Понятие и классификация погрешности измерения

Содержание
Введение………………………………………………………………. 3
1. Понятие и классификация погрешности измерения………………. 4
2. Классификация погрешностей измерения………………………… 5
2.1 Классификация по характеру проявления во времени: систематические, случайные………………………………………… 5
2.2 Классификация по источнику возникновения: инструментальные, методические, человеческий фактор………………………………... 8
2.3 Классификация по условиям возникновения: основные, дополнительные……………………………………………………….. 11
2.4 Классификация по характеру режима работы средства измерения: динамические, статические…………………………………………... 13
2.5 Классификация по размерности величины погрешности: абсолютные, относительные…………………………………………. 14
Заключение…………………………………………………………….. 15
Список используемой литературы…………………………………… 16

Введение
Обеспечение единства и требуемой точности измерений, подготовленности методов или средств измерений, постоянного поддержания современного научно-технического и даже опережающего развития областей измерений, являются основными задачами метрологического обеспечения производства.  Целью любых измерений является получение результата, т.е. оценки истинного значения физической величины. Однако какими бы точными и совершенными не были средства и методы измерения и как бы тщательно не выполнялись сами измерения, их результат всегда отличается от истинного значения измеряемой физической величины, т.е. находится с некоторой погрешностью.  Процесс оценки погрешности измерений считается одним из важнейших мероприятий в вопросе обеспечения единства измерений.
Знания в области метрологии и стандартизации в одинаковой степени важны для специалистов в любой области профессиональной деятельности, которые по-новому, осознанно и цивилизованно могут использовать возможности и преимущества метрологии и стандартизации в качестве весомых составляющих конкурентоспособности товара.
Цель данной работы: изучение понятия погрешности измерения, классификации погрешностей измерения во взаимосвязи с причинами их возникновения, применение полученных знаний при изучении своей специальности, развитие элементов исследовательской деятельности, формирование профессиональных компетенций в изучаемой области.
1. Понятие и классификация погрешности измерения
Введение понятия «погрешность» требует четкого разграничения трех понятий: истинного и действительного значений измеряемой физической величины и результата измерений.
Истинное значение физической величины – это значение физической величины, которое идеальным образом характеризует  в качественном и количественном отношении соответствующую физическую величину.
Действительное значение физической величины – это значение физической величины, полученное экспериментальным путем и близкое к истинному значению,
Результат измерения физической величины – это значение  величины, полученное путем ее  измерения.
Погрешность результата измерения – это отклонение результата измерения   от истинного  (действительного) значения измеряемой величины.  Погрешность измерения определяют по формуле:
DХизм = Cизм -CД, где Cизм – измеренное значение величины;  CД – действительное значение величины. Рассмотрим основные признаки, по которым классифицируют погрешности. На рисунке 1 представлена схема классификации погрешностей измерения. [1]
Рисунок 1. Классификация погрешностей измерения
2. Классификация погрешностей измерения
2.1.Классификация по характеру проявления во времени: систематические, случайные
По характеру проявления во времени погрешностей измерения делятся на систематические, случайные, грубые промахи. На рисунке 2 представлено графическое возникновения погрешностей измерений.
Рисунок 2.Погрешности измерения
Случайная погрешность  - составляющая погрешности измерения, изменяющаяся случайным образом по знаку и значению при повторных измерениях одной и той же величины в одних и тех же условиях. Величина случайной погрешности  характеризует другой показатель качества измерений - сходимость результатов при повторных измерениях одного и того же значения измеряемой физической величины.
Случайные погрешности могут быть связаны с несовершенством приборов (трение в механических приборах и т. п.), тряской в городских условиях, с несовершенством объекта измерений (например, при измерении диаметра тонкой проволоки, которая может иметь не совсем круглое сечение в результате несовершенства процесса изготовления) и т.д.
В появлении таких погрешностей нет какой-либо закономерности, они проявляются при повторных измерениях одной и той же величины в виде некоторого разброса получаемых результатов. На рисунке 3 представлена схема изменения случайной погрешности от измерения к измерению.
Рисунок 3. Изменение случайной погрешности от измерения
к измерению
Практически случайные погрешности неизбежны, неустранимы и всегда имеют место в результате измерения. Описание случайных погрешностей возможно только на основе теории случайных процессов математической статистики. В отличие от систематических погрешностей случайные погрешности нельзя исключить из результатов измерений путем введения поправки, однако, их можно существенно уменьшить путем многократного измерения этой величины и последующей статистической обработкой полученных результатов.
