ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 29.10.2023
Просмотров: 363
Скачиваний: 1
ВНИМАНИЕ! Если данный файл нарушает Ваши авторские права, то обязательно сообщите нам.
СОДЕРЖАНИЕ
МОДУЛЬ 1. Предметная область метрологии
МОДУЛЬ 2. ШКАЛЫ И ПРИМЕНЕНИЕ ИХ В МЕТРОЛОГИИ
МОДУЛЬ 3. Физические величины, системы единиц физических величин
МОДУЛЬ 4. КЛАССИФИКАЦИЯ ИЗМЕРЕНИЙ. ПОНЯТИЕ О КАЧЕСТВЕ ИЗМЕРЕНИЙ
МОДУЛЬ 5. КЛАССИФИКАЦИЯ ПОГРЕШНОСТЕЙ ИЗМЕРЕНИЙ
МОДУЛЬ 6. МЕТОДЫ ВЫЯВЛЕНИЯ И ИСКЛЮЧЕНИЯ ПОГРЕШНОСТЕЙ
МОДУЛЬ 7. АНАЛИЗ ТОЧЕЧНЫХ ДИАГРАММ
МОДУЛЬ 8. МАТЕМАТИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА И ФОРМЫ ПРЕДСТАВЛЕНИЯ РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ
МОДУЛЬ 13. СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ. МЕТРОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ
МОДУЛЬ 14. ЭТАЛОНЫ ЕДИНИЦ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН И ПЕРЕДАЧА ЕДИНИЦ ОТ ЭТАЛОНОВ
, которые вызваны воздействием на измеряемый объект и средства измерений любойвлияющей физической величины, выходящей за пределы нормальной области значений. Влияющие физические величины обычно обусловлены температурными, электромагнитными и другими полями в рабочей зоне (измерительная позиция и ближайшее окружение), давлением воздуха, его избыточной влажностью, наличием вибраций на рабочем месте, где выполняются измерения.
Есть множество факторов, которые могут не привести или привести к искажению самой измеряемой величины и (или) измерительной информации о ней. Например, изменение температуры тела не приводит к изменению его массы, но вызывает изменения линейных размеров, изменения сопротивления прохождению электрического тока. Повышенная влажность не влияет на размеры металлических деталей, но может привести к изменению размеров и массы изделий из гидрофильных материалов, которые впитывают влагу из окружающей атмосферы (вот почему в упаковки товаров иногда вкладывают пакетики с силикагелем).
Поиск влияющих величин осуществляется при анализе конкретной методики выполнения измерений. В процессе проведения анализа следует внимательно относиться к «дополнительным погрешностям средств измерений», возникающим из-за действия влияющих величин, поскольку учет только этих составляющих может привести к «потере» результатов воздействия тех же влияющих величин на объект измерения.
«Погрешности условий» могут возникать либо из-за постоянного или закономерно изменяющегося отличия влияющей величины от ее номинального значения, либо из-за стохастических колебаний этой величины. Например, если рассматривать температурные погрешности, то они могут возникать из-за стабильного отличия температуры от нормальной (так при измерениях длины температура детали 25 оС, а не 20 оС вызовет постоянную температурную погрешность), а постепенный рост температуры в помещении от начала к концу рабочей смены приведет к переменной температурной погрешности. Кроме того, как бы мы ни старались поддерживать постоянную температуру, никакие технические устройства не обеспечат ее абсолютной стабильности в помещении. Невозможно полностью компенсировать воздействия ряда случайных факторов вне и внутри рабочего помещения (изменение теплообмена при движении воздушных масс, воздействии солнечных лучей, вносе и выносе деталей, перемещении операторов и заказчиков, включении и выключении приборов и т.д.). В результате возникают стохастические колебания температуры и случайно изменяющаяся составляющая температурной погрешности.
Субъективная погрешность измерения (субъективная погрешность) – составляющая систематической погрешности измерений, обусловленная индивидуальными особенностями оператора. Иногда субъективную погрешность называют личной погрешностью или личной разностью.
