Можно ли получить результат измерений без погрешности

Содержание статьи

Данилов А.А., Е.Ю. Лукашов, «Что есть погрешность средства измерений и можно ли ее «измерить»?

А.А. Данилов.
ОБУ «Пензенский ЦСМ»,
Россия, г.Пенза, pcsm@sura.ru

Е.Ю. Лукашов.
Федеральное государственное унитарное предприятие «Всероссийский чно-исследовательский институт метрологической службы» (ФГУП ИИМС»),
Москва, Россия, e-mail: sva@vniims.ru

В статье рассматриваются вопросы измеримости погрешности средств измерений. Приводится обоснование того, что погрешность — есть величина случайная и не может быть представлена конкретным значением, можно определить лишь характеристики погрешности.

Ключевые слова: погрешность средств измерений, случайные величины, характеристики погрешности.

This article describes the questions of a measurability of the inaccuracy of a measuring instrument. It gives an explanation that the inaccuracy is a random quantity and it cannot be a constant value. It is only possible to determine the characteristics of the inaccuracy.

Key words: inaccuracy of a measuring instruments, random variables, inaccuracy characteristics.

Наши взгляды — как наши часы: все они показывают разное время, но каждый верит только своим.
Александр Поуп

Мое дело сказать правду, а не заставлять верить в нее.
Жан Жак Руссо

Погрешность СИ — разность между показанием СИ и действительным значением измеряемой величины

РМГ 29-99 ГСП. Метрология. Термины и определения

Поводом для написания настоящей статьи послужило распространенное в последнее время заблуждение (приверженцами которого являются не только начинающие метрологи, но и некоторые метрологи со стажем), основанное на неправильном толковании определения погрешности средства измерений (СИ), приведённом в РМГ 29-99 [1]:

«Погрешность средства измерений — разность между показанием средства измерений и истинным (действительным) значением измеряемой физической величины…

Поскольку истинное значение физической величины неизвестно, то на практике пользуются ее действительным значением», т.е.

ε = Х-Хд (1)

где ε -погрешность СИ, Х — показание СИ, Хд — действительное значение измеряемой величины.

Анализируя эту формулу, наши оппоненты делают неправильный вывод, а именно: погрешность СИ — есть значение, равное правой части формулы (1). Некоторые из оппонентов идут дальше, отстаивая второй, тоже неправильный вывод: если СИ — объект, а погрешность СИ — одно из свойств объекта, то, поскольку свойства объекта подлежат измерению, следовательно, можно говорить и об измерении погрешности СИ. Более того, некоторые СИ, например, В1-8 и др., имеют отсчетное устройство с наименованием «Погрешность поверяемого прибора», предназначенное «для снятия отсчета погрешности поверяемого вольтметра» [2], что придает оппонентам излишней уверенности в своей правоте.

Попробуем разобраться.

Для применения формулы (1) воспользуемся определением действительного значения [1]: «Действительное значение — значение физической величины, полученное экспериментальным путем и настолько близкое к истинному значению, что в поставленной измерительной задаче может быть использовано вместо него».

Используя указанное определение, оппоненты считают, что при проведении поверки СИ, эталон выбран правильно, следовательно, его погрешностью, в сравнении с погрешностью поверяемого СИ, можно пренебречь. Это дает возможность получить погрешность СИ, вычислив разность «между показанием СИ и действительным значением измеряемой физической величины».

Где здесь противоречие?

Во-первых, в правой части формулы (1) обе величины являются случайными. Поэтому и погрешность тоже является случайной величиной. А, следовательно, можно говорить об отдельной реализации случайной величины. Если же говорить о погрешности вообще, то её оценку необходимо рассматривать, как оценку одной или нескольких характеристик случайной величины.

Во-вторых, в частном случае Х-Хд из (1) можно сделать неправильный вывод: погрешность ε =0, следовательно, погрешность СИ в проверяемой точке диапазона измерений меньше погрешности эталона. Правильный же вывод из этого результата при поверке СИ — погрешность СИ не превышает установленных для неё пределов. И только.

В-третьих, используя один экземпляр эталона и выполнив необходимые измерения, можно получить одно значение ε1, погрешности СИ в проверяемой точке диапазона его измерений. Используя же другой экземпляр эталона, также выполнив необходимые измерения, можно получить второе значение ε2 погрешности СИ. Для n-го экземпляра эталона будет получено n-е значение εn погрешности СИ. Какое из них принять за погрешность СИ?

