Оценка погрешностей результатов измерения

Рассмотрим группы систематических  погрешностей, отличающихся одна от другой причиной возникновения. В основном различают следующие группы:

1. Инструментальные погрешности, связанные с несовершенством конструкции прибора, неправильностью технологии его изготовления.
2. Погрешности внешних влияний. Особенно часто в измерительной практике приходится сталкиваться с влиянием климатических условий - температуры, давления, влажности. Кроме того, весьма распространенным источником такого рода погрешностей является влияние внешних электромагнитных полей и изменения в напряжении сети питания измерительных приборов.
3. Погрешности метода измерения. Этот вид погрешности может быть связан как с неточностью знания свойства объекта измерения, так и с одинаковым влиянием разных факторов на датчик измерительного прибора. Сюда же можно отнести погрешности пробоподготовки в определении состава веществ и материалов.
4. Субъективные погрешности, связанные либо с недостаточным вниманием, либо с невысокой квалификацией персонала, обслуживающего прибор. Особенно большое значение этот вид погрешности имеет при пользовании приборами с визуальным отсчетом. Большая часть промахов также может быть связана с субъективными погрешностями.

Инструментальная  погрешность

Инструментальная погрешность - это составляющая погрешности, зависящая от погрешности (класса точности) средства измерения. Такие погрешности могут быть выявлены либо теоретически на основании механического, электрического, теплового, оптического расчета конструкции прибора, либо опытным путем на основе контроля его показаний по образцовым мерам, по стандартным образцам, а также компарированием показаний прибора с аналогичными измерениями на других приборах.

Инструментальные погрешности, присущие конструкции прибора, могут  быть легко выявлены из рассмотрения кинематической, электрической или  оптической схемы. Например, взвешивание  на весах с коромыслом обязательно  содержит погрешность, связанную с  неравенством длин коромысла от точек  подвеса чашек до средней точки  опоры коромысла. В электрических  измерениях на переменном токе обязательно  будут погрешности от сдвига фаз, который появляется в любой электрической  цепи. В оптических приборах наиболее частыми источниками систематической  погрешности являются аберрации  оптических систем и явления параллакса. Общим источником погрешностей в  большинстве приборов является трение и связанные с ним наличие  люфтов, мертвого хода, свободного хода, проскальзывания.

Способы устранения или учета  инструментальных погрешностей достаточно хорошо известны для каждого типа прибора. В метрологии процедуры  аттестации или испытаний часто  включают в себя исследования инструментальных погрешностей. В ряде случаев инструментальную погрешность можно учесть и устранить  за счет методики измерений. Например, неравноплечесть весов можно установить, поменяв местами объект и гири. Аналогичные приемы существуют практически во всех видах измерения.

Инструментальные погрешности, часто связанные с несовершенством  технологии изготовления измерительного прибора. Особенно это касается серийных приборов, выпускаемых большими партиями. При сборке может иметь место  отличие в сигналах с датчиков, отличие в установке шкал. Подвижные  части приборов могут собираться с разным натягом, механические детали могут иметь разные значения допусков и посадок даже в пределах установленной  нормы. В оптических приборах огромное значение имеет качество сборки или  юстировка оптической измерительной  системы. Современные оптические приборы  могут иметь десятки и сотни  сборочных единиц, а допуски при  сборке составляют дол и длины  волны оптического излучения (λ = 0,4 - 0,7 мкм).

Методы выявления таких  погрешностей чаще всего состоят  в индивидуальной градуировке измерительного прибора по образцовым мерам или  по образцовым приборам. В современных  приборах коррекция показаний может  быть выполнена не только переградуировкой шкалы, но и коррекцией электрического сигнала или компьютерной обработкой результата. Естественно, что во всех случаях коррекции должно предшествовать исследование показаний прибора.

