Методика обработки результатов прямых равноточных видов измерений 


Мы поможем в написании ваших работ!



ЗНАЕТЕ ЛИ ВЫ?

Методика обработки результатов прямых равноточных видов измерений



Методика обработки результатов прямых равноточных видов измерений

К прямым видам относятся измерения, результаты которых получаются из опытных данных одного измерения. Прямые виды измерений бывают равноточные и неравноточные.

Результаты равноточных измерений получаются при многократных измерениях одного и того же истинного значения измеряемой физической величины (ФВ), одним и тем же средством измерения, одним наблюдателем, при неизменных условиях измерения. Результат измерения при этом равен

, (1.1)

где - истинное значение;

и - соответственно случайная и систематическая составляющие i - го результата.

Обычно величина известная и в результат измерения вносится поправка

, (1.2)

т.е. получается исправленный результат

. (1.3)

Задача обработки результатов найти оценку (приближенная характеристика) истинного значения

= . (1.4)

Для оценки результата измерений, являющегося случайной величиной находят его характеристики: оценку математического ожидания - среднее значение, вокруг которого группируются все результаты и оценку среднего квадратического отклонения (с. к. о.) , которая является мерой рассеяния результатов относительно центра группирования.

 

А Точечная оценка

 

При обработке результатов измерений необходимо воспользоваться свойствами математического ожидания и дисперсии.

Оценка называется точечной, если ее значения можно представить на числовой оси геометрически в виде точки.

1 Исправленный ряд результатов ранжируется

.

2 Находится среднее арифметическое (оценка математического ожидания )

(1.5)

3 Проверяется правильность вычислений

(1.6)

.

4 Определяется оценка среднего квадратического отклонения (с. к. о.)

а) Оценка с. к. о. отдельного результата наблюдения (формула Бесселя)

(1.7)

Полученные точечные оценки по формулам (1.5) и (1.7) являются случайными, т.к. при повторных измерениях получим другую группу результатов, а для нее другие значения и . Поэтому для оценки полученного результата измерения величины необходимо оценить с. к. о. среднего арифметического .

б) Оценка с. к. о. среднего арифметического

(1.8)

В полученной группе результатов измерений один или два наблюдения (обычно это крайние результаты в ряде) могут резко отличаться от остальных. Поэтому их следует проверить на наличие в них грубых погрешностей с целью их исключения из ряда измерений, т.к. они могут сильно искажать , , закон распределения и доверительный интервал.

 

В Интервальная оценка

 

При интервальной оценке определяется доверительный интервал, который накрывает истинное значение измеряемой величины (истинное значение оказывается внутри этого интервала) с заданной доверительной вероятностью pД , (1.13)

где J (pД) = 2e - доверительный интервал;

()- доверительные границы.

7 Оценка доверительного интервала математического ожидания :

а) при нормальном законе распределения погрешностей

, (1.14)

где t = f (pД) - коэффициент стандартного нормального закона распределения находится по таблице функций Лапласа

, (1.15)

Ф(t) = 0,5pД.

 

б) при распределении Стьюдента

, (1.16)

где tp = f(q; k) - коэффициент Стьюдента находится по таблице распределения Стьюдента.

При оценке доверительного интервала случайной погрешности по формулам(1.14) и (1.16) необходимо знать закон распределения случайных результатов. Приближенно это можно сделать по формуле Петерса

(1.17)

если

, (1.18)

то опытное распределение считается нормальным. В противном случае пользуются распределением Стьюдента.

В практике измерений доверительную вероятность при оценке доверительного интервала принимают равной pД = 0.95.

8 Оценка доверительного интервала с. к. о.

(1.19)

где

(1.20)

c2В = f (k; qВ); c2Н = f (k; qН); qВ = 1– pВ; qН = 1– pН; pВ = (1 + pД)/2;

pН = (1 – pД)/2;

k = (n –1) – число степеней свободы ряда результатов измерений.

Значения c2 находят по таблице распределения Пирсона , а доверительная вероятность берётся равной 0.9.

9 Записываются результаты измерения

, при pД = 0,95,

при pД = 0,9.