В примечании дополнительно сказано: «Встречаются операторы, которые систематически опаздывают (или опережают) снимать отсчеты показаний средств измерений». Безобразный стиль оставим на совести авторов нормативного документа, отметим только назойливое желание в очередной раз приписать погрешностям от некоторого источника систематический характер.
Субъективные погрешности включают погрешности отсчитывания и погрешности манипулирования средствами измерений и измеряемым объектом. При измерениях часто приходится оперировать устройствами совмещения, настройки и корректировки нуля, арретирования, устройствами базирования средства измерений и измеряемого объекта, устройствами присоединения средства измерений к объекту для снятия сигнала измерительной информации (чувствительными элементами). Такие манипуляции часто приводят к погрешностям, особенно существенным у операторов с недостаточно высокой квалификацией.
Погрешности отсчитывания возникают при использовании аналоговых средств измерений с устройством выдачи измерительной информации типа «шкала-указатель». При положении указателя между отметками шкалы отсчитывание осуществляется либо с округлением до ближайшего деления, либо с интерполированием доли деления на глаз. Погрешность округления результата до целого деления составляет не более половины цены деления отсчетного устройства, а при интерполировании доли деления погрешность отсчитывания еще меньше и обычно составляет не более 1/10 части цены интерполируемого деления. При удачной эргономике отсчетного устройства у опытных операторов погрешность отсчитывания не превышает 1/20 части цены деления.
В случае, если плоскости шкалы и указателя не совпадают, возможно возникновение погрешности отсчитывания из-за параллакса при «косом» направлении взгляда оператора. Для уменьшения погрешностей от параллакса используют методы сближения указателя со шкалой (скошенные кромки нониуса штангенциркуля и барабана микрометра, расположенный в плоскости шкалы световой указатель), а также искусственные приемы получения нормального угла зрения (специальные наглазники и налобники в оптических приборах, зеркальная полоска под шкалой электроизмерительных приборов и др.).
Очевидно, что погрешности отсчитывания в рассмотренной интерпретации (погрешности округления или интерполирования и погрешности из-за параллакса) не возникают при использовании приборов с дискретной выдачей информации на цифровых табло.
Принятое некоторыми авторами деление субъективных погрешностей на «погрешности присутствия», «погрешности отсчитывания», «погрешности действия» и «профессиональные погрешности» представляется неудачным. Поскольку под «погрешностями присутствия» понимают те, которые вызваны температурным (и другими) полями оператора, представляется более правильным в данном контексте рассматривать оператора всего лишь как один из источников возмущения, вызывающий искажение условий измерения. К «погрешностям действия» в подобной классификации почему-то не относят погрешности отсчитывания. Что касается «профессиональных погрешностей», то их связывают с квалификацией оператора. Очевидно, что не стоит выделять эти погрешности в особую классификационную группу: высокая квалификация оператора позволяет свести к минимуму как «погрешности действия» (погрешности манипулирования средствами и объектами измерений), так и погрешности отсчитывания. Особенностью высококвалифицированных операторов является преобладание в личностных погрешностях систематической составляющей, в то время как у операторов с малым опытом доминируют случайные погрешности. Аналогичное явление наблюдается при рассеянии результатов попадания в мишень у опытных и начинающих стрелков.
Распределение источников погрешностей можно проиллюстрировать на схеме измерения физической величины (рисунок 5.3).
В трактовке данной схемы взаимодействие средства измерений с измеряемым объектом определяет «метод измерения», следовательно, и методические погрешности. «Условия измерений» на схеме взяты в широком смысле и включают в себя не только влияющие величины, но и факторы, оказывающие отрицательное воздействие на оператора (недостаточная освещенность, шумовое загрязнение среды и др.). Тем не менее, оценивать «погрешность условий» все-таки предлагается только как результат действия влияющих величин (величина А воздействует только на измеряемый объект, В – на измеряемый объект и на средство измерений, С – только на средство измерений).