Почему такое возможно? Потому, что каждый из экземпляров эталонов хранит, воспроизводит и передает свое значение единицы величины, которое отличается от номинального значения и находится в некоторых допускаемых пределах отклонения от него.

Те же рассуждения можно повторить в отношении повторных экспериментов с тем же эталоном и в той же точке диапазона измерений и в отношении других точек диапазона измерений СИ.

И, наконец, в-четвертых, если бы кому-нибудь удалось получить истинную погрешность СИ, тогда этот уникальный человек смог бы определить истинное значение измеряемой величины. Возможно ли такое?

Нет! И вот почему.

Во-первых, при повторении эксперимента в силу случайных причин, устранить которые (либо свести к нулю их влияние) не представляется возможным, будут зафиксированы показания СИ, в общем случае отличающиеся между собой. На этом основании Шишкин И.Ф. в предложенной им аксиоматике формулирует третью аксиому метрологии, согласно которой «результат измерения без округления является случайным» [3]. Из этой аксиомы следует, что результат измерения имеет вполне конкретное значение, которое следует рассматривать, как реализацию случайной величины.

Во-вторых, действительное значение измеряемой величины, приписанное эталону, при его воспроизведении в силу случайных причин в действительности также не постоянно. Кроме того, это действительное значение также неизвестно абсолютно точно, в том числе и для первичного эталона. Именно поэтому для эталонов регламентируют неисключенную систематическую погрешность, случайную погрешность и нестабильность [4].

Из этих утверждений следует, что погрешность может быть представлена и представляется на практике совершенно конкретными значениями. Но, надо иметь в виду, что любая оценка погрешности — есть оценка случайной величины. Именно поэтому может быть указан лишь интервал значений, в котором находится погрешность СИ с заданной вероятностью, либо числовые характеристики этого интервала [5].

Таким образом, с помощью формулы (1) для конкретного момента времени может быть получено лишь одно из возможных значений погрешности СИ, принадлежащих указанному интервалу с некоторой вероятностью. Именно поэтому наличие упомянутого выше отсчетного устройства -с наименованием «Погрешность поверяемого прибора» у установки для поверки вольтметров В1-8 предназначено лишь «для снятия отсчета погрешности поверяемого вольтметра» [2] и реализации формулы (1) в этой установке, который может быть использован для определения характеристик погрешности.

Рассмотрим теперь следующий тезис оппонентов, утверждающих, что погрешность можно измерить.

В соответствии с РМГ 29-99 [1]:
«Измерение — совокупность операций по применению технического средства, хранящего единицу физической величины, обеспечивающих нахождение соотношения (в явном или неявном виде) измеряемой величины с ее единицей и получение значеш, этой величины».

Из этого определения следует, что

— во-первых, измерению подлежит величина,

— во-вторых, техническое средство предназначенное для измерения должно хранить единицу величины.

— в-третьих, в результате рений получают оценку значения величины.

Так можно ли говорить об изме рении погрешности?

Нет! Погрешность измерить невозможно! Можно лишь говорить об определении характеристик погрешности [5].

Погрешность измерить невозможно. Можно определить лишь характеристики погрешности

Несмотря на то, что погрешность может быть выражена в единицах измеряемой величины, гносеологически измерение погрешности невозможно, ибо: — во-первых, погрешность — не есть физическая величина, а потому не подлежит измерению, во-вторых, для погрешности может быть указан лишь интервал значений, в котором находится погрешность СИ с заданной вероятностью, либо числовые характеристики этого интервала.

ВЫВОДЫ

1. Погрешность — есть величина случайная и не может быть оценена на основе единичной реализации.

2. Погрешность измерить невозможно. Можно определить лишь характеристики погрешности.

ЛИТЕРАТУРА

1. РМГ 29-99. ГСИ. Метрология. Основные термины и определения.

2. Установка для поверки вольтметров В1-8. Техническое описание и инструкция по эксплуатации,- С. 31.

3. Шишкин И. Ф. Теоретическая метрология. Часть 1. Общая теория измерений. Учебник для вузов.-СПб.: Питер,- 2010.- С. 52.

4. ГОСТ8.381-2009. ГСИ. Эталоны. Способы выражения точности.

