Как находят погрешности прямых и косвенных измерений. Расчет погрешностей при косвенных измерениях

Рассмотрим сначала случай, когда величина у зависит только от одной переменной х , которая находится прямым измерением,

Среднее арифметическое <y > можно найти, подставив в (8) вместо х среднее арифметическое <х >.

Абсолютную погрешность можно рассматривать как приращение функции (8) при приращении аргумента ∆х (полная погрешность измеряемой величины х ). При малых значениях ∆х она приближенно равна дифференциалу функции

, (9)

где - производная функции, вычисленная при . Относительная погрешность будет равна

Пусть определяемая величина у является функцией нескольких переменных х i ,

. (10)

Предполагается, что погрешности всех величин в рабочей формуле носят случайный характер, независимы и рассчитаны с одной и той же доверительной вероятностью (например Р = 0,95). Такую же доверительную вероятность будет иметь и погрешность искомой величины. В этом случае наиболее вероятное значение величины <у > определяют по формуле (10), используя для расчета наиболее вероятные значения величин х i , т. е. их средние значения:

<у > = f (<x 1 >, <x 2 >, …,<x i >, …,<x m >).

В этом случае абсолютная погрешность окончательного результата Δу определяется по формуле

, (11)

где ∂у /∂х i – частные производные функции у по аргументам х i , вычисленные для наиболее вероятных значений величин х i . Частная производная – это производная, которая вычисляется от функции у по аргументу х i при условии, что все остальные аргументы считаются постоянными.

Относительную погрешность величины у получим, поделив ∆у на <у>

. (12)

Принимая во внимание, что (1/у ) dy/dx представляет производную по х от натурального логарифма у относительную погрешность можно записать так

. (13)

Формулу (12) удобнее использовать в тех случаях, когда в зависимости (10) измеряемые величины х i входят, в основном, в виде слагаемых, а формула (13) является удобной для расчетов тогда, когда (10) представляет собой произведения величин х i . В последнем случае предварительное логарифмирование выражения (10) существенно упрощает вид частных производных. Измеряемая величина у является величиной размерной и логарифмировать размерную величину нельзя. Чтобы устранить эту некорректность, нужно разделить у на постоянную, имеющую данную размерность. После логарифмирования получится дополнительное слагаемое, которое не зависит от величин х i и поэтому исчезнет при взятии частных производных, так как производная от постоянной величины равна нулю. Поэтому при логарифмировании наличие такого слагаемого просто подразумевается.

Учитывая простую связь между абсолютной и относительной погрешностями ε у = Δу /<у >, легко по известной величине Δу вычислить ε у и наоборот.

Функциональная связь между погрешностями прямых измерений и погрешностью косвенного измерения для некоторых простых случаев приведена в табл. 3.

Рассмотрим некоторые особые случаи, возникающие при вычислении погрешностей измерений. Приведенные выше формулы для расчета погрешностей косвенных измерений справедливы только тогда, когда все х i независимые величины и измерены различными приборами и методами. На практике это условие не всегда соблюдается. Например, если какие-либо физические величины в зависимости (10) измеряются одним и тем же прибором, то приборные погрешности Δх i пр этих величин уже не будут независимыми, и приборная погрешность косвенно измеряемой величины Δу пр в этом случае будет несколько больше, чем при «квадратичном суммировании». Например, если площадь пластины длиной l и шириной b измерены одним штангенциркулем, то относительная приборная погрешность косвенного измерения будет

(ΔS/S ) пр = (Δl /l ) пр + (Δb/b ) пр,

т.е. погрешности суммируются арифметически (погрешности Δl пр и Δb пр одного знака и их величины одинаковы), вместо относительной приборной погрешности

при независимых погрешностях.

