Погрешности результатов исследований и причины погрешностей

Содержание

Введение…………………………………………………………………….2

1. Применение измерительной техники для исследования материалов и технологических процессов……………………………………..3
2. Погрешности представительности измеряемых величин……….5
3. Обратное воздействие процесса измерения на измеряемую величину…………………………………………………………………………...7
4. Аддитивные и мультипликативные внешние и внутренние помехи……………………………………………………………………………...8
5. Систематические и случайные погрешности…………………….10
6. Статические и динамические погрешности………………………12
7. Погрешность результата  измерения……………………………..13
8. Погрешности, связанные с обработкой результатов исследований……………………………………………………………………15

Список литературы………………………………………………………18

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

Повышение эффективности промышленных объектов идет по пути совершенствования как самих технологических процессов, так и процессов управления ими. Широкое внедрение цифровой вычислительной техники в автоматизированные системы управления объектами открывает практически неограниченные возможности обработки информации об управляемом объекте с целью построения оптимальных систем управления. Однако практически реализация этих возможностей существенно ограничивается номенклатурой и техническими параметрами источников первичной информации о состоянии объекта —датчиков,сигнализаторов и более сложных измерительных устройств.

Проектировщики автоматизированных систем часто сталкиваются с невозможностью измерить тот или иной важный параметр объекта или недостаточной точностью либо быстродействием существующих измерительных устройств. Немаловажным фактором, затрудняющим построение систем управления,является то, что технологи, хорошо знающие, что следует измерять в объекте, как правило, мало знакомы с возможностями измерительной техники и вопросами метрологии.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1. Применение измерительной техники для исследования материалов и технологических процессов

При автоматизации производства и технологических процессов  требуется за ограниченное время  одновременно измерять, регистрировать значительное количество параметров и  преобразовывать большие потоки информации.

Разнообразие задач, решаемых с помощью средств измерительной  техники, влечет за собой разработку разных по структуре и назначению измерительных систем

Измерение - единственный способ получения количественной информации о величинах, характеризующих те или иные физические явления или  процессы. Поэтому разработка новых  машин, механизмов, аппаратов, а также  непосредственное осуществление сложных  технических производственных процессов  в промышленности связаны с необходимостью измерения многочисленных физических величин.

В этих условиях главное  положение при измерении любых  физических величин заняли электрические  средства измерений благодаря присущим им следующим основным преимуществам.

1. Исключительная простота  измерения чувствительности в  весьма широком диапазоне значений  измеряемой величины, то есть  широкий амплитудный диапазон. Использование  электроники позволяет в тысячи  раз усиливать электрические  сигналы, а следовательно в такое же число раз увеличивать чувствительность аппаратуры. Благодаря этому электрическими методами можно измерять такие величины, которые другими методами вообще не могут быть измерены.

2. Весьма малая инерционность  электрической аппаратуры, то есть  широкий частотный диапазон. Это  дает возможность измерять как  медленно протекающие, так и  быстро протекающие во времени  процессы с их регистрацией  светолучевыми и электронными  осциллографами.

3. Возможность измерения  на расстоянии, в недоступных  местах, вредных условиях, возможность  централизации и одновременности  измерения многочисленных и различных по своей физической природе величин, то есть возможность создания комплексных информационно-измерительных систем, возможность передачи результатов измерений на большие расстояния, математической обработке и использования их для управления.

4. Возможность комплектования  измерительных и обслуживаемых  или автоматических систем из  блоков однотипной электрической  аппаратуры, что имеет важнейшее  значение для создания информационно-измерительных  систем, как для научного, так  и для промышленного измерения.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2. Погрешности представительности измеряемых величин

Для общего применения измерительной техники с целью познания процесса или состояния необходимо выполнение условия —измерение должно быть представительным. Это обеспечивается в том случае, если из измеренного значения при помощи количественной, закономерной зависимости(так называемого заданного закона) можно сделать заключение об измеряемом качестве объекта измерения (величина результата). Если это условие не выполняется,т. е. используемый заданный закон некорректен или не выполнены условия для применения корректного заданного закона, то возникает так называемая погрешность представительности

На практике ошибки представительности возникают часто,потому что из-за недостаточного знания процессов масштабирования в объекте измерения отсутствует подходящий заданный закон и вместо этого приходится работать с более или менее грубым приблизительным законом. Заурядной иллюстрацией этого является измерение температуры помещения, которая должна быть мерой температурного поля помещения. Из-за отсутствия физически или физиологически обоснованного заданного закона чаще всего измеренная в произвольно выбранной точке местная температура объявляется температурой помещения. Подобная ситуация имеет место почти всегда при измерении, когда с помощью малого числа датчиков (часто с одним датчиком) необходимо измерить среднее значение поля величин (температуры, концентрации, силового поля и т. п.).Характерно, что при этом большое значение получает выбор места измерения.

