Классификация погрешностей

Погрешность результата каждого конкретного измерения складывается из многих составляющих, обязанных своим происхождением различным факторам и источникам. Традиционный аналитический подход к оцениванию погрешностей результата состоит в выделении этих составляющих, изучении их по отдельности и последующем суммировании. Зная свойства и оценив количественные характеристики составляющих погрешностей, можно правильно учесть их при оценивании погрешности результата или, если это возможно, ввести поправки в результат измерения. Выделив и оценив отдельные составляющие погрешности, иногда оказывается возможным так организовать измерение, чтобы эти составляющие не оказывали влияния на результат. В целях единообразия подхода к анализу и оцениванию погрешностей в метрологии принята следующая классификация.

1. По характеру проявления во времени выделяют систематические и случайные составляющие погрешности.

Систематическая погрешность ( или ) – составляющая погрешности измерения, остающаяся постоянной или закономерно изменяющаяся при повторных измерениях одной и той же величины. Она определяется действием факторов, постоянных или закономерно изменяющихся в процессе измерительного эксперимента. Например, плавные изменения влияющих величин или погрешности применяемых при измерениях образцовых мер. Выявление и оценка систематических погрешностей являются наиболее трудным моментом любого измерения и часто связаны с необходимостью проведения исследований. Обнаруженная и оцененная систематическая погрешность исключается из результата введения поправки.

В зависимости от причины возникновения различают следующие систематические погрешности.

Погрешность метода (теоретическая погрешность) измерений – составляющая погрешности измерения, обусловленная несовершенством метода измерений. Здесь необходимо учитывать тот факт, что метод измерения, по определению, включает в себя и принцип измерения. Рассматриваемая погрешность определяется в основном несовершенством принципа измерения и, в частности, недостаточной изученностью явления, положенного в основу измерения.

Инструментальная погрешность – составляющая погрешность измерения, зависящая от погрешности применяемых средств измерений. Данная погрешность имеет несколько составляющих, наиболее важные из которых определяются несовершенством конструкции (или схемы), технологии изготовления средств измерений, постепенным их износом и старением материалов, из которых эти средства изготовлены.

Погрешность установки является следствием неправильности установки средств измерений.

Погрешность от влияющих величин является следствием воздействия на объект и средства измерения внешних факторов (тепловых и воздушных потоков, магнитных, электрических, гравитационных и других полей, атмосферного давления, влажности воздуха, ионизирующего излучения).

Субъективная погрешность обусловлена индивидуальными свойствами человека, выполняющего измерения. Причиной ее являются укоренившиеся неправильные навыки выполнения измерений. К этой систематической погрешности относятся, например, погрешность из-за неправильного отсчитывания десятых долей делений шкалы прибора, погрешности из-за различной для каждого человека скорости реакции и т.п.

По характеру проявления систематические погрешности подразделяют на постоянные и переменные.

Постоянные погрешности не изменяют своего значения при повторных измерениях. Причинами этих погрешностей являются: неправильная градуировка средств измерений, неправильная установка начала отсчета и т.д.

Переменные погрешности при повторных измерениях могут принимать различные значения. Если переменная погрешность при повторных измерениях возрастает или убывает, то ее называют прогрессивной. Переменная погрешность может изменяться при повторных измерениях периодически или по сложному закону.

Случайная погрешность измерения ( или ) – составляющая погрешности измерения, изменяющаяся случайным образом при повторных измерениях одной и той же величины.

Случайная погрешность определяется факторами, проявляющимися нерегулярно с изменяющейся интенсивностью. Такими причинами могут оказаться, к примеру, незначительные колебания температуры различных деталей и узлов установки, скачки напряжения, вибрации, турбулентные движения воздуха, трение в механизмах, ошибки считывания показаний приборов и т.п. Значение и знак случайной погрешности определить невозможно, так как в каждом опыте причины, вызывающие погрешность, действуют неодинаково. Случайная погрешность не может быть исключена из результата измерений. Однако проведением ряда повторных измерений и использованием для их обработки методов математической статистики определяют значение измеряемой величины со случайной погрешностью, меньшей, чем для одного измерения.

При организации статистических измерений, для которых и определяется случайная погрешность, создаются условия, характеризующиеся тем, что интенсивность всех действующих факторов доводится до некоторого уровня, обеспечивающего более или менее равное влияние на формирование погрешности. В этом случае говорят об ожидаемой погрешности. Кроме этой погрешности могут иметь место грубые погрешности и промахи.

Грубой погрешностью называют погрешность измерения, существенно превышающую ожидаемую при данных условиях. Причинами грубых погрешностей могут являться неисправность средств измерений, резкое изменение условий измерений и влияющих величин.

Промах – погрешность измерения, которая явно и резко искажает результат. Его появление – следствие неправильных действий экспериментатора.

Грубые погрешности и промахи обычно исключаются из экспе­риментальных данных, подлежащих обработке.

2. По источнику возникновения различают инструментальные (погрешности приборов измерения), методические (погрешности методики расчета) и личные (погрешности из-за неточности отсчета доли деления по шкале, неточности отсчета из-за параллакса, невнимательности и др.) погрешности.

3. По условиям возникновения у средств измерения различают основную и дополнительные погрешности.

Погрешность средства измерения, определенная при нормальных условиях, называется основной. Погрешность, обусловленная выходом значений влияющих величин за пределы нормальных значений, называется дополнительной.

4. В зависимости от режима работы средства измерения различают статаческую и динамическую погрешность.

Динамическая составляющая погрешности возникает при работе средства измерения в динамическом режиме и определяется двумя фаторами: динамическими (инерционными) свойствами средства измерений и характером (скоростью) изменения измеряемой величины.

5. У средств измерения часто можно выделить составляющие погрешности, не зависящие от значения измеряемой величины, и погрешности, изменяющиеся пропорционально измеряемой величине. Такие составляющие называют, соответственно, аддитивными и мультипликативными. Аддитивной, например, является систематическая погрешность, вызванная неточной установкой нуля у стрелочного прибора с равномерной шкалой, мультипликативной – погрешность измерения отрезков времени отстающими или спешащими часами.