Таблица 3

Функциональная связь погрешностей прямых и косвенных измерений

Рабочая формула	Формула для расчета погрешности

При проведении измерений возможны случаи, когда величины х i имеют разные значения, специально изменяемые или задаваемые во время эксперимента, например, вязкость жидкости по методу Пуазейля определяют для разной высоты столба жидкости над капилляром, или ускорение свободного падения g определяют с помощью математического маятника для разных длин). В таких случаях следует вычислять значение косвенно измеряемой величины у в каждом из n опытов по отдельности, а в качестве наиболее вероятного значения ее брать среднее значение, т.е. . Случайная погрешность Δу сл вычисляется как погрешность при прямом измерении. Вычисление приборной погрешности Δу пр производится через частные производные по формуле (11), а окончательная полная погрешность косвенно измеряемой величины подсчитывается по формуле

Если искомая физическая величина не может быть измерена непосредственно прибором, а посредством формулы выражается через измеряемые величины, то такие измерения называются косвенными .

Как и при прямых измерениях можно вычислять среднюю абсолютную (среднюю арифметическую) ошибку или среднюю квадратичную ошибку косвенных измерений.

Общие правила вычисления ошибок для обоих случаев выводятся с помощью дифференциального исчисления.

Пусть физическая величина j(x , y, z, ... ) является функцией ряда независимых аргументов x, y, z, ... , каждый из которых может быть определен экспериментально. Путем прямых измерений определяются величины и оцениваются их средние абсолютные погрешности или средние квадратичные погрешности .

Средняя абсолютная погрешность косвенных измерений физической величины j вычисляется по формуле

где - частные производные от φ по x, y, z, вычисленные для средних значений соответствующих аргументов.

Так как в формуле использованы абсолютные величины всех членов суммы, то выражение для оценивает максимальную погрешность измерения функции при заданных максимальных ошибках независимых переменных.

Средняя квадратичная погрешность косвенных измерений физической величины j

Относительная максимальная погрешность косвенных измерений физической величины j

где и т. д.

Аналогично можно записать относительную среднюю квадратичную погрешность косвенных измерений j

Если формула представляет выражение удобное для логарифмирования (то есть произведение, дробь, степень), то удобнее вначале вычислять относительную погрешность . Для этого (в случае средней абсолютной погрешности) надо проделать следующее.

1. Прологарифмировать выражение для косвенного измерения физической величины.

2. Продифференцировать его.

3. Объединить все члены с одинаковым дифференциалом и вынести его за скобки.

4. Взять выражение перед различными дифференциалами по модулю.

5. Формально заменить значки дифференциалов на значки абсолютной погрешности D.

Затем, зная e, можно вычислить абсолютную погрешность Dj по формуле

Пример 1. Вывод формулы для вычисления максимальной относительной погрешности косвенных измерений объёма цилиндра.

Выражение для косвенного измерения физической величины (исходная формула)

Величина диаметра D и высоты цилиндра h измеряются непосредственно приборами с погрешностями прямых измерений соответственноD D и Dh.

Прологарифмируем исходную формулу и получим

Продифференцируем полученное уравнение

Заменив значки дифференциалов на значки абсолютной погрешности D, окончательно получим формулу для расчёта максимальной относительной погрешности косвенных измерений объёма цилиндра

1. Введение

Работа химиков, физиков и представителей других естественно-научных профессий часто связана с выполнением количественных измерений различных величин. При этом возникает вопрос анализа достоверности получаемых значений, обработки результатов непосредственных измерений и оценки погрешностей расчетов, в которых используются значения непосредственно измеряемых характеристик (последний процесс также называется обработкой результатов косвенных измерений). По целому ряду объективных причин знания выпускников химического факультета МГУ о расчете погрешностей не всегда достаточны для правильной обработки получаемых данных. В качестве одной из таких причин можно назвать отсутствие в учебном плане факультета курса по статистической обработке результатов измерений.

К данному моменту вопрос вычисления погрешностей, безусловно, изучен исчерпывающе. Существует большое количество методических разработок, учебников и т.д., в которых можно почерпнуть информацию о расчете погрешностей. К сожалению, большинство подобных работ перегружено дополнительной и не всегда нужной информации. В частности, большинство работ студенческих практикумов не требует таких действий, как сравнение выборок, оценка сходимости и др. Поэтому кажется целесообразным создание краткой разработки, в которой изложены алгоритмы наиболее часто употребляемых вычислений, чему и посвящена данная разработка.

