Погрешности, возникающие вследствие внешних влияний

Под категорией погрешностей, возникающих вследствие внешних влияний, обычно понимают изменение показаний приборов под воздействием температуры, влажности и давления. Тем не менее, это лишь часть причин, приводящих к появлению систематических погрешностей. Сюда же следует отнести влияние вибраций, постоянных и переменных ускорений, влияние электромагнитного поля и различных излучений: рентгеновского, ультрафиолетового, ионизирующих излучений, гамма-излучения. По мере развития техники и науки появилась возможность и необходимость проводить измерения в нестандартных условиях, например в Космосе или внутри подводной лодки. Специфичность условий измерения может доходить до высших категорий, если ставить задачу измерения погодных условий на Марсе или на Венере. Такие же особенности могут иметь место в реальных жизненно важных для нас ситуациях. Если речь идет о контроле параметров ядерного реактора, то условия, в которых работает измерительный прибор, могут значительно отличаться от стандартных.

Влияние температуры - наиболее распространенный источник погрешности при измерениях. Поскольку от температуры зависит длина тел, сопротивление проводников, объем определенного количества газа, давление насыщенного пара индивидуальных веществ, то сигналы со всех видов датчиков, где используются упомянутые физические явления, будут изменяться с изменением температуры. Существенно, что сигнал сдатчика не только зависит от абсолютного значения температуры, но от градиента температуры в том месте, где расположен датчик. Еще одна из причин появления «температурной» систематической погрешности - это изменение температуры в процессе измерения. Указанные причины существенны при косвенных измерениях, т.е. в тех случаях, когда нет необходимости измерять температуру как физическую величину. Тем не менее в собственно температурных измерениях необходимо тщательно исследовать показания приборов в различных температурных интервалах. Например, результаты измерения теплоемкости, теплопроводности, теплотворной способности топлива могут сильно искажаться от различного рода температурных воздействий.

Учитывая большое влияние температуры на физические свойства материалов и, соответственно, на показания приборов, особое внимание следует обращать на температурные условия в тех комнатах, лабораториях и зданиях, где проводятся градуировочные или поверочные работы. Здесь необходимо тщательно следить за отсутствием тепловых потоков, градиентов температуры, однородностью температуры окружающей среды и измерительного прибора. Для того чтобы избежать влияния этих факторов на измерения, приборы длительное время выдерживают в термостатированном помещении, прежде чем начинать какие-либо работы. Для особо точных измерений иногда используют дистанционные манипуляторы, чтобы исключить тепловые помехи, создаваемые операторами.

Для большинства приборов при испытаниях на право серийного выпуска программа испытаний обязательно содержит исследование показаний прибора (одного или нескольких образцов) в зависимости от температуры.

Влияние магнитных или электрических полей сказывается не только на средствах измерения электромагнитных величин. В зависимости от принципа действия прибора наведенная ЭДС или токи Фуко могут исказить показания любого датчика, выходным сигналом которого служит напряжение, ток, сопротивление или электрическая емкость. Таких приборов существует великое множество, особенно в тех случаях, когда приборы имеют цифровой выход. Аналогово-цифровые преобразователи иногда начинают регистрировать сигналы радиочастотных или еще каких-либо электрических полей. Очень часто электромагнитные помехи попадают в прибор по сети питания. Выяснить причины появления таких ложных сигналов, научиться вводить поправки в измерения при наличии электромагнитных помех - это одна из важных проблем метрологии и измерительной техники.

Особенно важен рассматриваемый фактор появления систематических погрешностей в больших городах, где хорошо поставлена связь, телевидение, радиовещание и т.п. Уровень электромагнитного излучения бывает настолько высоким, что, например, вблизи мощного телецентра может загореться низковольтная лампочка, если ее соединить с проволочным контуром без источника питания. Тот же эффект можно наблюдать в зоне действия радиолокаторов вблизи какого-либо аэропорта. О том, что этот фактор может существенно влиять на показания измерительных приборов, свидетельствует тот факт, что буквально за последние несколько лет появились возможности уверенной радиотелефонной связи, а также уверенного приема спутникового телевидения. Это означает, что уровень сигнала в окружающем нас пространстве достаточно высок и легко регистрируется соответствующей техникой. Этот же сигнал будет накладываться на сигналы, поступающие с датчиков измерительных приборов.

Еще один интересный случай появления систематических погрешностей при измерениях связан с измерительными приборами на кораблях. Много лет назад опытными мореплавателями было установлено, что если корабль идет долгое время курсом «норд» или «зюйд» некоторые приборы начинают показывать неверные результаты, т. е. приобретают какую-то систематическую погрешность. Причина этого была выяснена довольно точно: корабль намагничивается от магнитного поля Земли и при дальнейшем изменении курса сохраняет остаточную намагниченность. В наше время это хорошо исследованный эффект. Во время мировой войны суда специально размагничивали, чтобы избежать срабатывания магнитных мин. Сейчас в ряде стран, в том числе и у нас, созданы корабли науки, которые либо делаются из немагнитных материалов, либо персонал тщательно следит за намагниченностью корпуса. Такие суда осуществляют дальнюю и космическую связь, занимаются экологическими измерениями, исследуют озоновый слой Земли, исследуют прохождения радиоволн и выполняют еще целый ряд необходимых функций.