Систематическая погрешность  - составляющая погрешности измерения, остающаяся постоянной или закономерно меняющаяся при повторных измерениях одной и той же физической величины.
Величина систематической погрешности Δс,   характеризует один из показателей качества измерений - правильность полученного результата, чем меньше величина Δс, тем правильнее полученный результат.
Такие погрешности могут быть выявлены путем детального анализа возможных их источников и уменьшены введением соответствующей поправки, применением более точных приборов, калибровкой приборов с помощью рабочих мер и пр. Однако полностью их устранить нельзя.
Систематические погрешности могут быть связаны с ошибками приборов (неправильная шкала, калибровка и т. п.), неучтёнными экспериментатором.
Прогрессирующая (дрейфовая) погрешность — непредсказуемая погрешность, медленно меняющаяся во времени. Она представляет собой нестационарный случайный процесс.
Отличительные особенности прогрессирующих погрешностей:
они могут быть скорректированы поправками только в данный момент времени, а далее вновь непредсказуемо изменяются;
изменения прогрессирующих погрешностей во времени - нестационарный случайный процесс, и поэтому в рамках хорошо разработанной теории стационарных случайных процессов они могут быть описаны лишь с известными оговорками.
Прогрессирующая погрешность - это понятие, специфичное для нестационарного случайного процесса изменения погрешности во времени, оно не может быть сведено к понятиям случайной и систематической погрешностей. Последние характерны лишь для стационарных случайных процессов.
Понятие прогрессирующей погрешности широко используется при исследовании динамики погрешностей СИ и метрологической надежности последних.
Грубая погрешность (промах) - это случайная погрешность результата отдельного наблюдения, входящего в ряд измерений, которая для данных условий резко отличается от остальных результатов этого ряда.
Данные погрешности возникают из-за ошибок оператора или неучтенных внешних воздействий.
Возможной причиной возникновения промахов также могут быть кратковременные резкие изменения условий проведения измерений.
В случае однократного измерения обнаружить промах нельзя. При этом целесообразно выполнить два-три измерения и за результат принять их среднее арифметическое значение. При многократных наблюдениях, если промахи обнаруживаются в процессе измерений, то результаты, их содержащие, отбрасывают. Однако, чаще всего промахи выявляют только при окончательной обработке результатов измерений и исключают из рассмотрения, пользуясь определенными правилами. [2,3]
2.2 Классификация по источнику возникновения: инструментальные, методические, человеческий фактор
Инструментальные погрешности возникают из-за несовершенства средств измерения, т.е. от погрешностей средств измерений. Иногда эту погрешность называют аппаратурной.
Причинами ее возникновения являются неточности, допущенные при изготовлении и регулировке приборов, изменение параметров элементов конструкции и схемы вследствие старения. В высокочувствительных приборах могут сильно проявляться их внутренние шумы.
Уменьшают инструментальные погрешности применением более точного прибора.
Методическая погрешность,  обусловлена несовершенством метода измерений, влиянием выбранного средства измерений на измеряемые параметры сигналов, некорректностью алгоритмов или расчетных формул, по которым производят вычисления, округления результатов, отличием принятой модели объекта измерений от той, которая правильно описывает его свойство, определяемое путем измерения.
Отличительной особенностью методических погрешностей является то, что они не могут быть указаны в нормативно-технической документации на используемое средство измерений, поскольку от него не зависят, а должны определяться оператором в каждом конкретном случае.
В связи с этим оператор должен четко различать фактически измеренную им величину и величину, подлежащую измерению. Если, например, вольтметр имеет недостаточно высокое входное сопротивление, то его подключение к схеме способно изменить в ней распределение токов и напряжений.
При этом результат измерения будет отличаться от действительного. Для определения значения сопротивления Rx резистора необходимо измерить ток IR, протекающий через резистор и падение напряжения на нем UR. В приведенной схеме, реализующей этот метод, падение напряжения на резисторе измеряется вольтметром непосредственно, в то время как амперметр измеряет суммарный ток, часть которого протекает через резистор, часть через вольтметр. На рисунке 4 представлен пример появления методической погрешности при измерении сопротивления методом вольтметра-амперметра.
