Основы теории точности измерений. Погрешности методов и средств измерений.

При постановке измерительных задач неизбежно возникает вопрос о точности измерений. Точность измерений рассматривают обычно как свойство измерений, отражающее близость к нулю погрешностей измерения. Под погрешностью измерений понимают отклонение результата измерения от истин­ного значения измеряемой величины.

Наличие погрешностей объективно обуславливается невозможностью в процессе измерений идеальным образом отобразить в качественном и количественном отношениях свойство исследуемого процесса и объекта, т. е. получить ИСТИННОЕ ЗНАЧЕНИЕ ФИЗИЧЕСКОЙ ВЕЛИЧИНЫ (ИЗВ). Вместо него пользуются ДЕЙСТВИТЕЛЬНЫМ ЗНАЧЕНИЕМ ФИЗИЧЕСКОЙ ВЕЛИЧИНЫ (ДЗВ), т. е. значением, найденным экспериментально с помощью соответствующих технических средств и достаточно для данной практической цели приближенного к ИЗВ. Таким образом, всегда результат измерения в виде ДЗВ не свободен от погрешностей

ИЗВ = ДЗВ + Δ_Σ

где Δ_Σ - результирующая абсолютная погрешность измерения.

Вышесказанное позволяет сформулировать измерительную задачу в прямой и обратной постановке:

ПРЯМАЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ ЗАДАЧА - произвести измерение определенной ФВ (параметра) с заданной точностью, определяемой условиями функционирования объекта измерения;

ОБРАТНАЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ ЗАДАЧА - используя штатные СИ, таким образом организовать измерительный процесс, чтобы обеспечить требуемое его качество (по точности).

Решение в обоих случаях может быть сведено к обработке следующих этапов:

а) выбор необходимых СИ;

б) подготовка к измерениям;

в) проведение измерений по выбранной методике;

г) обработка измерений с целью получения достоверного результата.

В соответствии с указанными этапами общая ошибка результата изме­рения может быть представлена в виде условной суммы:

Δ_Σ = Δ_СИ + Δ_ИП + Δ_Оп

где Δ_Σ - общая результирующая погрешность;

Δ_СИ - ошибка средства измерений;

Δ_ИП - ошибка измерительного процесса;

Δ_Оп - ошибка оператора.

Приведенное выражение показывает, что ошибка при любых измерени­ях проявляется как результат совместного воздействия факторов различного рода объективного и субъективного характера. Следовательно, возможно гово­рить лишь о составляющих погрешности и возникает необходимость их услов­ной классификации по различным признакам.

Любая погрешность характеризуется величиной в абсолютных и отно­сительных единицах и знаках.

Систематической называется составляющая погрешность изме­рения (СИ), остающаяся постоянной или закономерно изменяющаяся при по­вторных измерениях одной и той же величины.

Иллюстрацией проявления этой составляющей погрешности может служить, например, изменение показаний прибора при разряде источников питания постоянного тока, при длительном воздействии постороннего электрического поля определенной напряженности, при несоблюдении рабочего положения прибора, при наличии трения в кинематических узлах указателей и т. д. Постоянный или монотонный характер проявления дает возможность принять меры по снижению влияния этой погрешности на результат измерения путем ее частичного исключения или компенсации. Такими мерами являются проведение контрольных поверок СИ, предварительное изучение источников влияния, введение поправок, использование специальных методов измерений.

Близость к нулю систематических составляющих погрешностей характеризует ПРАВИЛЬНОСТЬ измерений.

Случайной называется составляющая погрешности измерения (СИ), изменяющаяся случайным образом при повторных измерениях одной и той же величины. Наличие случайных погрешностей вызывается воздействием много­численных факторов внешней среды, поэтому они принципиально не могут быть исключены из результата измерений. Близость к нулю случайных погреш­ностей отражает СХОДИМОСТЬ измерений.

Грубой называется погрешность измерения, существенно превышаю­щая ожидаемую при данных условиях. Такие погрешности, как правило, явля­ются следствием небрежности в организации измерительного процесса или низкой квалификации оператора.

Методической (ПОГРЕШНОСТЬЮ МЕТОДА ИЗМЕРЕНИЙ) на­зывается составляющая погрешности измерения, происходящая от несовершен­ства метода измерений.

Инструментальной называется составляющая погрешности изме­рения, зависящая от погрешностей применяемых СИ. Сколь бы не были точны применяемые СИ, погрешность результата измерения может быть значительной при неверном выборе метода измерения и организации измерительного процес­са.

Субъективной называется составляющая погрешность измерения, связанная с несовершенством органов чувств человека-оператора (погрешности отсчитывания, погрешности интерполяции, погрешности от параллакса). Низ­кая квалификация оператора может стать причиной существенного (грубого) искажения результата измерения.

Основная погрешность - погрешность СИ, используемого в нор­мальных условиях.

Дополнительная погрешность - изменение погрешности СИ, вызванное отклонением одной из влияющих величин от нормального значения или выходом ее за пределы нормальной области значений.

Абсолютной называется погрешность измерения (СИ), выраженная в единицах измеряемой величины. Она определяется как разность между изме­ренным ах и истинным ао значением ФВ с учетом знака.

Относительная погрешность измерения (СИ) есть отношение абсолютной погрешности к истинному значению измеряемой величины. Отно­сительная погрешность может быть выражена как в относительных единицах, так и в процентах:

Приведенная погрешность СИ - отношение абсолютной по­грешности к нормирующему значению; под нормирующим значением понима­ется условно принятое значение (верхний предел измерений, диапазон измере­ний, длина шкалы прибора и др.) Приведенную погрешность обычно выражают в процентах:

Величина погрешности СИ во многом определяется характером поведе­ния измеряемой ФВ. Если ФВ сохраняется неизменной во времени, то резуль­тат измерения характеризуется статической погрешностью; при при­менении ФВ в ходе измерения (в динамическом режиме) погрешность, как пра­вило, возрастает. Разность между погрешностью СИ в динамическом режиме и его статической погрешностью, соответствующей значению величины в данный момент времени, называется динамической погрешностью.