🗊Презентация Погрешности измерений

к.т.н., доцент Светлана Сергеевна Колмогорова ss.kolmogorova@mail.ru Дисциплина «Метрология и стандартизация информационных систем и технологий» 09.03.04, 09.03.02, 09.03.01, 09.03.03, 27.03.03

Погрешности измерений Термины-1 Измерение- нахождение значения физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств (ГОСТ 16263-70) Значение величины, найденное путем его измерения, называется результатом измерения. Погрешность измерения- отклонение результата измерения от истинного значения измеряемой величины Точность измерений- их качество, отражающее их результатов приближенных к истинному значению измеряемой величины. Существуют также понятия правильность измерений, сходимость измерений, воспроизводимость измерений. Различают истинное и действительное значения размера величины.

Погрешности измерений Термины-2 Истинное значение размера величины есть значение размера величины, которое идеальным образом отражает количественную сторону соответствующего свойства объекта Xи. Действительное значение размера величина- это значение, найденное экспериментальным путем и настолько приближающееся к истинному, что может быть использовано вместо него Хд. Под точностью измерения понимают степень приближения результатов измерений к истинному значению измеряемой величины.

Погрешности измерений Термины-3 Погрешность измерения (результата измерения) – это отклонение результата измерения от истинного (действительного) значения измеряемой величины. Истинное значение величины неизвестно, и на практике используют действительное значение величины ХД По способу числового выражения разли­чают абсолютные и относительные погрешности. По закономерностям проявления по­грешности измерений делят на систематические, прогрессирующие, слу­чайные и грубые. В зависимости от источника возникно­вения погрешности бывают инструментальные, мето­дические, отсчитывания и установки. Погрешности, зависящие от входного сигнала: аддитивная и мультипликативная.

Погрешности измерений Абсолютная погрешность Абсолютная погрешность измерения  – погрешность измерения, выраженная в единицах измеряемой величины. Это разность между измеренным значением Хизм и истинным ХИ значениями измеряемой величины. Поскольку истинное значение измеряемой величины определить невозможно, вместо него на практике используют действительное значение измеряемой величины ХД. Действительное значение находят экспериментально, путем применения точных методов и средств измерений. Оно мало отличается от истинного значения и для решения поставленной задачи может использовано вместо него. При поверке за действительное значение обычно принимают показания образцовых средств измерений. в результате чего абсолютная погрешность измерения  Х определяют по формуле:  Х= Хизм – ХД (1) ПРИМЕР: катушка сопротивления на 1 Ом в действительности имеет сопротивление 1,0001 Ом. Расчет погрешности: 1-1,0001=-0,0001 Ом.

Погрешности измерений Класс точности Обобщенной метрологической характеристикой средств измерений является КЛАСС ТОЧНОСТИ, который определяет допускаемые пределы всех погрешностей, а также все другие свойства, влияющие на точность средств измерений. У приборов, аддитивная составляющая погрешности которых преобладает над мультипликативной, класс точности выражается одним числом, выбираемым из ряда 1; 1,5; 2; 2,5; 4; 5; 6; 10N где N = 1, 0,– 1,– 2 и т.д. В таком случае приведенная основная погрешность прибора, выраженная в процентах, не должна превышать значения, соответствующего классу точности. Однако большинство измерений выполняется путём однократного наблюдения – и показания прибора принимают за результат измерения с максимальной абсолютной погрешностью Δmax. Она определяется по классу точности δкп прибора: АК – предел диапазона измерения. ПРИМЕР: Пусть класс точности вольтметра 1 (1 %). При измерении напряжения в розетке, предел диапазона измерения вольтметра взят 1000 В. Чему равна абсолютная погрешность измерения?

Относительная погрешность Приведенная погрешность Относительная погрешность измерения- погрешность измерения, выраженная отношением абсолютной погрешности измерения к действительному или измеренному значению измеряемой величины: или где Х - абсолютная погрешность измерений; Х - действительное или измеренное значение величины. Приведенная погрешность средства измерений – относительная погрешность, выраженная отношением абсолютной погрешности средства измерений к условно принятому значению величины, постоянному во всем диапазоне измерений или в части диапазона. Условно принятое значение величины называют нормирующим значением. Часто за нормирующее значение принимают верхний предел, и приведенные погрешности γ СИ по входу и по выходу. Пример Пример

