§ 7. Качество измерений и способы его достижения
Процесс измерения неизбежно сопровождается ошибками, ко - торые вызываются несовершенством измерительных средств, не - стабильностью условий проведения измерений, несовершенством самого метода и методики измерений, недостаточным опытом и не - совершенством органов чувств человека, выполняющего измерения,
а также другими факторами.
Под качеством измерений понимают совокупность свойств, обусловливающих получение результатов с требуемыми точностны - ми характеристиками, в необходимом виде и в установленные сроки. Качество измерений характеризуется такими показателями, как точ - ность, правильность и достоверность.
При практическом использовании тех или иных измерений важно оценить их точность. Термин « точность измерений », т. е. степень
приближения результатов измерения к некоторому действительному значению, не имеет строгого определения и используется для каче - ственного сравнения измерительных операций. Для количественной
оценки используется понятие «погрешность измерений» (чем меньше погрешность, тем выше точность). Оценка погрешности из - мерений — одно из важных мероприятий по обеспечению единства измерений.
Введение понятия «погрешность» требует определения и четкого разграничения трех понятий:
1) Истинное значение измеряемой физической величины —
это значение, идеальным образом отражающее свойство данного объекта как в количественном, так и в качественном отношении. На практике оно практически всегда неизвестно.
2) Действительное значение измеряемой физической вели -
чины — значение, найденное экспериментально и настолько при - ближающееся к истинному, что для данной цели оно может быть использовано вместо него. Действительное значение может быть по - лучено при помощи рабочих эталонов.
3) Результат измерения — приближенная оценка истинного значения величины, найденная путем измерения (результат, полу - ченный с помощью рабочего средства измерения).
Погрешность результата измерения — это отклонение ре -
зультата измерения от истинного значения измеряемой величины.
По способу выражения различают:
1) Погрешность измерения, выраженную в единицах измеряемой величины, которая называется абсолютной . Она не всегда является информативной. Например, абсолютная погрешность 0,01 мм может быть достаточно большой при измерениях величин в десятые доли миллиметра и малой при измерениях величин, размеры которых пре - вышают несколько метров.
2) Более информативную относительную погрешность , под которой понимают отношение абсолютной погрешности измерения к
ее истинному значению (или математическому ожиданию). Именно относительная погрешность используется для характеристики точ - ности измерения.
3) Приведенную погрешность , представляющую собой отно -
шение абсолютной погрешности к нормирующему значению (посто - янному во всем диапазоне измерений или его части).
В зависимости от характера проявления, причин возник - новения и возможностей устранения различают систематиче -
скую и случайную составляющие погрешности измерений, а также грубые погрешности (промахи).
К систематическим погрешностям относят те, которые при повторных измерениях остаются постоянными или изменяются по какому-либо закону.
Систематические погрешности при измерении одним и тем же методом и одними и теми же измерительными средствами всегда имеют постоянные значения. К причинам, вызывающим их появле - ние, относят:
субъективную составляющую, связанную с индивидуальными особенностями оператора. Как правило, эта погрешность возни - кает из-за ошибок в отсчете показаний (примерно 0,1 деления шкалы) и неопытности оператора. В основном же систематиче - ские погрешности возникают из-за методической и инструмен - тальной составляющих;
методическая составляющая — погрешности метода, или теоретические погрешности, — происходят вследствие ошибок или недостаточной разработанности метода измерений. Сюда же можно отнести неправомерную экстраполяцию свойства, получен - ного в результате единичного измерения, на весь измеряемый объ - ект. Например, принимая решение о годности вала по единичному измерению, можно допустить ошибку, поскольку не учитываются такие погрешности формы, как отклонения от цилиндричности, круглости, профиля продольного сечения и др. Поэтому для ис - ключения такого рода систематических погрешностей в методике измерений рекомендуется проведение измерений в нескольких местах деталей и взаимно-перпендикулярных направлениях.
К погрешностям метода относят также влияние инструмента на свойства объекта (например, значительное измерительное усилие, изменяющее форму тонкостенной детали) или погрешности, связан - ные с чрезмерно грубым округлением результата измерения; инструментальная составляющая. Инструментальные по -
грешности связаны с погрешностями средств измерения, вызван - ными погрешностями изготовления или износом составных ча - стей измерительного средства;
погрешности, вызванные воздействием окружающей среды и условий измерения : температура (например, измерения еще не остывшей детали), вибрации, нежесткость поверхности, на ко - торую установлено измерительное средство, и т. п.
Одним из методов обнаружения систематической погрешности может быть замена средства измерений на аналогичное в случае, если оно предположительно является источником систематической погрешности. Подобным образом можно обнаружить систематиче - скую погрешность, вызванную внешними условиями: например, за - мена поверхности, на которую установлено измерительное средство, на более жесткую.
Появление систематической погрешности можно обнаружить статистически, нанося с заданной периодичностью результаты изме - рений на бумагу с заданными границами (например, предельными размерами). Устойчивое движение результата измерений в сторону одной из границ будет означать появление систематической погреш - ности и необходимости вмешательства в технологический процесс.