В метрологической литературе встречаются и другие классификации погрешностей измерений по источникам возникновения. Абсолютно строгой классификации источников погрешностей быть не может, поскольку воздействия источников переплетаются. Так методические погрешности в некоторой степени определяются выбранным средством измерений, условия измерений (если они связаны с теми влияющими величинами, которые оказывают воздействие на средства измерений) можно рассматривать как источник дополнительных инструментальных погрешностей, дискомфортные условия измерений приводят к увеличению субъективных погрешностей и т.д. Следует помнить, что классификации погрешностей в метрологии имеют четко определенное целевое назначение – использование при анализе методик выполнения измерений для выявления погрешностей и оценки их значений.
Погрешность измерения , которая всегда является интегральной погрешностью, образуется в результате объединения составляющих погрешностей от разных источников:
= си* м *у *оп ,
где * – знак объединения (комплексирования а не алгебраического сложения), поскольку погрешности разного характера объединяют с использованием разных математических операций.
Каждый из источников может дать одну, либо несколько (в том числе и значительное число) элементарных составляющих. В последнем случае составляющая погрешность интегральной погрешности измерения сама является интегральной. В качестве примеров, иллюстрирующих множество составляющих в одном источнике, можно представить представленные выше результаты рассмотрения субъективной и инструментальной погрешностей.
В метрологической литературе встречаются разные классификации погрешностей измерений по характеру их проявления (изменения). Традиционным является деление погрешностей на случайные, систематические и грубые, и этот же подход принят в стандартах.
Тем не менее, однозначно распределить погрешности в соответствии с принятым в стандарте делением на систематические, случайные и грубые в ряде случаев не удается из-за неудачных определений и возможности произвольной их трактовки. Результаты нечеткого деления погрешностей приводят к явно нелепым ситуациям. Например, в некоторых источниках, включая РМГ 29 – 99, погрешности методические, «условий» и субъективные относят к систематическим. Такая позиция способствует образованиюнеправильного стереотипа, увязывающего характер составляющей погрешности с источником ее появления.
Очевидно, что одни и те же погрешности в некоторых случаях могут проявляться либо как систематические, либо как случайные. В литературе встречается и такой подход, который трактует распределение погрешностей на систематические и случайные только как один из приемов анализа. Принятие такой концепции равноценно признаниюприписыванияпогрешностям любого произвольно выбранного характера проявления.
Реальное положение характеризуется фактическим наличием как детерминированных, так и случайных (стохастических) явлений, которые вызывают появлениесоответствующих погрешностей. Например, наряду с закономерным изменением длины стержня при повышении или понижении температуры широко известно броуновское движение, которое следует рассматривать как проявление стохастических (случайных) явлений, проходящих на молекулярном уровне. Надо признать также возможность объединенного воздействия множества явлений, которые по
отдельности имеют функциональную природу, но в итоге комплексирования при измерениях приводят к появлению случайных результатов из-за неопределенности действующих факторов, малости воздействия каждого из них и неоднозначности объединения воздействий отдельных факторов. При большом числе действующих факторов такой механизм приводит к стохастическому характеру комплексных воздействий. Подобные механизмы действуют при бросании игральных костей, остановке запущенной рулетки, выбрасывании «лототроном» шара с определенным номером. Все описанные системы используют как генераторы случайных чисел.
Поскольку механизмы образования значительной части составляющих погрешности измерений сходны с механизмами формирования случайных величин, можно ожидать наличия в результатах измерений случайных погрешностей. Если это допущение оправдано, оно дает возможность использовать для обработки результатов измерений со случайными погрешностями аппарат теории вероятностей и математической статистики.
С другой стороны, очевидно наличие погрешностей с детерминированным механизмом образования. И средства измерений, и измеряемые объекты, и окружающая среда подчиняются физическим законам. Поэтому при взвешивании объекта на пружинных весах приходится считаться с широтой места взвешивания и его высотой над уровнем моря. В прецизионных измерениях по необходимости учитывают увеличение объема тел при нагревании, изменение диэлектрических свойств воздуха при использовании емкостных преобразователей или его оптических свойств при измерении длины лазерным интерферометром.