Погрешности измерений. Пример Определить для вольтметра с пределом измерения 30 В класса точности 0,5 относительную погрешность для точек 5, 10, 15, 20, 25 и 30 В и наибольшую абсолютную погрешность прибора. 1. Класс точности указывают просто числом предпочтительного рода, например, 0,5. Это используют для измерительных приборов, у которых предел допускаемой приведенной погрешности постоянен на всех отметках рабочей части его шкалы (присутствует только аддитивная погрешность). Таким способом обозначают классы точности вольтметров, амперметров, ваттметров и большинства других однопредельных и многопредельных приборов с равномерной шкалой. По условию задачи: Uизм = Ui = 5, 10, 15, 20, 25 и 30 В – измеренное значение электрической величины; Uпр = 30 В – предел шкалы вольтметра. 2. Приведенная погрешность 3. Наибольшая абсолютная погрешность вольтметра 4. Относительная погрешность вольтметра для точек Ответ:

Аддитивная и мультипликативная погрешности Аддитивная погрешность не зависит от чувствительности средства измерения и является постоянной для всех значений входной ве­личины в пределах диапазона измерений, и поэтому её называют погрешностью нуля. Абсолютная аддитивная погрешность Δа равна половине зоны неопределенности (рис. 1, а) Мультипликативная погрешность зависит от чув­ствительности прибора и из­меняется пропорционально те­кущему значению входной ве­личины, поэтому её называют погрешностью чувствительности (рис. 1, б). Абсолютная мультипликативная погрешность может быть найдена как Δм = δмХ, где δм – относительная мультипликативная погрешность.

Обработка прямых многократных измерений-1 При измерениях, даже с многократными наблюдениями, получают конечное множество результатов наблюдений со множеством реализаций случайной погрешности. Как в этом случае оценить истинное значение измеряемой величины и случайную погрешность? ПЕРЕД ПРОВЕДЕНИЕМ ОБРАБОТКИ полученных РЕЗУЛЬТАТОВ НЕОБХОДИМО УДОСТОВЕРИТЬСЯ В ТОМ, ЧТО ДАННЫЕ ИЗ ОБРАБАТЫВАЕМОЙ ВЫБОРКИ СТАТИСТИЧЕСКИ ПОДКОНТРОЛЬНЫ, группируются вокруг одного и того же центра и имеют одинаковую дисперсию. Явление считается подконтрольным, если можно предсказать его будущее течение. Явление является статистически подконтрольным, если предсказание возможно в вероятностном смысле: можно предсказать вероятность попадания явления в определённые пределы. В этом случае результаты случайной операции будут статистически контролируемыми. Задача обработки данных многократных измерений заключается в нахождении ОЦЕНКИ исследуемой величины и доверительного интервала, в котором находится её истинное значение.

Обработка прямых многократных измерений-2 Исходной информацией для обработки является ВЫБОРКА – ряд из n (n>4) результатов измерений x1, x2, x3, . . . , xn, из которых исключены известные систематические погрешности. Число n зависит как от требований к точности получаемого результата, так и от реальной возможности выполнить повторные измерения. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ОБЪЁМА ВЫБОРКИ: основным понятием в теории выборочного метода является ГЕНЕРАЛЬНАЯ СОВОКУПНОСТЬ– это совокупность всех возможных элементов, которым присущ интересующий исследователя признак, И ВЫБОРОЧНАЯ СОВОКУПНОСТЬ (выборка) – множество из набора элементов, которые отбираются из генеральной совокупности для получения достоверных сведений обо всей совокупности Число элементов n, образующих выборку, составляет её ОБЪЁМ. Большой считается выборка объёмом n > 20, а малой при n < 20. От правильного определения объёма выборки зависит объём исследования, сроки в которые оно будет проведено, финансовые затраты и ряд других организационных проблем, а также, что особенно важно, точность и надёжность результатов произведённого исследования.

Обработка прямых многократных измерений-3 УРОВЕНЬ НАДЁЖНОСТИ (что доверительный интервал для среднего значения выборки равен конкретному значению) α в технических областях обычно принимают равным 0,95 или 0,99 (95-процентный или 99-процентный уровень надёжности. 0,95 – это доверительная вероятность – 0,9545; 0,99 – это доверительная вероятность – 0,9973). Так при нормальном законе распределения такой случайной величины, как погрешность, максимальную абсолютную погрешность  max принимают равной 3σ (или 3СКО), что соответствует значению вероятности появления погрешности, превышающей  max, равному 1 – α = 1 – 0,9973 = 0,0027 ≈ 1/370. Это означает, что в 369 из 370 наблюдений с вероятностью 0,9973 погрешность заключена в интервале ±3σ и лишь в одном наблюдении может выйти за его пределы (правило «трёх сигм»). Обычно в технических областях с достаточной для практики точностью и надёжностью объем больших выборок составляет n = 50–200шт.

