Уменьшение систематических погрешностей

С целью уменьшения систематических погрешностей возможно применение термостатирования, экранирования, виброзащиты и т.д. На этапе планирования и подготовки эксперимента принципиальным является выбор метода и средства измерений. Систематические погрешности, как правило, не проявляются при выполнении наблюдений и вычислении результатов измерений, но способны существенно исказить эти результаты.

При разработке СИ и МВИ, т.е. еще до начала измерений систематические погрешности более или менее полно исключаются (например, введением аддитивных и мультипликативных поправок). Поэтому при выполнении наблюдений и оценке результатов измерений имеют дело с неисключенными остатками систематических погрешностей — НСП. Систематическую погрешность в данном справочнике необходимо понимать именно как неисключенную систематическую погрешность (НСП).

Для обнаружения НСП рекомендуется: провести измерение другим, максимально отличным от использованного, методом и сравнить результаты; резко изменить условия наблюдений (использовать другие экземпляры СИ, сменить оператора, изменить время наблюдений, например, провести их н ночное время, когда выключено технологическое оборудование); провести контрольное измерение в лаборатории другого предприятия или в метрологическом учреждении, в которых имеются более точные СИ и МВИ; выполнить теоретическую (расчетную) оценку НСП с привлечением имеющихся априорных знаний об объекте измерений, более точных или других моделях объекта измерений, методе и СИ. Для уменьшения (исключения) НСП в ходе выполнения измерений применяются следующие методы (приемы):

1. Метод замещения. Его суть — замена измеряемой величины известной (мерой), притом так, чтобы при этом в состоянии и действии всех используемых СИ не происходило никаких изменений.

2. Методпротивопоставления. Измерение выполняется с двумя наблюдениями, проводимыми так, чтобы причина НСП оказывала разные, но известные по закономерности воздействия на результаты наблюдений.

3. Метод компенсации погрешности по знаку — предусматривает измерение с двумя наблюдениями, выполняемыми так, чтобы НСП входила в результат каждого из них с разными знаками.

Примеры:

а) Измеряется ЭДС с помощью потенциометра постоянного тока, имеющего паразитную ТЭДС. Проведя два наблюдения при противоположном направлении рабочего тока в потенциометре и взяв среднее значение, получим результат, свободный от этой погрешности.

6) Для исключения НСП из-за вариации, гистерезиса, мертвого хода верньерных механизмов, измерения проводят при подходе к определяемому отсчету слева и справа. Результат измерения вычисляют по формуле:

х =(х_слева + х_справа)/2.

4. Метод рандомизации (перевода систематической погрешности в случайную) заключается в такой организации измерений, при которой фактор, вызывающий НСП, при каждом наблюдении действует по разному.

Примеры:

а) Для исключения влияния магнитного поля Земли наблюдения повторяют несколько раз, поворачивая ОИ каждый раз на некоторый угол (обычно одинаковый) относительно силовых линий поля. За результат измерения принимают среднее арифметическое из всех наблюдений.

б) В особых случаях для исключения субъективной систематической погрешности можно менять операторов после каждого наблюдения.

в) При определении положения главного максимума диаграммы направленности антенны, измерения методом вилки осуществляют на нескольких уровнях и при дальнейших вычислениях используют среднее арифметическое значение.

5. Метод симметричных наблюдений применяется для устранения прогрессирующих систематических погрешностей, линейно меняющихся пропорционально времени. Используют следующее свойство любых двух наблюдений, симметричных относительно средней точки интервала наблюдений: среднее значение линейно прогрессирующей погрешности результатов любой пары симметричных наблюдений равно погрешности, соответствующей средней точке интервала. Ряд наблюдений выполняют через равные промежутки времени и вычисляют средние арифметические значения результатов симметрично расположенных наблюдений (симметрично относительно среднего по времени наблюдения). Как было сказано, они должны быть равны. Это дает возможность контролировать в ходе измерения, соблюдается ли условие линейности возрастания систематической погрешности.

