دليل كامل لقياس الخطأ

القياس ضروري في جميع أنواع التجارب الفيزيائية وعمليات تطوير التكنولوجيا ، وطالما كانت نتيجة القياس ، فإن خطأ القياس أمر لا مفر منه. يؤثر الخطأ على دقة القياس ، لذلك يجب أن يتعلم الموظفون الفنيون ويتقنون نظرية الخطأ ، وأن يكون لديهم فهم شامل ومنهجي لخصائص الخطأ وطبيعته وتصنيفه ، وإيجاد طريقة علمية معقولة للقضاء عليه.

★ ما هو تعريف قيمة الحقيقة وخطأ القياس؟

قيمة الحقيقة ، والمعروفة أيضًا بالقيمة النظرية ، هي قيمة موضوعية وحقيقية تعكس خصائص شيء ما في ظل ظروف معينة من الزمان والمكان. في القياس ، هناك انحراف معين ، بشكل أو بآخر ، بين النتيجة المقاسة وقيمة الحقيقة ، وهذا الانحراف هو خطأ القياس.

قيمة الحقيقة هي مفهوم مثالي ، بالمعنى الدقيق للكلمة ، لا يمكن الحصول عليها من خلال القياس الفعلي وبالتالي لا يمكن الحصول على الخطأ بدقة. في عملية تقييم الخطأ الفعلية ، غالبًا ما تُستخدم قيمة الحقيقة التقليدية كقيمة الحقيقة ، والتي قد تكون في حد ذاتها غير دقيقة ، وبالتالي لا يمكن الحصول إلا على تقدير للخطأ.

على سبيل المثال ، يتم تعريف العداد القياسي على أنه المسافة التي يقطعها الضوء في 1/299792458 ثانية في الفراغ. بسبب ثبات سرعة الضوء ، فإن المتر القياسي الواحد هو قيمة الحقيقة التقليدية ، لكن في الممارسة العملية لا نقيسها بسرعة الضوء ، ولكن بمساعدة مقياس. ثم قراءة المقياس هي القيمة المقاسة وانحرافه عن مقياس معياري واحد هو خطأ قياس معين.

★ لماذا يوجد خطأ في القياس؟

يعتمد القياس على نظريات أو طرق معينة ، باستخدام أدوات معينة ، في بيئة معينة ويقوم بها أشخاص محددون. تأثير العوامل مثل التقريب في النظرية التجريبية ، والصعوبات في الصقل المنهجي ، والقيود في الحساسية والقدرة على حل الأدوات التجريبية ، وعدم الاستقرار في البيئة المحيطة. كل ظروف المراقبة غير المرغوب فيها هذه هي السبب الجذري للخطأ.

على وجه التحديد ، تنشأ أخطاء القياس من المصادر الأربعة الرئيسية التالية.

1 خطأ قياس الأداة

لا يمكن للأدوات في عملية المعالجة والتجميع أن تضمن أن هيكل الأداة يمكن أن يلبي مجموعة متنوعة من العلاقات الهندسية ، فهذه الأدوات ستؤدي حتماً إلى أخطاء في القياس. مثل نقطة الصفر أو مواصفات الجهاز ليست دقيقة.

2 قياس الخطأ الأثر البيئي

يشير بشكل أساسي إلى بيئة المراقبة في درجة الحرارة وضغط الهواء ورطوبة الهواء والوضوح والرياح وانكسار الغلاف الجوي وعوامل أخرى للتغيير المستمر ، مما يؤدي إلى نتائج القياس مع وجود أخطاء.

يشير بشكل أساسي إلى درجة الحرارة وضغط الهواء ورطوبة الهواء والوضوح ورياح وانكسار الغلاف الجوي وعوامل أخرى للتغير المستمر في بيئة المراقبة ، مما يؤدي إلى خطأ في القياس.