Обработка прямых многократных измерений-4 При этом, если уровень надёжности α = 0,95, то абсолютная погрешность оценки среднего арифметического значения (математического ожидания) М составляет  = (0,3-0,15)Хи (Хи – действительное (истинное) значение физической величины), а абсолютная погрешность оценки среднего квадратичного отклонения σ определяется:  = (0,2-0,1)Хи Оценка математического ожидания М (среднее арифметическое значение) измеряемой величины X определяется по формуле: причём M принимается за действительное значение измеряемой величины X

Оценка грубых погрешностей эксперимента-1 Погрешность измерения – это отклонение результата измерений от истинного (действительного) значения измеряемой величины. Грубая погрешность измерений – погрешность измерений, существенно превышающая ожидаемую при данных условиях. Причинами грубых погрешностей могут быть неконтролируемые изменения условий измерений, неисправность, ошибки оператора и др. Такие ошибочные данные следует отбросить. Одним из методов обнаружения и исключения грубых погрешностей является метод Ирвина.

Оценка грубых погрешностей эксперимента. Метод Ирвина-1 Метод Ирвина применяется, если распределение результатов испытаний не является нормальным или неизвестно. По данным выборки (таблица А.1) определим ее характеристики: математическое ожидание M и среднеквадратичное отклонение (СКО) σ (формулы (1-2) соответственно), n-объем выборки, xi- i-й элемент данных выборки

Оценка грубых погрешностей эксперимента. Метод Ирвина-2 Основной смысл усреднения многократных отсчетов заключается в том, что найденная усредненная оценка координаты их центра имеет меньшую случайную погрешность, чем отдельные отсчеты, по которым она находится. Среднее значение напряжения сигнала промежуточной частоты равно 11,56 мВ. СКО характеризует разброс случайной величины относительно ее математического ожидания. Чем СКО больше – тем больше рассеивание, и тем вероятнее существенные отклонения. СКО, рассчитанное по формуле (2), показывает, что на 5,15 мВ в среднем каждое индивидуальное значение напряжения сигнала отличается от средней величины. Все опытные данные выборки расположим в возрастающем порядке (таблица 1).

Оценка грубых погрешностей эксперимента. Метод Ирвина-3 Таблица 1 – Данные выборки, расположенные в порядке возрастания

Оценка грубых погрешностей эксперимента. Метод Ирвина-4 Из полученного ряда (таблица 1, колонки 2 и 4) выберем два наименьших значения случайной величины xn=5,12 и xn+1=7,15 и вычислим коэффициент Ирвина λи (3) Сравним коэффициент λи с табличным значением λ0,95, возможные значения которого приведены в таблице 2: При n=50 коэффициент λ0,95=1,1. Так как, вычисленный по формуле (3), коэффициент λи соотносится с коэффициентом λ0,95 как λи< λ0,95? То оцениваемый результат является случайным отклонением и отбрасывать его нельзя.

Оценка грубых погрешностей эксперимента. Критерий Романовского Теорию изучить самостоятельно Решить задачу: применить критерии Романовского к выборке результатов эксперимента (таблица) при надежности α = 0,95. Таблица 2. Выборка данных

Литература Кушнир Ф.В. Электрорадиоизмерения: учеб. Пособие для вузов. – Л.: Энергоатомиздат, 1983. -320 с. Гинергарт О.Ю. Обработка результатов прямых многократных измерений: метод. указания / О.Ю. Гинергарт, В.В. Пшеничникова. – Омск: ОмГТУ, 2010. – 36 с. Кравченко Н.С. Методы обработки результатов измерений и оценки погрешности в учебном лабораторном практикуме: учебное пособие / Н.С. Кравченко, О.Г. Ревинская. – Томск: ТПУ, 2011. – 86 с. Новицкий П.В. Оценка погрешностей результатов измерений. – 2-е изд., перераб. и доп. / П.В. Новицкий, И.А. Зограф. – Л.: Энергоатомиздат, 1991. – 304 с. Шорохова И.С. Статистические методы анализа: учебное пособие / И.С. Шорохова, Н.В. Кисляк, О.С. Мариев. – Екатеринбург: Изд-во Урал. ун-та, 2015. – 300 с.

