8. Систематические погрешности

Природа и происхождение систематических погрешностей яв- ляются следствием определенных недостатков методики и сред- ства измерения, ошибок экспериментатора, неполного учета всех особенностей измеряемой величины и условий эксперимента. Поэтому обнаружение и исключение систематических погрешно- стей во многом зависит от мастерства экспериментатора, от того, насколько глубоко он изучил конкретные условия проведения измерений и особенностиприменяемых им средств и методов.

По характеру изменения систематические погрешности разде- ляют на постоянные (сохраняющие величину и знак) и перемен- ные (изменяющиеся по определенному закону).

Постоянные систематические погрешности СИ – это по- грешности градуировки шкалы аналоговых приборов; погрешно- сти, обусловленные неточностью подгонки шунтов, добавочных сопротивлений, температурными изменениями параметров эле- ментов в приборах и др.

Переменные систематические погрешности – это погрешно- сти, обусловленные нестабильностью напряжения источника пи- тания, влиянием внешних магнитных полей и других влияющих величин.

По причинам возникновения их подразделяют на ме- тодические, инструментальные и субъективные.

Методические погрешности возникают вследствие несовер- шенства, неполноты теоретических обоснований принятого ме- тода измерения, использования упрощающих предположений и допущений при выводе применяемых формул, из-за неправиль- ного выбора измеряемых величин (неадекватно описывающих модели интересующих свойств объекта). Например, измерение температуры с помощью термопары может содержать методиче- скую погрешность, вызванную нарушением температурного ре- жима исследуемого объекта (вследствие внесения термопары).

Выявить источники и исключить методические погрешности – главное в технике эксперимента. Уровень решения этой задачи определяется метрологической подготовкой и искусством экспе- риментатора. В большинстве случаев методические погрешности носят систематический характер, а иногда и случайный, напри- мер, когда коэффициенты рабочих уравнений метода измерения зависят от условий измерения, изменяющихся случайным обра- зом.

Инструментальные погрешности (инструментальные состав- ляющие погрешности измерения) обусловливаются свойствами применяемых СИ (стабильностью, чувствительностью к внешним воздействиям и т.д.), их влиянием на объект измерений, техноло- гией и качеством изготовления (например, неточность градуи- ровки, конструктивные несовершенства, изменения характери- стик прибора в процессе эксплуатации и т.д.). Эту погрешность в свою очередь подразделяют на основную и дополнительную.

Субъективные погрешности вызываются состоянием опера- тора, проводящего измерения, его положением во время работы, несовершенством органов чувств, эргономическими свойствами средств измерений – все это сказывается на точности визирова- ния. Субъективные погрешности также могут в некоторых случа- ях переходить в разряд случайных. Использование цифровых приборов и автоматических методов измерения позволяет исклю- чить такогорода погрешности.

Для выявления и исключения систематических погрешностей применяют предварительное исключение возможных причин по- явления систематических погрешностей (использование исправ- ных и поверенных мер и приборов, обоснованность выбора мето- да измерения, соблюдение условий эксперимента и т.д.), а также метод замещения и компенсации погрешности по знаку:

• метод замещения заключается в том, что измеряемая вели- чина замещается известной величиной, получаемой при помощи регулируемой меры. Если такое замещение производится без ка- ких-либо других изменений в экспериментальной установке и после замещения установлены те же показания приборов, то из- меряемая величина равняется известной величине, значение ко- торой отсчитывается по указателю регулируемой меры. Этот прием позволяет исключить постоянные систематические по- грешности. Погрешность измерения при использовании метода

замещения определяется погрешностью меры и погрешностью, возникающей при отсчете значения величины, замещающей не- известную;

• метод компенсации погрешности по знаку используется для исключения систематических погрешностей, которыев зависи- мости от условий измерения могут входить в результат измере- ния с тем или иным знаком (погрешность от термо-ЭДС, от влия- ния напряженности постоянного электрического или магнитного поля и др.). В этом случае эксперимент выполняется дважды так, чтобы погрешность входила в результаты измерений один раз с одним знаком, а другой раз – с обратным. Среднее значение из двух полученных результатов является окончательным результа- том измерения, свободным от указанных выше систематических погрешностей.

Обнаружение причин и вида функциональной зависимости позволяет скомпенсировать систематическую погрешность вве- дением в результат измерения соответствующих поправок. П о п р а в к о й называется значение величины, одноименной с измеряемой, которое нужно прибавить к полученному при изме- рении значению величины с целью исключения систематической погрешности. В некоторых случаях используют поправочный множитель – число, на которое умножают результат измерения для исключения систематической погрешности.

Поправка или поправочный множитель определяется при по- мощи поверки СИ, составления и использования соответствую- щих таблиц и графиков. Применяют также расчетные способы нахождения поправочных значений.

Однако вследствие неточности поправок, погрешности средств измерений величин, используемых для вычисления по- правок, удастся скомпенсировать лишь только часть системати- ческой погрешности, а не всю ее. Оставшуюся часть называют

неисключенным остатком систематической погрешности. Она входит в результат измерения и искажает его и может быть оце- нена исходя из сведений о метрологических характеристиках ис- пользованных технических средств. Если таких сведений недо- статочно, то ее можно оценить путем сравнения измеренных зна- чений с аналогичными результатами, полученными в других ла- бораториях другими экспериментаторами.

При проведении автоматических измерений широко исполь- зуют схемные методы коррекции систематических погрешностей, например, компенсационное включение преобразователей, раз- личные цепи температурной и частотной коррекции и др.

Новые возможности появились в результате внедрения в из- мерительную технику средств, содержащих микропроцессорные системы. С помощью последних удается исключать или коррек- тировать многие виды систематических погрешностей, особенно инструментальные погрешности. Автоматическое введение по- правок, связанных с неточностями градуировки, расчет и исклю- чение дополнительных погрешностей, исключение погрешно- стей, обусловленных смещением нуля – эти и другие корректи- ровки позволяют существенно повысить точность измерений.