Методы обработки результатов измерений

1. Многократные прямые равноточные измерения.

Равноточными называют измерения, которые проводятся средствами измерений одинаковой точности по одной и той же методике при неизменных внешних условиях.

Последовательность обработки результатов измерений включает следующие этапы:

• Исправляют результаты наблюдений исключением (если это возможно) систематической погрешности;
• Вычисляют среднее арифметическое значение ;
• Вычисляют выборочное с.к.о. от значения погрешности измерений;
• Исключают промахи;
• Определяют закон распределения случайной составляющей;
• При заданном значении доверительной вероятности Р и числе измерений n по таблицам определяют коэффициент Стьюдента ;
• Находят границы доверительного интервала для случайной погрешности ;
• Если величина сравнима с абсолютным значением погрешности СИ, то величину считают неисключенной системататической составляющей и в качестве доверительного интервала вычисляют величину:

Если в результате измерительного эксперимента можно чётко выделить составляющие НСП, то определяется:

по приближенной формуле;

где ; - граница i – той составляющей НСП; к – коэффициент, определяемый принятой доверительной вероятностью Р.

• Окончательный результат записывается в виде:

, при вероятности Р.

1. Неравноточные измерения.

При планировании измерительных операций и обработке их результатов зачастую приходится пользоваться неравноточными измерениями (т. е. измерениями одной и той же физической величины, выполненными с различной точностью, разными приборами, в разных условиях, различными исследователями и т. п.).

Для оценки наиболее вероятного значения величины по данным неравноточных измерений вводят понятие «веса измерения»:

,

где и - объём и дисперсия i-й серии равноточных измерений.

Тогда, если неравноточные измерения привели к результатам (- среднеарифметическое ряда равноточных измерений; ), то наиболее вероятным значением величины будет её средневзвешенное значение:

.

Вероятность Р того, что лежит в пределах равноточных измерений , определяется вышеприведенным методом для равноточных измерений.

1. Однократные измерения.

Прямые статистические измерения в большей степени относятся к лабораторным (статистическим).

Для производственных процессов более характерны однократные технические прямые или косвенные измерения. Здесь процедура измерений регламентируется заранее, с тем чтобы при известной точности СИ и условиях измерения погрешность не превзошла определённое значение, т. е. значения и Р заданы априори. Поскольку измерения выполняются без повторных наблюдений, то нельзя отделить случайную от систематической составляющей погрешности. Поэтому для оценки погрешности дают лишь её границы с учетом возможных влияющих величин. Последние лишь оценивают своими границами, но не измеряют.

В принципе, однократные измерения достаточны, если неисключенная систематическая погрешность (например, класс точности СИ) заведомо больше случайной. Практически это достигается при . Тогда результат измерения записывают в виде:

, при вероятности Р=0,95,

где - результат, зафиксированный СИ;

- суммарная погрешность измерения, определяемая классом точности СИ и методической погрешностью.

Пример. Оценить погрешность результата однократного измерения напряжения U=0,9 В на входном сопротивлении R=4 Ом, выполненного вольтметром класса точности 0,5 с верхним пределом диапазона измерений U_N=1,5 В и имеющим сопротивление R_v=1000 Ом. Известно, что дополнительные погрешности показаний СИ из-за влияния магнитного поля и температуры не превышают соответственно и допускаемой предельной погрешности.

Решение.

1. Предел допускаемой относительной погрешности вольтметра на отметке 0,9 В составляет:

.

Действительно:

1. При подсоединении вольтметра исходное напряжение изменяется из-за наличия и составит:

.

Тогда методическая погрешность, обусловленная конечным значением , в относительной форме составит:

.

1. Данная методическая погрешность является систематической составляющей погрешностью измерения и должна быть внесена в результат в виде поправки или в абсолютной форме на отметке 0,9 В:

Тогда результат измерения с учетом поправки будет равен:

.

1. Поскольку основная и дополнительные погрешности заданы своими граничными значениями, то они могут рассматриваться как неисключенные систематические.

При доверительной вероятности Р=0,95 доверительная граница неисключенной систематической составляющей будет:

.

Для Р=0,95 к=1,1.

А абсолютной форме:

.

1. В виду того, что , окончательный результат измерения записывается в виде:

.

1. Косвенные измерения.

Косвенные измерения предполагают наличие функциональной связи:

,

где - подлежащие прямым измерениям аргументы функции .

Очевидно, что погрешность в оценке зависит от погрешностей при измерениях аргументов.

Косвенные измерения при линейной зависимости между аргументами.

В этом случае:

;

где - постоянные коэффициенты.

Предполагается, что корреляция между погрешностями измерений отсутствует. Результат измерения вычисляют по формуле:

;

где - результат измерения с введенными поправками.

Оценку с.к.о. результата измерений вычисляют по формуле:

,

где - оценка с.к.о. результата измерений .

Доверительные границы случайной погрешности при нормальном распределении погрешностей вычисляют по формуле:

,

где - коэффициент Стьюдента, соответствующей доверительной вероятности Р и эффективному числу наблюдений – m.

,

где - число наблюдений при измерении .

При наличии корреляционной связи между аргументами с.к.о. результата косвенного измерения, с.к.о. рассчитывают по формуле:

.

Здесь - несмещенная оценка корреляции между погрешностями аргументов и :

,

где - i-е результаты прямых измерений k-го и l-го аргументов, m – число прямых измерений аргументов.

Корреляция между аргументами чаще всего возникает в тех случаях, когда их измерения проводятся одновременно и подвергаются одинаковому влиянию внешних условий (температуры, влажности, напряжению питающей сети, помех и т. п.).