 

При расчёте погрешностей необходимо пользоваться следующими правилами округления:

1)погрешность результата измерения указывается двумя значащими цифрами, если первая из них равна 1 или 2; и одной - если первая цифра равна 3 и более;

2)результат измерения округляется до того же десятичного разряда, которым оканчивается округленное значение абсолютной погрешности;

3)округление производится лишь в окончательном ответе, а все предварительные вычисления проводят с одним - двумя лишними знаками.

 

1.2 Варианты заданий к разделу 1.1 (результаты измерений исправлены)

 

№ варианта   Вариант  
  4,480; 4,521; 4,617; 4,555; 4,498; 4,432; 4,510; 4,518; 4,612; 4,595; 4,606; 4,189; 4,805.  
  36,28; 36,59; 36,30; 36,12; 38,21; 35,96; 35,85; 35,98; 36,01; 35,97; 36,05; 36,13; 36,02; 35,87; 33,89; 36,04.  
  0,111; 0,085; 0,091; 0,101; 0,109; 0,086; 0,102; 0,111; 0,098; 0,085; 0,105; 0,112; 0,098; 0,1 13; 0,087; 0,109; 0,115; 0,099; 0,099; 0,094; 0,105.  
    1,07; 0,99; 1,25; 0,89; 1,04; 1,13; 0,96; 1,03; 1,45; 1,04;1,05; 0,88; 1,03; 0,97; 1,15; 1,09; 0,89; 1,08; 1,07; 0,97.  
  10,6; 9,6; 10,9; 11,6; 10,9; 11,7; 10,8; 10,9; 11,7; 10,3;12,7; 11,9; 11,8; 12,5; 10,5; 11,6; 10,1; 11,3; 10,7; 10,5.  
  12,205; 12,208; 12,212; 12,209; 12,204; 12,206; 12,209; 12,210;12,203; 12,208; 12,206; 12,213; 12,205; 12,207; 12,208; 12,209; 12,208; 12,207; 12,209.  
    8,911; 8,913; 8,915; 8,917; 8,919; 8,921; 8,923; 8,927; 8,925;8,923; 8,921; 8,919; 8,917; 8,915; 8,913; 8,925.  
    20,15; 20,20; 20,23; 20,26; 20,17; 20,21; 20,25; 20,27; 20,19;20,21; 20,25; 20,28; 20,19; 20,23; 20,25; 20,30; 20,20; 20,23; 20,26.  
    20,42; 20,43; 20,40; 20,43; 20,42; 20,43; 20,39; 20,30;20,40;20,43; 20,42; 20,41; 20,39; 20,39; 20,40.  
  18,305; 18,306; 18,309; 18,308; 18,306; 18,309; 18,313; 18,308; 18,312; 18,310; 18,305; 18,307; 18,309; 18,303; 18,307; 18,309; 18,304; 18,308; 18,308; 18,310.  
    1,86; 1,64; 1,92; 1,63; 1,92; 1,83; 1,88; 1,87; 1,97; 1,76; 1,32; 1,84; 2,2; 1,74; 2,29.  
    3,64; 3,66; 3,82; 3,74; 4,04; 3,69; 3,7; 3,71; 3,78; 3,73; 3,8; 3,78; 3,74; 3,71; 3,7; 3,78.  
    18,5; 18,51; 18,51; 18,5; 18,64; 18,47; 18,51; 18,48; 18,6; 18,52; 18,52; 18,44; 18,52; 18,54; 18,55; 18,57; 18,57.  
    29,28; 28,88; 29,29; 29,23; 29,1; 28,95; 29,1; 29,2; 29,03; 29,07; 28,5; 29,19; 29,2; 29,17; 29,12;29,15; 29,09; 29,04.  