Ошибки представительности часто возникают из-за того,что заданный закон, вполне подходящий при нормальных условиях, применяется и тогда, когда ненормальные условия измерения в сущности этого уже не позволяют.Типичным примером этого является ошибочное измерение эффективного значения переменного тока и переменного напряжения с помощью выпрямительного прибора при несинусоидальном изменении измеряемой Другим ходовым примером этого является измерение расхода с помощью сопел или диафрагм за пределами так называемой допустимой области дросселирующего органа В этой связи следует также упомянуть ошибки представительности, которые могут возникать при измерениях с отбором пробы. В этих случаях предпосылкой применения соответствующего заданного закона является выполнение при отборе пробы известных статистических условий

Характерно, что ошибки представительности могут появиться, при использовании высококачественных измерительных приборов и что на практике эти ошибки чаще всего могут быть выявлены с трудом и только с помощью больших затрат. Это особенно неприятно из-за того, что ошибки представительности нередко имеют значительную величину и могут многократно превышать остальные погрешности.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

3. Обратное воздействие процесса измерения на измеряемую величину

Первым фактором, определяющим погрешность измерения, является обратное воздействие измерительного устройства на процесс. Чувствительный элемент, предназначенный для восприятия измеряемого значения, оказывает большее или меньшее влияние на процесс, на измеряемую величину.

При измерении температуры жидкости, находящейся в адиабатически изолированном сосуде, с помощью термометра после введения последнего устанавливается новое температурное равновесие между жидкостью и термометром. При этом термометр покажет температуру, искаженную обратным воздействием.

Измерение напряжения неидеального источника прибором с поворотной рамкой характеризуется тем, что необходимый для измерения электрический ток создает падение напряжения на внутреннем сопротивлении источника и приводит к погрешности измерения.

Обратное воздействие чувствительного элемента на процесс особенно сильно проявляется при зондовых измерениях параметров потока,так как введение зонда существенно нарушает форму поля измеряемой величины.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4. Аддитивные и мультипликативные внешние и внутренние помехи

Эти нежелательные влияющие величины — помехи —являются источниками погрешности. Очень часто встречаются аддитивные(налагающиеся) внешние помехи. Они характеризуются тем, что их действие накладывается на измерительный сигнал и соответственно на показание. При этом погрешность не зависит от значения измеряемой физической величины.

Примерами аддитивных помех могут служить наложения на измерительный сигнал напряжения, наведенного переменным магнитным полем.Другими примерами являются температурная зависимость электролитической проводимости при измерении концентраций и смещение нуля прибора.

Внутри измерительного устройства выделен участок, символизирующий передаточную характеристику измерительного устройства. Под передаточной характеристикой мы понимаем совершенно общую зависимость между входной и выходной величинами измерительного устройства независимо от того, изменяется ли во времени определяемая величина или остается постоянной.

Мультипликативной или деформирующей называется помеха(например, статическое давление, температура окружающей среды, поле тяготения или подобные величины), если она влияет на передаточную характеристику или изменяет ее.

При мультипликативных помехах результирующая погрешность зависит от измеряемой величины. В зависимости от характера влияния помехи на передаточную характеристику погрешность может зависить как от измеряемого значения, так и от скорости изменения его во времени.

В качестве примера мультипликативной внешней помехи можно назвать односторонний нагрев рычажных весов солнечными лучами. В результате теплового удлинения одного плеча рычага соотношение плеч рычагов изменяется. При этом величина погрешности измерения зависит от веса,подлежащего определению.