Инструментальные погрешности, связанные с износом или старением  средства измерения, имеют определенные характерные особенности. Процесс  износа, как правило, проявляется  в погрешностях измерения постепенно. Изменяются зазоры в сопрягаемых  деталях, соприкасающиеся поверхности  покрываются коррозией, изменяются упругости пружин и т. д. Изменяется масса гирь, уменьшаются размеры  образцовых мер, изменяются электрические  и физико-химические свойства узлов  и деталей приборов, и все это  приводит к изменению показаний приборов. Старение приборов - это, как правило, следствие изменений структуры материалов, из которых сделан прибор. Изменяются не только механические характеристики, но и электрические, оптические, физико-химические. Стареют металлы и сплавы, изменяя исходную намагниченность, стареет оптика, приобретая дополнительное светорассеяние или центры окраски, стареют датчики состава веществ. Последнее хорошо известно тем, кто профессионально работал с химреактивами, которые могут сорбировать воду, реагировать с окружающей средой и с примесями. Использование химических веществ в измерительной технике всегда необходимо с учетом срока годности реактива.

Устранение погрешностей приборов от старения или износа, как  правило, проводится по результатам  поверки, когда устанавливается  погрешность по истечении какого-либо длительного времени хранения или  эксплуатации. В ряде случаев достаточно почистить прибор, но иногда требуется  ремонт или перекалибровка шкалы. Например, при появлении систематических  погрешностей во взвешивании на весах  удается вернуть им работоспособность  обычным техническим обслуживанием - регулировкой и смазкой. При более  серьезном старении приходится переполировывать трущиеся детали или заменять сопрягаемые  детали.

Особенно важно выявить  систематическую погрешность у  приборов, предназначенных для поверки  средств измерений - у образцовых приборов. Как правило, на образцовых приборах выполняется меньший объем  работы, чем на рабочих приборах, и по этой причине систематический  временной «уход» показаний может  не так наглядно проявляться. Вместе с тем невыявленная в образцовых приборах погрешность передается другим приборам, которые по данному образцовому  прибору поверяются.

С целью уменьшения влияния  процессов старения на измерительную  технику в ряде случаев прибегают  к искусственному старению наиболее ответственных узлов. У оптических приборов - рефрактометров, интерферометров, гониометров - старение проявляется  часто в том, что несущие конструкции  «ведет», т. е. они изменяют форму, особенно в тех местах, где есть сварка или обработка металла резанием. Для того чтобы свести к минимуму влияние такого старения, готовые  узлы выдерживаются какое-то время  в жестких климатических условиях или в специальных камерах, где  процесс старения можно ускорить, изменив температуру, давление или  влажность.

Отдельное место в инструментальных погрешностях занимает неправильная установка  и исходная регулировка средства измерения. Многие приборы имеют  встроенные указатели уровня. Это  значит, что перед измерением нужно  отгоризонтировать прибор. Причем, такие требования предъявляются  не только к средствам измерений  высокой точности, но и к рутинным приборам массового использования. Например, неправильно установленные  весы будут систематически «обвешивать» покупателя, на гониометре невозможно работать без тщательного горизонтирования отсчетного устройства. В приборах для измерения магнитного поля весьма существенным может оказаться ориентация его относительно силовых линий  поля Земли. Озонометры нужно очень  тщательно ориентировать по Солнцу. Многие приборы требуют установки  по уровню или по отвесу. Если двухплечие весы не установлены горизонтально, нарушаются соотношения длин между  коромыслами. Если маятниковые механизмы  или грузопоршневые манометры установлены  не по отвесу, то показания таких  приборов будут сильно отличаться от истинных.

Погрешности, возникающие  вследствие внешних влияний

Под категорией погрешностей, возникающих вследствие внешних влияний, обычно понимают изменение показаний приборов под воздействием температуры, влажности и давления. Тем не менее, это лишь часть причин, приводящих к появлению систематических погрешностей. Сюда же следует отнести влияние вибраций, постоянных и переменных ускорений, влияние электромагнитного поля и различных излучений: рентгеновского, ультрафиолетового, ионизирующих излучений, гамма-излучения. По мере развития техники и науки появилась возможность и необходимость проводить измерения в нестандартных условиях, например в Космосе или внутри подводной лодки. Специфичность условий измерения может доходить до высших категорий, если ставить задачу измерения погодных условий на Марсе или на Венере. Такие же особенности могут иметь место в реальных жизненно важных для нас ситуациях. Если речь идет о контроле параметров ядерного реактора, то условия, в которых работает измерительный прибор, могут значительно отличаться от стандартных.

