background image

 

Instytut Technologii Maszyn i Automatyzacji 

 

 

 

 

 

 

 

Instrukcja Zakładu Metrologii i Badań Jakości 

Nr 5 

Podstawy Metrologii 

BŁAĘDY POMIARÓW 

WYZNACZENIE BŁĘDÓW POMIARU I NIEPEWNOŚCI POMIAROWEJ 

DLA BEZPOŚREDNIEJ (RÓŻNICOWEJ) 

METODY POMIARU 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Opracował 

dr inż. Stanisław Fita 

background image

Instytut Technologii Maszyn i Automatyzacji 

Zakład Metrologii i Badań Jakości

 

Opracował: dr inż. Stanisław FITA         

 2

 

 

1.PODSTAWOWE POJĘCIA METROLOGII I ICH OKREŚLENIA 

 

Każda dziedzina wiedzy, nauki, lub techniki tworzy zbiór pojęć na własne potrzeby. 

Często czerpie je z nauk pokrewnych lub z systemów pojęciowych innych krajów Jednak 

żadna dziedzina wiedzy nie rozporządza jednym, jedynym uniwersalnym systemem pojęć 

Metrologia warsztatowa (miernictwo warsztatowe) jest częścią metrologii - dziedziny 

wiedzy o pomiarach - obejmującej wszystkie zagadnienia zarówno teoretyczne, jak i 

praktyczne, odnoszące się do pomiarów niezależnie od ich dokładności. Słownictwo metrologii 

warsztatowej ma zatem swe źródło w słownictwie metrologii. Metrologia jest nauką 

interdyscyplinarną i korzysta z kolei z systemów pojęć takich nauk, jak fizyka i matematyka. 

Podstawowe nazwy i określenia pojęć metrologii zawarte są w Polskiej Normie, której 

słownictwo opiera się na międzynarodowym słowniku metrologii. 

 

1.1 WIELKOŚĆ I WARTOŚĆ 

 

Otaczające nas ciała i zjawiska można opisać (scharakteryzować) pewnym zbiorem 

cech. Cechy te dzieli się na niemierzalne, to jest takie, które da się opisać tylko jakościowo, 

np.: smak, zapach i mierzalne, które można opisać nie tylko jakościowo, ale i ilościowo, np.: 

długość, masę, czas itp. Taka właśnie, właściwość zjawiska lub ciała, którą można wyznaczyć 

jakościowo i ilościowo jest wielkością. Wielkość poddana mierzeniu jest nazywana wielkością 

mierzoną. Natomiast wielkość nie będącą przedmiotem pomiaru, ale wpływającą na wartość 

wielkości mierzonej lub wskazania przyrządu pomiarowego, lub wartość wzorca miary, 

odtwarzającego wielkość jest wielkością wpływową. Na przykład, podczas dokładnych 

pomiarów długości, wielkością wpływową jest temperatura. 

Stan danej wielkości wyrażony iloczynem liczby i jednostki miary jest wartością 

wielkości określonej (krótko - wartością), np.: 5 m, 12 kg. W podanych przykładach liczby są 

wartościami liczbowymi wielkości a litery oznaczeniem jednostki miary. Jednostka miary jest to 

wartość danej wielkości, której wartość liczbową umownie przyjęto równą jedności. Wartość 

liczbowa wielkości zaś, liczbą oderwaną w wyrażeniu wartości określonej wielkości. Wartość 

liczbowa zależy więc od przyjętej jednostki miary. 

Wartość rozpatrywanej wielkości wyznacza się podczas pomiaru, a pomiar to czynności 

doświadczalne mające na celu wyznaczenie wartości wielkości. W definicji tej nie mówi się o 

tym, że czynności te trzeba najpierw zaplanować w oparciu o określoną teoretyczną, dobrać 

sprzęt pomiarowy a dopiero wtedy je wykonać. Po wykonaniu pomiaru otrzymuje się jedną lub 

więcej wartości odczytanych ze wskazań przyrządu pomiarowego. Wartość wielkości 

mierzonej otrzymana w czasie pomiaru jest wynikiem pomiaru. Tak uzyskany wynik, jest 

najczęściej surowym wynikiem pomiaru, ponieważ nie uwzględnia poprawek i nie ma 

background image

Instytut Technologii Maszyn i Automatyzacji 

Zakład Metrologii i Badań Jakości

 

Opracował: dr inż. Stanisław FITA         

 3

 

wyznaczonej niepewności pomiaru. 

