4.2. Класифікація похибок вимірювання

Похибки вимірювань розрізняють за такими ознаками: за джерелом виникнення; за закономірністю або характером змінювання (в часі або за ансамблем); за формою або способом відображення кількісних характеристик похибки вимірювань (рис. 4.2).

Цілком природно виділити складові похибки та їх джерела від­повідно до основних структурних елементів процесу вимірювання. Виходячи з цього, як джерела похибок вимірювань, слід розглядати метод вимірювання і засіб ЗВТ, а також оператора (суб’єкта). Згідно з цим виділяють методичну, інструментальну та суб ’єктивну складові похибки вимірювань.

Методична складова похибки вимірювання у загальному випадку зумовлена недосконалістю методу вимірювання, вона не залежить від властивостей ЗВТ.

Конкретизуємо джерела методичних похибок для прямих і непрямих (опосередкованих, сукупних і сумісних) вимірювань.

До найбільш поширених методичних похибок прямих вимірювань належать:

1. Похибка, обумовлена неадекватністю фізичної моделі об’єкта вимірювання (ОВ) реальному об’єкту та задачі вимірювання. Експе­риментатор мусить чітко відрізняти фактично вимірювану величину за прийнятою фізичною моделлю ОВ від тієї ФВ, що реально відтворює досліджувану властивість ОВ і підлягає вимірюванню.

Наприклад, при вимірюванні на виході будь-якого ОВ змінної напруги її форма прийнята синусоїдною, у той час як реальний сигнал не є синусоїдним і містить вищі гармоніки. Тому якщо від­повідно до прийнятої фізичної моделі ОВ для вимірювання амплітуди або змінної напруги на виході ОВ використати вольтметр, призначений для вимірювання синусоїдної напруги, то в результат вимірювання буде внесена методична похибка, обумовлена дією вищих гармонік, наявних у реальному сигналі ОВ.

Невідповідність прийнятої фізичної моделі ОВ, що називають пороговою невідповідністю, викликає одну з принципово неусувних складових методичної похибки, яка обмежує досяжну точність вимірювання. Це спричиняється тим, що фізична модель ОВ визначає вимірювану величину, а звідси - вибір методу вимірювання і ЗВТ.

2. Похибка, яка зумовлена зміною залежності між вимірюваною і проміжною величинами, якщо при вимірюваннях використовується проміжне перетворення ЗВТ.

3. Похибка передавання розміру вимірюваної величини від ОВ до ЗВТ, тобто фізичне з’єднання ЗВТ з ОВ, не завжди здійснюється так, щоб розмір вимірюваної величини був однаковий на виході ОВ і на вході ЗВТ. Наприклад, таку похибку можуть вносити з’єднувальні проводи між ОВ і ЗВТ.

До характерних методичних похибок, які є специфічними для непрямих вимірювань, належать:

1. Похибка обчислювань, у тому числі похибка алгоритмів або програм обчислювань.

2. Похибка, обумовлена тим, що функції (функціонали) обчислю­ються, як безперервні, а реально вони є дискретними (вимірювання здійснюються при дискретних значеннях ФВ-аргумента).

Відмітною особливістю методичних похибок вимірювань є те, що вони, як правило, неконкретні, і тому не можна одержати будь- яких узагальнених кількісних оцінок. Враховуючи це, методичні похибки звичайно не нормуються і не вказуються в технічній документації, а повинні оцінюватися експериментатором при реалізації вибраного методу вимірювань з урахуванням конкретних умов експлуатації ЗВТ. Така оцінка досить складна і часто потребує ґрунтовного експериментального дослідження прийнятого методу вимірювань. Якщо метод апробований протягом тривалого часу, то його похибки можуть бути встановлені і записані в паспорт методу. Складання подібних атестаційних паспортів похибок стандартних методів вимірювань є одним із важливих завдань сучасної метрології.

Інструментальна (приладова, апаратурна) складова похибки вимірювання обумовлена властивостями (або недосконалістю) ЗВТ, які використовуються при вимірюванні, що призводить до різних складових похибки.

Суб’єктивна (або особиста) складова похибки вимірювання залежить від індивідуальних властивостей експериментатора (суб’єкта), що виконує вимірювання, а точніше, від його психофізіологічних якостей, зокрема, від недосконалості органів чуттів, які беруть участь у визначенні результату вимірювання (зору, слуху, швидкості реакції на сигнал), від здатності до концентрації уваги, від ступеня стомленості і т. ін. Велику роль відіграє кваліфікація експериментатора.

Суб’єктивна похибка вимірювання характерна тільки для аналогових вимірювальних приладів. Вона має два різновиди.

Першим різновидом суб’єктивної похибки вимірювань є похибка відліку, яка обумовлена округленням показників під час їх відліку оператором зі шкали аналогового вимірювального приладу. Вона проявляється в тому, що однаковий показник приладу, який, наприклад, дорівнює 84,3 поділки, один оператор зчитує правильно, другий - як 84,0, третій - як 84,5 і т. д.

Другим різновидом суб’єктивної похибки вимірювань є похибка паралакса, обумовлена взаємним розташуванням ока експериментатора, стрілки вказівника і шкали аналогового вимірювального приладу.

Очевидно, такі похибки не можуть бути заздалегідь передбачені і вказані в технічній документації аналогових вимірювальних приладів. У цифрових вимірювальних приладах операція округлення виконується автоматично, а похибка округлення, що виникає при цьому, називається похибкою квантування, вона нормується і вказується в технічному описі приладу.

Зменшення або виключення суб’єктивної складової похибки вимірювання досягають застосуванням спеціальних типів шкал, наприклад дзеркальних, використанням цифрового відліку й авто­матизацією одержання результату вимірювання.

Таким чином, суб’єктивні похибки вимірювань поки що не можуть бути оцінені кількісно, а тому вони не входять у математичну модель повної похибки вимірювань. Їх треба зменшувати або виключити, але про них слід завжди пам’ятати під час відліку оператором показників зі шкали аналогового вимірювального приладу.