2. Обозначения, принятые в данной работе

Измеряемая величина, -среднее значение измеряемой величины, - абсолютная погрешность среднего значения измеряемой величины, - относительная погрешность среднего значения измеряемой величины.

3. Расчет погрешностей непосредственных измерений

Итак, предположим, что были проведены n измерений одной и той же величины в одних и тех же условиях. В этом случае можно рассчитать среднее значение этой величины в проведенных измерениях:

(1)

Как вычислить погрешность ? По следующей формуле:

(2)

В этой формуле используется коэффициент Стьюдента . Его значения при разных доверительных вероятностях и значениях приведены в .

3.1. Пример расчета погрешностей непосредственных измерений:

Задача.

Проводили измерения длины металлического бруска. Было сделано 10 измерений и получены следующие значения: 10 мм, 11 мм, 12 мм, 13 мм, 10 мм, 10 мм, 11 мм, 10 мм, 10 мм, 11 мм. Требуется найти среднее значение измеряемой величины (длины бруска) и его погрешность .

Решение.

С использованием формулы (1) находим:

мм

Теперь с использованием формулы (2) найдем абсолютную погрешность среднего значения при доверительной вероятности и числе степеней свободы (используем значение =2,262, взятое из ):

Запишем результат:

10,8±0,7 0.95 мм

4. Расчет погрешностей косвенных измерений

Предположим, что в ходе эксперимента измеряются величины , а затем c использованием полученных значений вычисляется величина по формуле . При этом погрешности непосредственно измеряемых величин рассчитываются так, как это было описано в пункте 3.

Расчет среднего значения величины производится по зависимости с использованием средних значений аргументов .

Погрешность величины рассчитывается по следующей формуле:

,(3)

где - количество аргументов , - частные производные функции по аргументам , - абсолютная погрешность среднего значения аргумента .

Абсолютная погрешность, как и в случае с прямыми измерениями, рассчитывается по формуле .

4.1. Пример расчета погрешностей непосредственных измерений:

Задача.

Было проведено 5непосредственных измерений величин и . Для величины получены значения: 50, 51, 52, 50, 47; для величины получены значения: 500, 510, 476, 354, 520. Требуется рассчитать значение величины , определяемой по формуле и найти погрешность полученного значения.

Формулы вычисления погрешностей косвенных измерений основаны на представлениях дифференциального исчисления.

Пусть зависимость величины Y от измеряемой величины Z имеет простой вид: .

Здесь и - постоянные, значения которых известны. Если z увеличить или уменьшить на некоторое число , то соответственно изменится на :

Если - погрешность измеренной величины Z , то соответственно будет погрешностью вычисляемой величины Y .

Получим формулу абсолютной погрешности в общем случае функции одной переменной . Пусть график этой функции имеет вид, показанный на рис.1. Точному значению аргумента z 0 соответствует точное значение функцииy 0 = f(z 0).

Измеренное значение аргумента отличается от точного значения аргумента на величину Δz вследствие ошибок измерений. Значение функции будет отличаться от точного на величину Δy.

Из геометрического смысла производной как тангенса угла наклона касательной к кривой в данной точке (рис. 1) следует:

. (10)

Формула для относительной погрешности косвенного измерения в случае функции одной переменной будет иметь вид:
. (11)

Учитывая, что дифференциал функции равен , получим

(12)

Если косвенное измерение представляет собой функцию m переменных , то погрешность косвенного измерения будет зависеть от погрешностей прямых измерений . Частную погрешность, связанную с ошибкой измерения аргумента , обозначим . Она составляет приращение функции за счет приращения при условии, что все остальные аргументы неизменны. Таким образом, частную абсолютную погрешность запишем согласно (10) в следующем виде:

(13)

Таким образом, чтобы найти частную погрешность косвенного измерения , надо, согласно (13), частную производную умножить на погрешность прямого измерения . При вычислении частной производной функции по остальные аргументы считаются постоянными.

