Методы повышения точности средств измерений и выполнения измерений

Общими методами повышения точности СИ (средств измерений) и выполнения измерений является следующие.

1. Методы стабилизации параметров СИ реализуются использованием стабильных материалов, выбором соответствующих режимов работы, отработкой технологии изготовления как самих материалов, так и деталей путём предварительного старения и т.д.

2. Методы пассивной защиты от быстро изменяющихся влияющих величин путём их усреднения (фильтрации) с целью снижения случайных погрешностей. Сюда относятся фильтрация пульсаций постоянного напряжения, получаемого от выпрямителей, экранирование цепей прибора от паразитных связей и наводок, защиты от тряски и вибраций СИ, установленных на подвижных объектах и т.д. Достоинствами методов пассивной защиты является их простота, надёжность и малая стоимость, недостаток – невозможность защиты СИ от медленно изменяющихся влияющих величин.

3. Методы активной защиты от постоянных или медленно изменяющихся влияющих величин – это стабилизация этих величин: стабилизация питающих напряжений, температуры, влажности и т.д. Основной недостаток активной защиты – её сложность и высокая стоимость.

4. Методы коррекции систематических погрешностей. Идея этого метода заключается в том, чтобы автоматически ввести поправку, компенсирующую возникающую погрешность или вызывающую её влияющую величину. Сюда относятся коррекция температурной погрешности СИ путём использования соответствующих цепей с терморезисторами; коррекция частотных характеристик измерительных усилителей с помощью корректирующих цепей и т.д.

5. Исключение прогрессирующих погрешностей путём коррекции нуля и чувствительности средств измерений. При этом в результате коррекции исключаются только те погрешности, которые были в данный момент времени у данного СИ, т.к. сразу после коррекции идёт новое возрастание этих погрешностей. Такая коррекция должна периодически повторяться и тем чаще, чем выше требуемая точность и чем сложнее измерительное устройство. В ИИС, ИВК и АСНИ этот интервал между коррекциями может быть от нескольких часов до нескольких минут, для чего используется микропроцессоры, обрабатывающие в ходе измерения получаемые величины и вычисляющие уже скорректированные значения результатов измерения.

6. Статистическая обработка данных для получения усреднённых значений полученных результатов и уменьшения случайных погрешностей. Это связанно с увеличением количества измерений, т.е. с увеличением времени на измерительную операцию.

Фундаментальный источник погрешностей измерений. Основные понятия и виды погрешностей

Термин погрешность происходит от слова «грех»: погрешить – отступить от истины, отступить от Бога, так трактуют старые русские словари. В определении термина погрешность заложен тот же смысл – отступить от истинного значения.

Погрешности измерений подразделяются на методические, инструментальные, вычисления и погрешности оператора.

Методические погрешности( ) возникают из-за несовершенства метода измерений, неточности формул, применяемых для описания явлений, положенных в основу измерений. К ним относятся также погрешности, обусловленные влиянием средств измерений на объект, свойство которого изменяется. Например, вольтметр по принципу действия потребляет ток из цепи измерения. Из-за падения напряжения на внутреннем сопротивлении источника измеряемого напряжения на выводах вольтметра напряжение будет меньше измеряемого. Вольтметр же измеряет напряжение на своих выводах. Возникающая при этом погрешность – методическая.

Инструментальные (приборные, аппаратурные) погрешности ( )– это погрешности средств измерений, определяемые несовершенством средств измерений вследствие недостаточно высокого качества элементов, влиянием внешних условий, воздействием помех на входе, погрешностями изготовления и сборки средств измерений. Инструментальная погрешность индивидуальна для каждого средства измерений.

При проведении эксперимента может появиться необходимость обработки промежуточных результатов измерений с использованием средств вычислительной техники. Они могут внести погрешность, обусловленную неточностью выполнения вычислительных операций, которая называется погрешностью вычисления ( ).

Погрешность оператора (субъективная, личная ), в узком смысле – это погрешность отсчитывания, возникает вследствие индивидуальных особенностей (степень внимания, подготовленность) операторов, проводящих измерения. Эти погрешности практически отсутствуют при использовании автоматизированных средств измерений.

Таким образом, погрешность измерения представляет собой объединение этих составляющих .

По форме представления погрешности разделяются на абсолютные и относительные.

Абсолютная погрешность ( ) измерений, выражаемая в единицах измеряемой величины, представляет разность между измеренным и истинным (действительным) значениями измеряемой величины .

Относительная погрешность ( ) представляет отношение абсолютной погрешности к истинному (действительному) значению измеряемой величины . Обычно относительная погрешность выражается в процентах (17.3).

По характеру измерения физической величины погрешности средства измерения делятся на статическиеи динамические.

Статистическая погрешность ( ) – это погрешность средств измерений в случае, когда измеряемая величина за время измерения не изменяется. Предполагается, что не изменяется и действительное значение измеряемой величины. Абсолютную погрешность в этом случае остаётся постоянной.

Погрешности измерений подразделяются на методические, инструментальные, вычисления и погрешности оператора. При статистической обработке результатов наблюдений согласно ГОСТ 8.207-76 «ГСИ. Прямые измерения с многократными наблюдениями. Методы обработки результатов наблюдений» выполняются следующие операции:

1. Исключают известные систематические погрешности из результатов наблюдений.

2. Вычисляют среднее арифметическое исправленных результатов наблюдений, принимая его за оценку истинного значения измеряемой величины.

3. Вычисляют оценки СКО ряда ( ) и результата измерения ( ).

4. Проверяют гипотезу о нормальности распределения результатов наблюдения.

5. Вычисляют доверительные границы случайной погрешности результата измерения при доверительной вероятности =0,95, а также при =0,99, если измерения в дальнейшем повторить нельзя.

6. Определяют границы неисключенной систематической погрешности результата измерений.

7. Вычисляют доверительные границы погрешности результата измерений.

8. Записывают результат измерения.

9. Рассмотрим операции более подробно. Наличие систематических погрешностей определяет степень правильности измерений: чем они меньше, тем правильнее измерения.

Причины возникновения систематических погрешностей обычно могут быть установлены при подготовке и проведении измерений. Эти причины весьма разнообразны: несовершенство используемых средств и методов измерений (погрешности метода и инструментальные погрешности ); неправильное расположение приборов в пространстве и по отношению друг к другу; влияние внешних факторов (температурных, гравитационных, радиационных и других полей) на параметры средств измерений (дополнительные погрешности) и на объект измерения; личные погрешности оператора и др.

По характеру проявления систематические погрешности разделяются на постоянные и переменные. Постоянные систематические погрешности возникают при неправильной установке начала отсчёта, неправильной градуировке и остаются постоянными при всех повторных наблюдениях. Поэтому, если они возникли, их очень трудно обнаружить в результатах наблюдений. Переменные погрешности могут возникнуть от нестабильности напряжения источника питания, влияния внешних полей и других влияющих величин, которые сами изменяются по некоторым законам.

Систематические погрешности можно исключить или уменьшить, устранив причины их появления. Сюда относится: теплоизоляция или термостатирование узлов или прибора в целом; применение экранов для защиты от электромагнитных полей и др. Другим радикальным средством исключения систематических погрешностей является поверка средств измерений с целью определения поправок к результатам измерений, которые представляются в виде таблиц или графиков поправок. При этом поправкой называют значение величины, одноимённой с измеряемой, которое прибавляют к полученному при измерении значению величины с целью исключения систематической погрешности, т.е.

_п+ = (17.4).