5. МИ 1317-2004. ГСИ. Результаты и характеристики погрешности измерений. Формы представления. Способы использования при испытаниях образцов продукции и контроле их параметров.

Источник

Погрешность измерений | КИПиА Портал

Неотъемлемой частью любого измерения является погрешность измерений. С развитием приборостроения и методик измерений человечество стремиться снизить влияние данного явления на конечный результат измерений. Предлагаю более детально разобраться в вопросе, что же это такое погрешность измерений.

Погрешность измерения – это отклонение результата измерения от истинного значения измеряемой величины. Погрешность измерений представляет собой сумму погрешностей, каждая из которых имеет свою причину.

По форме числового выражения погрешности измерений подразделяются на абсолютные и относительные

Абсолютная погрешность – это погрешность, выраженная в единицах измеряемой величины. Она определяется выражением.

(1.2), где X — результат измерения; Х0 — истинное значение этой величины.

Поскольку истинное значение измеряемой величины остается неизвестным, на практике пользуются лишь приближенной оценкой абсолютной погрешности измерения, определяемой выражением

(1.3), где Хд — действительное значение этой измеряемой величины, которое с погрешностью ее определения принимают за истинное значение.

Относительная погрешность – это отношение абсолютной погрешности измерения к действительному значению измеряемой величины:

(1.4)

По закономерности появления погрешности измерения подразделяются на систематические, прогрессирующие, и случайные.

Систематическая погрешность – это погрешность измерения, остающаяся постоянной или закономерно изменяющейся при повторных измерениях одной и той же величины.

Прогрессирующая погрешность – это непредсказуемая погрешность, медленно меняющаяся во времени.

Систематические и прогрессирующие погрешности средств измерений вызываются:

первые — погрешностью градуировки шкалы или ее небольшим сдвигом;
вторые — старением элементов средства измерения.

Систематическая погрешность остается постоянной или закономерно изменяющейся при многократных измерениях одной и той же величины. Особенность систематической погрешности состоит в том, что она может быть полностью устранена введением поправок. Особенностью прогрессирующих погрешностей является то, что они могут быть скорректированы только в данный момент времени. Они требуют непрерывной коррекции.

Случайная погрешность – это погрешность измерения изменяется случайным образом. При повторных измерениях одной и той же величины. Случайные погрешности можно обнаружить только при многократных измерениях. В отличии от систематических погрешностей случайные нельзя устранить из результатов измерений.

По происхождению различают инструментальные и методические погрешности средств измерений.

Инструментальные погрешности — это погрешности, вызываемые особенностями свойств средств измерений. Они возникают вследствие недостаточно высокого качества элементов средств измерений. К данным погрешностям можно отнести изготовление и сборку элементов средств измерений; погрешности из-за трения в механизме прибора, недостаточной жесткости его элементов и деталей и др. Подчеркнем, что инструментальная погрешность индивидуальна для каждого средства измерений.

Методическая погрешность — это погрешность средства измерения, возникающая из-за несовершенства метода измерения, неточности соотношения, используемого для оценки измеряемой величины.

Погрешности средств измерений.

Абсолютная погрешность меры – это разность между номинальным ее значением и истинным (действительным) значением воспроизводимой ею величины:

(1.5), где Xн – номинальное значение меры; Хд – действительное значение меры

Абсолютная погрешность измерительного прибора – это разность между показанием прибора и истинным (действительным) значением измеряемой величины:

(1.6), где Xп – показания прибора; Хд – действительное значение измеряемой величины.

Относительная погрешность меры или измерительного прибора – это отношение абсолютной погрешности меры или измерительного прибора к истинному

(действительному) значению воспроизводимой или измеряемой величины. Относительная погрешность меры или измерительного прибора может быть выражена в ( % ).

(1.7)

Приведенная погрешность измерительного прибора – отношение погрешности измерительного прибора к нормирующему значению. Нормирующие значение XN – это условно принятое значение, равное или верхнему пределу измерений, или диапазону измерений, или длине шкалы. Приведенная погрешность обычно выражается в ( % ).

(1.8)

Предел допускаемой погрешности средств измерений – наибольшая без учета знака погрешность средства измерений, при которой оно может быть признано и допущено к применению. Данное определение применяют к основной и дополнительной погрешности, а также к вариации показаний. Поскольку свойства средств измерений зависят от внешних условий, их погрешности также зависят от этих условий, поэтому погрешности средств измерений принято делить на основные и дополнительные.