3 خطأ قياس طريقة الاختبار

ويرجع ذلك إلى تقريب الصيغ النظرية التي يستند إليها القياس نفسه ، أو فشل شروط الاختبار في تلبية المتطلبات المنصوص عليها في الصيغ النظرية ، أو عيب طريقة الاختبار نفسها. على سبيل المثال ، لا يأخذ الاختبار الحراري في الاعتبار فقد الحرارة الناجم عن تبديد الحرارة ، ولا تأخذ الطريقة الفولتميترية لقياس المقاومة في الاعتبار تأثير المقاومة الداخلية للعداد الكهربائي على نتائج الاختبار ، وما إلى ذلك.

4 خطأ القياس البشري

نظرًا لقيود التمييز الحسي للمراقب والمستويات المختلفة من الكفاءة التقنية ، والتي يمكن أن تؤدي إلى انحرافات أثناء محاذاة الأداة وتسويتها وتوجيهها ، فإنها تختلف من شخص لآخر وترتبط بالحالة العقلية للمراقب في ذلك الوقت.

★ أنواع الأخطاء في القياس

تنقسم أخطاء القياس إلى ثلاث فئات رئيسية: الأخطاء المنهجية والأخطاء العشوائية والأخطاء الجسيمة.

1 خطأ منهجي

يسمى الخطأ المنهجي أيضًا الخطأ العادي ، وفي ظروف قياس معينة ، تظهر نتائج الاختبار دائمًا نمطًا مشابهًا عندما يتم قياس نفس الكائن عدة مرات.

خصائص الخطأ النظامي: في نفس ظروف القياس ، تكون نتائج القياس المتكررة دائمًا كبيرة أو صغيرة ، ولا يمكن للقياسات المتعددة للمتوسط ​​أن تزيل الخطأ النظامي. يجب علينا تحديد الأسباب الرئيسية للخطأ المنهجي وفقًا لظروف الاختبار المحددة وخصائص الخطأ المنهجي ، واتخاذ التدابير المناسبة لتقليل تأثيره.

هناك العديد من الأسباب للأخطاء المنهجية ، بما في ذلك أخطاء الأداة ، والأخطاء النظرية ، والأخطاء التشغيلية ، وما إلى ذلك. بعض هذه الأخطاء المنهجية ثابتة ، مثل عدم دقة نقطة الصفر للأداة ، وبعضها تراكمي ، على سبيل المثال ، عند القياس باستخدام مقياس فولاذي تعرض للتمدد الحراري ، القراءة صغيرة.

2 خطأ عشوائي

الخطأ العشوائي ، المعروف أيضًا باسم خطأ الصدفة ، حتى في الوضع المثالي للقضاء تمامًا على الخطأ المنهجي ، وقياس نفس كائن القياس عدة مرات ، سيظل ناتجًا عن مجموعة متنوعة من تداخل عدم اليقين العرضي وغير المتوقع وخطأ القياس ، يسمى الخطأ العشوائي.

حجم الخطأ العشوائي ، زائد أو ناقص الخطأ العشوائي غير ثابت ، لكن القياسات المتعددة ستجد أن القيمة المطلقة لنفس الخطأ العشوائي الموجب والسالب تظهر احتمالية متساوية تقريبًا ، لذلك يمكنهم غالبًا إلغاء بعضهم البعض ، من يمكن رؤية قانون توزيع الخطأ العشوائي ، وزيادة عدد القياسات ، ووفقًا للنظرية الإحصائية يمكن معالجة نتائج القياس لتقليل الخطأ العشوائي.

تعتبر عوامل الخطأ العشوائية معقدة للغاية ، مثل المجال الكهرومغناطيسي للتغير الجزئي ، وأجزاء من الاحتكاك ، والتخليص ، والتقلبات الحرارية ، واضطرابات الهواء ، وتغيرات ضغط الهواء والرطوبة ، والتغيرات الفسيولوجية في الأعضاء الحسية لموظفي القياس ، و يمكن أن يصبح تأثيرها المشترك عاملاً في توليد الخطأ العشوائي.

3 الخطأ الإجمالي

في ظل ظروف معينة ، تنحرف نتيجة القياس بشكل كبير عن قيمة الحقيقة ، أي الخطأ الذي يشوه نتيجة القياس بوضوح. الأسباب الرئيسية للأخطاء الجسيمة هي كما يلي.