Для исключения систематической погрешности в производственных условиях проводят проверку средств измерений, устраняют те причины, которые вызваны воздействиями окружающей среды, сами измерения проводят в строгом соответствии с рекомендуемой методикой, прини - мая в необходимых случаях меры по ее совершенствованию.
Постоянные систематические погрешности не влияют на значе - ния случайных отклонений измерений от средних арифметических, поэтому их сложно обнаружить статистическими методами. Анализ таких погрешностей возможен только на основании априорных зна - ний о погрешностях, получаемых, в частности, при поверке средств измерений. Например, при поверке средств измерений линейных величин измеряемая величина обычно воспроизводится образцовой мерой (концевой мерой длины), действительное значение которой известно. Систематические погрешности приводят к искажению ре - зультатов измерений и потому должны выявляться и учитываться при оценке результатов измерений. Полностью систематическую по - грешность исключить практически невозможно; всегда в процессе измерения остается некая малая величина, называемая неисключен - ной систематической погрешностью. Эта величина учитывается пу - тем внесения поправок.
Разность между средним арифметическим значением результа -
тов измерения и значением меры с точностью, определяемой погреш - ностью при ее аттестации, называется поправкой . Она вносится в
паспорт аттестуемого средства измерения и принимается за искомую систематическую погрешность.
Оставшаяся необнаруженной систематическая составляющая опаснее случайной: если случайная погрешность вызывает вариа - цию (разброс) результатов, то систематическая устойчиво их иска - жает (смещает). В любом случае отсутствие или незначительность (с целью пренебрежения) систематической погрешности нужно до - казать.
В ряде случаев систематическая составляющая может быть ис - ключена за счет устранения источников погрешности до начала из - мерений (профилактика), а в процессе измерений — путем внесения известных поправок в результаты.
Профилактика погрешности — наиболее рациональный спо -
соб ее снижения, заключается в устранении влияния, например, тем - пературы (термостатированием и термоизоляцией), магнитных полей (магнитными экранами), вибраций и т. п. Сюда же относятся регу - лировка, ремонт и поверка СИ.
Исключение постоянных систематических погрешностей в про - цессе измерений осуществляют методом сравнения (замещения, противопоставления), компенсации по знаку (предусматривают два наблюдения, чтобы в результат каждого измерения систематическая погрешность входила с разным знаком), а исключение переменных и прогрессирующих — способами симметричных наблюдений или
наблюдением четное число раз через полупериоды.
Случайные погрешности — это погрешности, принимающие при повторных измерениях различные, независимые по знаку и величине значения, не подчиняющиеся какой-либо закономерно - сти. Причин, вызывающих случайные погрешности, может быть много: например, колебание припуска на обработку, механические свойства материалов, посторонние включения, точность установ - ки деталей на станок, точность средства измерения в заготовке, изменение измерительного усилия крепления детали на станке, силы резания и др.
Как правило, индивидуальное влияние каждой из этих причин на результаты измерения невелико и не поддается оценке, тем более, что, как всякое случайное событие, оно в каждом конкретном случае может произойти или нет.
Для случайных погрешностей характерен ряд условий:
малые по величине случайные погрешности встречаются чаше, чем большие;
отрицательные и положительные относительно средней величи - ны измерений, равные по величине погрешности, встречаются одинаково часто;
для каждого метода измерений есть свой предел, за которым по - грешности практически не встречаются (в противном случае, эта погрешность будет грубым промахом).
Выявление случайных погрешностей особенно необходимо при точных, например, лабораторных измерениях. Для этого использу - ют многократные измерения одной и той же величины, а их резуль - таты обрабатываются методами теории вероятностей и математиче - ской статистики. Это позволяет уточнить результаты выполненных измерений.
Влияние случайных погрешностей выражается в разбросе полу - ченных результатов относительно математического ожидания, поэто - му количественно наличие случайных погрешностей хорошо оцени - вается среднеквадратическим отклонением (СКО).
Случайные погрешности измерения, не изменяя точности ре - зультата измерений, тем не менее, оказывают влияние на его до - стоверность.
При этом дисперсия среднего арифметического ряда измерений всегда имеет меньшую погрешность, чем погрешность каждого опре - деленного измерения. Если необходимо повысить точность резуль - тата (при исключенной систематической погрешности) в 2 раза, то
количество измерений надо увеличить в 4 раза.
Грубые погрешности ( промахи ) — это погрешности, не харак -
терные для технологического процесса или результата, приводящие к явным искажениям результатов измерения. Наиболее часто они допускаются неквалифицированным персоналом при неправильном обращении со средством измерения, неверном отсчете показаний, ошибках при записи или вследствие внезапно возникшей посторон - ней причины при реализации технологических процессов обработки деталей. Они сразу видны среди полученных результатов, т. к. из - влеченные значения отличаются от остальных значений совокуп - ности измерений.
Если в процессе измерений удается найти причины, вызываю - щие существенные отличия, и после устранения этих причин по - вторные измерения не подтверждают подобных отличий, то такие измерения могут быть исключены из рассмотрения. Но необдуман -