Результирующая абсолютная погрешность косвенного измерения определяется по формуле, в которую входят квадраты частных погрешностей

косвенного измерения :

или с учетом (13)

(14)

Относительная погрешность косвенного измерения определяется по формуле:

Или с учетом (11) и (12)

. (15)

Пользуясь (14) и (15), находят одну из погрешностей, абсолютную или относительную, в зависимости от удобства вычислений. Так, например, если рабочая формула имеет вид произведения, отношения измеряемых величин, ее легко логарифмировать и по формуле (15) определить относительную погрешность косвенного измерения. Затем абсолютную погрешность вычислить по формуле (16):

Для иллюстрации вышеизложенного порядка определения погрешности косвенных измерений вернемся к виртуальной лабораторной работе «Определение ускорения свободного падения при помощи математического маятника».

Рабочая формула (1) имеет вид отношения измеряемых величин:

Поэтому начнем с определения относительной погрешности. Для этого прологарифмируем данное выражение, а затем вычислим частные производные:

; ; .

Подстановка в формулу (15) приводит к формуле относительной погрешности косвенного измерения:

(17)

После подстановка результатов прямых измерений

{ ; } в (17) получаем:

(18)

Для вычисления абсолютной погрешности используем выражение (16) и ранее вычисленное значение (9) ускорения свободного падения g :

Результат вычисления абсолютной погрешности округляем до одной значащей цифры. Вычисленное значение абсолютной погрешности определяет точность записи окончательного результата:

, α ≈ 1. (19)

При этом доверительная вероятность определяется доверительной вероятностью тех из прямых измерений, которые внесли решающий вклад в погрешность косвенного измерения. В данном случае это измерения периода.

Таким образом, с вероятностью близкой к 1 величина g лежит в пределах от 8 до 12 .

Для получения более точного значения ускорения свободного падения g необходимо совершенствовать методику измерений. С этой целью надо уменьшить относительную погрешность , которая в основном, как следует из формулы (18), определяется погрешностью измерения времени.

Для этого надо измерять время не одного полного колебания, а, например, 10-ти полных колебаний. Тогда, как следует из (2), формула относительной погрешности примет вид:

. (20)

В табл.4 представлены результаты измерения времени для N = 10

Для величины L возьмем результаты измерений из табл.2. Подставляя результаты прямых измерений в формулу (20), найдем относительную погрешность косвенного измерения:

По формуле (2) вычислим значение косвенно измеряемой величины:

Окончательный результат записывается в виде:

; ; .

В этом примере показана роль формулы относительной погрешности в анализе возможных направлений совершенствования методики измерений.

В лабораторной практике большинство измерений косвенные и интересующая нас величина является функцией одной или нескольких непосредственно измеряемых величин:

N = ƒ (x, y, z, ...) (13)

Как следует из теории вероятностей, среднее значение величины определяется подстановкой в формулу (13) средних значений непосредственно измеряемых величин, т.е.

¯ N = ƒ (¯ x, ¯ y, ¯ z, ...) (14)

Требуется найти абсолютную и относительную ошибки этой функции, если известны ошибки независимых переменных.

Рассмотрим два крайних случая, когда ошибки являются либо систематическими, либо случайными. Единого мнения относительно вычисления систематической ошибки косвенных измерений нет. Однако, если исходить из определения систематической ошибки как максимально возможной ошибки, то целесообразно находить систематическую ошибку по формулам

(15) или

где

частные производные функции N = ƒ(x, y, z, ...) по аргументу x, y, z..., найденные в предположении, что все остальные аргументы, кроме того, по которому находится производная, постоянные;
δx, δy, δz систематические ошибки аргументов.

