Автор работы: Пользователь скрыл имя, 27 Октября 2013 в 15:51, курсовая работа
Первоначально метрология возникла как наука о различных мерах и соотношениях между ними. Слово метрология в буквальном переводе означает - учение о мерах.
В практической жизни человек всюду имеет дело с измерениями. Измерения являются одним из важнейших путей познания природы человеком. Они дают количественную характеристику окружающего мира, раскрывая действующие в природе закономерности. Практически ни одна наука немыслима без измерений. Математика, механика, физика стали именоваться точными науками потому, что благодаря измерениям они получили возможность устанавливать точные количественные соотношения, выражающие объективные законы природы.
Погрешности метода измерения. Если, например, связь измеряемого явления или свойства с принципом действия средства измерений не имеет строгой, теоретически доказанной зависимости, то это может стать причиной возникновения погрешностей метода измерения (теоретических погрешностей) - следствие тех или иных допущений или упрощений, применения эмпирических формул и зависимостей. Примером таких измерений является измерение твердости металлов. Каждый из применяемых методов (метод Рок-велла, Бринелля, Викерса и др.) измеряет твердость в своих условных единицах и перевод этих единиц из одной шкалы в другую производится приближенно.
Субъективные систематические погрешности, как правило, являются следствием индивидуальных свойств человека, обусловленных особенностями его организма или укоренившимися неправильными навыками. Например, скорость реакции на сигнал различна у разных лиц (на звуковой сигнал скорость реакции человека колеблется в пределах 0.082-0.195 с, а на световой сигнал -0.15-0.225 с).
Существует ряд способов исключения и учета систематических погрешностей, которые можно разделить на четыре основные группы:
=> устранение источников
погрешностей до начала
=> исключение погрешностей в процессе измерения способами замещения, компенсации погрешностей по знаку, противопоставления симметричных наблюдений;
=> внесение известных
поправок в результат
=> оценка границ систематических
Приведем пример устранения инструментальной систематической погрешности для случая равноплечих весов. Пусть известно, что длины l1 и l2 плеч коромысла весов не равны друг другу ( ) и из-за этого возникает погрешность уравновешивания при измерении некоторой массы mX. Для устранения данной погрешности измерения производятся следующим образом.
Вначале взвешиваемое тело с массой mX помещают на одну из чашек весой, а на другую — тару массой mТ до наступления состояния уравновешивания, когда
Затем снимают взвешиваемое тело и на освободившуюся чашку помещают гирю (набор гирь) массой mУР, соответствующей состоянию уравновешивания. При этом
Как видно, правые части первого и второго равенств равны друг другу, следовательно, равны и левые части, т. е. mX = mYР. При подобном, двухактном процессе измерений неодинаковая длина плеч коромысла весов на результат измерений не влияет.
Систематические погрешности наиболее просто выявить путем сопоставления результатов измерений физической величины, проведенных с помощью исследуемого средства измерения, и с помощью однородного, более точного (рис.2).
По результатам измерений, проведенных по рис.2, систематическая погрешность может быть определена как
Можно определить систематическую погрешность и способом замещения: сначала на исследуемый прибор подать сигнал измеряемой величины, и получив результаты в виде у, на вход прибора подать сигнал эталонной величины. После установления показания прибора равным показанию при подаче на вход измеряемой величины, определяют величину систематической погрешности.
Поскольку эталонное средство измерения также имеет систематическую погрешность, то у исследуемого прибора
Рис.2. Способ определения систематической погрешности
можно обнаружить и при измерениях исключить только часть систематической погрешности. Другая ее часть, зависящая от погрешности эталонного средства, называется неисключенным остатком систематической погрешности, присущей эталону.
Близость к нулю систематических погрешностей средства измерения характеризует качество измерений, называемое правильностью измерений. Это означает, что в случае несущественных систематических погрешностей правильно выбраны методы и средства измерений, обеспечены условия измерений и др.
б) Случайные погрешности измерений.
Многократные измерения одной и той же постоянной величины в одних и тех же условиях с помощью одного и того же измерительного устройства одним и тем же оператором приводят к результатам, некоторые из которых отличаются друг с другом, а некоторые совпадают. Такие расхождения в результатах измерения говорят о наличии случайных погрешностей. Случайная погрешность измерения - составляющая погрешности измерений, изменяющаяся случайным образом при повторных измерениях одной и той же величины.
В процессе любого измерения присутствуют многочисленные влияющие величины (наряду с такими важными, как температура, давление, влажность, напряжение электрической цепи), учесть которые практически невозможно, но их совместное воздействие (случайная комбинация воздействий) сказывается на получении результатов измерений, а, следовательно, и на погрешности измерений. В связи с этим до проведения измерений предсказать значение случайной погрешности невозможно.
Так как случайные погрешности не поддаются исключению из результатов измерений, как систематические погрешности, то при рассмотрении их влияния на результат измерений основная задача заключается в изучении свойств совокупностей результатов отдельных наблюдений.
Как следует из выше изложенного, природа и физическая сущность случайных и систематических составляющих погрешности измерений различна. Однако практически во всех случаях при оценке как неисключенных остатков систематических погрешностей, так и случайных погрешностей, обрабатывают определенный статистический материал, представляющий собой совокупность результатов измерений. Для изучения случайных погрешностей используются методы теории вероятностей и математической статистики. Эти методы применимы и для неисключенных систематических составляющих.