Рисунок 4. Появление методической погрешности при измерении сопротивления методом вольтметра-амперметра
В результате измеренное значение сопротивления будет не Rx = UR / IR, а R' = UR / (IR + Iv), и появляется методическая погрешность измерения ΔR = R' + Rx .
Методическая погрешность уменьшается и стремится к нулю при токе Iv → 0, т.е. при внутреннем сопротивлении вольтметра Rv → ∞. Методическую погрешность можно уменьшить путем применения более точного метода измерения.
Субъективные (личные) погрешности. Субъективная погрешность при измерении той или иной величины обусловлена влиянием, так называемого, человеческого фактора. То есть, результат измерения зависит от работы и индивидуальных особенностей конкретного человека (оператора, наблюдателя, субъекта), который выполняет измерения и проводит обработку полученных результатов. От его квалификации, опыта работы, от его отношения к процессу измерения и восприятия полученной информации, от свойств его органов чувств.
Влияние человеческого фактора проявляется и при настройке или поверке средств измерения и при подготовке объекта измерения.
В различных источниках выделяют четыре вида субъективных погрешностей: профессиональные, отсчитывания, действия и присутствия.
Например, при измерении размеров детали в машиностроении субъективные погрешности действия возникают при перемещении измерительного прибора относительно детали и наоборот.
Погрешность отсчитывания характерна для всех видов измерений. Оператор может снимать показания приборов с опозданием или, наоборот, с опережением времени.
Кроме того, погрешность измерения может быть связана с ошибкой оператора при отсчете показаний, его небрежностью или невнимательностью, его усталостью или плохим самочувствием.
Недостаточно точное снятие показаний приборов может быть связано также с изменением направления взгляда при выполнении измерений стрелочными приборами (погрешность от параллакса).
При определении характеристики субъективной погрешности измерений ее максимальное значение принимается в виде половины цены деления шкалы прибора. Для исключения этой погрешности целесообразно применение цифровых приборов или автоматизация измерений.
Необходимо учитывать субъективную погрешность и при работе с пишущими приборами. В этом случае влияние человеческого фактора велико как при настройке прибора, так и при обработке (планиметрировании) диаграмм.
Для особо точных измерений большое значение имеет погрешность присутствия, которая связана с влиянием тепловых излучений человека на температуру окружающей среды вблизи объекта измерения.[3,4]
2.3 Классификация по условиям возникновения: основные, дополнительные
По условиям, в которых используются средства измерения, различают основную и дополнительную погрешности.
Основная погрешность измерений - та погрешность, которая имеет место при нормальных условиях его эксплуатации, оговоренных в регламентирующих документах (паспорте, технических условиях и пр.).
При градуировке приборов все значения влияющих величин могут поддерживаться в узких пределах их изменения, например, окружающая температура (20 ± 5)ºС, напряжение питания Uном ±5%, коэффициент гармоник напряжения питания не более 1%,относительная влажность (65±5%), параметры внешних электрических и магнитных полей и т.д.
Такие оговоренные в технической документации условия градуировки принято называть нормальными, а погрешность прибора, возникающую в этих условиях, основной погрешностью.
Дополнительная погрешность средства измерения возникает вследствие выхода какой-либо из влияющих величин за пределы нормальной области значений. Если прибор работает в условиях, отличных от нормальных, то возникает дополнительная погрешность, увеличивающая общую погрешность прибора.
К дополнительным погрешностям относятся: температурная, вызванная отклонением температуры окружающей среды от нормальной, установочная, обусловленная отклонением положения прибора от нормального рабочего положения, и т. п. За нормальную температуру окружающего воздуха принимают 20 °C, за нормальное атмосферное давление 101,325 кПа.
В качестве примера рассмотрим работу измерительного прибора, представленного на рисунке 5.
Рисунок 5. Вольтметр переменного тока Э378
Вольтметр предназначен для измерения переменного тока с номинальным значением частоты (50 ± 5)Гц.
Отклонение частоты за эти пределы приведет к дополнительной погрешности измерения.[3]
2.4.Классификация по характеру режима работы средства измерения: динамические, статические
Статическая погрешность измерений - погрешность результата измерений, свойственная условиям статического измерения, то есть при измерении постоянных величин после завершения переходных процессов в элементах приборов и преобразователей. Статическая погрешность средства измерений возникает при измерении с его помощью постоянной величины.