Влияние второго климатического фактора - давления - распространяется на несколько более узкий круг измерений, чем температура, но существует целый ряд очень важных видов измерения, где данные об атмосферном или внешнем давлении практически определяют уровень точности измерений. Так же, как в предыдущем случае, имеет смысл отдельно рассматривать собственно показания датчиков в других видах измерения. Многие типы манометров по сути своей являются дифференциальными, т. е. измеряют разность давлений между двумя различными точками какой-либо системы. В этом случае любая погрешность определения абсолютной величины давления в той точке, относительно которой измеряется давление, аддитивно накладывается на результат измерения.

Влияние давления на сигналы датчиков очень существенны в рефрактометрии - измерении показателя преломления - воздуха и газов. Это относится собственно к измерениям рефракции, а также к измерениям с использованием соответствующих датчиков, например при измерении концентрации газов и газовых смесей. От изменения давления меняется не только показатель преломления газа, но и другие характеристики, такие как диэлектрическая постоянная. Соответственно, может измениться сигнал с любого емкостного датчика.

В измерении массы информация о давлении весьма существенна в связи с тем, что при точных измерениях массы основной вклад в систематическую погрешность дает архимедова сила, выталкивающая гирю. Силы Архимеда зависят от плотности среды (плотности воздуха) и, следовательно, непосредственно зависят от давления, поскольку число молекул газа в единице объема

(3.6)

где n0 - постоянная, называемая числом Лошмита; р - давление; Т - температура; a p0 и T0 - нормальные значения давления и температуры.

(3.7)

В метрологических справочниках всегда можно найти данные о поправках, которые необходимо ввести при взвешивании для учета силы Архимеда. Нетрудно показать, что выталкивающая сила, действующая на гирю, выражается формулой

(3.8)

где ρ - плотность воздуха; ρT - плотность материала взвешиваемого тела; mT - масса тела. Масса взвешиваемого тела будет равна:

(3.9)

где ρГ - плотность материала гири. Если плотность воздуха считать много меньшей плотности материалов тела и гири, то массу взвешиваемого тела можно выразить через действительную массу гири плюс некоторая поправка на силу Архимеда

(3.10)

Из приведенных формул следует, что при взвешивании гирями из материала большой плотности систематическая погрешность от силы Архимеда меньше, чем при взвешивании гирями из легкого материала. В табл. 3.1 представлены поправки на силы Архимеда, которые необходимо учитывать при взвешивании для тела массой 100 г.

Таблица 3.1

Поправки на силы Архимеда, которые нужно делать
при взвешивании гирями для тела массой 100 г.

Отдельно следует рассматривать систематические погрешности при измерении давления в условиях вакуума. Здесь наиболее существенным источником погрешностей является селективность процесса откачивания воздуха насосами с различными принципами действия. Этот вопрос очень сложен с точки зрения анализа физической сущности процесса вакуумирования. Насосы ротационные, сорбционные, магниторазрядные, турбо-молекулярные создают совершенно разный состав остаточных газов. В итоге в каждом отдельном случае при оценке погрешностей измерения вакуума нужно анализировать совместные искажения, вносимые в состав остаточного газа насосом, и искажения, вносимые тем или иным датчиком давления. В ряде случаев для прояснения картины недостаточна даже дополнительная калибровка, т. к. создать достаточно точно ту среду по составу, в которой будет работать датчик, очень трудно.

Проблема создания вакуума и измерения давления остаточного вакуума является одной из ключевых проблем современной техники и науки. Уверенно можно утверждать, что уровень вакуумной техники определяет уровень многих технологий, например технологии изготовления микросхем и микросборок.

То же самое относится к наукоемким видам измерения - масс-спектрометрии или ЯМР спектрометрии. Все метрологические категории этих видов измерения напрямую зависят от того, насколько «чистый» вакуум удается создать и с какой точностью удается этот вакуум измерить.

Третий климатический фактор, вносящий систематические погрешности во многие измерения, - это влажность, т. е. содержание молекул воды в том или ином месте расположения измерительного прибора. При оценке такой погрешности можно рассматривать гигрометрию как вид измерения, т. е. возможные систематические погрешности в измерении влагосодержания (абсолютная влажность) и влагосостояния (относительная влажность). Можно также оценивать погрешность как следствие влияния влаги на показания других типов приборов. Например, наличие влаги изменяет проводимость или емкость электрических элементов датчиков. Влага ухудшает изоляционные свойства материалов, вызывая токи утечки. Влага изменяет структуру многих химических соединений, трансформируясь из свободной влаги в кристаллизационную и обратно.

С учетом этого становится очевидным всеобъемлющий характер учета влажности при оценке систематических погрешностей.

На эти трудности накладываются еще неоднозначности в выражении измеряемых в гигрометрии величин и единиц. По одной из версий исходным моментом в гигрометрии является упругость насыщенного водяного пара при фиксированной температуре. В этом случае любое уточнение термодинамических свойств воды должно привести к пересчету всех результатов измерений. По другой версии исходным моментом в гигрометрии должно являться число молекул воды в единице объема. Эти измерения наиболее точно выполняются радиочастотными методами, возможности которых и определяют погрешности гигрометрии.

Вся проблема влияния влажности на систематические погрешности в измерениях обозначена во многих странах и международных организациях как одна из наиболее существенных. По этой причине влияние влажности на показания любого прибора являются обязательным элементом любых испытаний и исследований на предмет выявления систематической погрешности.