Wynik pomiaru uzyskany jako odczyt wskazania przyrządu zawsze różni się od 

wartości prawdziwej, nazywanej wartością rzeczywistą, czyli wartością charakteryzującą 

wielkość określoną jednoznacznie w warunkach istniejących w chwili, w której wartość ta jest 

badana. Rzeczywista wartość wielkości jest więc wartością idealną, teoretyczną, najczęściej 

nieznaną. Jest to pojecie abstrakcyjne, umowne. 

Dlatego też wartość rzeczywistą zastępuje się wartością poprawną. Wartość poprawna 

wielkości jest to wartość, którą się uważa w takim stopniu przybliżoną do wartości rzeczywistej 

tej wielkości, że różnica miedzy tymi wartościami może być pominięta z punktu widzenia celu, 

do którego wartość przybliżona jest potrzebna. 

Poprawna wartość wielkości wyznacza się przeważnie za pomocą metod i przyrządów 

o dokładności odpowiedniej dla każdego poszczególnego przypadku. Na przykład, licznik 

energii elektrycznej, dla którego graniczne błędy dopuszczalne wynoszą 

±2%, sprawdza się 

licznikiem kontrolnym, którego błąd wskazań w tym zakresie nie przekracza 

±1%. Licznik 

kontrolny wskazuje wówczas wartości poprawne energii elektrycznej do celów legalizacji. 

 

2 POJĘCIE BŁĘDU 

 

Wynik każdego pomiaru, jak to już stwierdzono powyżej, różni się od wartości wielkości 

mierzonej. Przyczyn powstania różnic jest wiele i niemal każdy człon łańcucha pomiarowego i 

otoczenie może wywierać większy lub mniejszy wpływ  niezgodność wyniku pomiaru z 

wartością wielkości mierzonej, nazywaną  błędem pomiaru. Pierwszą z przyczyn tej 

niezgodności może być nieokreśloność obiektu pomiaru, dalej sposób odbioru sygnału 

pomiarowego, błędy przetworników, błędy komparatora, błędy wzorca, niedoskonałość 

urządzenia wskazującego, błędy obserwacji wskazania, błędy obliczeń i utrwalania wyniku i 

wreszcie wpływ otoczenia (w postaci zakłóceń) na wszystkie wymienione człony. 

Upraszczając, można przypisać przyczyny powstawania błędów obiektowi pomiarów, 

przyrządowi pomiarowemu, obserwatorowi i otoczeniu. 

Wartość wielkości mierzonej , wymieniona w definicji, jest wartością porównawczą 

może być równa: 

−  wartości rzeczywistej (prawdziwej), 
−  wartości poprawnej, 
−  średniej arytmetycznej wyników serii pomiarów. 

Wspomniana niezgodność może być wyrażona w postaci różnicy wyniku pomiaru i 

jednej z powyższych wartości. W pierwszym przypadku będzie to błąd rzeczywisty, dalej błąd 

poprawy i błąd pozorny. 

Na przykład błąd poprawny wynosi: 

 

background image

Instytut Technologii Maszyn i Automatyzacji 

Zakład Metrologii i Badań Jakości

 

Opracował: dr inż. Stanisław FITA         

 4

 

p

x

x

x

=

 

gdzie: 

∆x – wartość bezwzględna błędu poprawnego, 

x  – wynik pomiary (surowy)  

x

p

 – wartość poprawna wielkości mierzonej. 

W niektórych przypadkach, na przykład kiedy trzeba porównać  błąd pomiaru różnych 

wielkości, wygodniejszą formą przedstawiania błędy jest jego wartość względna: 

 

[ ]

%

100

x

x

x

p

p

=

δ

 

 

Pierwszy sposób podawania błędu stosuje się, między innymi w pomiarach wielkości 

geometrycznych a drugi w pomiarach wielkości elektrycznych. Wartość błędu bezwzględnego 

podaje się w jednostkach mierzonej wielkości, natomiast błąd względny jest wyrażany jako 

ułamek dziesiętny lub – najczęściej – w procentach. 