Анализ стандартных определений погрешностей измерения позволяет выявить их недостатки и откорректировать содержание широко применяемых терминов. Так определение систематической погрешности измерения страдает избыточностью и неоправданными ограничениями. По РМГ 29 – 99 систематическая погрешность измерения (систематическая погрешность) – составляющая погрешности результата измерения, остающаяся постоянной или закономерно изменяющаяся при повторных измерениях одной и той же физической величины. Здесь акцентирующие слова «остающаяся постоянной» явно избыточны, поскольку постоянство является вырожденным случаем закономерных изменений. Упоминание повторных измерений одной и той же величины некорректно, так как систематика погрешностей может проявляться и при измерениях физических величин разных размеров. Так неправильная настройка прибора («сбитый ноль») приводит к появлению постоянной составляющей погрешности при любых измерениях, проводимых до изменения настройки.
Есть множество факторов, которые могут не привести или привести к искажению самой измеряемой величины и (или) измерительной информации о ней. Например, изменение температуры тела не приводит к изменению его массы, но вызывает изменения линейных размеров, изменения сопротивления прохождению электрического тока. Повышенная влажность не влияет на размеры металлических деталей, но может привести к изменению размеров и массы изделий из гидрофильных материалов, которые впитывают влагу из окружающей атмосферы (вот почему в упаковки товаров иногда вкладывают пакетики с силикагелем).
Поиск влияющих величин осуществляется при анализе конкретной методики выполнения измерений. В процессе проведения анализа следует внимательно относиться к «дополнительным погрешностям средств измерений», возникающим из-за действия влияющих величин, поскольку учет только этих составляющих может привести к «потере» результатов воздействия тех же влияющих величин на объект измерения.
«Погрешности условий» могут возникать либо из-за постоянного или закономерно изменяющегося отличия влияющей величины от ее номинального значения, либо из-за стохастических колебаний этой величины. Например, если рассматривать температурные погрешности, то они могут возникать из-за стабильного отличия температуры от нормальной (так при измерениях длины температура детали 25 оС, а не 20 оС вызовет постоянную температурную погрешность), а постепенный рост температуры в помещении от начала к концу рабочей смены приведет к переменной температурной погрешности. Кроме того, как бы мы ни старались поддерживать постоянную температуру, никакие технические устройства не обеспечат ее абсолютной стабильности в помещении. Невозможно полностью компенсировать воздействия ряда случайных факторов вне и внутри рабочего помещения (изменение теплообмена при движении воздушных масс, воздействии солнечных лучей, вносе и выносе деталей, перемещении операторов и заказчиков, включении и выключении приборов и т.д.). В результате возникают стохастические колебания температуры и случайно изменяющаяся составляющая температурной погрешности.
Субъективная погрешность измерения (субъективная погрешность) – составляющая систематической погрешности измерений, обусловленная индивидуальными особенностями оператора. Иногда субъективную погрешность называют личной погрешностью или личной разностью.
В примечании дополнительно сказано: «Встречаются операторы, которые систематически опаздывают (или опережают) снимать отсчеты показаний средств измерений». Безобразный стиль оставим на совести авторов нормативного документа, отметим только назойливое желание в очередной раз приписать погрешностям от некоторого источника систематический характер.
Субъективные погрешности включают погрешности отсчитывания и погрешности манипулирования средствами измерений и измеряемым объектом. При измерениях часто приходится оперировать устройствами совмещения, настройки и корректировки нуля, арретирования, устройствами базирования средства измерений и измеряемого объекта, устройствами присоединения средства измерений к объекту для снятия сигнала измерительной информации (чувствительными элементами). Такие манипуляции часто приводят к погрешностям, особенно существенным у операторов с недостаточно высокой квалификацией.
