9.2. Факторы, влияющие на результаты измерений

На результаты измерений влияют такие факторы, как объект и субъект измерений, средства, методы и условия измерения.

Объект измерений. Перед началом измерения необходимо представить себе модель исследуемого объекта, который при поступлении измерительной информации может уточняться. Различным объектам присуща специфика измерений: одни из них характеризуются стабильностью измеряемых физических величин в течение длительного времени (например, металличес­кие предметы), другие — высокой лабильностью, причем изме­нения могут быть и во время измерения (например, в био­объектах).

Субъекты измерения. Результаты наблюдений, определяемых с помощью средств измерений, во многом зависят от професси­ональной подготовки лиц, осуществляющих измерительную про­цедуру. Знание средств, методов и методик измерения, умение применять их на практике позволяет субъектам измерения пре­дотвратить влияние на результат измерения случайных и систе­матических погрешностей или устранить уже возникшие. Это касается не только метрологов, но и лиц, осуществляющих изме­рения при производстве, выпуске и реализации продукции, а также при предоставлении услуг. Например, продавец, не знающий элементарных правил работы с весами, может нанести ущерб не только покупателю, но и торговому предприятию.

Средства измерений оказывают большое влияние на резуль­тат измерения. Их выбор определяется требуемой точностью и другими критериями, о которых уже говорилось. При работе со средствами измерений необходимо учитывать их класс точности. Так, весы для определения массы ювелирных изделий должны быть более высокой точности, чем, например, для пищевых продуктов.

Методы измерения. Разные методы отличаются различной точностью, поэтому также влияют на результаты измерения. Выбор их определяется требуемой точностью измерений. При разработке и аттестации методик измерения учитываются два фактора: возможность применяемых средств и методы изме­рения.

Условия измерения. При проведении измерений большое влияние оказывает окружающая среда (температура, влажность, освещенность, для некоторых измерений — состояние электри­ческих, магнитных и электромагнитных полей), а также условия эксплуатации средств измерительной техники. Для проведения высокоточных измерений создаются особые условия. Так, пла-тиново-иридневый эталон килограмма хранится на специальной подставке под двумя стеклянными колпаками, а поверка осу­ществляется на равноплечих призменных весах с дистанцион­ным управлением, чтобы исключить влияние оператора на тем­пературу окружающей среды.

9.3. Погрешности

Погрешность — отклонение результата измерений от истин­ного значения измеряемой величины. В зависимости от различ­ных признаков погрешности классифицируют на виды (рис. 2.9).

Абсолютная погрешность ( ) — погрешность, представленная разностью между измеренным ( ) и истинным (действитель­ным) значением и выраженная в единицах измеряемой величины

Относительная погрешность ( ) — погрешность, представлен­ная отношением абсолютной погрешности к истинному (дейст­вительному) значению измеряемой величины и выражаемая в процентах

Приведенная погрешность ( ) — отношение абсолютной пог­решности к нормирующему значению ( ).

Нормирующее значение принимается равным верхнему пре­делу измерений при наличии нулевого значения односторонней шкалы прибора или диапазону измерений в случае двухзначной шкалы прибора.

Систематическая погрешность — погрешность, остающаяся постоянной при повторных измерениях или изменяющаяся закот номерно.

Постоянные систематические погрешности обычно свиде­тельствуют о высоких или недостаточных показателях метроло­гической надежности средств измерений, могут быть установ­лены и устранены Иногда для устранения систематических пог­решностей вводят таблицу поправок.

Закономерно возникающие систематические погрешности вызываются процессами старения средств измерений, так как происходят процессы стирания поверхностей, окисление и т.п. Наличие таких погрешностей и обуславливает необходимость поверки и калибровки средств измерений

Случайная погрешность — погрешности, изменяющиеся при повторных измерениях случайным образом. Эти погрешности непредсказуемы, поэтому неизмеримы и неустранимы Однако их влияние можно уменьшить путем многократных измерений с последующим определением характеристик случайной погреш­ности методами математической статистики. Близость к нулю случайных погрешностей называется сходимостью измерений.

Статические погрешности — погрешность средств измерений, когда измеряемая величина во время измерений не изменяется. Предполагается, что в этом случае не изменяется и действительное значение измеряемой величины, а абсолютная погрешность остается постоянной.

Динамическая погрешность — погрешность средств измере­ний, когда измеряемая величина по время измерения изменя­ется. Например, при измерении температуры термометром должно пройти время, чтобы ртуть изменила свою температуру, а столбик ртути дошел до соответствующей отметки на шкале. Если за это время температура измеряемого объекта изменится, возникнет динамическая погрешность.