Основная – это погрешность средства измерений, используемого в нормальных условиях, которые обычно определены в нормативно-технических документах на данное средство измерений.

Дополнительная – это изменение погрешности средства измерений вследствии отклонения влияющих величин от нормальных значений.

Погрешности средств измерений подразделяются также на статические и динамические.

Статическая – это погрешность средства измерений, используемого для измерения постоянной величины. Если измеряемая величина является функцией времени, то вследствие инерционности средств измерений возникает составляющая общей погрешности, называется динамической погрешностью средств измерений.

Также существуют систематические и случайные погрешности средств измерений они аналогичны с такими же погрешностями измерений.

Факторы влияющие на погрешность измерений.

Погрешности возникают по разным причинам: это могут быть ошибки экспериментатора или ошибки из-за применения прибора не по назначению и т.д. Существует ряд понятий которые определяют факторы влияющие на погрешность измерений

Вариация показаний прибора – это наибольшая разность показаний полученных при прямом и обратном ходе при одном и том же действительном значении измеряемой величины и неизменных внешних условиях.

Класс точности прибора – это обобщенная характеристика средств измерений (прибора), определяемая пределами допускаемых основной и дополнительных погрешностей, а также другими свойствами средств измерений, влияющих на точность, значение которой устанавливаются на отдельные виды средств измерений.

Классы точности прибора устанавливают при выпуске, градуируя его по образцовому прибору в нормальных условиях.

Прецизионность — показывает, как точно или отчетливо можно произвести отсчет. Она определяется, тем насколько близки друг к другу результаты двух идентичных измерений.

Разрешение прибора — это наименьшее изменение измеряемого значения, на которое прибор будет реагировать.

Диапазон прибора — определяется минимальным и максимальным значением входного сигнала, для которого он предназначен.

Полоса пропускания прибора — это разность между минимальной и максимальной частотой, для которых он предназначен.

Чувствительность прибора — определяется, как отношение выходного сигнала или показания прибора к входному сигналу или измеряемой величине.

Шумы — любой сигнал не несущий полезной информации.

Источник

Неопределенность измерений в метрологии | Отличие погрешности от неопределенности. Применение.

Неопределенность измерения — история возникновения.
Термины используемые при расчете неопределенности.
Оценка результата измерений в терминах «погрешность измерений».
Оценка результата измерений в терминах «неопределенность измерений».
Расчёт неопределённости с применением приборов.
Выводы.

Определения погрешности и неопределенности измерений.

Погрешность измерения – это отклонение измеренного значения величины от ее «истинного» значения. По своей природе или характеру проявления погрешность может быть «случайной» и «систематической». Метод выражения погрешности измерений – а ± Δа, где а – измеренная величина, Δа – суммарная абсолютная погрешность, определяемая методикой выполнения измерений.
Неопределенность измерения – это «сомнения в истинности полученного результата». Т.е. параметр, связанный с результатом измерения, характеризующий разброс значений, которые могли бы быть обосновано приписаны к измеряемой величине. Метод выражения неопределенности — а ± Uа , где а – измеренная величина, Uа – расширенная неопределенность, определяемая измерителем.

История возникновения термина «неопределенность измерений».