  9,59; 10,29; 9,45; 9,6; 9,44; 9,48; 9,54; 9,64; 9,34; 9,69; 9,49; 9,32; 9,41; 9,45; 9,45; 9,47; 9,47; 9,49; 9,49.  
    16,26; 16,24; 16,26; 16,38; 16,25; 16,25; 16,27; 16,29; 16,25; 16,17; 16,35; 16,13; 16,15; 15,67; 16,26; 16,25; 16,25; 16,25; 16,22; 16,39.  
    24,66; 24,9; 24,49; 24,55; 24,79; 24,46; 24,28; 24,8; 24,58; 24,77; 24,53; 24,38; 24,75; 24,56; 24,4; 24,51; 24,67; 23,99; 24,72; 24,5; 24,72.  
    7,36; 7,25; 7,29; 7,29; 7,31; 7,31; 7,31; 7,27; 7,32; 7,62; 7,36; 7,35;  
7,28; 7,3; 7,34; 7,34; 7,26; 7,3; 7,27; 7,34; 7,36; 7,26.    
  21,34; 21,75; 21,27; 21,18; 21,18; 21,3; 21,19; 21,42; 21,27; 21,25; 21,3; 21,25; 21,42; 21,31; 21,23; 21,31; 21,18; 21,29; 21,36; 21,39; 21,25; 21,27; 21,36.    
    4,84; 4,83; 4,87; 4,81; 4,82; 4,85; 4,94; 4,86; 4,9; 4,9; 4,86; 4,87; 4,95; 4,92; 4,93; 4,88; 4,9; 4,84; 4,88; 4,92; 4,88; 4,66; 4,89; 4,93.    
    9,31; 9,35; 9,3; 9,29; 9,37; 9,31; 9,34; 9,34; 9,35; 9,35; 9,41; 9,28; 9,15; 9,32; 9,34; 9,35; 9,28; 9,33; 9,29; 9,36; 9,36; 9,31; 9,36; 9,34; 9,3.    
  12,77; 12,9; 12,95; 12,85; 12,77; 12,91; 12,92; 12,94; 12,85; 12,88; 12,38;12,87; 12,75; 12,91; 12,82; 12,88; 12,87; 12,9; 12,83;12,83; 12,86; 12,77; 12,88; 12,82.    
  16,02; 15,85; 15,92; 15,81; 15,75; 15,74; 15,77; 15,88; 15,94; 15,81; 15,7; 15,73; 15,86; 15,75; 15,88; 16,04; 15,82; 15,46; 15,91; 15,86; 15,87; 15,99; 15,79.    
  25,23; 25,13; 25,18; 25,12; 25,2; 25,27; 25,28; 25,27; 25,08; 25,14; 25,32; 25,32; 25,68; 25,27; 25,34; 25,15; 25,31; 25,31; 25,3; 25,11; 25,28; 25,23.    
    30; 29,84; 30; 29,63; 30,15; 29,98; 29,91; 29,98; 29,99; 29,99; 30,06; 30,06; 30,06; 29,97; 29,85; 30,04; 29,99; 29,95; 29,96; 30; 30,01.    
    18,81; 19; 19,15; 18,48; 18,36; 19,67; 18,83; 18,69; 19,41; 16,42; 19,08; 18,16; 19,19; 18,27; 19,23; 18,25; 19,09; 19,51; 19,54; 18,91.    
    14,09; 13,97; 13,97; 13,94; 14; 13,91; 14; 13,94; 13,95; 13,94; 13,98; 13,94; 13,92; 13,96; 13,92; 13,96; 13,94; 13,95; 13,97.    
    6,81; 7,04; 7,2; 6,97; 7,04; 7,22; 7,19; 6,9; 8,23; 6,85; 6,89; 7,28; 6,66; 6,99; 6,91; 6,85; 7; 6,96.    
    7,12; 7,1; 7,1; 7,13; 7,07; 7,08; 7,06; 7,14; 7,14; 6,92; 7,14; 7,01; 7,11; 7,14; 7,11; 7,08; 7,08.    
  2,00; 2,07; 2,02; 2; 2,01; 1,98; 1,99; 2; 1,99; 1,98; 1,99; 2; 1,95; 1,98; 1,95; 2,04.    

