем взвешиваемое тело замещают гирями такой массы m0, чтобы вновь добиться прежнего отклонения указателя N. Очевидно, что при одинаковости отклонений указателя mх = m0 систематическая погрешность весов не скажется на результате измерений.
Метод противопоставления. Рассмотрим данный метод на следующем примере.
Рис.10.5. Измерение массы тела методом противопоставления
Пример. Взвешивание на рычажных равноплечих весах. Условие равновесия весов mхl1= m0l2, отсюда mх = m0 
. Если длины плеч одинаковы l1= l2, то mх = m0. Если же l1≠ l2 (из-за технологического разброса длин плеч при их изготовлении), то при взвешивании каждый раз возникает систематическая погрешность 
. Для исключения этой погрешности взвешивание производится в два этапа.
Сначала взвешивают груз mх, уравновешивая весы гирями массой m01. При этом mхl1= m01l2 . Затем взвешиваемый груз перемещают на ту чашу весов, где прежде были гири и вновь уравновешивают весы массой гирь m02. Теперь получим mх=m02.Исключив из равенств отношение l2/l1 найдем 
Как видно из формулы, длины плеч не входят в окончательный результат взвешивания.
Дата добавления: 2015-10-13; просмотров: 3585;