الأسباب الموضوعية: التغيرات المفاجئة في الجهد ، والصدمة الميكانيكية ، والاهتزاز الخارجي ، والتداخل الكهرومغناطيسي (الكهروستاتيكي) ، وفشل الجهاز ، وما إلى ذلك بسبب قيمة قياس أداة الاختبار غير الطبيعية أو الحركة النسبية لموضع الجسم المقاس ، مما يؤدي إلى حدوث خطأ جسيم.
الأسباب الذاتية: استخدام مقاييس معيبة ؛ الإهمال والإهمال في العملية ؛ أخطاء في القراءة والتسجيل والحساب وما إلى ذلك. بالإضافة إلى ذلك ، تعتبر التغيرات الضارة والمفاجئة في الظروف البيئية من العوامل التي تؤدي إلى هذه الأخطاء.

الخطأ الإجمالي لا يعوض ، فهو موجود في جميع التجارب العلمية ولا يمكن القضاء عليه تمامًا ، ولكن يتم تخفيفه إلى حد ما فقط. إنه أمر غريب ويشوه الواقع بشكل خطير ، لذا يجب إزالته عند معالجة البيانات ، وإلا فسيكون له تأثير خطير على الانحراف المعياري والانحراف المتوسط.

★ كيف تقلل الأخطاء في القياس؟

نظرًا لأن الأخطاء الفادحة تشوه الوضع الفعلي ، فيجب التخلص منها عند معالجة البيانات ، بينما تتوافق الأخطاء العشوائية ، التي تنتج عن عوامل غير معروفة لا حصر لها تؤثر على القياس ، مع التوزيع الطبيعي ويمكن تقليلها عن طريق زيادة عدد القياسات والمعالجة النتائج حسب النظرية الإحصائية.

المناقشة الرئيسية هنا هي كيفية تقليل الخطأ المنهجي.

1 تصحيح نتائج القياس

بالنسبة للأخطاء النظامية المعروفة ذات القيمة الثابتة ، يمكن تصحيح نتائج القياس بقيمة التصحيح ؛ بالنسبة للأخطاء المنهجية ذات القيمة المتغيرة ، حاول اكتشاف نمط الاختلاف للأخطاء وتصحيح نتائج القياس باستخدام معادلة التصحيح أو منحنى التصحيح ؛ بالنسبة للأخطاء المنهجية غير المعروفة ، يتم التعامل معها على أنها أخطاء عشوائية.

2 القضاء على الأسباب الجذرية للأخطاء المنهجية

قبل القياس ، تحقق من الجهاز بعناية ، واضبطه وتثبيته بشكل صحيح ، ومنع التداخل الخارجي ، واختر موضع مراقبة جيد لإزالة المنظر ، واختر وقتًا تكون فيه الظروف البيئية أكثر استقرارًا للقراءة ، وما إلى ذلك.

3 تصحيح ردود الفعل في الوقت الحقيقي

نظرًا لتطبيق تقنية القياس الآلي وأجهزة الكمبيوتر ، يمكن استخدام تصحيح التغذية الراجعة في الوقت الفعلي للتخلص من التغييرات المعقدة في خطأ منهجي. أثناء عملية القياس ، سيتم استخدام المستشعر لتحويل هذه التغييرات في الخطأ إلى شكل من أشكال الكمية المادية (الكهرباء بشكل عام) ، في الوقت المناسب وفقًا لعلاقتها الوظيفية ، من خلال الكمبيوتر لحساب قيمة الخطأ الذي يؤثر نتائج القياس ، وإجراء التصحيح التلقائي لنتائج القياس في الوقت الحقيقي.

هناك أيضًا طرق مصممة خصيصًا لحالات مختلفة ، مثل الطريقة البديلة ، وطريقة الاستبدال ، وطريقة التعويض ، والقياس المتماثل ، والقياس المشترك ، وما إلى ذلك.

نظرًا لوجود أخطاء في جميع القياسات ، فمن الضروري مناقشة أخطاء القياس وفهم قوانينها وطبيعتها ومصادرها وحجمها. يعد تحليل أخطاء القياس أمرًا مهمًا للأشخاص لتحسين تجاربهم ، وزيادة دقة ودقة القياسات وحتى الاكتشافات الجديدة.