 

3. KLASYFIKACJA BŁĘDÓW 

 

Błąd i jego składowe mogą być klasyfikowane według różnych kryteriów. Jednym z nich 

(już wymienianym), jest przyczyna lub źródło powstawania błędu. Z metrologicznego punktu 

widzenia najważniejszym kryterium jest charakter błędu. Wyróżnia się wtedy: błąd 

systematyczny, błąd przypadkowy 

błąd nadmierny (gruby). 

 

3.1 BŁĄD SYSTEMATYCZNY 

 

Błąd systematyczny to błąd, który przy wielu pomiarach tej samej wartości pewnej 

wielkości, wykonywanych w tych samych warunkach, pozostaje stały co do wartości 

bezwzględnej jak i co do znaku, lub zmienia się  według określonego prawa wraz ze zmianą 

warunków. 

Przykładem błędu stałego może być  błąd powstały podczas ważenia za pomocą 

odważnika o masie przyjętej jako równej jego masie nominalnej 1 kg, podczas gdy jego masa 

poprawna wynosi 1,010 kg. 

Błąd systematyczny zmienny, może zmieniać się w sposób ciągły, lub okresowy. Na 

przykład, podczas pomiarów odchyłek  średnicy serii wałków za pomocą czujnika 

zamocowanego w statywie, na skutek promieniowania cieplnego mierzącego, następuje 

stopniowe nagrzewanie się kolumny statywu i jej wydłużanie się. Błąd będzie więc narastał 

wraz ze wzrostem temperatury kolumny. Błąd zmieniający się w sposób okresowy występuje, 

na przykład, w przypadku niewspółśrodkowego położenia osi podziałki i wskazówki. 

background image

Instytut Technologii Maszyn i Automatyzacji 

Zakład Metrologii i Badań Jakości

 

Opracował: dr inż. Stanisław FITA         

 5

 

 

3.2 BŁĄD PRZYPADKOWY 

 

Jest to błąd zmieniający się w sposób nieprzewidziany zarówno co do wartości 

bezwzględnej, jak i co do znaku, podczas wykonywania dużej liczby pomiarów tej samej 

wartości pewnej wielkości w warunkach praktycznie niezmiennych (za pomocą tego samego 

narzędzia pomiarowego i przez tego samego obserwatora w jednakowych warunkach 

otoczenia). Przyczynami tego błędu może być rozrzut wskazań przyrządu pomiarowego, 

spowodowany odkształcaniem się jego elementów, tarciem, niestarannym odczytywaniem 

wskazań przez obserwatora, lub krótkotrwałymi niezauważalnymi zmianami wielkości 

wpływowych. 

 

3.3 BŁĄD NADMIERNY

  

 

Błąd wynikający nieprawidłowego wykonania pomiaru. Może on wynikać z fałszywie 

odczytanego wskazania, czyli omyłki, z użycia uszkodzonego przyrządu, lub niewłaściwego 

jego zastosowania. Częstą pomyłką, jest odczytywanie wskazania przyrządu 

wielozakresowego z niewłaściwej podziałki. Zdarza się,  że zapomina się dodać grubość 

szczęk podczas pomiaru średnicy otworu suwmiarką jednostronną. 

 

Błąd systematyczny pomiaru bezpośredniego 

 

Błędy systematyczne są znane co do wartości bezwzględnej jak i co do znaku. Można 

więc je usunąć z wyniku pomiaru za pomocą poprawki, którą można wyznaczyć teoretycznie 

lub doświadczalnie: 

 

X

P

=

 

 

Poprawiony wynik pomiaru będzie miał postać: 

 

P

X

X

p

+

=

 

 

Należy jednak pamiętać, że poprawkę wyznacza się również z pewnym błędem, który 

jeśli nie może być pominięty, powinien być uwzględniony w oszacowaniu błędów 

przypadkowych. Ustalenie przyczyn i źródeł powstawania błędów systematycznych należy do 

zadania obserwatora (pomiarowca). Poprawnie zaplanowany, przygotowany i wykonany 

pomiar nie powinien być obarczony błędami systematycznymi. Chyba, że warunki pomiaru, lub 

zastosowana metoda pomiaru nie pozwala na ich uniknięcie. 

background image

Instytut Technologii Maszyn i Automatyzacji 

Zakład Metrologii i Badań Jakości

 