Если в паспорте на средства измерений указывают предельные погрешности измерений, определенные в статических условиях, то они не могут характеризовать точность его работы в динамических условиях.
Примером статической погрешности может служить аддитивная погрешность квантования, возникающая в дискретных измерительных преобразователях, которая не зависит ни от абсолютного значения преобразуемой величины, ни от скорости ее изменения во времени. 
Динамическая погрешность измерений - погрешность результата измерений, свойственная условиям динамического измерения.
Причина появления динамических погрешностей состоит в несоответствии скоростных (временных) характеристик прибора и скорости изменения измеряемой величины. Динамическая погрешность появляется при измерении переменных величин и обусловлена инерционными свойствами средств измерений. Динамической погрешностью средства измерений является разность между погрешностью средства измерений в динамических условиях и его статической погрешностью, соответствующей значению величины в данный момент времени. При разработке или проектировании средства измерений следует учитывать, что увеличение погрешности измерений и запаздывание появления выходного сигнала связаны с изменением условий. Статические и динамические погрешности, присущие как средствам, так и методам измерений, различают по их зависимости от скорости изменения измеряемой величины во времени. Статические и динамические погрешности относятся к погрешностям результата измерений. В большей части приборов статическая и динамическая погрешности оказываются, связаны между собой, поскольку соотношение между этими видами погрешностей зависит от характеристик прибора и характерного времени изменения величины. [4,5]
2.5 Классификация по размерности величины погрешности: абсолютные, относительные
 Абсолютная погрешность - алгебраическая разность между номинальным и действительным значениями измеряемой величины. Абсолютная погрешность измеряется в тех же единицах измерения, что и сама величина, в расчетах её принято обозначать греческой буквой - ∆. (ΔXi = Xi − Xист ). На рисунке 6 графическое изображение ∆X и ∆Y - абсолютные погрешности.
Рисунок 6. Графическое изображение абсолютных погрешностей
Относительная погрешность — отношение абсолютной погрешности к тому значению, которое принимается за истинное. Относительная погрешность является безразмерной величиной, либо измеряется в процентах, в расчетах обозначается буквой - δ. (δXi = ∆Xi/Xд (либо еще * 100%)). Наиболее распространённые причины: ошибки в исходных данных и в вычислениях. [4,5]
Заключение
В реферате отражена и раскрыта тема учебного материала по определённым вопросам, в соответствии с заданием.
При раскрытии вопросов были детально изучены необходимые теоретические основы и положения, которые позволили сделать определённые выводы:
1.Обеспечение единства и требуемой точности измерений, подготовленности методов или средств измерений являются основными задачами метрологического обеспечения производства.
2.Целью любых измерений является получение результата, т.е. оценки истинного значения физической величины. Однако какими бы точными и совершенными не были средства и методы измерения и как бы тщательно не выполнялись сами измерения, их результат всегда отличается от истинного значения измеряемой физической величины, т.е. находится с некоторой погрешностью. 
3.Процесс оценки погрешности измерений считается одним из важнейших мероприятий в вопросе обеспечения единства измерений. Погрешность измерения является характеристикой (мерой) точности измерения.
4.Классификация погрешностей измерений напрямую связана с причинами их возникновения.  Причинами возникновения погрешности являются: несовершенство применяемых методов и средств измерений, непостоянство влияющих на результат измерения физических величин, а также индивидуальные особенности экспериментатора. Кроме того, на точность измерений влияют внешние и внутренние помехи, климатические условия и порог чувствительности измерительного прибора.
Материал данной работы может использоваться для подготовки к зачёту или экзамену.
Список использованной литературы
1. Метрология, стандартизация и сертификация: - М.: ООО"ЛитРес", 2009 г. - 32 с.
2. Радкевич Я.М. Метрология, стандартизация и сертификация : учебник для вузов / Я.М. Радкевич, А.Г. Схиртладзе. 5-е изд., перераб. и доп. Москва : Юрайт, 2012.- 813 с.
3. Лифиц И.М. Стандартизация, метрология и сертификация: Учебник. — 5-е изд., перераб. и доп. — М.: Юрайт-Издат. МОСКВА • ЮРАЙТ , 2005.- 345 с.
4. Сергеев А.Г. Метрология, стандартизация, сертификация - М: «Логос», 2001 г. - 154с.
5. Козлов М.Г. Метрология и стандартизация - СПб.: «Петербургская печать», 2001.- 372 с.