К случайным погрешностям
в большинстве случаев
=> неправильный отсчет
по шкале измерительного
=> неправильная запись результата наблюдения (описка), неправильная запись значений отдельных мер использованного набора и т.п.;
=> ошибки при манипуляциях с приборами, если они повторяются при измерениях.
Причинами грубых погрешностей могут быть внезапные и кратковременные изменений условий измерения или незамеченные неисправности в аппаратуре, например, внезапное изменение напряжения питающей сети.
Грубые погрешности могут быть исключены методами математической статистики – статистической проверкой гипотез. Суть метода сводится к следующему. Выдвигается нулевая гипотеза относительно результата измерения, который вызывает некоторое сомнение и рассматривается как грубый промах в связи с большим отклонением от других результатов измерения. При этом, нулевая гипотеза заключается в утверждении, что "сомнительный" результат в действительности принадлежит к возможной совокупности полученных в данных условиях результатов измерений, и получение такого результата вероятно.
Пользуясь определенными статистическими критериями, пытаются опровергнуть нулевую гипотезу, т.е. пытаются доказать ее практическую невероятность. Если это удается, то промах исключают, если нет - то результат измерения оставляют относительно результата измерения, который вызывает некоторое сомнение и рассматривается как грубый промах в связи с большим отклонением от других результатов измерения.
Близость к нулю случайных погрешностей измерений называется сходимостью измерений.
3) По причине возникновения погрешности разделяются на инструментальные, методические и субъективные.
а) Инструментальная (приборная, аппаратурная) погрешность — погрешность средства измерения (составляющая погрешности средства измерения), определяемая несовершенством средств измерений, неидеальной реализацией принципа действия, конструктивно-технологическими особенностями средства измерения и влиянием внешних условий. К инструментальным погрешностям обычно относят также помехи на входе средства измерения, вызываемые его подключением к объекту измерений. Инструментальная погрешность является одной из наиболее ощутимых составляющих погрешности, причем некоторые из инструментальных погрешностей являются систематическими, другие — случайными (например, за счет нестабильности параметров комплектующих изделий, входящих в измерительные цепи прибора).
б) Методическая погрешность — составляющая погрешности, обусловленная несовершенством, недостатками примененного в средстве измерения метода измерений и упрощений при построении конструкции средства измерения, в том числе математических зависимостей. Например, при измерениях параметров электрических цепей (сопротивлений, емкостей, индуктивностей) возникает методическая погрешность из-за неучета соответствующих параметров (сопротивлений, емкостей, индуктивностей) соединительных проводов. К методическим погрешностям относится и невозможность идеального воспроизведения модели объекта измерений. В большинстве случаев эти погрешности «действуют» регулярно, т. е. относятся к систематическим. В ряде случаев принцип действия, положенный в основу измерений, при его реализации в средстве измерений вносит погрешность, которую не всегда просто определить. Так, при измерении давления газа в замкнутом сосуде с помощью мембранных преобразователей давления возникает погрешность, вызываемая прогибом мембраны под действием давления: при этом изменяется объем сосуда, а соответственно и давление. При требованиях высокой точности неучет данного эффекта может оказаться недопустимым. Изучение методических погрешностей требует проведения специальных исследований при разработке средства измерения и методик измерения.
в) Субъективная (личная) погрешность, в узком смысле погрешность отсчитывания, возникает вследствие индивидуальных особенностей (степень внимательности, сосредоточенности, подготовленности) операторов, производящих измерения. Эти погрешности практически отсутствуют при использовании автоматических или автоматизированных средств измерений. В большинстве случаев субъективные погрешности относятся к случайным, но некоторые из них, относящиеся к личности оператора, могут быть систематическими.
4) По условиям проведения измерений погрешности средств измерений разделяются на основные и дополнительные.
а) Основной называется погрешность, соответствующая нормальным условиям применения средства измерения. Эти условия устанавливаются нормативно-техническими документами на виды средств измерений (например, средства измерений электрических величин) или отдельные их типы. Установление условий применения и особенно нормальных условий является весьма важным для обеспечения единообразия метрологических характеристик средств измерений. В противном случае погрешности средств измерений одного и того же типа, отнесенные к различным внешним условиям применения, будут несопоставимы. Выделение основной погрешности, соответствующей некоторым стандартным условиям применения, является одним из важных факторов обеспечения единства измерений.
В большинстве нормативно-технических документов на средства измерений к нормальным относятся следующие внешние условия:
В некоторых общих технических условиях на виды средств измерений имеются небольшие отклонения от указанных значений параметров внешней среды. В частности, для средств измерений электрических и магнитных величин установлены отличные от указанных нормальные условия, определяющие значения влияющих величин, т. е. физических величин, не измеряемых рассматриваемыми средствами измерений, но оказывающих влияние на результаты измерений. Кроме нормальных условий в техническом паспорте, техническом описании и других документах на тип средства измерения указываются также рабочие условия, в пределах которых допускается эксплуатировать средства измерений с гарантированными метрологическими характеристиками. Естественно, диапазон значений влияющих величин может быть достаточно широк (например, рабочие температуры многих типов средств измерений имеют пределы — 10 °С. .. +40 °С).
Зарубежные фирмы, выпускающие средства измерений, часто не используют понятие основной погрешности, приводя в паспортах средств измерений лишь значения пределов допускаемой (гарантированной) погрешности для некоторых условий эксплуатации средства измерения. Например, абсолютная погрешность средства измерения может быть указана в следующем виде: = ±(0,01 % of R + 0,02 % of FS) за три месяца при температуре 10... 35 С.