Расчет случайной погрешности

При обработке прямых измерений результаты наблюдений и вычислений удобно оформлять в виде табл. 2.

Таблица 2

Расчет среднего значения и случайной погрешности

По методу Стьюдента

№	ai		Dai	Dai2	s	P	tPN	Daсл

В колонке 1 указывается номер опыта по порядку (обычно проводится 3-7 измерений).

В колонке 2 записываются значенияизмеряемой величины.

В колонку 3 вносится среднее значение измеряемой величины, рассчитанное по формуле:

. (1)

В колонке 4 представлены отклонения каждогозначения измеряемой величины от среднего:

. (2)

Каждый результат, полученный по последней формуле, возводится в квадрат и заносится в колонку 5.

В колонке 6 следует расположить среднеквадратичную погрешностьs, рассчитанную по формуле:

. (3)

Она характеризует разброс средних значений измеряемой величины. Среднеквадратичная погрешность тем больше, чем сильнее измеренные величины отличаются друг от друга.

В колонку 7 заносится значение доверительной вероятности (или надежности) Обычно достаточно выбрать значение Р = 0,95 (или, что то же самое, 95%).

Коэффициент Стьюдента, учитывающий заданную доверительную вероятность и число измерений t_PN, находится по табл. 1 и располагается в колонке 8.

Случайная погрешность рассчитывается по формуле

Da_сл = t_PN× S (4)

и заносится в колонку 9.

Учет систематических погрешностей

К учитываемым систематическим погрешностям относятся погрешности средств измерения и погрешности отсчета.

В форме абсолютных погрешностей задаются погрешности линеек, штангенциркулей, секундомеров, термометров и т.п. Абсолютная погрешность средства измерения в этом случае может быть вычислена по формуле

, (5)

где d- цена деления прибора.

В форме приведенных погрешностей задаются пределы допускаемых погрешностей электроизмерительных приборов, манометров. Этим приборам присваиваются классы точности. Класс точности равен пределу допускаемой приведенной погрешности, выраженной в процентах, которая определяется по формуле

,

где а_п - нормирующее значение прибора или предел измерений;

g - предел допускаемой приведенной погрешности прибора в процентах от нормирующего значения;

Dа_си - абсолютная погрешность прибора.

Пользуясь этой формулой, можно определить абсолютную погрешность измерительного прибора:

. (6)

Полная абсолютная погрешность прямых измерений рассчитывается по формуле

. (7)

Чаще всего случайная погрешность и погрешность средств измерения - величины разных порядков; в таких случаях меньшей погрешностью пренебрегают. Например, если , то

Обработка результатов косвенных измерений

Постановка задачи

Пусть в результате обработки результатов прямых измерений a, b, c получены их средние значения , а также их абсолютные погрешности Da, Db, Dc. Требуется найти наилучшее значение (наиболее близкое к истинному) величины А, связанной с измеряемыми величинами a, b, c функциональной зависимостью (расчетной формулой)

,

а также ее абсолютную и относительную погрешности.

Наиболее близкое к истинному значение величины А (его также называют средним значением) получается при подстановке в расчетную формулу средних значений измеряемой величины:

. (8)

На погрешность величины А влияют погрешности, связанные с измерением каждой из величин a, b, c. Обозначим через DА_а ,DА_b ,DA_c вклады в полную погрешность DА, связанные с погрешностями измерения величин a, b и c соответственно. Методы математической статистики дают следующую формулу для расчета абсолютной погрешности DА косвенно измеренной величины А:

. (9)

Расчет погрешности косвенных измерений можно осуществить различными способами.

Метод приращения функции

Если в расчетную формулу подставить не , а значение, измененное на величину абсолютной погрешности , оставляя прежними остальные величины , то мы получим новое значение величины А, отличающееся от на величину DА_а:

. (10)

Видно, что DА_а, представляет собой приращение функции при приращении аргумента а на величину Da.

Аналогично можно вычислить DА_b иDA_c:

,

.

Полученные значения подставляются в формулу (9).

Этот метод расчета особенно удобен при проведении расчета на компьютере с помощью программ типа Excel.

Пример

Лабораторная работа “Определение момента инерции маховика динамическим методом”

Расчетная формула в этой лабораторной работе имеет вид

.

Измеряемыми величинами являются диаметр вала d, время опускания груза t и высота h. Погрешности в измерении диаметра вала и высоты определяются погрешностями средств измерения. Dd = Dd_п , Dh = Dh_п. Время опускания груза имеет статистический разброс, поэтому измерения обрабатываются по методу Стьюдента, т.е. находятся среднее значение и случайная погрешность Dt_сл. Как правило, , поэтому полная погрешность прямых измерений времени .

Прежде всего находится среднее значение момента инерции; в расчетную формулу подставляется среднее значение времени:

.

Затем по той же формуле проводятся вычисления момента инерции со значениями аргументов, измененными на величину погрешности, т.е.

,

,

.

Нахождение вкладов в абсолютную погрешность момента инерции за счет неточности определения диаметра вала, времени падения груза и высоты проводится по формулам

,

,

.

Полная погрешность косвенных измерений

.

Метод частных производных

Приращение функции всегда можно выразить через приращение аргумента, используя определение частной производной. Частной производной функции называют производную этой функции по соответствующему аргументу, когда остальные аргументы считаются фиксированными. В данном случае под функцией понимается рассчитываемая величина А, а под независимыми переменными - измеряемые величины a, b, c. Тогда, ограничиваясь членами первого порядка малости, выражение (10) можно переписать так:

; ; . (11)

Отметим, что производные , , рассчитываются при средних значениях .

Полная погрешность DА получается путем подстановки выражений (11) в формулу (9):

. (12)

Этот метод расчета применяется, если выражения производных значительно проще, чем сама функция (например, если расчетная формула представляет сумму слагаемых, являющихся громоздкими выражениями).

Пример

Лабораторная работа “Определение ускорения свободного падения методом катающегося шарика”

Расчетная формула в этой лабораторной работе имеет вид:

.

Измеряемыми величинами являются время t числа N колебаний, высота h сферического сегмента, измеренная сферометром, расстояние l между ножками сферометра и диаметр шарика d, измеренный штангенциркулем или микрометром. Погрешности в измерении расстояния l и диаметра d определяются погрешностями средств измерения. Dl = Dl_си и Dd = Dd_си. Время колебаний шарика t и высота h имеют статистический разброс, поэтому измерения обрабатываются по методу Стьюдента, т.е. находятся средние значения и , а также их случайные погрешности Dt_сл и Dh_сл Как правило, и , поэтому полные погрешности прямых измерений определяются случайными погрешностями: и .

После обработки результатов прямых измерений рассчитывается наилучшее значение ускорения свободного падения; для этого в расчетную формулу подставляются средние значения времени и высоты:

.

Абсолютная погрешность в определении ускорения свободного падения рассчитывается по формуле

,

в которой вклады в полную погрешность находятся через частные производные:

,

,

,

.