Формулой (15) удобно пользоваться в случае, если функция имеет вид суммы или разности аргументов. Выражение (16) применять целесообразно, если функция имеет вид произведения или частного аргументов.

Для нахождения случайной ошибки косвенных измерений следует пользоваться формулами:

(17) или

где Δx, Δy, Δz, ... доверительные интервалы при заданных доверительных вероятностях (надежностях) для аргументов x, y, z, ... . Следует иметь в виду, что доверительные интервалы Δx, Δy, Δz, ... должны быть взяты при одинаковой доверительной вероятности P 1 = P 2 = ... = P n = P.

В этом случае надежность для доверительного интервала ΔN будет тоже P.

Формулой (17) удобно пользоваться в случае, если функция N = ƒ(x, y, z, ...) имеет вид суммы или разности аргументов. Формулой (18) удобно пользоваться в случае, если функция N = ƒ(x, y, z, ...) имеет вид произведения или частного аргументов.

Часто наблюдается случай, когда систематическая ошибка и случайная ошибка близки друг к другу, и они обе в одинаковой степени определяют точность результата. В этом случае общая ошибка ∑ находится как квадратичная сумма случайной Δ и систематической δ ошибок с вероятностью не менее чем P, где P доверительная вероятность случайной ошибки:

При проведении косвенных измерений в невоспроизводимых условиях функцию находят для каждого отдельного измерения, а доверительный интервал вычисляют для получения значений искомой величины по тому же методу, что и для прямых измерений.

Следует отметить, что в случае функциональной зависимости, выраженной формулой, удобной для логарифмирования, проще сначала определить относительную погрешность, а затем из выражения ΔN = ε ¯ N найти абсолютную погрешность.

Прежде чем приступать к измерениям, всегда нужно подумать о последующих расчетах и выписать формулы, по которым будут рассчитываться погрешности. Эти формулы позволят понять, какие измерения следует производить особенно тщательно, а на какие не нужно тратить больших усилий.

При обработке результатов косвенных измерений предлагается следующий порядок операций:

Все величины, находимые прямыми измерениями, обработайте в соответствии с правилами обработки результатов прямых измерений. При этом для всех измеряемых величин задайте одно и то же значение надежности P.
Оцените точность результата косвенных измерений по формулам (15) (16), где производные вычислите при средних значениях величин.
Если ошибка отдельных измерений входит в результат дифференцирования несколько раз, то надо сгруппировать все члены, содержащие одинаковый дифференциал, и выражения в скобках, стоящие перед дифференциалом взять по модулю ; знак d заменить на Δ (или δ).
Если случайная и систематическая ошибки по величине близки друг к другу, то сложите их по правилу сложения ошибок. Если одна из ошибок меньше другой в три или более раз, то меньшую отбросьте.
Результат измерения запишите в виде:
N = ƒ (¯ x, ¯ y, ¯ z, ...) ± Δƒ.
Определите относительную погрешность результата серии косвенных измерений
ε = Δƒ · 100%.
¯¯ ƒ¯

Приведем примеры расчета ошибки косвенного измерения.

Пример 1. Находится объем цилиндра по формуле

V = π d 2 h ,
¯¯¯ 4¯¯

где d диаметр цилиндра, h высота цилиндра.

Обе эти величины определяются непосредственно. Пусть измерение этих величин дало следующие результаты:

d = (4.01 ± 0.03) мм ,
h = (8.65 ± 0.02) мм, при одинаковой надежности Р = 0.95.
Среднее значение объема, согласно (14) равно
V = 3.14 · (4.01) 2 · 8.65 = 109.19 мм
¯¯¯¯¯¯¯¯¯ 4¯¯¯¯¯¯¯¯

Воспользовавшись выражением (18) имеем:

ln V = ln π + 2 lnd + lnh - ln4;

;

Так как измерения производились микрометром, цена деления которого 0.01 мм , систематические ошибки
δd = δh = 0.01 мм. На основании (16) систематическая ошибка δV будет

Систематическая ошибка оказывается сравнимой со случайной, следовательно