Opracował: dr inż. Stanisław FITA         

 6

 

 

Błędy przypadkowe w pomiarach pośrednich 

 

Wyniki pomiarów obarczone błędami przypadkowymi (błędy przypadkowe) można, dla 

odpowiednio dużej liczby pomiarów (n > 30), uważać za zmienną losową o rozkładzie 

normalnym, ponieważ: 

−  błędy są zdarzeniami niezależnymi, 
−  każdorazowo może pojawić się błąd tylko o jednej wartości, 
−  błędy o małych wartościach zdarzają się częściej niż duże, 
−  błędy o jednakowych wartościach i przeciwnych znakach są jednakowo 

prawdopodobne, 

−  błąd równy zeru jest najbardziej prawdopodobny. 

Wpływ błędów przypadkowych na wynik pomiaru można wyznaczyć w oparciu 

o rachunek  prawdopodobieństwa. W tym celu należy wykonać serię pomiarów; zgodnie 

z wcześniej przytoczoną definicją. Otrzymuje się w rezultacie n wyników: 

 

X

1

, X

2

, X

3

, ..., X

, ..., X

n

 

Rozrzut ich wartości jest spowodowany błędami przypadkowymi. Następnie liczy się 

średnią arytmetyczną tych wyników z zależności: 

 

=

=

+

+

+

+

+

=

n

1

i

i

n

i

3

2

1

X

n

1

n

X

X

X

X

X

X

K

K

 

 

Poszczególne wyniki pomiarów można opisać zależnościami: 

 

n

i

3

2

1

p

s

r

n

p

s

r

i

p

s

r

3

p

s

r

2

p

s

r

1

X

X

X

X

X

X

X

X

X

X

+

+

=

+

+

=

+

+

=

+

+

=

+

+

=

M

M

 

 

gdzie: 

X

r

 – 

wartość rzeczywista (prawdziwa), 

i

p

∆  – wartość błędów przypadkowych, 

s

∆  – wartość błędów systematycznych 

background image

Instytut Technologii Maszyn i Automatyzacji 

Zakład Metrologii i Badań Jakości

 

Opracował: dr inż. Stanisław FITA         

 7

 

Po wstawieniu do zależności wyników pomiarów, uzyskuje się: 

 

=

=

+

+

=

+

+

=

n

1

i

p

s

r

n

1

i

p

s

r

i

i

n

1

X

n

n

X

n

X

 

 

Gdy liczba pomiarów dąży do nieskończoności i błędy systematyczne są równe zeru, 

średnia arytmetyczna odpowiada wartości rzeczywistej mierzonej wielkości a suma błędów 

przypadkowych staje się równa zeru. 

W praktyce liczba wykonywanych pomiarów jest niewielka (n = 3 

÷ 20), ponieważ 

przedłużanie ciągu pomiarowego absorbuje dużo czasu i trudno jest utrzymać takie same 

warunki pomiaru. Wtedy najczęściej zakłada się,  że błędy pomiaru podporządkowane są 

rozkładowi normalnemu i wyznacza odchylenie średnie kwadratowe serii n pomiarów od 

wartości średniej, ze wzoru: 

 

(

)

1

n

X

X

s

n

1

i

2

i

=

=

 

 

Otrzymana z wyników pomiarów wartość  średnia  X  różni się od wartości rzeczywistej X

mierzonej wielkości. Miarą tej rozbieżności jest odchylenie kwadratowe średniej arytmetycznej: 

 

(

)

(

)

1

n

n

X

X

n

s

s

n

1

i

2

i

+

=

=

=

 

 

Granice błędu przypadkowego 

p

 na odpowiednim poziomie ufności można wyznaczyć jako 

iloczyn odchylenia średniego kwadratowego s przez odpowiednią wartość parametru t, dla 

przyjętego poziomu ufności. Na przykład: dla t = 1, poziom ufności wynosi P = 0,68, dla t = 2 – 

P = 0,95, dla t = 3 – P = 0,997. Niepewność pojedynczego wyniku pomiaru obarczonego tylko 

błędem przypadkowym wynosi: 

 

ts

p

±

=

 

a wartości średniej – 

s

t

± . Wynik serii pomiarów może być zapisany w postaci: 

n

s

t

X

s

t

X

X

±

=

±

=

 