Сразу заметим, что, по сути, оба термина – «погрешность» и «неопределенность» — это выражение в разных терминах, одного и того же понятия – «точность измерений».
В России исторически сложилось так, что при оценке достоверности произведенного измерения использовали погрешность.
За рубежом исходно существовало понятие «error of measurement» — «ошибка измерения». Одной из целей при разработке стандарта качества ISO 9000 было обеспечение безошибочного выполнения всех производственных функций. В рамках ISO 9000 было разработано «Руководство по вычислению неопределенности в измерении» — «Guide to the expression of uncertainty in measurement», в котором описано понятие неопределенности измерений и способы ее вычисления.
Сейчас все чаще требуется оценивать точность проведения измерений (например, такое требование предъявляется при аккредитации лабораторий) в терминах «неопределенности». В связи с вступлением России в ВТО, принято решение перевести правила проведения и оценки качества работ (в том числе и метрологических) в соответствие с международными стандартами ИСО. Все измерительные лаборатории стран-членов ВТО должны оценивать точность результатов измерений в терминах неопределенности. В России о необходимости расчета неопределенности измерений в соответствии с ГОСТ Р ИСО 10576-1-2006 говорится в письме Роспотребнадзора 01/6620-12-32 от 13.06.2012.
«Неопределенность измерений стоило выдумать хотя бы для того, чтобы теперь разъяснять, чем погрешность отличается от неопределенности». Понятие «uncertainty» возникло из дословного перевода документа «Guide to the expression of uncertainty in measurement», ISO-1993. Документ вызвал множество споров и разделил общественность на три лагеря – сторонники «Guide…», противники «Guide…» и специалисты-практики, ожидающие «чем все это закончится».
В итоге, «все закончилось тем», что был выпущен документ РМГ 91-2009 «Совместное использование понятий «погрешность измерения» и «неопределенность измерения» детально разъясняющий соответствие терминов «погрешность» и «неопределенность».

Термины используемые при расчете неопределенности.

Соотношение терминов теории неопределенности с терминами классической теории точности (в скобках):

Неопределенность результата измерения (погрешность результата измерения),
Неопределенность типа А (случайная погрешность),
Неопределенность типа Б (систематическая погрешность),
Стандартная неопределенность (стандартное отклонение погрешности) результата измерения,
Расширенная неопределенность (доверительные границы) результата измерения,
Вероятность охвата, вероятность покрытия (доверительная вероятность),
Коэффициент охвата, коэффициент покрытия (коэффициент распределения погрешности)

Подробно о типах определённости и их расчётах рассказано в статье «Понятие и типы неопределенностей. ГОСТ 34100.3-2017»

Оценка результата измерений в терминах «погрешность измерений».

Как уже упоминалось выше, термин «погрешность» привязан к истинному значению измеряемой величины. Однако, это исходное «истинное значение» неизвестно. И при проведении измерений указывают интервал, в котором это «истинное значение» находится с определенным уровнем вероятности – Х = А ± Δ , Р = 0,95 (где Р – доверительная вероятность).
То есть, интервал от (А – Δ) до (А + Δ) с вероятностью Р содержит в себе:
1) «истинное» значение измеряемой величины.
2) погрешность измерений величины

Рис.1. Диапазон возможных значений при погрешности

Оценка результата измерений в терминах «неопределенность измерений».

Термин «неопределенность» привязан к измеренному значению величины А, а не к ее абстрактному «истинному» значению. Также, как для «погрешности», результат измерения записывается в виде интервала Х = А ± Δ , Р = 0,95 (Р – вероятность охвата).
То есть, интервал от (A – U) до (A + U) содержит бОльшую долю ( Р ) значений, которые могли бы быть приписаны к измеряемой величине.

Рис.2. Диапазон возможных значений при неопределенности

При оценке точности измерений в терминах «неопределенности» считается, что измеренная величина принадлежит к указанному интервалу значений (например, диапазон оптимальных или допустимых уровней), если она с учетом указанной неопределенности («величина – неопределенность» и «величина + неопределенность») не выходит за пределы этого диапазона.

Рис.3. Интервал значений при расчете неопределенности

Расчёт неопределённости с применением приборов.

В следующей статье «Расчет неопределенности результатов измерений | пример для люксметра «еЛайт»» мы рассмотрим практический пример как вручную вычислить неопределенность измерений освещенности, используя люксметр-пульсметр-яркомер еЛайт02. В некоторых современных приборах такой расчёт неопределённости уже осуществляется автоматически, как, например, в самом доступном люксметре с поверкой еЛайт-мини.

Рис.4. Профессиональный измеритель освещённости еЛайт01 с функцией автоматического расчёта неопределённости измерений.

Рис.5. Термоанемометр-гигрометр-барометр ЭкоТерма Максима 01 с функцией автоматического расчёта неопределённости измерений.

Выводы.

Отличие понятия «погрешности» от «неопределенности»:

«погрешность» привязана к некоторому «истинному» значению, которое точно неизвестно;
«неопределенность» привязана к измеренному значению;
«погрешность» относится к конкретному измерению, сделанному конкретным средством измерения;
«неопределенность» — это степень сомнения в истинности полученного результата измерения;
«погрешностью» характеризуются параметры точности средств измерений.

Источник