 

Примечания: 1) обработку результатов измерений необходимо провести с учётом свойств математического ожидания M(x) и дисперсии D(x);

2) номер варианта задания соответствует порядковому номеру фамилии студента в списке группы по зачётной ведомости.

 

1.3 Свойства математического ожидания и дисперсии

 

Математическое ожидание случайной величины q – это среднее значение, вокруг которого группируются все результаты измерения.

Дисперсией случайной величины q называется математическое ожидание квадрата отклонения этой величины от её математического ожидания

В связи с тем, что единица дисперсии (единица ФВ возведённая в квадрат) неудобна для применения, на практике при точечной оценке случайной величины используется среднее квадратическое отклонение (с. к. о.)

1 Если все значения случайной величины q, не меняя их вероятности уменьшить (увеличить) на некоторое число a, то:

а) математическое ожидание уменьшится (увеличится) на это же число

б) дисперсия не изменится

2 Если все значения случайной величины q, не меняя их вероятности, умножить на некоторый множитель b (> 1 или < 1), то:

а) математическое ожидание умножится на этот же множитель

б) дисперсия D (q) умножится на квадрат этого множителя

3 а) математическое ожидание суммы случайных величин равно сумме математических ожиданий слагаемых

б) дисперсия суммы независимых случайных величин равна сумме дисперсий слагаемых

4 а) математическое ожидание произведения независимых случайных величин равно произведению математических ожиданий сомножителей

б) дисперсия постоянной величины a равна 0

Пример:

При измерении случайной величины q с математическим ожиданием и дисперсией получен следующий исправленный ряд результатов

.

Каждый результат уменьшается на одно и то же постоянное число a и умножается на один и тот же постоянный множитель b. Получается случайная величина

для другого ряда результатов

По формулам раздела 1.1 находится математическое ожидание и дисперсия второго ряда.

Исходя из первого и второго свойств математического ожидания и дисперсии, определяются и для исходного ряда результатов измерений:

а) ;

б)

Величины a и b выбираются исходя из максимального уменьшения разрядов чисел первого ряда для получения второго ряда с целью упрощения вычислений.

 

2 Методика обработки косвенных видов измерений

 

При косвенных видах измерений значение искомой величины Y получают на основании прямых видов измерений величин , связанных с измеряемой известной функциональной зависимостью

, (2.1)

где - подлежащие прямым измерениям аргументы функции искомой величины Y.

2.1 Общий случай

 

В уравнениях связи аргументы представлены в виде результатов многократных прямых видов измерений

………………….;

(2.2)

………………….;

где - число результатов прямых видов измерений аргументов ;

- число аргументов в уравнении связи (2.1).

Исходя из уравнений связи (2.1) необходимо найти искомый результат Y.

1 На основании формул (1.5) и (1.8) раздела 1.1 проводится точечная оценка каждого аргумента, т. е. находятся значения и . Точечная оценка приводит к результатам

(2.3)

2 Исходя из уравнения связи (2.1) оценивается искомый результат

. (2.4)

3 Оценка дисперсии искомого результата

, (2.5)

где - частная производная аргумента , которая называется коэффициентом влияния.

Следует отметить, что при - такие коэффициенты влияния не учитываются.

Произведения частных производных уравнения связи на с. к. о. результатов измерения соответствующих аргументов называются частными погрешностями косвенного измерения

. (2.6)

Оценка коэффициента корреляции между каждой парой аргументов определяется по формуле

, (2.7)

где - наименьшее из чисел наблюдений nk и nl соответственно аргументов и .

Коэффициент корреляции определяет степень связи между случайными величинами. Возможные значения коэффициента корреляции лежат в интервале .

Коэффициент корреляции тогда и только тогда, когда между результатами наблюдений и существует линейная функциональная зависимость (погрешности измеряемых ФВ являются зависимыми).

Если , то погрешности измерения аргументов и некоррелированы (погрешности измеряемых ФВ являются независимыми). В этом случае формула (2.5) примет вид

. (2.8)

Формула (2.8) обычно справедлива, когда рассматриваемые аргументы и измеряют в разное время и для их измерения применяют разные по устройству средства измерений.

Корреляция между погрешностями аргументов чаще всего возникает в тех случаях, когда измерения выполняются одновременно и изменения влияющих величин (температуры воздуха, напряжения питания и т.п.), хотя и допустимые сами по себе, оказывают некоторое влияние на результаты наблюдений.

Критерием отсутствия корреляции между рассматриваемой парой аргументов и является выполнение неравенства

< , (2.9)

где ; (2.10)

- коэффициент Стьюдента;

- уровень значимости;

- принятая доверительная вероятность.

