Причины возникновения погрешностей

В процессе измерений погрешности могут появиться оттуда, откуда их не ждали. Поэтому прежде чем приступать к измерениям, надо тщательно проанализировать возможные причины возникновения погрешностей.

2.6.2.1. В материаловедении наиболее частой причиной появления погрешностей является несоответствие значения измеренной физической величины и действительного значения физической величины объекта измерений (тела, процесса, явления и т.д.). Эту погрешность можно назвать погрешностью представительности и она возникает из-за недостаточного знания эффекта масштабирования в объекте измерения. Очевидной иллюстрацией этого явление является измерение температуры помещения, которая должна быть в дальнейшем использована как мера температурного поля помещения. Действительно, где установить термометр в жилой комнате, чтобы измеренная местная температура могла бы быть объявлена температурой помещения? Даже без знания основ метрологии наш житейский опыт подсказывает, что значения температуры, измеренные зимой на уровне пола, на уровне глаз (что удобнее), около окна, особенно если последнее не заклеено, у радиатора отопления или на потолке будут существенно различаться.

Подобная ситуация имеет место в технических измерениях почти всегда, когда с помощью малого числа датчиков или образцов (зачастую одним датчиком на одном образце) необходимо оценить действительное значение физической величины (температуры, концентрации, прочности, параметра структуры и т.п.). При этом громадное значение приобретает выбор места измерения или способ отбора образца для анализа (пробоотбор).

Следует особенно подчеркнуть, что погрешности представительности будут появляться как в случаях использования ординарных средств измерения, так и в случае высококлассных средств измерения и что на практике эти погрешности могут быть выявлены с большим трудом и только с помощью больших затрат. Ошибки представительности в ряде случаев имеют значительную величину и могут многократно превышать остальные погрешности.

На рис.2.15 приведена макроструктура стального слитка. Из какой области следует вырезать образец для химического анализа и определения марки стали? Для тех, кто знаком с основами кристаллизации металлов очевидно, что химический состав зоны столбчатых кристаллов будет существенно отличен от центральной зоны слитка. Поэтому металлурги предпочитают брать небольшую пробу жидкого металла, отличающуюся структурной и химической однородностью и по данным анализа проб судить о составе всей плавки (слитка).

Для анализа подобного рода погрешностей до сих пор отсутствуют общепринятые методы анализа и единственным путем снижения погрешностей представительности является правильный, научно-обоснованный план проведения измерений (план пробоотбора) и соответствующие методы анализа результатов измерений (см. главу 4).

2.6.2.2. Воздействие процесса измерения на измеренную величину особенно часто имеет место при точных измерениях температур тел с малой массой. Например, при измерении температуры проволочного образца диаметром (0,8...1,0) мм термопарой с диаметром электродов (0,3...0,5) мм после контакта спая термопары и образца устанавливается новое температурное равновесие между образцом и термопарой. За счет отвода тепла через термопарные электроды будет зафиксирована температура, искаженная (заниженная) обратным воздействием процесса измерения на измеряемую величину. Единственным способом снижения эффекта обратного воздействия в такой ситуации будет применение более тонкой термопарной проволоки, потерями тепла через которую можно пренебречь.

Вообще обратное воздействие датчиков и чувствительных элементов на процесс особенно сильно проявляется при так называемых зондовых измерениях, когда в изучаемый объект вводится зонд (первичный измерительный преобразователь), который существенно нарушает существовавшую до его введения форму поля измеряемой величины.

2.6.2.3. Внутриприборные дефекты (люфты в механизмах передачи, повышенное трение в опорах, замыкание части витков в катушках индуктивности, помутнение иллюминаторов в вакуумных системах и т.д.) приводят к появлению так называемых внутренних помех, которые в свою очередь вызывают погрешности измерений. Вспомните, сколько раз вы сами или герои кинофильмов постукивали пальцем по барометру, пытаясь выяснить действительное значение атмосферного давления! Это типичный случай повышенного трения в опорах указателя средства измерения (стрелки прибора). Наличие внутренних помех является сигналом для ремонта и поверки средства измерения. Иными способами от подобного рода помех избавиться трудно.

Рис. 2.15 Макроструктура стального слитка. I – наружная мелкозернистая зона;