Обработка измерений

06.04.2025 | Категория: Учебные материалы

8. Алгоритм обработки прямых равноточных измерений

1. Определить инструментальную погрешность.

2. Вычислить среднее значение по результатам измерений по формуле (5.5).

3. Вычислить среднее квадратичное отклонение отсчета по формуле (6.4). Если эксперимент проведен так, что промах удаляется обоснованно из анализа эксперимента, то после этого пункта переходим к пункту 5. Если вопрос об устранении промаха требует статистического анализа, то переходим к пункту 4.

4. Проверить отсчеты на наличие промаха:

• отобрать среди полученных отсчетов аномальный отсчет;

• вычислить его относительное отклонение по формуле (7.3);

• определить по таблице 4 ожидаемое число отсчетов, среди которых может быть аномальный отсчет;

• если определенное по таблице 4 число отсчетов больше числа проведенных отсчетов, то аномальный отсчет нужно исключить и вернуться к пункту 2. Если определенное по таблицу 4 число отсчетов меньше числа проведенных отсчетов, то аномальный отсчет отбрасывать нельзя, а надо перейти к пункту 5;

• повторить эти пункты для всех подозрительных на промах измерений;

5. Вычислить выборочное среднее квадратичное отклонение среднего значения по формуле (6.5).

6. Задать надежность и определить по таблице 2 коэффициент доверия (коэффициент Стьюдента) для заданной надежности и полученного числа отсчетов.

7. Вычислить случайную погрешность по формуле (6.6).

8. Вычислить полную погрешность по формуле (6.7).

9. Вычислить относительную погрешность по формуле (6.8).

10. После округлений результат обработки измерений записать в виде:

; ; . (8.1)

9. Обработка результатов неравноточных прямых измерений

Выше были рассмотрены равноточные измерения. Это такие измерения, которые проводились при одних и тех же условиях и одним и тем же методом. Иногда бывает необходимо объединить результаты нескольких серий прямых измерений одной и той же величины. В разных сериях могли использоваться различные методы измерения и различные приборы. Такие прямые измерения называются неравноточными.

Допустим, что при некоторых условиях сделано измерений некоторой величины и при этом получены значений . По этим данным можно определить среднее значение измеряемой величины:

. (9.1)

Пусть абсолютная погрешность этого измерения равна .

Теперь при других условиях сделано измерений и при этом получены следующие значения измеряемой величины: . Так же, как и в первом случае можно найти среднее значение измеряемой величины:

. (9.2)

Пусть абсолютная погрешность этого измерения также равна . Остановимся на этом примере, а затем обобщим его на случай, когда проведено не две серии измерений, а некоторое число серий.

Наилучшим значением среднего значения из результатов проведенный измерений будет среднее значение, которое называется взвешенное среднее и определяется по формуле:

(9.3)

или . (9.4)

Полученное среднее значение не совпадает с простым средним значением величин и , то есть

. (9.5)

В этом примере мы рассмотрели измерения с одинаковой погрешностью. Однако чаще всего погрешности различных серий измерений различны. В этом случае вводится понятие статистического веса.

Статистическим весом некоторой серии измерений называется величина, которая определяется формулой

. (9,6)

Пусть при неравноточных измерениях проведено серий измерения некоторой величины . При этом в различных сериях получены различные результаты:

; ; …; . (9.7)

В этом случае среднее значение измеряемой величины и его случайная абсолютная погрешность вычисляется по формулам:

; . (9.8)

Подробные доказательства данных выражений приводятся в курсах теории вероятностей.

10. Обработка результатов косвенных измерений

Как уже сказано, косвенными измерениям называются такие измерения, в которых измеряемая величина вычисляется по некоторой формуле, в которую входят величины, полученные в результате прямых измерений. Расчетная формула выводится на основе анализа некоторой физической задачи. При выводе расчетных формул необходимо учитывать поведение погрешностей измерений.

Одной из типичных ошибок планирования эксперимента является косвенное измерение величины через разность измеряемых напрямую величин и , если их абсолютные значения много больше значения величины (например, поиск толщины стенки трубы через измерение ее внешнего и внутреннего радиусов). При этом погрешность будет того же порядка, что и искомая величина , а иногда может даже превосходить, значение искомой величины. Аналогично появляется большая погрешность в формулах, в которых присутствует деление друг на друга больших величин или возведение в степень с маленьким основанием и большим показателем. Во всех этих случаях необходимо искать другие способы измерения или другие формулы.

Пусть необходимо измерить некоторую величину , которая связана с функциональной зависимостью с величинами , т.е. . Значения измеряются прямыми измерениями.

В этом случае действительное значение определяется по формуле:

. (10.1)

Значение полной абсолютной погрешности величины при этом определяется формулой:

, (10.2)

где

; ; ;…; . (10.3)

Относительная погрешность при этом определяется по известной формуле:

. (10.4)

Таким образом, можно сформулировать следующий алгоритм обработки косвенных измерений:

1. по известной зависимости измеряемой величины от ее аргументов, значения которых найдены с помощью прямых измерений, по формуле (10.1) вычислить значение функции;

2. вычислить составляющие погрешности как приращения функции по каждому аргументу по формуле (10.3), или найти частные производные по всем аргументам, а затем вычислить составляющие погрешности;

3. вычислить полную абсолютную погрешность функции по формуле (10.2);

4. после округлений результат обработки измерений записать в форме:

; .

11. Правила округления чисел. Значащие цифры числа

При косвенных измерениях результат вычисляется по формуле, в которую входят результаты прямых измерений. Эти результаты, как правило, записываются в таблицу, в которую результаты измерения записывают в тех единицах, в которых производится прямое измерение измерительным прибором. Часто в этой же таблице указывается приборная (инструментальная) погрешность, которая определяется измерительными приборами. Так как результаты измерения отягощены погрешностью, то при дальнейших вычислениях мы работаем с приближенными числами. При вычислении результата получается число, которое может быть представлено в виде конечной или бесконечной десятичной дроби, например ….

