Классификация погрешностей средств измерений в метрологии

Измерения играют ключевую роль в научных исследованиях, промышленности и других областях жизни. Благодаря им можно получить точные данные для принятия управленческих решений, разработки новых товаров и технологий. Несмотря на современные достижения в области метрологии и постоянное совершенствование измерительных приборов, погрешности остаются неизбежной частью этого процесса. Они могут существенно влиять на корректность результатов, что способно привести к неправильным выводам и решениям. 

В данной статье рассматривается классификация погрешностей средств измерений в метрологии. Знание их основных видов и причин возникновения необходимы для повышения точности и надежности измерений.

Что такое погрешность измерений?

Под данным термином в метрологии подразумевается отклонение значения величины, найденной путем ее измерения, от истинного (действительного) значения. 

Так как истинное значение измеряемой величины неизвестно, при количественной оценке погрешности пользуются действительным значением физической величины.

Влияние погрешностей на результаты измерений

Погрешности сказываются на измерениях и их интерпретации исключительно негативным образом. Это включает в себя:

• снижение точности измерений. Погрешности могут привести к тому, что полученные значения не будут соответствовать истине. Из-за этого результаты измерений не будут достоверными; 
• влияние на принятие решений. Ошибки в измерениях могут привести к неправильным выводам и, как следствие, к неверным решениям. Например, в научных исследованиях они могут исказить результаты эксперимента и привести к ошибочным гипотезам; 
• увеличение уровня неопределенности общих результатов измерений. Это может затруднить интерпретацию данных, особенно если полученные результаты используются для дальнейших расчетов или сравнений.

Погрешности могут привести к смещению всех производимых измерений в ту или иную сторону. Они могут создавать ложное ощущение точности, когда на самом деле данные искажены.

О классификации погрешностей

В метрологии погрешности измерений классифицируются по разным признакам. Ниже описаны основные: 

• По виду представления — абсолютная, относительная и приведенная погрешности;
• По источнику возникновения — субъективная, инструментальная и методическая погрешности;
• По измеряемой величине — аддитивная (не зависящая от измеряемой величины) и мультипликативная (меняющаяся пропорционально измеряемой величине);
• По режиму работы средства измерений — статическая и динамическая погрешности; 

Также погрешности классифицируются по характеру проявления во времени. В данном случае выделяются случайная и систематическая погрешности.

Виды погрешностей измерений и их классификация

В метрологии существует несколько основных разновидностей погрешностей измерений. Они подробно описаны ниже.

Статическая погрешность

Это ошибка, которая возникает в результате измерений, проводимых в условиях статического процесса. Такая погрешность наблюдается при измерении постоянных величин, когда все переходные процессы уже завершены. Другими словами, статическая погрешность может иметь место только в тех случаях, когда измеряемые параметры стабильны и не изменяются во времени. 

Статическая погрешность может существенно влиять на конечный результат измерений. В паспортах на измерительные приборы часто указываются предельные значения погрешностей, которые были определены в статических условиях. 

Однако следует помнить, что они не всегда адекватно отражают точность работы приборов в динамических условиях. Поэтому важно учитывать, что статическая погрешность не является единственным критерием оценки точности измерительного устройства. Для полной картины необходимо проводить анализ его характеристик в условиях, когда величины меняются – то есть в динамике.

Динамическая погрешность

Это ошибка, возникающая в процессе измерения переменных величин. Данная погрешность характерна для условий динамического измерения, когда параметры, которые требуется зафиксировать, изменяются во времени. 

Динамическая погрешность обусловлена инерционными свойствами измерительных средств, которые могут не успевать реагировать на изменения величин, что влияет на точность получаемых данных. 

Динамическая погрешность определяется как разность между погрешностью измерительного устройства в условиях динамического измерения и его статической погрешностью. Это значит, что при изменении измеряемых параметров (например, при колебаниях или скачках значений), динамическая погрешность может существенно меняться, что делает результаты менее надежными.

Систематические погрешности

Это составляющая погрешности результата измерения, остающаяся постоянной или закономерно изменяющаяся при повторных измерениях одной и той же физической величины. Систематические погрешности подразделяются на следующие виды:

• постоянные. Сохраняются в течение длительного времени. Например, при выполнении всего ряда измерений; 
• прогрессивные. Это непрерывно возрастающие или убывающие погрешности; 
• периодические. Могут возникать из-за случайного перемещения указателя измерительного прибора и других аналогичных факторов; 
• изменяющиеся по сложному закону. Происходят вследствие действия нескольких систематических погрешностей.

Причинами систематических погрешностей могут быть неисправности средств или несовершенство метода измерений, неправильная установка приборов, отступление от нормальных условий их работы, особенности самого оператора – человеческий фактор.

Случайные погрешности

Это составляющая погрешности измерения, изменяющаяся случайным образом в серии повторных измерений одной и той же величины, проведенных в аналогичных условиях. В таких погрешностях нет закономерности, они обнаруживаются при повторных измерениях одной и той же величины в виде разброса результатов.

Случайные погрешности всегда присутствуют при измерениях. Однако их влияние можно устранить путем обработки результатов с использованием методов математической статистики. Случайные погрешности могут быть вызваны несовершенством приборов либо самого объекта измерений.

Абсолютная погрешность

Это разность между значением величины, полученным в процессе измерений, и действительным значением данной величины. Погрешность выражается в тех же единицах, что и измеряемая величина. В расчетах ее принято обозначать греческой буквой ∆.

