15, Погрешности измерений и их классификация

Погрешность измерения встречается всегда при любых видах измерений и определяется метрологами как отклонение результата измерения от действительного размера измеряемой величины. В числовых величинах погрешность измерения ΔХ (дельта икс) подсчитывают как разность между результатом измерения Х_изм и действительным размером Х_действ измеряемой величины: ΔХ = Х_изм– Х_действ .

Погрешности при измерениях зависят от многих причин и классифицируются следующим образом:

1) инструментальная погрешность возникает по ряду причин:

а) износ деталей измерительного прибора;

б) излишнее трение в механизме прибора;

в) неточное нанесение штрихов на шкалу прибора;

г) несоответствие действительного и номинального значения меры и т. д.;

2) систематическая погрешность – составляющая погрешности результата измерения, остающаяся постоянно для данного ряда измерений или же закономерно изменяющаяся при повторных измерениях одной и той же физической величины.

Систематическая погрешность по характеру проявления подразделяется на:

а) постоянную;

б) прогрессивную;

в) периодическую.

Постоянная систематическая погрешность – погрешность, длительное время сохраняющая свое значение (например, в течение всей серии измерений). Эта погрешность встречается наиболее часто. Прогрессивная систематическая погрешность – непрерывно возрастающая погрешность (например, от постоянного устойчивого износа измерительных механизмов, приборов).

Периодическая систематическая погрешность – погрешность, значение которой является функцией времени или функцией перемещения указателя измерительного прибора (например, наличие эксцентриситета в угломерных приборах с круговой шкалой вызывает систематическую погрешность, изменяющуюся по периодическому закону).

Исходя из причин появления систематических погрешностей, различают:

1) инструментальные погрешности;

2) погрешности метода;

3) субъективные погрешности;

4) погрешности вследствие отклонения внешних условий измерения от установленных методами.

Погрешность метода измерений возникает из—за несовершенства метода измерений или допущенных его упрощений, установленных методикой измерений. Субъективная погрешность измерения обусловлена индивидуальными погрешностями оператора (ее называют еще личной погрешностью).

Погрешность вследствие отклонения (в одну сторону) внешних условий измерения от установленных методикой измерения приводит к возникновению систематической составляющей погрешности измерения.

Классификация и свойства измерения

На практике нужно осуществлять измерения различных величин, веществ, явлений, процессов. Всевозможные проявления всякого свойства создадут множества, изображение компонентов которых на упорядоченное множество чисел или в общем случае условных знаков создадут шкалы измерения данных свойств.

Шкалой физической величины называется шкала измерений количественного свойства.

В зависимости от логической структуры проявления свойств можно выделить пять ключевых видов шкал измерения.

1. Шкала наименований (школа классификаций). Подобные шкалы применяются для классификации эмпирических объектов, свойства которых выражаются лишь в отношении эквивалентности. Данные свойства нельзя принимать за физические величины, вследствие этого подобные шкалы не являются шкалами физических величин. Это наиболее простой вид шкал.

В шкалах наименований, в которых причисление отражаемого свойства к какому—либо классу эквивалентности исполняется с применением органов чувств человека, наиболее соответствует результат, избранный большинством экспертов. Как пример можно привести атласы цветов, предназначенные для идентификации цвета.

2. Шкала порядка (шкала рангов). В случае проявления свойства данного эмпирического объекта применительно к эквивалентности и порядку по возрастанию или убыванию количественного проявления свойства для него возможно построение шкалы порядка. Она может быть монотонно возрастающей или убывающей и дает возможность определить отношения больше либо меньше между величинами, характеризующими данное свойство.

В ситуации, когда степень познания явления не дает возможность достоверно установить отношения, существующие между величинами данной характеристики, используют эмпирические шкалы порядка. Условная шкала – это шкала физических величин, первоначальные значения которой сформулированы в условных единицах.

3. Шкала интервалов (шкала разностей). Эта шкала используется для объектов, качества которых удовлетворяют отношениям эквивалентности порядка n аддитивности. Шкала интервалов включает в себя одинаковые интервалы, обладает единицей измерения и произвольно выбранным началом – нулевая точка.

4. Шкала отношений. Эта шкала изображает свойства эмпирических объектов, удовлетворяющих отношениям эквивалентности, порядка и аддитивности (шкалы второго порядка), а зачастую и пропорциональности. Как пример можно привести термодинамическую температуру (первый порядок) и шкалу массы (второй порядок).