Устранимые погрешности — систематические погрешности, которые могут быть выявлены и устранены. К неустранимым относятся систематические и случайные погрешности, но опре­деленная часть случайных погрешностей неустранима, отсюда случайность любого результата измерений.

Основные погрешности — погрешности, соответствующие нормальным условиям применения средств измерения. Эти усло­вия устанавливаются нормативными документами на виды средств измерений или отдельные их типы. Чаще всего устанав­ливаются следующие внешние условия: температура окружаю­щей среды, относительная влажность, атмосферное давление. Выделение основной погрешности, соответствующей стандарт­ным условиям применения, является одним из важных факторов обеспечения единства измерений.

Дополнительная погрешность — погрешность, возникающая при отклонении одной из влияющих величин от нормального значения. Принято различать дополнительные погрешности по отдельным факторам: дополнительная температурная погреш­ность, погрешность за счет изменения атмосферного давления и т.п.

Инструментальные погрешности — погрешности средств измерения, определяемые их несовершенством, конструктивно-технологическими особенностями и влиянием внешних условий, например помехи. Инструментальные погрешности являются одной из наиболее значимых составляющих погрешности и могут носить систематический или случайный характер.

Методическая погрешность — погрешность, определяемая несовершенством применяемой методики измерения. К методи­ческим погрешностям относится и невозможность идеального воспроизведения модели объекта измерения. В большинстве случаев методические погрешности носят систематический характер.

Субъективная погрешность — погрешность отсчитывания, возникающая вследствие индивидуальных особенностей субъ­екта (оператора), проводящего измерения. Эта погрешность определяется степенью внимательности, сосредоточенности опе­раторов, может носить как систематический, так и случайный характер.

Допустимая погрешность — это погрешность, размер которой устанавливается нормативно-техническими документами или определяется расчетным путем.

Недопустимая погрешность — это погрешность, при возник­новении которой результат измерения недостоверен и не может учитываться.

Недопустимые погрешности называются грубыми погрешнос­тями, или ошибками. Важное значение имеет своевременное обнаружение и устранение грубых погрешностей.

Грубые погрешности могут возникнуть под воздействием любого фактора, влияющего на результат измерения. Однако чаще всего источником грубой погрешности является неправиль­ный отсчет показаний прибора или непредсказуемые изменения внешней среды.

Существуют два основных способа обнаружения грубых пог­решностей:

• при однократных измерениях ошибка может быть выявлена, если примерно известен ожидаемый результат измерения, например при поверке рабочих средств измерений с помо­щью эталонов и калибров или при систематическом измерении объекта, физическая величина которого практически не изменяется;

• при многократных измерениях ошибка может быть установ­лена с помощью статистического анализа результатов наблюдений. Например, при определении естественной убыли плодоовощной продукции измеряется масса 10 и более объектов. Полученная разница между начальным и конечным измерениями дает убыль массы. Испытатель сразу обращает внимание на «выпадающие» из общего числа результаты.

Пути устранения грубых погрешностей:

1. Грубые погрешности, выявленные при однократных изме­рениях, можно устранить повторением измерений и превраще­нием их в многократные.

2. При многократных измерениях грубые погрешности устра­няются путем применения следующих способов:

правила «трех сигм»;

математической обработкой результатов измерений.

Правило «трех сигм» гласит, что грубой считается погреш­ность, размер которой превышает три сигмы.

Сигма ( ) — среднеквадратичное отклонение, рассчитывае­мое по уравнению

где — фактическое значение величины при однократном измерении; — среднеарифметическое значение измеряемой величины при многократном измерении; —- количество изме­рений.

При этом рассчитывается доверительный интервал. В него входят значения измеряемой величины, которые по нормаль­ному закону распределения признаются достоверными. Значе­ния, находящиеся вне этого интервала, относятся к ошибочным и исключаются как недостоверные. Результат измерения пере-считывается с учетом исключенных значений.

Например, при измерении средней массы орехов были взве-шаны 10 экземпляров. Получены следующие результаты: 15, 19, 20, 21, 22, 18, 22, 20, 25, 17 г. Средняя масса орехов равна 19,9 г; = 2. Доверительный интервал равен (20 2, или 18,2 ..22,2). За его пределами находятся значения 15; 17; 18 и 25, которые исключаются, и получается уточненный результат, равный 20,7 г.

Математическая обработка результатов измерения регламен­тируется стандартом.