Относительная погрешность

Это отношение абсолютной погрешности измерения к истинному (действительному) значению измеряемой величины. Относительная погрешность выражается в процентах или в долях от измеряемой величины. В расчетах она обозначается буквой δ.

Приведённая погрешность

Это относительная погрешность, в которой абсолютная погрешность средства измерения отнесена к условно принятому нормирующему значению, постоянному во всем диапазоне измерений или его части. Приведенная погрешность – величина безразмерная. Иногда она измеряется в процентах.

Грубые погрешности (ошибки, промахи)

Это погрешности измерения, существенно превышающие ожидаемую при данных условиях погрешность. Особенностью грубых погрешностей является то, что они легко выявляются, поскольку результаты сильно отличаются от остальных. Обычно результаты измерений с грубыми погрешностями в расчетах не учитываются. Поэтому они не оказывают сильного влияния на точность измерений. Промахи также исключаются из обработки результатов измерений.

Причины возникновения погрешностей

Причины возникновения погрешностей в метрологии могут быть различными. Например:

• неверная настройка средства измерений или случайное изменение его настроек во время эксплуатации; 
• неверная установка объекта измерения на позицию; 
• ошибки в процессе получения, преобразования и выдачи информации в измерительной цепи средства измерений; 
• внешние воздействия на средство и/или объект измерений (изменение температуры и давления, влияние электрического и магнитного полей, вибрация).

Также погрешности могут спровоцировать свойства измеряемого объекта, уровень квалификации и физическое состояние оператора.

Ошибки метода измерения

Погрешность метода измерения в метрологии (методическая погрешность) вызвана несовершенством метода измерений. Возникает из-за принципиальных недостатков используемого метода, неполноты знаний о происходящих при измерении процессах, либо из-за неточности применяемых расчетных формул.

Недостатки измерительных приборов

Это погрешности, которые возникают из-за дефектов при изготовлении, сборке и настройке прибора, а также вследствие влияния внешних факторов. Основные типы недостатков измерительных приборов в метрологии представлены ниже:

• нелинейность шкалы. Например, у электромагнитных приборов с сохранением имеющегося класса точности возможны ошибки в диапазоне 60% от верхнего предела шкалы; 
• относительно низкая чувствительность приборов при измерении малых токов; 
• зависимость показаний приборов от влияния внешних магнитных полей. Например, катушки электромагнитных приборов изготовляют без ферромагнитных сердечников, поэтому создаваемое в них магнитное поле замыкается по воздуху. А воздух - среда с большим сопротивлением; 
• низкий частотный диапазон измерений; 
• чрезмерно высокая чувствительность приборов к колебаниям частот тока.

К недостаткам измерительных приборов относятся постоянно завышенные или заниженные показания. Например, если вследствие дефекта изготовления стрелка на шкале удлинений разрывной машины в исходном положении устанавливается не на нуле, а на делении 5 мм. Сюда же можно отнести грубые погрешности (промахи). Они могут быть вызваны поломкой измерительного прибора, а также резким изменением условий измерений.

Человеческий фактор

Это субъективная погрешность. Она возникает из-за индивидуальных особенностей человека, выполняющего измерения и проводящего обработку полученных результатов.

Внешние условия

Это погрешность измерения связана с отклонением одной или нескольких влияющих величин от нормальных значений, либо с выходом их за пределы нормальной области. К таким величинам относятся влажность, температура, внешние электрические и магнитные поля, нестабильность источников питания, механические воздействия. 

По влиянию внешних условий выделяют основную и дополнительную погрешности средств измерений. Первая – это погрешность средства измерений, применяемого в нормальных условиях. Для каждого средства оговариваются условия эксплуатации, при которых нормируется его погрешность. Дополнительная погрешность — возникает одновременно с основной погрешностью вследствие отклонения влияющих величин от нормального значения или их выхода за пределы нормальной области значений.

Как уменьшить погрешности?

Для этого можно использовать два метода: калибровку и поверку приборов, а также улучшение методик измерений.

Калибровка и поверка приборов

Калибровка - это совокупность операций, выполняемых в целях определения действительных значений метрологических характеристик средства измерений. Результаты позволяют определить значения измеряемой величины по показаниям средства измерений, определить поправки к его показаниям, оценить погрешность этих средств. 

Поверка - это установление официально уполномоченным органом пригодности средства измерений к применению. Она проводится на основании экспериментально определяемых метрологических характеристик и подтверждения их соответствия установленным обязательным требованиям. Результаты поверки действительны в течение межповерочного интервала. После его окончания процедура проводится заново.

Улучшение методик измерений

Современная метрология активно развивается. Одним из направлений является внедрение новых национальных стандартов – таких, как ГОСТ Р 8.1037-2024. Он направлен на оптимизацию планирования измерений и обработки полученных данных. Стандарт подтверждает калибровочные и измерительные возможности, контролирует воспроизводимость стандартных образцов и обеспечивает стабильность результатов измерений. 

Развитие технологии 3D-сканирования также значительно улучшает процесс измерений. Эта инновационная технология позволяет быстро и точно сканировать объекты, а затем проводить моментальное сравнение сих характеристик со стандартами. В метрологических лабораториях применяются продвинутые методы обработки данных, включая машинное обучение и искусственный интеллект. Они помогают в определении погрешностей и способствуют повышению точности измерений. 

Не менее важный аспект – повышение квалификации метрологов. Регулярное обучение позволит специалистам быть в курсе последних изменений и нововведений в области метрологии, что способствует улучшению качества измерений и повышению их точности.

Изображение от freepik