Если температура движущейся жидкости определяется термометром, то скорость потока является мультипликативной внешней помехой.Она оказывает влияние на теплообмен между жидкостью и чувствительным элементом температуры и вместе с другими факторами определяет инерционность измерительного прибора. В стационарном состоянии ошибки измерения не возникает.При изменяющихся температурах из-за инерционности чувствительного элемента может возникнуть ошибка в индикации температурного процесса, зависящая от скорости изменения температуры.

Внутренними называют помехи, которые независимо от внешних явлений возникают из-за внутрипроизводственных эффектов. Сюда можно причислить, например, люфт при механическом преобразовании, трение опор и т.д. Эти и подобные эффекты приводят, как правило, к нелинейностям и, как следствие, к погрешностям измерения.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

5. Систематические и случайные погрешности

Систематическая погрешность измерения - составляющая погрешности измерения, остающаяся постоянной или закономерно изменяющаяся при повторных измерениях одной и той же физической величины. Систематические погрешности являются в общем случае функцией измеряемой величины, влияющих величин (температуры, влажности, напряжения питания и пр.) и времени. В функции измеряемой величины систематические погрешности входят при поверке и аттестации образцовых приборов.

Причинами возникновения  систематических составляющих погрешности  измерения являются:

• отклонение параметров реального средства измерений от расчетных значений, предусмотренных схемой;
• неуравновешенность некоторых деталей средства измерений относительно их оси вращения, приводящая к дополнительному повороту за счет зазоров, имеющихся в механизме;
• упругая деформация деталей средства измерений, имеющих малую жесткость, приводящая к дополнительным перемещениям;
• погрешность градуировки или небольшой сдвиг шкалы;
• неточность подгонки шунта или добавочного сопротивления, неточность образцовой измерительной катушки сопротивления;
• неравномерный износ направляющих устройств для базирования измеряемых деталей;
• износ рабочих поверхностей, деталей средства измерений, с помощью которых осуществляется контакт звеньев механизма;
• усталостные измерения упругих свойств деталей, а также их естественное старение;
• неисправности средства измерений.

Случайной погрешностью называют составляющие погрешности измерений, изменяющиеся случайным образом при повторных измерениях одной и той же величины. Случайные погрешности определяются совместным действием ряда причин: внутренними шумами элементов электронных схем, наводками на входные цепи средств измерений, пульсацией постоянного питающего напряжения, дискретностью счета.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

6. Статические и динамические погрешности

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.

Динамическая  погрешность измерений - погрешность результата измерений, свойственная условиям динамического измерения. Динамическая погрешность появляется при измерении переменных величин и обусловлена инерционными свойствами средств измерений. Динамической погрешностью средства измерений является разность между погрешностью средсва 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 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.

 

 

 

 

 

7. Погрешность результата  измерения

Условия применения измерительного устройства считаются известными, если наряду с процессом известны и  наиболее существенные влияющие величины. Однако, как уже указывалось, всегда остаётся большое число менее  значительных факторов, оказывающих  влияние на измерение. Погрешность, вызванная этими факторами, является случайной, так как она возникает  в результате случайной комбинации множества отдельных воздействий. Поэтому заранее не известны ни её абсолютная величина, ни знак. Очевидно, что эти случайные изменения погрешности могут возникать вследствие случайных изменений и одной влияющей величины. Однако в общем случае такие колебания представляют собой результат случайных комбинаций отдельных процессов. Так, сам отсчёт аналогового показания всегда содержит случайную погрешность. Это стохастическое влияние отсчёта является в свою очередь результатом многих неконтролируемых побочных воздействий. Если измерение многократно повторять при известных и неизвестных условиях, то измеряемые значения будут колебаться около ожидаемого значения которое представляет собой среднее значение результатов бесконечно многих измерений. Воспроизводимость отдельного измерения характеризуется отклонением от математического ожидания, видом этого отклонения, его размером и его повторяемостью (частотой).

Точность, с которой может  быть определено (с заданной вероятностью) указанное ожидаемое значение, можно  оценить статистически. Эту точность результата измерения не следует  смешивать с его правильностью.

Основные влияющие величины бывают известными, и их стремятся  поддерживать постоянными; однако они  могут отклоняться от тех значений, которые были приняты при градуировке  измерительного устройства. Кроме того, воспроизведение образцовых мер  никогда не бывает точным и, наконец, действительный закон преобразования в измерительном устройстве может  отличаться от желаемого.

