Суть процесса измерения.

Глава 3 Погрешности измерений.

Современная жизнь постоянно сопряжена с процессами измерения и получения численных значений различных величин. Измерения времени, массы и объема различных объектов, скорости движения транспортных средств, технологических параметров в промышленности и т.д. осуществляются постоянно и повсеместно. Современные естественные науки также не могут обойтись без измерительного процесса, служащего основой для получения фактических данных..

Существует много специальностей, так или иначе связанных с измерительным процессом. Однако, в ходе обучения далеко не всем из них в учебном плане предусмотрены специальные дисциплины, объясняющие основу измерительного процесса и способы получения наиболее точных результатов. В результате получаемые величины могут оказаться в значительной степени искаженными. В полной мере все вышесказанное относится и к биологическим наукам.

В ходе изучения данной главы решаются следующие задачи:

· ознакомление со спецификой измерительного процесса при проведении исследований в области физиологии растений.

· изучение обстоятельств, могущих привести к искажению получаемых при измерении результатов.

· изучение способов защиты получаемых в процессе измерения результатов от различных погрешностей и искажений.

Теоретические основы процесса измерения

Суть процесса измерения.

Условно процесс измерения можно изобразить как взаимодействие трех компонентов: Объекта измерения, Средства измерения (прибора) и Субъекта измерения (исследователя). (Рис 10.)

С точки зрения теоретической метрологии Объект измерения – это реальный физический объект, свойства которого характеризуются одной или несколькими измеряемыми физическими величинами (Сергеев, Крохин, 2001). Поскольку Субъект измерения – человек принципиально не в состоянии представить себе объект измерения во всем многообразии его свойств, непосредственно процессу измерения предшествует построение математической модели объекта. Модель объекта строится на основе априорной информации об объекте, его свойствах, а также условиях измерений. Величина, реальное значение которой впоследствии предстоит непосредственно измерить, определяется как параметр принятой модели. Значение данной величины, которое можно было получить в результате абсолютно точного эксперимента, принимается в качестве истинного значения. При исследовании математической модели объекта исследователь также осуществляет выбор метода измерения, который впоследствии реализуется при использовании того или иного Средства измерения. Этот элемент схемы измерения имеет следующие свойства:

· является техническим средством, имеющим нормированные метрологические свойства (ГОСТ 16263-70);

· позволяет решать измерительную задачу путем сравнения измеряемой величины с единицей или шкалой физических величин;

· по своему устройству является конструктивно законченным устройством;

· обладает метрологическими характеристиками: свойствами, которые оказывают влияние на результат измерения и его погрешности. (Сергеев, Крохин, 2001).

Точность средства измерений — степень совпадения показаний измерительного прибора с истинным значением измеряемой величины. Чем меньше разница, тем больше точность прибора. Точность эталона или меры характеризуется погрешностью или степенью воспроизводимости. Точность измерительного прибора, откалиброванного по эталону, всегда хуже или равна точности эталона.

Метрологические характеристики — это характеристики свойств средства измерений, оказывающие влияние на результат измерения и его погрешности. Характеристики, устанавливаемые нормативно-техническими документами, называются нормируемыми, а определяемые экспериментально — действительными. Номенклатура метрологических характеристик, правила выбора комплексов нормируемых метрологических характеристик для средств измерений и способы их нормирования определяются стандартом ГОСТ 8.009-84 «ГСИ. Нормируемые метрологические характеристики средств измерений»

Точность результата измерений — одна из характеристик качества измерения, отражающая близость к нулю погрешности результата измерения. Следует отметить, что о повышении качества измерений всегда говорят термином «увеличить точность» — притом, что величина, характеризующая точность, при этом должна уменьшиться.

Официально к измерительным приборам относят только средства измерения, включённые в госреестр. Внесение в Госреестр средств измерений в обязательном порядке сопровождается утверждением методики поверки средства измерения на предмет соответствия заявленной в сертификате точности. Как правило, реальная точность прибора после калибровки существенно выше, чем сертифицированная точность. Это связано с тем, что измерительный прибор должен гарантировать паспортную точность не только сразу после калибровки, но в течение всего межповерочного интервала.

Объект, средство и субъект измерения в первую очередь являются источниками искажений, ошибок и погрешностей при проведении измерений.

Точность средства измерений — степень совпадения показаний измерительного прибора с истинным значением измеряемой величины. Чем меньше разница, тем больше точность прибора. Точность эталона или меры характеризуется погрешностью или степенью воспроизводимости. Точность измерительного прибора, откалиброванного по эталону, всегда хуже или равна точности эталона.

Точность результата измерений — одна из характеристик качества измерения, отражающая близость к нулю погрешности результата измерения. Следует отметить, что о повышении качества измерений всегда говорят термином «увеличить точность» — притом, что величина, характеризующая точность, при этом должна уменьшиться.

Класс точности — основная метрологическая характеристика прибора, характеризующая допустимые по стандарту значения основных и дополнительных погрешностей, влияющих на точность измерения.

Погрешность может нормироваться, в частности, по отношению к:

результату измерения (по относительной погрешности)

в этом случае, по ГОСТ 8.401-80 (взамен ГОСТ 13600-68), цифровое обозначение класса точности (в процентах) заключается в кружок.

длине (верхнему пределу) шкалы прибора (по приведенной погрешности)

Для электроизмерительных стрелочных приборов принято указывать класс точности, записываемый в виде числа, например, 0, 05 или 4, 0. Это число дает максимально возможную погрешность прибора, выраженную в процентах от наибольшего значения величины, измеряемой в данном диапазоне работы прибора. Так, для вольтметра, работающего в диапазоне измерений 0 — 30 В, класс точности 1, 0 определяет, что указанная погрешность при положении стрелки в любом месте шкалы не превышает 0, 3 В. Соответственно, среднее квадратичное отклонение s прибора составляет 0, 1 В.

Относительная погрешность результата, полученного с помощью указанного вольтметра, зависит от значения измеряемого напряжения, становясь недопустимо высокой для малых напряжений. При измерении напряжения 0, 5 В погрешность составит 20 %. Как следствие, такой прибор не годится для исследования процессов, в которых напряжение меняется на 0, 1 — 0, 5 В.

Обычно цена наименьшего деления шкалы стрелочного прибора согласована с погрешностью самого прибора. Если класс точности используемого прибора неизвестен, за погрешность s прибора всегда принимают половину цены его наименьшего деления. Понятно, что при считывании показаний со шкалы нецелесообразно стараться определить доли деления, так как результат измерения от этого не станет точнее.

Следует иметь в виду, что понятие класса точности встречается в различных областях техники. Так в станкостроении имеется понятие класса точности металлорежущего станка, класса точности электроэрозионных станков (по ГОСТ 20551