Вопросы для самопроверки Что такое погрешность Виды погрешностей, определения Класс точности Грубые погрешность, определение грубых погрешностей. Метод Ирвина Критерий Романовского

Термины на английском языке Погрешность- error Измерение- measurement Точность- accuracy, precision Класс точности- precision class Эксперимент- experiment Обработка результата измерения- measurement result processing Диапазон- range Метод Ирвина- Irwin method Грубые погрешности- coarse (rough, gross) error Уровень надежности- reliability (degree) level

Темы практического занятия_2 Вероятностные оценки погрешности измерения Определение точечных оценок результатов эксперимента Рекомендации к представлению результатов экспериментов и наблюдений Суммирование погрешностей при обработке данных

Расчет статистических характеристик-1 Исходной информацией для обработки является ряд из n результатов измерений x1, x2, x3,…, xn, из которых исключены грубые погрешности. Первым действием является построение вариационного ряда измерений (выборки). В вариационном ряду результаты измерений располагаются в порядке возрастания (таблица 1).

Расчет статистических характеристик-2 Между наибольшим и наименьшим значениями ряда вычислим разность, называемую размахом выравнивания или широтой распределения согласно формуле (4): R=Xmax-Xmin=(28,22-5,12)∙10-3=23,10 [мВ], (4) где xmax – наибольшее значение выборки; xmin – наименьшее значение выборки. Размах выравнивания показывает, что на 23,10 мВ максимальное и минимальное значения ряда (таблица 1) различаются между собой. Далее определим возможное число разрядов q (интервалов группирования) согласно, выражениям (5, 6), которые получены для наиболее часто встречающихся на практике распределений. Для наименьшего искажения кривой плотности в области центра распределения число разрядов следует принимать нечетным. qmin=0,55∙n0,4=0,55∙50*0,4=2,63; (5) где qmin – минимальное число разрядов. qmax=1,25∙n0,4=1,25∙50*0,4=5,98; (6) где qmax – максимальное число разрядов.

Расчет статистических характеристик-3 Значение q должно находиться в пределах от qmin до qmax [1]. Учитывая, что q=3 не дает информации о форме распределения [5], принимаем q=5. Определим ширину интервала (разряда) по формуле (7): Δx=Rq=23,105∙10-3=4,62 [мВ], (7) где Δx – ширина разряда. Чтобы получить представление о законе распределения измеряемой величины, группируем экспериментальные данные. Определим границы разрядов по формуле (8): qj=xmin+(j-1)∙Δx; xmin+j∙Δx, (8) где j – номер разряда, (j=1, 2,…,q). Левая граница для первого разряда равна xmin=5,12 [мВ]. Правая граница последнего разряда определяется как: xmax'=xmin+q∙Δx=(5,12+5∙4,62)∙10-3=28,22 [мВ]. (9) Так как xmax'=xmax=28,22 мВ, следовательно, ширина последнего разряда будет такая же, как у остальных. Определим число попаданий nj – количество результатов измерений, попадающих в каждый разряд (j=1, 2,…,q). Результаты промежуточных вычислений сведены в таблицу 2.

Расчет статистических характеристик-4 Рассчитаем середины интервалов (разрядов) xj0 согласно выражению (10): Так как точное значение математического ожидания не известно, вместо него используем оценку – среднее арифметическое. Вычислим среднее арифметическое значение измеряемой величины X по формуле (11):

Расчет статистических характеристик-5 При вычислении оценки математического ожидания по формуле (11) получается только его приближенное значение, так как заменяется целая группа чисел, попадающих в интервал, его серединой. Вычислим отклонения середин разрядов от среднего арифметического значения и их квадраты (выражения (12) и (13) соответственно): где j=1, 2,…,q. Разница между отдельным значением и средним отражает меру отклонения. В квадрат возводится для того, чтобы избежать взаимоуничтожения положительных и отрицательных отклонений при их суммировании. Результаты вычисления отклонения от среднего и квадраты отклонений от среднего приведены в таблице 2 (колонка 7 и 8 соответственно). Определим произведения квадратов отклонений от среднего на частоту (таблица 2, колонка 9) согласно формуле (14):

Расчет статистических характеристик-6

Расчет статистических характеристик-7

Построение эмпирических характеристик-1

Построение эмпирических характеристик-2

Построение эмпирических характеристик-3

Построение эмпирических характеристик-4