4 Оценка погрешности искомого результата:

а) Если число результатов, выполненных при измерении всех аргументов, превышает 25 – 30, то

(2.11)

где t = f (рД) - коэффициент стандартного нормального распределения находится по таблице П.1 функции Лапласа.

б) При меньшем числе наблюдений пользуются распределением Стьюдента (см. табл. П-4)

(2.12)

где tp=f(q; kэф) - коэффициент Стьюдента.

Эффективное число степеней свободы kэф определяется по формуле

(2.13)

где nj – число результатов прямых измерений аргумента .

При равном числе наблюдений всех аргументов, т.е. при n1= …= nm= n

(2.14)

Эффективное число степеней свободы обычно получается дробным, поэтому для отыскания величины tp данные табл. П-4 приходиться интерполировать.

Окончательный результат записывается в виде

, при . (2.15)

 

2.2 Частный случай

 

В уравнениях связи (2.1) значения аргументов заданы в виде

….; (2.16)

т. е. заданы своими доверительными интервалами

, (2.17)

где - коэффициент аргумента , зависящий от принятого закона распределения результатов измерения этого аргумента и принятой доверительной вероятности .

При отсутствии корреляционной зависимости между погрешностями измерений аргументов (коэффициент корреляции ) и при одинаковой доверительной вероятности всех аргументов () уравнения связи (2.1), оценка погрешности искомого результата будет иметь вид

. (2.18)

Формула (2.17) получена из равенства (2.8) путём умножения левой и правой частей его на коэффициент . Окончательный результат записывается аналогично (2.15).

 

2.4 Погрешности результата косвенного вида измерений

для наиболее распространённых уравнений связи

 

1. . (2.24)

2. . (2.25)

3. . (2.26)

4. . (2.27)

 

5 . (2.28)

 

6. (2.29)

Если в уравнениях связи (2.28) и (2.29) аргументы заданы своими доверительными интервалами (2.16) и (2.17), то уравнения погрешностей (2.28) и (2.29) соответственно примут вид

, (2.30)

. (2.31)

Примечания:

1 Во всех формулах для с. к. о. считается, что аргументы некоррелированы (независимы).

2 При возведении в степень значительно увеличивается погрешность результата, поэтому измерение величин, которые при дальнейших вычислениях возвышаются в степень, должно производится с особой точностью.

3 Величины, из которых при дальнейшей обработке извлекаются корни, могут измеряться с меньшей точностью, поскольку погрешность таких величин при обработке уменьшается.

 

2.5 Варианты первого задания к разделу 2

 

Провести обработку косвенных видов измерений по заданным уравнениям связи в соответствии с данными таблицы 2.1.

 

Таблица 2.1 - Уравнения связи

№ варианта          
Уравнение связи
№ варианта          
Уравнение связи

Примечание к табл. 2.1: № варианта уравнения связи соответствует последней цифре № зачётной книжки студента.

Варианты заданий аргументов для уравнений связи приведены в таблице 2.2

Таблица 2.2 - Варианты заданий аргументов

Варианты заданий Номера аргументов Варианты заданий Номера аргументов
           
           
           
           
           
           
           
           
           
           
           
           
           
           
           

 

Примечания к табл. 2.2:

1 № варианта задания соответствует порядковому номеру фамилии студента в зачетной ведомости.

2 № аргументов соответствует номерам вариантов заданий к разделу 1.1.

 

2.6 Варианты второго задания к разделу 2

 

По известной расчетной зависимости косвенного метода измерения (искомый результат) и по известным результатам и погрешностям прямых измерений получить формулу и среднеквадратическую оценку погрешности косвенного измерения δуск.

