Лекция 8

2.3. Методы повышения точности Средств измерений и выполнения измерений

Анализ причин появления погрешностей измерения, выбор способов их обнаружения и уменьшения является одним из основных этапов процесса измерений. Погрешности измерений, как уже отмечалось, принято делить на систематические и случайные. В процессе измерений систематические и случайные погрешности появляются совместно и образуют нестационарный случайный процесс. Деление погрешностей на систематические и случайные являются удобным приемом для их анализа и разработки методов уменьшения влияния на результат измерения.

Теория погрешностей главным образом посвящена анализу погрешностей и методам оценки погрешностей результатов измерений на основе теории вероятностей и математической статистики. Систематические погрешности при этом считаются скорректированными благодаря введению поправок и использованию других методов, а не исключенные остатки таких погрешностей рассматриваются как реализации случайной величины и, так же как случайные погрешности, оцениваются вероятностными характеристиками.

Здесь рассматриваются способы обнаружения и исключения систематических погрешностей, поскольку они зависят от выбора метода измерений и его осуществления.

Большинство систематических погрешностей может быть выявлено и оценено путем теоретического анализа свойств объекта исследования, условий, особенностей метода, характеристик применяемых средств измерений, априорной информации и др.

Случайные погрешности, в отличие от систематических, нельзя заранее выявить и устранить до и в процессе измерения. Их влияние на результат измерения можно уменьшить путем проведения измерений с многократными наблюдениями и последующей обработки результатов таких измерений.

При планировании измерений в зависимости от цели измерений, требуемой точности, используемых методов и средств измерений и других причин могут быть предусмотрены многократные наблюдения. Но в большинстве случаев измерения физических величин, за исключением метрологических работ, проводятся однократные измерения и особое внимание следует уделять методам уменьшения систематических погрешностей.

По характеру изменения систематические погрешности делятся на постоянные и переменные. Последние, в свою очередь, подразделяются на периодические и прогрессирующие. К постоянным относятся, например, погрешности, связанные с неточной градуировкой шкалы прибора, отклонением размера меры от номинального значения, неточным выбором моделей объектов.

Периодической называют погрешность, изменяющаяся по периодическому закону, например, погрешность отсчета при определении времени по башенным часам, если смотреть на стрелку снизу, температурная погрешность от измерения температуры в течение суток и т.п.

Прогрессирующими называются погрешности, монотонно изменяющиеся (> или <) в общем случае по сложному обычно неизвестному закону. Прогрессирующие погрешности во многих случаях обусловлены старением элементов СИ и могут быть скорректированы при его периодической проверке.

По причине возникновения погрешности измерений физических величин разделяются на три основные группы: методические, инструментальные и погрешности взаимодействия.

Методические погрешности обусловлены неадекватностью принимаемых моделей реальным объектами, несовершенством методов измерений, упрощением зависимостей, положенных в основу измерений, неопределенностью (диффузностью) объекта измерения.

Инструментальные погрешности обусловлены прежде всего особенностями используемых в средствах измерений принципов и методов измерений, а также схемным, конструктивным и технологическим несовершенством средств измерений. К инструментальным погрешностям относится погрешность СИ в рабочих условиях, включающая в себя основную, дополнительные (из-за влияющих величин и неинформативных параметров входного сигнала) и динамическую погрешность. Инструментальные погрешности данного средства измерений определяются при его испытании и указываются в технической документации (паспорте, свидетельстве и поверке и т.д.)

Погрешности взаимодействия обусловлены взаимным влиянием СИ, объекта исследования и экспериментатора.

Погрешности из-за взаимного влияния СИ и объекта измерения обычно принято отнести к методическим погрешностям, а погрешности экспериментатора называются личными погрешностями. Однако такая классификация недостаточно полно отражает суть рассматриваемых погрешностей.

Параметры взаимодействия входят в состав метрологических характеристик и различны для разных средств измерений. Такими параметрами могут быть потребляемая мощность, входное сопротивление, сопротивление изоляции, теплоемкость, контактное давление, развиваемое усилие, масса датчика и т.п. Зная эти параметры, можно дать оценку погрешности взаимодействия и скорректировать полученные результаты измерений.

Погрешность взаимодействия практически отсутствует при использовании бесконтактных методов и СИ, при которых влияние СИ на объект исследования и измеряемую величину сведено до минимума и вообще его нет. Эта погрешность также отсутствует, если применяемое средство измерений постоянно подключено к объекту, т.е. является его неотъемлемой частью.

