Погрешность измерения

Погрешность измере́ния — разница между результатами измерений и известным значением измеряемого свойства. На масштабах измерений и более точных шкалах погрешность измерения определяется смещением от точки на шкале, где отображается результат измерения, до точки на шкале, соответствующей известному значению в соответствующем контексте. Известное значение измеряемого свойства может быть либо реальным значением, либо принятым по соглашению значением с низкой или отсутствующей погрешностью измерений. При сравнении с эталоном в процессе калибровки или поверки прибора измерений значение, присвоенное эталону, считается известным, и погрешность измерения конкретным прибором измерений оценивается экспериментально.

Источники погрешностей

Источниками погрешностей в измерениях являются:

• несовершенство применяемых методов и средств измерений;
• непостоянство влияющих на результат измерения физических величин;
• индивидуальные особенности экспериментатора.

Точность измерений также зависит от:

• внешних и внутренних помех, атмосферных условий;
• чувствительности измерительного устройства.

Классификация погрешностей измерений

По способу выражения

По способу выражения различают абсолютную, относительную и приведённую погрешность. Абсолютная погрешность — это разница между измеренным значением величины и её реальным значением, выраженная в единицах измерения этой величины.

Погрешность измерения, выраженная в процентах относительно референсного значения измеряемого параметра, называется относительной погрешностью. Она рассчитывается как отношение абсолютной погрешности к исходному значению измеряемого объекта. Пропорции относительной погрешности выражаются в процентах или долях и вычисляются на основе соотношений. Приведённая погрешность — значение, вычисляемое как отношение значения абсолютной погрешности к нормирующему значению.

По источнику возникновения

По причинам возникновения погрешности измерения подразделяются на методические, инструментальные, внешние и субъективные. Методические погрешности могут возникнуть из-за недостатков в способе измерения или упрощений, сделанных в процессе измерений. Это может быть вызвано использованием при расчётах приближенных формул или неправильным подходом к самому процессу измерения. Неправильный выбор метода может быть обусловлен несоответствием между измеряемой физической величиной и её моделью. Методические погрешности могут возникнуть из-за недооценки взаимодействия между измеряемым объектом и измерительными приборами или неправильного учёта этого взаимодействия.

Инструментальные погрешности — погрешности, которые возникают из-за особенностей используемых средств измерения. Эти особенности могут приводить к различным видам ошибок. Инструментальные погрешности можно разделить на следующие категории: погрешности, вызванные недостатками или неправильной технологией производства средств измерения; погрешности, свойственные определённой конструкции; погрешности, возникающие из-за износа, старения или неисправности средств измерения.

Погрешность при измерении, возникающая из-за отклонения значений влияющих факторов от обычных параметров или их выхода за пределы нормы (например, изменения влажности, температуры, воздействия внешних электромагнитных полей, нестабильности источников питания, механических воздействий и т. д.), называется внешней погрешностью. В большинстве случаев внешние погрешности являются систематическими и связаны с дополнительными ошибками используемых приборов измерения.

Субъективная погрешность, в свою очередь, возникает из-за низкой квалификации оператора измерительного оборудования, а также из-за ошибок зрительных органов человека. Другими словами, причиной субъективной погрешности является человеческий фактор.

По характеру проявления

По характеру (закономерности) изменения погрешности измерений подразделяются на систематические, случайные и грубые (промахи).

• Систематические погрешности -погрешности, которые имеют стабильное значение и направление на протяжении всей серии измерений. Они возникают из-за постоянных факторов, однонаправленно влияющих на итоги измерений, и связаны с точностью приборов и качеством применяемых методик. Причины возникновения систематических ошибок включают некорректное выставление нуля прибора перед началом измерения, неточное время от секундомера, непринятие во внимание силы трения и сопротивления в процедуре измерения, сопротивление проводов и контактов, и прочее. Систематические ошибки можно обнаружить, если провести измерения с использованием различных инструментов и методов, а затем проанализировать полученные данные.
• Случайная погрешность- часть погрешности измерения, которая меняется случайным образом при повторных измерениях данного значения. Ошибка возникает из-за воздействия большого количества независимых случайных факторов, каждый из которых оказывает незначительное влияние на результат измерения. Величины ошибок, вызванных факторами, могут изменяться по определённому закону, но если эти законы различны для различных значений, то общая ошибка будет меняться хаотически.
• Грубые погрешности измерений. Грубые погрешности (промахи) обычно возникают из-за неправильного шкалирования прибора, ошибок при записи данных, воздействия сильных факторов, неисправностей в оборудовании и других факторов. Обычно результаты измерений с грубыми погрешностями не учитываются, поэтому они оказывают незначительное влияние на точность измерений. Обнаружить промах бывает сложно, особенно при однократном измерении; часто его трудно отличить от значительной случайной погрешности.

По взаимодействию изменений

Погрешности по взаимодействию изменений во времени и входной величины делятся на статические и динамические погрешности. Статическая погрешность определяется как ошибка, возникающая в процессе измерений при использовании средства измерения для постоянной величины; динамическая погрешность возникает при измерении переменной величины из-за неравномерной реакции средства измерения на скорость её изменения. Динамические характеристики средства измерения включают в себя переходные, импульсные, амплитудно-фазовые и амплитудно-частотные характеристики, передаточную функцию и функцию преобразования.

Оценка погрешности при прямых измерениях

При прямых измерениях искомая величина определяется непосредственно по шкале измерительного устройства. В большинстве случаев измерения проводятся по определённому методу с применением различных средств измерений. Эти инструменты не идеальны и вносят свою долю погрешности в результаты измерений. Если удалось определить погрешность измерения с определённым знаком, то это становится коррекцией, которую можно просто исключить из итогового результата. Однако абсолютной точности в измерениях достичь невозможно, всегда остаётся некоторая степень неопределённости, которую можно оценить, учитывая пределы погрешности.

Оценка погрешности при косвенных измерениях

При косвенных измерениях искомая величина не измеряется напрямую, а вычисляется на основе известной функциональной зависимости от других измеряемых величин, полученных при прямых измерениях. Для линейной зависимости существует математически строгая методика проведения таких измерений. В случае нелинейной зависимости применяются методы линеаризации или приведения. В России процедура расчёта погрешности при косвенных измерениях регламентирована стандартом МИ 2083-90.

Примечания

Данная статья имеет статус «готовой». Это не говорит о качестве статьи, однако в ней уже в достаточной степени раскрыта основная тема. Если вы хотите улучшить статью — правьте смело!