Таблица 2.3 – Исходные данные для расчета

№ варианта Расчетная зависимость Погрешности и результаты прямых измерений
a b c d e
  y = 2(a+b)c2/(d- e) Δa =1 a =50 Δb =3 b =90 Δc =2 c =60 Δd =2 d =70 Δe =1 e =40
  y = a3(b+c)/[2(d-e)]
  y = (b-a)(c+d)/[3e2]
  y =3(a+b)/[c2(d- e)]
  y = a2/[3(b-c)(d+e)]
  y = 2(a+b- c)/[d3 e] Δa =3 a =100 Δb =1 b =70 Δc =2 c =80 Δd =1 d =60 Δe =2 e =90
  y = ab2/[2(c-d+e)]
  y = 2 (a- b)/[c d2 e3]
  y =0,5/[(a+b)(c-d)e2]
  y = a(b+c-d)/[3e3]
  y=3ab2/(c-d+e) Δa =1 a =100 Δb =2 b =80 Δc =1 c =60 Δd =2 d =40 Δe =1 e =20
  y = a3 b/[3(c-d)e]
  y = 2ab3/[(c+d-e)]
  y = 3(a-b)c2/[2(d+e)]
  y = 1/[a (b - c) d2 e]
  y = (a-b-c) d2/[2 e] Δa =5 a =200 Δb =3 b =90 Δc =2 c =70 Δd =2 d =60 Δe =1 e =30
  y =0,4a/[b2(c-d)e3]
  y =a2 (b+c)/[0,5(d-e)]
  y = a3(b- c)(d+e)/2
  y =(a+b) c2 (d-e)/3
  y =4 a b2c3/(d-e) Δa =0.5 a =40 Δb =1 b =30 Δc =0.5 c =50 Δd =1.4 d =70 Δe =2 e =60
  y =2/[(a+b) c3(d-e)]
  y=(a-b)/[3(c+d) e2]
  y = 0,1(a- b+c)/[d3e]
  y =2 a/[3bc2(d-e)]
  y = 3 a2/[(b- c) (d+e)] Δa =3 a =80 Δb =2 b =70 Δc =1 c =60 Δd =2 d =50 Δe =1 e =40
  y =ab3/[2(c+d-e)]
  y = (a-b)(c+d)e2/7
  y=(a-b)c2/[5de]
  y=a3bc2(d-e)/4

 

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1.Рабинович С.Г. Погрешности измерений. - Л.: Энергия, 1978.- 262с.

2.ГОСТ 8.009-84. Государственная система обеспечения единства измерений. Нормируемые метрологические характеристики средств измерений.

3.ГОСТ 8.401-80. ГСИ. Классы точности средств измерений. Общие требования.

4.ГОСТ 21.404-85. Автоматизация технологических процессов. Обозначения условные приборов и средств автоматизации.

5.Клюев А.С. и др. Техника чтения схем автоматического управления и технологического контроля. - М.: Энергоатомиздат, 1983, с.30-49.

6.Прахова М.Ю. Основные принципы построения систем автоматического управления и технологического контроля: Учебное пособие.- Уфа: Изд-во УГНТУ, 1996.- 112с.

7.Шаловников Э.А. Автоматизация процессов подготовки газа на газодобывающих предприятиях: Конспект лекций. - Уфа: Изд-во УНИ, 1983.- 51 с.

 


ПРИЛОЖЕНИЕ 1

Таблица П 1.1 - Значения нормированной функции Лапласа

                     
0,0 0,00000                  
0,1                    
0,2                    
0,3                    
0,4                    
0,5                    
0,6                    
0,7                    
0,8                    
0,9                    
1,0                    
1,1                    
1,2                    
1,3                    
1,4                    
1,5                    
1,6                    
1,7                    
1,8                    
1,9                    
2,0                    
2,1                    
2,2                    
2,3                    
2,4                    
2,5                    
2,6                    
2,7                    
2,8                    
2,9                    

Примечание. Значения Ф(t) при t = 3,0 ÷ 4,5 следующие:

 

3,0 ………... 0,49865 3,4 ………... 0,49966 3,8 ………... 0,49993
3,1 ………... 0,49903 3,5 ………... 0,49977 3,9 ………... 0,49995
3,2 ………... 0,49931 3,6 ………... 0,49984 4,0 ………... 0,499968
3,3 ………... 0,49952 3,7 ………... 0,49989 4,5 ………... 0,499999

Таблица П 1.2 - Значения χ2 - распределения Пирсона c2 = f (q; k)

 



Поделиться:


Последнее изменение этой страницы: 2017-02-08; просмотров: 629; Нарушение авторского права страницы; Мы поможем в написании вашей работы!

infopedia.su Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. Обратная связь - 3.237.189.116 (0.141 с.)