Погрешности отсчитывания возникают при использовании аналоговых средств измерений с устройством выдачи измерительной информации типа «шкала-указатель». При положении указателя между отметками шкалы отсчитывание осуществляется либо с округлением до ближайшего деления, либо с интерполированием доли деления на глаз. Погрешность округления результата до целого деления составляет не более половины цены деления отсчетного устройства, а при интерполировании доли деления погрешность отсчитывания еще меньше и обычно составляет не более 1/10 части цены интерполируемого деления. При удачной эргономике отсчетного устройства у опытных операторов погрешность отсчитывания не превышает 1/20 части цены деления.
В случае, если плоскости шкалы и указателя не совпадают, возможно возникновение погрешности отсчитывания из-за параллакса при «косом» направлении взгляда оператора. Для уменьшения погрешностей от параллакса используют методы сближения указателя со шкалой (скошенные кромки нониуса штангенциркуля и барабана микрометра, расположенный в плоскости шкалы световой указатель), а также искусственные приемы получения нормального угла зрения (специальные наглазники и налобники в оптических приборах, зеркальная полоска под шкалой электроизмерительных приборов и др.).
Очевидно, что погрешности отсчитывания в рассмотренной интерпретации (погрешности округления или интерполирования и погрешности из-за параллакса) не возникают при использовании приборов с дискретной выдачей информации на цифровых табло.
Принятое некоторыми авторами деление субъективных погрешностей на «погрешности присутствия», «погрешности отсчитывания», «погрешности действия» и «профессиональные погрешности» представляется неудачным. Поскольку под «погрешностями присутствия» понимают те, которые вызваны температурным (и другими) полями оператора, представляется более правильным в данном контексте рассматривать оператора всего лишь как один из источников возмущения, вызывающий искажение условий измерения. К «погрешностям действия» в подобной классификации почему-то не относят погрешности отсчитывания. Что касается «профессиональных погрешностей», то их связывают с квалификацией оператора. Очевидно, что не стоит выделять эти погрешности в особую классификационную группу: высокая квалификация оператора позволяет свести к минимуму как «погрешности действия» (погрешности манипулирования средствами и объектами измерений), так и погрешности отсчитывания. Особенностью высококвалифицированных операторов является преобладание в личностных погрешностях систематической составляющей, в то время как у операторов с малым опытом доминируют случайные погрешности. Аналогичное явление наблюдается при рассеянии результатов попадания в мишень у опытных и начинающих стрелков.
Распределение источников погрешностей можно проиллюстрировать на схеме измерения физической величины (рисунок 5.3).
В трактовке данной схемы взаимодействие средства измерений с измеряемым объектом определяет «метод измерения», следовательно, и методические погрешности. «Условия измерений» на схеме взяты в широком смысле и включают в себя не только влияющие величины, но и факторы, оказывающие отрицательное воздействие на оператора (недостаточная освещенность, шумовое загрязнение среды и др.). Тем не менее, оценивать «погрешность условий» все-таки предлагается только как результат действия влияющих величин (величина А воздействует только на измеряемый объект, В – на измеряемый объект и на средство измерений, С – только на средство измерений).
В метрологической литературе встречаются и другие классификации погрешностей измерений по источникам возникновения. Абсолютно строгой классификации источников погрешностей быть не может, поскольку воздействия источников переплетаются. Так методические погрешности в некоторой степени определяются выбранным средством измерений, условия измерений (если они связаны с теми влияющими величинами, которые оказывают воздействие на средства измерений) можно рассматривать как источник дополнительных инструментальных погрешностей, дискомфортные условия измерений приводят к увеличению субъективных погрешностей и т.д. Следует помнить, что классификации погрешностей в метрологии имеют четко определенное целевое назначение – использование при анализе методик выполнения измерений для выявления погрешностей и оценки их значений.
Погрешность измерения , которая всегда является интегральной погрешностью, образуется в результате объединения составляющих погрешностей от разных источников:
= си* м *у *оп ,
где * – знак объединения (комплексирования а не алгебраического сложения), поскольку погрешности разного характера объединяют с использованием разных математических операций.