Влияние температуры - наиболее распространенный источник погрешности при измерениях. Поскольку от температуры зависит длина тел, сопротивление проводников, объем определенного количества газа, давление насыщенного пара индивидуальных веществ, то сигналы со всех видов датчиков, где используются упомянутые физические явления, будут изменяться с изменением температуры. Существенно, что сигнал сдатчика не только зависит от абсолютного значения температуры, но от градиента температуры в том месте, где расположен датчик. Еще одна из причин появления «температурной» систематической погрешности - это изменение температуры в процессе измерения. Указанные причины существенны при косвенных измерениях, т. е. в тех случаях, когда нет необходимости измерять температуру как физическую величину. Тем не менее в собственно температурных измерениях необходимо тщательно исследовать показания приборов в различных температурных интервалах. Например, результаты измерения теплоемкости, теплопроводности, теплотворной способности топлива могут сильно искажаться от различного рода температурных воздействий.

Учитывая большое влияние  температуры на физические свойства материалов и, соответственно, на показания  приборов, особое внимание следует  обращать на температурные условия  в тех комнатах, лабораториях и  зданиях, где проводятся градуировочнные  или поверочные работы. Здесь необходимо тщательно следить за отсутствием  тепловых потоков, градиентов температуры, однородностью температуры окружающей среды и измерительного прибора. Для того чтобы избежать влияния  этих факторов на измерения, приборы  длительное время выдерживают в  термостатированном помещении, прежде чем начинать какие-либо работы. Для  особо точных измерений иногда используют дистанционные манипуляторы, чтобы  исключить тепловые помехи, создаваемые  операторами.

Для большинства приборов при испытаниях на право серийного  выпуска программа испытаний  обязательно содержит исследование показаний прибора (одного или нескольких образцов) в зависимости от температуры.

Влияние магнитных или  электрических полей сказывается  не только на средствах измерения  электромагнитных величин. В зависимости  от принципа действия прибора наведенная ЭДС или токи Фуко могут исказить показания любого датчика, выходным сигналом которого служит напряжение, ток, сопротивление или электрическая  емкость. Таких приборов существует великое множество, особенно в тех  случаях, когда приборы имеют  цифровой выход. Аналогово-цифровые преобразователи  иногда начинают регистрировать сигналы  радиочастотных или еще каких-либо электрических полей. Очень часто  электромагнитные помехи попадают в  прибор по сети питания. Выяснить причины появления таких ложных сигналов, научиться вводить поправки в измерения при наличии электромагнитных помех - это одна из важных проблем метрологии и измерительной техники.

Особенно важен рассматриваемый  фактор появления систематических  погрешностей в больших городах, где хорошо поставлена связь, телевидение, радиовещание и т.п. Уровень электромагнитного  излучения бывает настолько высоким, что, например, вблизи мощного телецентра может загореться низковольтная  лампочка, если ее соединить с проволочным  контуром без источника питания. Тот же эффект можно наблюдать  в зоне действия радиолокаторов вблизи какого-либо аэропорта. О том, что  этот фактор может существенно влиять на показания измерительных приборов, свидетельствует тот факт, что  буквально за последние несколько  лет появились возможности уверенной  радиотелефонной связи, а также  уверенного приема спутникового телевидения. Это означает, что уровень сигнала  в окружающем нас пространстве достаточно высок и легко регистрируется соответствующей техникой. Этот же сигнал будет накладываться на сигналы, поступающие с датчиков измерительных  приборов.

Еще один интересный случай появления систематических погрешностей при измерениях связан с измерительными приборами на кораблях. Много лет  назад опытными мореплавателями  было установлено, что если корабль  идет долгое время курсом «норд» или  «зюйд» некоторые приборы начинают показывать неверные результаты, т. е. приобретают какую-то систематическую  погрешность. Причина этого была выяснена довольно точно: корабль намагничивается  от магнитного поля Земли и при  дальнейшем изменении курса сохраняет  остаточную намагниченность. В наше время это хорошо исследованный  эффект. Во время мировой войны  суда специально размагничивали, чтобы  избежать срабатывания магнитных мин. Сейчас в ряде стран, в том числе  и у нас, созданы корабли науки, которые либо делаются из немагнитных материалов, либо персонал тщательно следит за намагниченностью корпуса. Такие суда осуществляют дальнюю и космическую связь, занимаются экологическими измерениями, исследуют озоновый слой Земли, исследуют прохождения радиоволн и выполняют еще целый ряд необходимых функций.