Описанные методы (приемы) должны учитываться при разработке МВИ.

ТРЕБОВАНИЯ К МВИ

Методика выполнения измерений (МВИ) - это НТД, в котором установлена совокупность операций и правил, выполнение которых обеспечивает получение необходимых результатов измерений.

Общие требования к разработке, оформлению, аттеста­ции, стандартизации МВИ и метрологическому надзору за ними регламентирует ГОСТ Р 8.563—96 «ГСИ. Методики выполнения измерений». Одним из основных исходных требований при разработ­ке МВИ является требование к точности измерений.

В МВИ должны устанавливаться:

- назначение, нормы точности и область применения МВИ;

- метод (методы) измерений;

- требования к СИ и вспомогательным устройствам, необходимым для выполнения измерений;

- требования к безопасности, включая экологическую безопасность;

- требования к квалификации операторов;

- условия выполнения измерений;

- операции подготовки к выполнению измерений;

- экспериментальные операции, выполняемые для получения результатов наблюдений при измерении;

- способы обработки результатов наблюдений и оценки показателей точности измерений;

- требования к оформлению и представлению результатов измерений.

Как правило, типовые МВИ оформляются в виде стандартов (или методических указаний) разной категории (государственных, ведомственных, конкретных предприятий) или разделов стандартов на:

- технологические процессы,

- методы испытаний и контроля качества продукции,

- методы и средства поверки СИ,

- программы метрологической аттестации СИ.

Могут разрабатываться и конкретные (не типовые) МВИ. В необходимых случаях выполняется метрологическая аттестация МВИ.

Примечание: При выполнении научных исследований МВИ в виде специального документа обычно не составляется. Ответственность за правильность организации и выполнения измерений и за их результаты несет в этом случае руководитель эксперимента.

Разработку или выбор МВИ начинают с анализа объекта, условий и цели измерений и установления соответствующей модели объекта измерений. Под моделью (содержащей физические, математические, структурные, смысловые и другие аспекты) объекта измерений (ОИ) — понимают формализованное описание ОИ, основанное на совокупности уже имеющихся знаний об ОИ и достаточно однозначно и точно отражающее его свойства в рассматриваемых условиях и для поставленной цели. В качестве измеряемых величин следует выбирать такие параметры или характеристики модели ОИ, которые наиболее близко соответствуют цели измерения.

Неполная адекватность отражения моделью свойств объекта является источником принципиальных погрешностей модели, для оценки которых экспериментальными или расчетными способами необходимо использовать все имеющиеся возможности. Погрешностями модели можно пренебрегать, если они не превышают 10 % от допускаемой погрешности измерений.

ПОДГОТОВКА К ИЗМЕРЕНИЯМ И ОПРОБОВАНИЕ СИ

При подготовке к измерениям оператор должен:

1. Ознакомиться с МВИ и последовательностью выполнения операций; проверить наличие необходимого комплекта СИ, вспомогательных устройств и материалов.

2. Убедиться в том, что основные и вспомогательные СИ имеют действующие свидетельства о поверке (метрологической аттестации) или поверительные клейма, а вспомогательные устройства прошли регламентное обслуживание.

3. Выполнить операции по созданию необходимых условий измерений, включая требования безопасности, например, включить кондиционеры и по вспомогательным СИ убедиться в том, что в помещении (в зоне проведения измерений) установилась требуемая температура.

4. Подготовить ОИ (например, очистить) и создать необходимые (по НТД) условия измерений (испытаний) — установить в рабочее положение, включить питание, охлаждение, прогреть его необходимое время и т.п.

5. Опробовать СИ. Проверить действие органов управления; регулировки, настройки и коррекции. Если СИ снабжены средствами самокалибровки (тестирования), выполнить соответствующие операции (это в первую очередь относится к автоматизированным ИС и ИИС).

6. Провести 2—3 пробных наблюдения и сравнить результаты с ожидаемыми. При непредвиденно большом расхождении результатов проанализировать причины и устранить их.