Каждый из источников может дать одну, либо несколько (в том числе и значительное число) элементарных составляющих. В последнем случае составляющая погрешность интегральной погрешности измерения сама является интегральной. В качестве примеров, иллюстрирующих множество составляющих в одном источнике, можно представить представленные выше результаты рассмотрения субъективной и инструментальной погрешностей.
В метрологической литературе встречаются разные классификации погрешностей измерений по характеру их проявления (изменения). Традиционным является деление погрешностей на случайные, систематические и грубые, и этот же подход принят в стандартах.
Тем не менее, однозначно распределить погрешности в соответствии с принятым в стандарте делением на систематические, случайные и грубые в ряде случаев не удается из-за неудачных определений и возможности произвольной их трактовки. Результаты нечеткого деления погрешностей приводят к явно нелепым ситуациям. Например, в некоторых источниках, включая РМГ 29 – 99, погрешности методические, «условий» и субъективные относят к систематическим. Такая позиция способствует образованиюнеправильного стереотипа, увязывающего характер составляющей погрешности с источником ее появления.
Очевидно, что одни и те же погрешности в некоторых случаях могут проявляться либо как систематические, либо как случайные. В литературе встречается и такой подход, который трактует распределение погрешностей на систематические и случайные только как один из приемов анализа. Принятие такой концепции равноценно признаниюприписыванияпогрешностям любого произвольно выбранного характера проявления.
Реальное положение характеризуется фактическим наличием как детерминированных, так и случайных (стохастических) явлений, которые вызывают появлениесоответствующих погрешностей. Например, наряду с закономерным изменением длины стержня при повышении или понижении температуры широко известно броуновское движение, которое следует рассматривать как проявление стохастических (случайных) явлений, проходящих на молекулярном уровне. Надо признать также возможность объединенного воздействия множества явлений, которые по
отдельности имеют функциональную природу, но в итоге комплексирования при измерениях приводят к появлению случайных результатов из-за неопределенности действующих факторов, малости воздействия каждого из них и неоднозначности объединения воздействий отдельных факторов. При большом числе действующих факторов такой механизм приводит к стохастическому характеру комплексных воздействий. Подобные механизмы действуют при бросании игральных костей, остановке запущенной рулетки, выбрасывании «лототроном» шара с определенным номером. Все описанные системы используют как генераторы случайных чисел.
Поскольку механизмы образования значительной части составляющих погрешности измерений сходны с механизмами формирования случайных величин, можно ожидать наличия в результатах измерений случайных погрешностей. Если это допущение оправдано, оно дает возможность использовать для обработки результатов измерений со случайными погрешностями аппарат теории вероятностей и математической статистики.
С другой стороны, очевидно наличие погрешностей с детерминированным механизмом образования. И средства измерений, и измеряемые объекты, и окружающая среда подчиняются физическим законам. Поэтому при взвешивании объекта на пружинных весах приходится считаться с широтой места взвешивания и его высотой над уровнем моря. В прецизионных измерениях по необходимости учитывают увеличение объема тел при нагревании, изменение диэлектрических свойств воздуха при использовании емкостных преобразователей или его оптических свойств при измерении длины лазерным интерферометром.
Анализ стандартных определений погрешностей измерения позволяет выявить их недостатки и откорректировать содержание широко применяемых терминов. Так определение систематической погрешности измерения страдает избыточностью и неоправданными ограничениями. По РМГ 29 – 99 систематическая погрешность измерения (систематическая погрешность) – составляющая погрешности результата измерения, остающаяся постоянной или закономерно изменяющаяся при повторных измерениях одной и той же физической величины. Здесь акцентирующие слова «остающаяся постоянной» явно избыточны, поскольку постоянство является вырожденным случаем закономерных изменений. Упоминание повторных измерений одной и той же величины некорректно, так как систематика погрешностей может проявляться и при измерениях физических величин разных размеров. Так неправильная настройка прибора («сбитый ноль») приводит к появлению постоянной составляющей погрешности при любых измерениях, проводимых до изменения настройки.