Систематические погрешности. Способы их обнаружения и устранения

Группы погрешностей, приведенные ранее (инструмен­тальные, методические, субъективные), при своем проявлении могут содержать случайную и систематическую составляющие, поэтому при анализе причин возникновения систематических погрешностей выделяют эти же группы погрешностей с добавле­нием четвертой группы — погрешностей внешних влияний. Мето­дические погрешности подразделяют при этом на теоретические (погрешности измерительной модели, или погрешности метода) и практические (погрешности установки прибора и т.п.).

Главные источники систематических погрешностей в большин­стве областей измерений известны, и разработаны методы, по­зволяющие их устранить до начала измерения или, если это не­возможно, определить поправку для внесения в результат измере­ния.

Приведем примеры факторов, влияющих на возникновение инструментальных погрешностей: неравноплечесть весов, погреш­ность градуировки шкалы прибора или штриховых мер длины, погрешность установки нуля, отклонение от номинального зна­чения массы гири, а также различного рода перекосы, искрив­ления, люфты, зазоры, отклонения от номинальных размеров отдельных деталей, допускаемые при изготовлении измеритель­ных средств. Например, при изготовлении оптико-механических приборов для измерения длины экономически нецелесообразно ужесточать допуски на отдельные детали оптических систем и после сборки каждого прибора (или после ремонта) производится юстировка отдельных узлов и всего прибора в целом.

Инструментальные погрешности возрастают, как правило, при увеличении срока службы измерительных средств. При этом увеличение погрешностей до значений, в два - четыре раза превышающих допускаемые значения, может долгое время оставаться незамеченным. Особенно это опасно в эталонных средствах измерений, используемых для поверки рабочих СИ. Следовательно, необходимо назначать разумный межповерочный интервал с учетом условий и интенсивности эксплуатации измерительных средств.

Теоретические погрешности — соответствие, корректность измерительной модели исследуемому объекту, использование упрощений или допущения при вычислении результатов измерений.

Приведем примеры.

1. При определении площади прямоугольника не всегда достаточно измерить две его стороны. В зависимости от допустимой грешности измерения должны или не должны контролироваться углы, равенство диагоналей, равенство противоположных сторон, прямолинейность сторон, неплоскостность.

2. При определении прочности бетона неразрушающими методами с использованием эмпирических зависимостей (например, скорость ультразвука — прочность) систематическая погрешность метода, как правило, значительно превосходит допустимую, если не произведено уточнение цены деления прибора путем предварительных испытаний, позволяющих учесть вид заполнителей и особенности состава бетона.

3. При изготовлении бетонных смесей необходимо оперативно корректировать дозировку воды в зависимости от влажности используемого песка. Применяемые для этой цели электрические и электронные влагомеры, в основе которых лежит зависимость электрических параметров от влажности материала, имеют погреш­ать, обусловленную тем, что на данные электрические параметры помимо влажности влияет также и гранулометрия песка.

Практические погрешности — это погрешности установки при­бора и погрешность оператора.

Погрешности установки прибора — отклонения от горизонтали или вертикали при установке весов, геодезических приборов и др.; несогласованность характеристик отдельных при­боров, входящих в измерительный комплекс; неправильность уста­новки прибора, вызывающая устойчивый параллакс при отсчете по шкале и др.

Неправильность установки прибора — наиболее частая причи­на неучтенных погрешностей при линейно-угловых измерениях с помощью линейки, метра, рулетки, угольника, штангенциркуля. Заметим, что рассмотренные теоретические погрешности и по­грешности установки во многом сходны и по существу являются методическими. Вместе с тем приведенные причины погрешно­стей при линейно-угловых измерениях можно отнести к субъек­тивным.

Погрешность оператора (субъективная) — запаз­дывание при регистрации измерительного сигнала, низкая точ­ность отсчета по шкале, приложение недостаточных или избы­точных физических усилий при выполнении измерений, непра­вильный выбор позиции, приводящей к параллаксу при отсчете по шкале. Вызываемые этими факторами погрешности могут но­сить как систематический, так и случайный характер.

Погрешности внешних влияний легко учитываются, если фактор влияния хорошо изучен и постоянно контролируется.

В большинстве областей измерений известны главные внешние источники систематических погрешностей и разработаны мето­ды, исключающие их возникновение или устраняющие их влияние на результат измерения. Однако влияние некоторых факторов (магнитные и электрические поля, ионизирующие излучения, изменения атмосферного давления и др.) может оставаться неза­меченным оператором или недооцениваться, особенно в тех слу­чаях, когда влияние непрерывно и систематическая погрешность остается постоянной в процессе измерений.

Используют следующие пути учета и исключения системати­ческих погрешностей от внешних воздействий.

1.Устранение источников погрешностей или обеспечение за­щиты от них до начала измерений. Например, для устранения вли­яния температуры применяют термостатирование или кондицио­нирование. Для устранения влияния магнитных полей применяют различного рода экраны. Влияние вибраций устраняют путем амор­тизации. Влияние изменения влажности — герметизацией.

2. Исключение погрешностей в процессе измерения специаль­ными методами или вычисление и внесение в результат измере­ния соответствующих поправок. При этом используют методы за­мещения, противопоставления, симметричных наблюдений и спе­циальные статистические методы.