1.4.2. Виды и источники погрешностей

Традиционно все погрешности измерений разделяют на систематические, случайные и грубые (промахи).

• Систематическая погрешность - составляющая абсолютной погрешности, остающаяся постоянной или закономерно изменяющаяся в течение всего цикла измерений или (и) при повторных измерениях одной и той же физической величины.

Источником систематических погрешностей служат несовершенство технических средств и методик измерения, процессы, происходящие при взаимодействии средства и объекта измерений

• Случайная погрешность – составляющая абсолютной погрешности, которая изменяется случайным образом при повторных измерениях одной и той же физической величины.

Основным источником случайных погрешностей являются шумы и помехи различной природы, которые возникают в самом объекте измерения, в используемых средствах измерений, окружающей среде, устройствах передачи измерительной информации.

• Грубая погрешность – погрешность, которая вызывается, как правило, однократными причинами, и существенно превышает величину погрешности, ожидаемой в данных условиях.

Такими причинами могут быть, например, сбои аппаратуры, ошибки персонала, резкие изменения условий окружающей среды.

Традиционное разделение погрешностей на систематические, случайные и грубые достаточно условно. Погрешности, имеющие одинаковую физическую природу, в одной ситуации могут рассматриваться как систематические, в другой - как случайные, а в третьей их вообще будет затруднительно отнести к тому или другому виду.

Поэтому в 1981 году Международным комитетом мер и весов была принята официальная рекомендация, предлагающая классифицировать погрешности не по характеру их проявления (случайные и систематические), а по возможности или невозможности использовать для их определения методы математической статистики.

Такой подход особенно оправдан в связи со все большим использованием цифровых сигналов и компьютерной обработке результатов измерений. В этом случае в результате использования различных методов обработки случайных по своей природе погрешностей может переводить их в разряд систематических..

Методическая и инструментальная погрешности.

• Инструментальная погрешность определяется несовершенством используемых средств измерений.

Источником инструментальной погрешности служат неидеальность самих физических принципов, которые используются в средствах измерений, процессы в электронных устройствах средств измерений, несовершенство средств отображения информации.

• Методическая погрешность определяется несовершенством принципов и методов измерения.

Источником методических погрешностей могут являться:

• взаимное влияние объекта и средства измерений;

• свойства объекта, которые не учитываются или не в полной мере учитываются методикой измерений;

• ограниченность наших знаний о природе объекта;

• динамические характеристики объекта и из­мерительных средств;

• используемые способы обработки измерительных сигналов;

• погрешности калибровки или градуировки измерительного средства;

• отличие условий из­мерения от стандартных или нормированных;

• неточность нашего знания о истинной величине исполь­зуемых констант,

а также многие другие факторы.. 1

Отдельно среди методических погрешностей выделяют погрешности, свя­занные с обработкой результатов измерений, в том числе статистической. Эти погрешности могут быть связаны как с округлением промежуточных и конечных результатов, так и с несоответствием используемых теоретических вероятностных характеристик, тем которые реализуются на опыте.

Современные средства измерений, построенные на последних достижениях аналоговой электроники и цифровой техники, позволяют свести к минимуму величину инструментальной погрешности. Для цифровых и микропроцессорных измерительных приборов без особых проблем можно получить величину инструментальной погрешности на уровне (0,1-0,5)%, т.е. высокий класс точности - 0,1-0,5. Однако результирующая погрешность измерений на практике оказывается, как правило, существенно выше, что определяется наличием методической составляющей погрешности.

В лабораторных условиях или при проведении научных исследований обычно стараются все перечисленные выше факторы учесть и устранить, по меньшей мере, свести их влияние к минимуму. Однако в технических измерениях, т.е. при измерении физических величин, характеризующих производственные объекты, сделать это крайне затруднительно. Поэтому в технике именно методическая погрешность очень часто определяет реальную величину погрешности измерений.

• Отличительной особенностью методических погрешностей является то, что они не могут быть указанны в документации на средства измерений и должны выявляться в каждом конкретном случае.

• Выявление и устранение методических погрешностей требует глубокого понимания принципов и методов измерений, физических процессов взаимодействия средства измерений с объектом измерений, что особенно важно при ис­пользовании сложных наукоемких методов измерений

• Существование методической погрешности определяет необходи­мость очень четко понимать различие между тем, что мы хотим измерить, и тем, что мы измеряем на самом деле.

Аддитивная и мультипликативная погрешности.

Систематическая погрешность измерительных средств (инструмен­тальная погрешность) может зависеть от значения измеряемой величины (входного сигнала). По характеру этой зависимости погрешности средств из­мерений делятся на аддитивные и мультипликативные.

Аддитивная погрешность остается постоянной при изменении изме­ряемой входной величины и выражается в смещении нулевых уровней изме­рительного прибора. Ее причиной может быть смещение, дрейф напряжения источника питания или неточ­ная установкой нуля прибора, наличие паразитной термоЭДС, помехи в из­мерительных цепях и другие факторы.

Мультипликативная погрешность есть погрешность средства измере­ний, которая изменяется пропорционально измеряемой величине и определяется нестабильностью коэффициента передачи элементов измерительной цепи. Эта нестабильность может быть связана с, изменениями характеристик этих элементов во времени (старение), под воздействием внешней среды, условий внешней среды, отличием условий эксплуатации средства измерений от нормальных. На­пример, изменение входного сопротивления прибора при изменении темпе­ратуры.

Мультипликативная и аддитивная погрешности могут быть частично устранены путем введения соответствующих поправок, определяемых при градуировке изме­рительного средства.

Статическая и динамическая погрешность.

Статическая погрешность это погрешность средств измерения, кото­рая возникает при измерении физической величины, остающейся неизменной в процессе измерений.

Динамическая погрешность возникает при измерении физических величин, изменяющихся во времени. Величина динамической погрешности определяются двумя факторами:

• собственными динамическими (инерционными) свойствами средства измерения

• характером (скоростью) изменения измеряемой величины.

Обычно динамические погрешности обычно рассматриваются как сис­тематические. Однако при случайном характере измеряемой величины ди­намические погрешности приходится рассматривать как случайные

Контрольные вопросы

1. Поясните содержание понятий «принцип» и «метод» измерений.

2. Какими характеристиками описывается точность методов и средств измерений

3. Назовите основные метрологические принципы измерений

4. Какие существуют варианты метода сравнения, в чем их общность и различие.

5. В чем различие методов прямого и косвенного измерений.

6. Объясните суть понятия «совокупные измерения»

7. К какому виду погрешностей – случайным или систематическим, относятся мультипликативная и аддитивная погрешности.

8. Разъясните, какие причины могут являться потенциальным источником методической погрешности и почему