Эти погрешности нельзя исключить  повторением измерения. В противоположность случайным погрешностям они являются систематическими и отличаются своей воспроизводимостью. Их абсолютная величина, а также знак остаются неизменными при заданных условиях.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

8. Погрешности, связанные с обработкой результатов исследований.

Погрешности отсчёта  и квантования.

Очень часто отдельные  измеренные величины подвергаются дальнейшей статистической обработке с целью  уменьшения разброса либо определения  функциональных или статистических зависимостей. Помимо погрешностей, связанных  с самим процессом измерения, в этих случаях следует учитывать  ряд дополнительных погрешностей.

Для численной обработки  измеренных значений последние должны быть представлены в цифровой форме, в виде чисел. При этом возникает  погрешность квантования. Однако отсчёт аналогового показания тоже связан с дополнительной погрешностью, которая  часто бывает не меньше, чем ошибка квантования. Ошибка отсчёта в большой  степени определяется видом устройства вывода данных. Вследствие оптического  обмана, обусловленного, например, разбивкой  шкалы штрихами разной толщины, параллаксом  или эффектом преломления света, могут возникнуть не только случайные, но и систематические погрешности. Ошибки отсчёта и квантования  могут привести к серьёзным погрешностям результатов при числовой обработке  измеренных величин (например, потеря точности, искажения при обращении  матриц с неточными членами и  т.п.).

Временная дискретизация.

Числовая обработка аналогового  измерительного сигнала связана  с его дискретизацией во времени. Как и в случае применения печатающего  устройства для точечной записи или  аналого-цифрового преобразователя, измерительный сигнал описывается  рядом импульсов, информация в промежутках  между которыми теряется. Это следует  учитывать при анализе сигналов и дальнейшей обработке, связанной  с исследованиями динамических процессов. В соответствии с динамическим характером этих погрешностей оценка их возможна только на основе учёта изменения  сигнала во времени и характера  его дальнейшей обработки.

Погрешности результата измерения.

При обработке измеренных величин, например, при расчёте результата измерения по нескольким измеренным значениям, особое внимание следует  уделять распространению погрешностей исходных данных на конечный результат.

Влияние различных измеренных величин на результат измерения  может быть совершенно различным. Поэтому только на основании анализа специфики последующей обработки можно сформулировать разумные требования к правильности (систематическая погрешность) и достоверности (случайная погрешность) отдельных измеряемых значений.

Погрешности измерительных  устройств

Порог реагирования.

Если входная величина измерительного устройства медленно и  непрерывно увеличивается от нуля, то выходная величина начинает изменяться только при определённом значении входной  величины. Абсолютная величина этого  значения называется порогом реагирования или нечувствительностью в нулевой  точке. Чтобы исключить неопределённость, связанную с обнаружением факта  начала изменения показаний, предусматривается  определённое малое изменение показаний  ха.

Для счётных (интегрирующих) измерительных приборов установлен так называемый порог реагирования (порог трогания), т.е. нагрузка, при которой прибор начинает счёт. Размер этой нагрузки определяют по измеряемой величине при интегрировании в течение некоторого времени.

Точность измерений.

Точность измерений СИ - качество измерений, отражающее близость их результатов к действительному (истинному) значению измеряемой величины. Точность определяется показателями абсолютной и относительной погрешности.

Абсолютная погрешность  определяется по формуле: Хп= Хп - Х0,

где: Хп - погрешность поверяемого СИ; Хп - значение той же самой величины, найденное с помощью поверяемого СИ; Х0 - значение СИ, принятое за базу для сравнения, т.е. действительное значение.

Однако в большей степени  точность средств измерений характеризует  относительная погрешность, т.е. выраженное в процентах отношение абсолютной погрешности к действительному  значению величины, измеряемой или  воспроизводимой данным СИ.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Список литературы

 

1. Васильев А.С. «Основы метрологии и технические измерения» 1980 г.
2. КозловМ.Г. Метрология и стандартизация, 2001г.
3. Махоня И.Т. «Справочник инструментальщика по техническим измере ниям» 1984 г.
4. Миф Н.П. Модели и оценка погрешности технических измерений. – М.: Издательство стандартов, 1976г.
5. Профос П. «Измерения в промышленности», 1990г.