5. Абсолютные шкалы – шкалы, которые имеют все свойства шкал отношений, а также обладают естественным и однозначным определением единицы измерения и обладающие полной самостоятельностью по отношению к принятой системе единиц измерений.

16, Качество измерений характеризуется точностью, достоверностью, правильностью, сходимостью, воспроизводимостью и погрешностью измерений.

Точность - это качество измерений, отражающее близость их результатов к истинному значению измеряемой величины. Высокая точность измерений соответсвует малым погрешностям как систематическим, так и случайным. Точность количпественно оценивают обратной величиной модуля относительной погрешности. Напремер, если погрешность измерений равна 0,05%, то точность будет равна 1 / 0,0005 = 2000.

Достоверность измерений характеризует степень доверияк результатам измерений. Достоверность оценки погрешностей определяют на основе законов теории вероятностей и математической статистики. Это дает возможность для каждого конкретного случая выбирать средства и методы измерений, обеспечивающие получение результата, погрешности которого не превышают заданных границ.

Правильность измерений - качество измерений, отражающее близость к нулюсистематических погрешностей в результатах измерений.

Сходимость - качество измерений, отражающее близость друг к другу результатов измерений, выполняемых в одинаковых условиях. Сходимость измерений отражает влияние случайных погрешностей.

Воспроизводимость - это такое качество измерений, которое отражает близость друг к другу результатов измерений, выполняемых в различных условиях (в различное время, в различных местах, разными методами и средствами).

Погрешность измерения - отклонение результата измерения от истинного (действительного) значения измеряемой величины. Погрешность измерений представляет собой сумму ряда составляющих, каждая из которых имеет свою причину. Можно выделить слудующие группы причин возникновения погрешностей:

• неверная настройка средства измерений или смещение уровня настройки во время эксплуатации;

• неверная установка объекта измерения на измерительную позицию;

• ошбки в процессе получения, преобразования и выдачи информации в измерительной цепи средства измерений; 

• внешние воздействия на средтво и объект измерений (изменение температуры и давления, влияние электрического и магнитного полей, вибрация и т.п.);

• свойства измеряемого объекта;

• квалификация и состояние оператора.

Анализируя причины возникновения погрешностей, необходимо в первую очередь выявить те из них, которые оказывают существенное влияние на резульат измерения. Анализ должен проводится в определенной последовательности.

18. Методика выполнения измерений — это совокупность операций и правил, выполнение которых обеспечивает получение результатов с известной погрешностью.

Поскольку погрешность определяется не только метрологическими характеристиками средств измерений, но и погрешностью отбора и приготовления проб, условиями проведения измерений, ошибкой оператора и другими причинами, это определение означает, что методики выполнения измерений могут разрабатываться и быть аттестованными только применительно к конкретным условиям проведения измерения с использованием конкретных средств.

Данное утверждение не означает, что для каждой измерительной или испытательной лаборатории должны разрабатываться собственные методики. Но если лаборатория использует тип средства измерения, приведенный в аттестованной методике, влияющие факторы (температура и влажность окружающего воздуха и измеряемой среды, напряжение и частота электрической сети, вибрация, внешнее магнитное поле и др.) находятся в определенном данной методикой диапазоне, а оператор соответствует установленной в ней квалификации,то физические величины будут измеряться в этой лаборатории с известной погрешностью.

Методики выполнения измерений содержат следующие структурные элементы и разделы:

• наименование;

• область применения;

• нормативные ссылки;

• определения;

• обозначения и сокращения;

• требования к погрешности измерений или приписанные характеристики погрешности измерений;

• средства измерения и вспомогательные устройства;

• методы измерений;

• требования безопасности, охраны окружающей среды;

• требования к квалификации операторов;

• условия измерений;

• подготовка к выполнению измерений;

• выполнение измерений;

• обработка результатов измерений;

• контроль точности результатов измерений;

• приложения.

Порядок разработки и аттестации методик выполнения измерений определяет Росстандарт. Аттестацию методик в сферах распространения государственного метрологического контроля и надзора осуществляют ГНМЦ, территориальные органы Государственной метрологической службы и другие организации, аккредитованные на право проведения аттестации. Аттестацию методик, применяемых вне сфер распространения государственного метрологического контроля и надзора, предприятия проводят в установленном ими порядке.