Создается впечатление, что точность измерения будет тем больше , чем больше десятичных знаков после запятой. Однако это неправильно, так как число знаков после запятой зависит от единицы, выбранной для измерения величины и от погрешности, с которой она измеряется. Например, измерили длину отрезка миллиметровой линейкой и получили результат 36 мм. Если этот результат записать в метрах, то получим 0,036 м, что никак не характеризует точность измерения. Точность измерения или вычисления определяется не числом десятичных знаков после запятой, а число значащих цифр результата.

Значащими цифрами приближенного числа называются все цифры в его десятичном изображении, отличные от нуля и нули, если они содержатся между значащими числами, или расположены в конце числа и указывают на сохранение разряда точности. Нули, стоящие левее первой отличной от нуля цифры, не являются значащими цифрами. Например, число 0,001405 имеет четыре значащих цифры: 1, 4, 0, 5, а число 5,0300 имеет пять значащих цифр: 5, 0, 3, 0, 0, и последний ноль этого числа показывает, что число задано с точностью до десятитысячных.

При расчетах величин по экспериментальным данным рекомендуется числа представлять в нормальной форме, т.е. в виде произведения . В таком представлении количество значащих цифр равно количеству значащих цифр в первом сомножителе, например, число содержит пять значащих цифр, которыми записан первый сомножитель: 4, 1, 0, 5, 0.

При вычислении необходимо сохранять число значащих цифр, содержащихся в результатах измерений, и поэтому прибегают к округлениям. При этом надо учитывать, что любое округление чисел представляет собой систематическую погрешность.

Для того чтобы уменьшить эту погрешность все вычисления окончательного результата следует производить с числом значащих цифр, превышающих на единицу число значащих цифр, полученных при измерениях. Полученный при этом результат обеспечивает относительную погрешность вычислений на порядок меньше, чем приборная погрешность.

Этот подход применяется при вычислениях, в которых участвуют фундаментальные постоянные, например число . Такие числа известны с большой степенью точности и при измерениях возникает вопрос, с какой точностью их надо применить в том или ином вычислении. При этом будем использовать уже формулированное правило – погрешность расчета должна быть на порядок меньше, чем приборная погрешность. Например, пусть измеряется длина окружности по формуле, , где – диаметр окружности, измеренный микрометром с точностью до 0,01 мм. Тогда, чтобы не увеличить погрешность при вычислении, число надо взять с точностью до 0,001, т.е. надо взять значение =3,142. Так как число мы знаем с большой степенью точности, то погрешность такого приближения составляет D =0,00041, что составляет 0,01%. Такая погрешность, как правило, не превосходит погрешности измерений и поэтому при расчете погрешности она очень часто не учитывается.

Для того чтобы при округлении чисел, погрешность была минимальной, придерживаются следующих правил округления:

Правило I. Если первая из отбрасываемых цифр больше 5 (6, 7, 8, 9), то последняя из сохраняемых цифр усиливается, т.е. увеличивается на единицу. Например, требуется округлить до десятых долей число 37,483. Результат такого округления число 37,5, так как первая из отбрасываемых цифр 8>5.

Правило II. Если первая из отбрасываемых цифр меньше 5, то последняя из сохраняемых цифр не усиливается, т.е. остается без изменения. Например, если число 73,473 нужно округлить до сотых, то получится 73,47, так как 3<5.

Правило III. Если первая слева из отбрасываемых цифр равна 5 и за ней следуют цифры отличные от нуля, то последняя из сохраняемых цифр усиливается, т.е. увеличивается на единицу. Например, если число 38,6531 надо округлить до десятых, то получится 38,7, так как после цифры 5 стоят цифры 3 и 1, отличные от нуля.

Правило IV. Если первая слева из отбрасываемых цифр равна 5 и за ней не следуют отличные от нуля цифры, то последняя оставшаяся цифра усиливается, если она нечетная, и остается без изменения, если она четная. Например, округляя число 5,785, до сотых получим 5,78. Усиления не делаем, так как последняя сохраняемая цифра 8 – четная. Округляя число 5,775 до сотых, получим 5,78. Последняя сохраняемая цифра 7 усиливается на единицу, так как она нечетная.

При применении этих правил округления абсолютная погрешность округления не превосходит половины единицы разряда, определяемого последней оставленной значащей цифрой.

Этот же критерий используется при оценке погрешности физических постоянных и величин, заданных без указания погрешности. Например, в таблицах энергия покоя электрона записывается . При использовании этого числа в других расчетах этот результат можно записать в виде: МэВ. Этот же критерий будем использовать в случае, если в лабораторных работах приведены величины без указания погрешностей, если нет никакой другой информации или возможности определить эту погрешность точнее.

Величины, входящие в формулу, по которой вычисляется искомая величина, могут быть измерены с разной точностью и, следовательно, содержать разное число значащих цифр. Однако при округлении результата вычисления необходимо оставить такое количество значащих цифр, которое содержится в числе, заданном с наименьшей точностью, т.е. в числе с наименьшим количеством значащих цифр. Например, некоторая величина определяется формулой , в которую входят измеренные величины: . Теперь вычисляем значение и округляем до двух значащих цифр: .

Особенно внимательным надо быть при вычислении погрешностей, так как по своему содержанию абсолютная погрешность выражается только одной значащей цифрой и лишь в особых ответственных измерениях допускается в погрешности две значащие цифры. Если при вычислении погрешностей получается большее количество значащих цифр, то это, чаще всего, является следствием того, что результаты измерений не аккуратно проанализированы по критериям определения промахов.