 

y- 

background image

Instytut Technologii Maszyn i Automatyzacji 

Zakład Metrologii i Badań Jakości

 

Opracował: dr inż. Stanisław FITA         

 8

 

Gdy liczba pomiarów w serii jest niewielka, wartości s i  s   są obliczane tylko w przybliżeniu i 

nie odpowiadają ściśle parametrom rozkładu normalnego, słusznego dla dużej liczby wyników 

pomiaru. Dla małych prób dostatecznie dobrym przybliżeniem opisu zmiennych losowych, 

jakimi są wyniki pomiarów, jest rozkład t-Studenta . 

 

4. PODSTAWOWE ZASADY RACHUNKU BŁĘDÓW 

 

1. Najlepszym przybliżeniem serii n pomiarów (X,. X

:

. ... X„) wielkości fizycznej X jest średnia 

arytmetyczna: 

 

=

=

n

1

i

i

X

n

1

X

 

 

2. Błąd bezwzględny i - tego pomiaru wielkości fizycznej X jest równy 

 

X

X

X

i

i

=

 

 

3. Błędem względnym 

δ wartości zmierzonej X, nazywamy stosunek błędu bezwzględnego ∆X

i

 

do wartości średniej : 

X

X

X

i

i

=

δ

 

 

Błąd względny wyrażony w procentach nazywamy błędem procentowym. 

 

4. Średni  błąd  kwadratowy 

x

S  pojedynczego pomiaru skończonej serii n pomiarów wielkości 

fizycznej X wynosi: 

 

(

)

1

n

x

x

S

n

1

i

2

i

x

=

=

 

 

5.  Średni  błąd  kwadratowy 

X

S wartości  średniej  X  skończonej serii n  pomiarów wielkości 

fizycznej X wynosi: 

 

(

)

(

)

( )

(

)

1

n

n

X

1

n

n

x

x

S

n

1

i

2

i

n

1

i

2

i

x

=

=

=

=

 

 

background image

Instytut Technologii Maszyn i Automatyzacji 

Zakład Metrologii i Badań Jakości

 

 

6 Wartości błędów zaokrąglamy zawsze w górę. Najpierw błędy zaokrąglamy z dokładnością 

do jednej cyfry znaczącej. Jeżeli wstępne zaokrąglenie powoduje wzrost wartości błędu o 

więcej niż 10%, zaokrąglamy go z dokładnością do dwóch cyfr znaczących. 

 

7. Wyniki  pomiarów zaokrąglamy z dokładnością do miejsca,  na  którym występuje ostatnia 

cyfra znacząca błędu. 

 

8. Wynik pomiaru zapisujemy w postaci 

±

X

,

 gdzie  X  jest najlepszym przybliżeniem 

wartości mierzonej, a 

∆ jest wartością  błędu bezwzględnego pomiaru wielkości X.  Zapisując 

wynik pomiaru należy podać jednostki układu SI w jakich wielkość została zmierzona  

 

9. Klasa przyrządu pomiarowego „kl” jest to wyrażony w procentach stosunek maksymalnego 

błędu bezwzględnego 

∆X

max

 do zakresu pomiarowego Z. 

 

%

100

Z

X

kl

max

=

 

 

10. Prawo przenoszenia niezależnych błędów przypadkowych dla wielkości złożonej 

(

)

n

2

1

x

,

,

x

,

x

f

y

K

=

 ma postać. 

 

2

pm

m

2

2

p

2

2

1

p

1

p

X

f

X

f

X

f

y

⎟⎟

⎜⎜

+

+

⎟⎟

⎜⎜

+

⎟⎟

⎜⎜

=

K

 

 

gdzie 

(

m

,

,

2

,

1

i

X

f

i

L

=

)

 oznacza wartość pochodnej cząstkowej funkcji 

(

)

m

2

1

X

,

,

X

,

X

f

y

K

=

mi

 jest wartością przypadkowego błędu pomiaru i – tej wielkości X. 

