Лекция 12

12.1 Основные источники погрешности результата измерений

До сих пор были рассмотрены погрешности результата измерений в соответствии с выражениями и (10.1) и (10.2). В этих определениях результат измерений зависит от многих факторов, в частности от применяемых методов и средств измерений; условий проведения измерений (прежде всего от температуры, давления, влажности окружающей среды, качества источника электрической энергии - для электрических средств измерении т.п.); способа обработки результатов измерений и квалификации операторов, организующих и проводящих измерения.

Указанные факторы по-разному сказываются на отличии результата измерений от истинного значения измеряемой величины. Прежде всего, всегда существует погрешность за счет замены истинного значения величины от ее отображения в виде действительного значения. Этот источник погрешности в случае, когда экспериментатору, проводящему измерения, задано действительное значение измеряемой величины, естественно, не рассматривается.

Большинство измерений, проводимых с помощью рабочих средств измерений, относятся к указанному случаю. Так, измерения, результаты которых определяются по шкале измерительного прибора, не требуют оценки, как истинного значения, так и действительного значения измеряемой величины. Определенный по шкале результат измерения отличается от действительного значения на истинную величину, равную погрешности средства измерения, указанную в его паспорте.

Другим источником погрешностей измерений, непосредственно не связанных с погрешностью средства измерения, являются особенности примененного метода измерений. Например, при измерении массы жидкости в резервуаре по ее уровню (даже при достаточно точно известных параметрах резервуара и «идеальном» преобразовании положения датчика уровня (поплавка) в показании измерительного прибора) на результат измерения будет сказываться отличие значения плотности жидкости от «номинальной» плотности за счет не уточненного изменения атмосферного давления или температуры. Обычно любой примененный метод измерений вносит ту или иную составляющую погрешности в результат измерений, если методикой измерений этот источник погрешности не учтен.

Источником погрешности метода измерений часто являются приближения, принятые для воспроизведения величины в случае косвенных, совокупных и совместных измерений. Это приводит к отличию математической зависимости, связывающей искомую с измеряемыми величинами, от математической зависимости, реализуемой принятым методом измерений.

Во многих измерительных процедурах основным источником погрешности является применяемое средство измерения, его несовершенство: искажение характерных признаков измеряемой величины (входного сигнала), поступающей на вход средства измерений, в процессе выполняемых им измерительных преобразований. При этом выходная величина (выходной сигнал) содержит погрешности измерительных преобразований. Кроме того, принцип действия, положенный в основу средства измерений, может быть неадекватен требованию воспроизведения измеряемой величины. Например, в цифровых средствах измерений непрерывный (аналоговый) входной сигнал преобразуется в дискретный (цифровой) сигнал, в результате чего исходная функция, описывающая измеряемую величину, заменяется некоторой совокупностью мгновенных ее значений. Восстановление исходной функции осуществляется с помощью линейной интерполяции между дискретными мгновенными значениями. Очевидно, точное восстановление исходной функции при этом практически невозможно появляется погрешность метода, свойственного самому средству измерений. Таким образом, методические погрешности могут быть независимыми от средства измерений и могут определяться самим средством измерений.

В случае проведения измерений с априорно неизвестной погрешностью методическая составляющая возникает вследствие неадекватности расчетных соотношений реальному содержанию измеряемой величины. К таким измерениям относятся измерения с требованиями достижения высокой точности или измерения с получением их результата путем последующего расчета, например, при проведении косвенных, совокупных, совместных измерений.

В данном случае алгоритмы расчетов для нахождения результата измерений и его погрешности могут в большей или меньшей мере учитывать возможности использования существующих методов для соответствующей оценки истинного значения измеряемой величины. Например, упрощенные методы обработки результатов измерений могут привести даже к недостоверной оценке.

Средство измерений, в зависимости от точности принятых при его конструктивной реализации решений, адекватных принципу измерений физической величины, является источником инструментальных погрешностей, часто наиболее существенных среди всех источников погрешностей. Например, в случае неравенства плеч коромысла весов измеряемая масса будет уравновешиваться набором гирь (пусть самых точных) с погрешностью, вызываемой неравенством плеч. Это будет представлять источник инструментальной (одинаково присутствующей при всех измерениях) погрешности. И, наконец, источником погрешности измерений, иногда достаточно грубой, может явиться недостаточная квалификация оператора, его подготовленность к выполнению измерений, а иногда и невнимательность.