Принято считать, что совершенствование отсчетных устройств и особенно использование приборов с цифровыми отсчетными устройствами исключают погрешность отсчитывания. Однако увеличение объема получаемой измерительной информации и рост психофизиологической нагрузки могут привести к возникновению существенной составляющей погрешности взаимодействия обусловленной действиями экспериментатора, в том числе ошибками отсчета показаний приборов. При измерении малых напряжений и токов возможны погрешности из-за ТЭДС при прикосновении или приближении экспериментатора к зажимам или другим элементам входной цепи прибора, а также вследствие наводок, передаваемых через его тело (синтетическая одежда накапливает электр. заряды).

Способы обнаружения и устранения систематических погрешностей измерений весьма разнообразны и часто зависят от вида измеряемой физической величины, используемых методов и средств измерений.

Выявление и устранение причин возникновения погрешностей – наиболее распространенный способ устранения всех видов систематических погрешностей.

Примерами такого способа являются:

• термостатирование отдельных узлов или прибора в целом; а также проведение измерений в термостатированных помещениях для исключения температурной погрешности, применение экранов, фильтров и специальных цепей (например, эквипотенциальных цепей).

• Для устранения погрешностей из-за влияния электромагнитных полей, наводок и токов утечек, применение стабилизированных источников питания, амортизация приборов, удаление средств измерений и объектов исследования от источников влияющих воздействий, исключение из измерительной цепи материалов, создающих большую ТЭДС в паре с медью, например никеля, который в паре с медью создает ТЭДС 19мкВ/к.

• При аттестации высокоточных мер магнитной индукции производят компенсацию магнитного поля Земли трехкомпонентной системой катушек с током. Погрешность из-за ТЭДС можно исключить путем включения в цепь термопары, ЭДС которой компенсирует паразитную ТЭДС.

• Для уменьшения прогрессирующей погрешности из-за старения элементов средств измерений (резисторов, растяжек, постоянных магнитов и др.) параметры таких элементов стабилизируют путем искусственного и естественного старения.

• Систематические погрешности можно также уменьшить рациональным распределением средств измерений по отношению друг к другу, к источнику влияющих воздействий и к объекту исследования (например, магнитоэлектрические приборы должны быть удалены друг от друга).

• Многие систематические погрешности, являющиеся не изменяющимися во времени функциями влияющих величин или обусловленные стабильными физическими эффектами, могут быть теоретически рассчитаны и устранены введением поправок или использованием специальных корректирующих цепей.

• Другим радикальным способом устранения систематических погрешностей является поверка средств измерений в рабочих условиях с целью определения поправок к результатам измерения. Это дает возможность учесть все систематические погрешности без выяснения причин их возникновения.

Метод инвертирования широко используется для устранения ряда постоянных и медленно изменяющихся систематических погрешностей. Этот метод и ряд его разновидностей (метод исключения погрешностей по закону, коммуникационного инвертирования, структурной модуляции, двукратных измерений и т.д.) основаны на выделении алгебраической суммы четного числа сигналов измерительной информации, которые вследствие инвертирования отличаются направлением информационного сигнала, опорного сигнала или знаком погрешности.

Метод модуляции (демодуляции), при котором, по существу, производят периодическое инвертирование входного сигнала и подавление помехи, имеющей однонаправленное действие.

Метод исключения погрешности по знаку, который часто применяется для исключения известных по природе погрешностей, источники которых имеют направленное действие, например, погрешностей из-за влияния постоянных магнитных полей, ТЭДС и др. При использовании этого метода два измерения выполняются так, чтобы постоянная систематическая погрешность входила в результаты измерений с разными знаками.

Этого можно достигнуть изменением знака погрешности при неизменном значении измеряемой величины или инвертированием входного сигнала при сохранении знака и значения систематической погрешности.

Метод замещения (метод разновременного сравнения) является наиболее универсальным методом, который дает возможность устранить большинство систематических погрешностей. Измерения осуществляются в два приема. Сначала по отсчетному устройству прибора делают отсчет измеряемой величины, а затем, сохраняя все условия эксперимента неизменными, вместо измеряемой величины на вход прибора подают известную величину, значение которой с помощью регулируемой меры (калибратора) устанавливают таким образом, чтобы показание прибора было таким же, как при включении измеряемой величины. За результат измерения принимается значение известной величины, определяемое по входному коду меры. Погрешность измерения при этом будет образовываться из погрешности меры и умноженной на √2 случайной погрешности прибора.

Метод разновременного компарирования используется при изменениях таких величин, которые нельзя с высокой точностью воспроизводить с помощью регулируемых мер или других технических средств. Обычно это величины, изменяющиеся с высокой частотой или по сложному закону. В качестве известных регулируемых величин при этом используются величины такого же рода, как измеряемые, но отличающиеся от них спектральным составом (обычно постоянные во времени и пространстве) и создающие такой же, как и измеряемая величина, сигнал на выходе компарирующего преобразователя.