 

11. Prawo przenoszenia błędów systematycznych (skorelowanych) dla wielkości złożonej 

(

)

n

2

1

x

,

,

x

,

x

f

y

K

=

 ma postać: 

 

sm

m

2

s

2

1

s

1

s

X

f

X

f

X

f

y

+

+

+

=

K

 

 

Opracował: dr inż. Stanisław FITA         

 9

 

12. Jeżeli wielkość mierzona jest wyrażona w postaci iloczynu dowolnych potęg wielkości 

mierzonych bezpośrednio 

, obliczyć korzystając z metody pochodnej 

m
n

1

2

k

1

X

X

cX

y

K

=

logarytmicznej: 

background image

Instytut Technologii Maszyn i Automatyzacji 

Zakład Metrologii i Badań Jakości

 

Opracował: dr inż. Stanisław FITA         

 10

 

 

n

n

2

2

1

1

X

X

m

X

X

l

X

X

k

y

y

+

+

+

=

K

 

 

13. Jeżeli zmierzono wartości (X

i

,Y

i

), i = 1, 2, ..., n dwóch różnych wielkości fizycznych X i Y, o 

których wiadomo, że są związane ze sobą zależnością liniową, to najlepszym przybliżeniem 

współczynników X i B w równaniu y = Ax + B jest: 

 

Γ

=

=

=

=

1

y

x

y

x

n

A

n

1

i

i

n

1

i

i

n

1

i

i

i

 

Γ

=

=

=

=

=

1

y

x

x

y

X

B

n

1

i

i

i

n

1

i

i

n

1

i

i

n

1

i

2
i

 

 

gdzie: 

2

n

1

i

i

1

1

i

2
i

x

x

n

=

Γ

=

=

 

Wartości A i B są obarczone błędami: 

 

Γ

σ

=

=

n

1

i

2
i

y

x

A

Γ

σ

=

n

B

y

 

gdzie: 

(

)

2

n

B

Ax

y

n

1

i

2

i

i

y

=

σ

=

 

 

OBLICZANIE BŁĘDÓW PRZYPADKOWYCH NA PODSTAWIE ROZKŁADU T-STUDENTA 

 

Gdy liczba pomiarów jest niewielka, wartości s i s są obliczane tylko w przybliżeniu i nie 

odpowiadają  ściśle parametrom rozkładu normalnego słusznego dla dużej liczby wyników 

pomiarów. Dla małych prób dostatecznie dobrym przybliżeniem opisu zmiennych losowych, 

jakimi są wyniki pomiarów, jest rozkład t-Studenta. Jest to funkcja matematyczna zależna od 

liczby pomiarów n użytych do obliczania odchylenia średniego kwadratowego s. Przykładowe, 

zaokrąglone wartości współczynników t i 

n

t

rozkładu Studenta dla różnych liczb pomiarów n i 

różnych poziomów ufności p, podano w tabeli. Korzystając z rozkładu Studenta można 

wyznaczyć:  

 

background image

Instytut Technologii Maszyn i Automatyzacji 

Zakład Metrologii i Badań Jakości

 

Opracował: dr inż. Stanisław FITA         

 11

 

−  błąd przypadkowy pojedynczego pomiaru X: 

 

s

t

p

,

n

p

±

=

 

 

−  błąd przypadkowy średniej  X : 

 

s

n

t

s

t

p

,

n

p

,

n

p

±

=

±

=

 

 

 

Współczynniki t rozkładu Studenta 

 

 

p = 0,68 

P = 0,95 

p = 0,997 

n

t

 

n

t

 

n

t

 

1,8 

1,3 

12,7 

9,0 

233 

166 

1,32 

0,76 

4,3 

2,5 

19,2 

11,1 

1,20 

0,60 

3,2 

1,6 

9,2 

4,6 

1,15 

0,51 

2,8 

1,24 

6,6 

3,0 

1,11 

0,45 

2,6 

1,05 

5,5 

2,3 

1,08 

0,38 

2,7 

0,84 

4,5 

1,6 

10 

1,06 

0,34 

2,3 

0,72 

4,1 

1,29 

20 

1,03 

0,23 

2,1 

0,47 

3, 4 

0,77 

30 

1,02 

0,19 

2,0 

0,37 

3,3 

0,60 

50 

1,01 

0,14 

2,0 

0,28 

3,16 

0,45 

100 

1,00 

0,10 

2,0 

0,20 

3,1 

0,31 

200 

1,00 

0,07 

1,97 

0,14 

3,04 

0,22 

 


Document Outline