Розділ 3. Обчислення похибок фізичних вимірів

 

Вимірювання фізичних величин (прямі та непрямі) повинні закінчуватись не тільки визначенням їх числового значення, але й оцінкою похибок вимірювань.

Похибка (помилка) виміру − кількісна міра його якості. Похибки вимірювань діляться на систематичні та випадкові.

Систематичні похибки зумовлюються недосконалістю вимірювальних приладів, їх несправністю або неправильним користуванням ними. Систематичні похибки можна виявити i виключити або звести до мінімуму.

Випадкові похибки зумовлюються неконтрольованими обставинами. Вони виникають внаслідок недосконалості наших органів чуття, впливу навколишнього середовища та інших причин. Виключити цi похибки неможливо, тому після будь-якого вимірювання отримані наближені значення дещо відрізняються від дійсного значення вимірюваної величини.

Випадкові похибки підкоряються статистичним закономірностям i описуються теорією ймовірностей.

Для оцінки похибки вимру i знаходження дійсного значення величини, вимірювання виконуються n разів. Середньоарифметичне значення< x > ближче до дійсного значення x, ніж результат окремого виміру:

. (3.1)

Абсолютна похибка окремого виміру:

. (3.2)

Відносна похибка:

,

або у відсотках

. (3.3)

Характеристикою точності виміру є середньоквадратична похибка S_n, яка для даного середньоарифметичного < x > визначається так:

. (3.4)

Стандартною похибкою називають . Якщо великі n, то . Для даного значення похибки вказують коефіцієнт надійності. Коефіцієнт надійності α (довірча ймовірність) − це ймовірність того, що справжня похибка за абсолютною величиною менша або дорівнює . Інтервал значень () називають довірчим інтервалом вимірюваної величини.

У теорії ймовірностей доводять, що для середньоквадратичної (стандартної) похибки α=0,68. Це означає, що із 100 вимірів 68 матимуть похибки в інтервалі ().

Щоб збільшити надійність, треба вибирати більший довірчий інтервал. Беручи до уваги той факт, що на практиці кількість вимірів не перевищує n =3...5, результат обчислювань за формулою (3.4) буде значно відрізнятись від стандартної похибки. За допомогою множників t _{α, n} (коефіцієнти Стьюдента), наведених у табл.1, можна обчислити стандартну похибку S, що відповідатиме даному коефіцієнту надійності, a для відомого числа вимірів n:

. (3.5)

Наприклад, для n =3 та α=0,68 коефіцієнт Стьюдента t _{α, n} =1,26.

Під час прямих вимірювань величин поряд з випадковими похибками зустрічаються i систематичні, що виникають внаслідок обмеженої точності вимірювальних приладів. Останні не можуть бути виключеними й мають враховуватись разом з випадковими похибками.

Таблиця 1

a	n
t α, n
0,68	1,9	1,26	1,20	1,14	1,08	1,05	1,03	1,01
0,95	12,7	4,30	3,13	2,78	2,45	2,26	2,09	2,02

 

Вважають, що середньоквадратична (стандартна) похибка дорівнює 1/3 максимальної абсолютної похибки приладу. Наприклад, при вимірювані проміжку часу за допомогою секундоміра з ціною поділки 0,1 с:

.

Розглянемо порядок підрахунку похибок для непрямих вимірювань величини y. Нехай y = f (x ₁, x ₂ ... x _n). Середньоквадратична похибка виміру величини y:

. (3.6)

Отже, для знаходження стандартної помилки величини y треба знайти частинні похідні, розглядаючи робочу формулу як функціональну залежність y від безпосередньо вимірювальних величин x_J.

У більшості випадків можна уникнути знаходження частинних похідних, якщо скористатися готовими формулами для підрахунку S_y при непрямих вимірах деяких типів закономірностей (див. табл. 2).

Можна запропонувати такий порядок визначення похибок для непрямих вимірювань:

1. Взяти робочу формулу для підрахунку шуканої величини y.

2. Одержати формулу для підрахунку стандартної похибки S_y відповідно до формули (3.6) або скористатись таблицею 2.

3. Виконати прямі вимірювання усіх величин, що входять до робочої формули, не менше як N раз. Виняток становлять величини, які неможливо виміряти більше одного разу (наприклад, вимірювання часу тривалості якогось процесу).

4. Обчислити середнє значення виміряних величин < x >, а також середнє відхилення .

5. Обчислити середньоквадратичні похибки прямих вимірів за формулою (3.4).

6. Привести знайдену похибку до стандартної. Для цього за табл.1 знайти коефіцієнт Стьюдента, що відповідає кількості вимірів та довірчій імовірності α = 0,68. Стандартна похибка . Якщо похибка приладу виявиться більшою за S_n, то вважають, що стандартна похибка дорівнює 1/3 похибки приладу.

7. Обчислити відносну стандартну похибку непрямого виміру:

,

для цього використати середні значення виміряних величин < y > та їх стандартні похибки .

8. При обчисленні відносної похибки додаються квадрати відносних похибок прямих вимірів. Внаслідок піднесення до квадрату деякі похибки, може статись, будуть дуже малими порівняно з іншими. Завжди можна відкинути похибку меншу від 1/3 найбільшої похибки у даній сумі (тобто меншу 10% при порівнянні їх квадратів). Якщо таких похибок декілька, їх відкидати не можна, бо в сумі вони можуть складати величину того самого порядку, що й найбільша похибка.

9. Визначити число значущих чисел, котрі треба зберегти, записуючи кінцевий результат. Похибку обчислюють з точністю до 10%.

10. Обчислити середнє значення вимірюваної величини < y >, підставляючи в робочу формулу середні значення результатів прямих вимірів < x >.

11. Обчислити абсолютну похибку величини < y >: .

12. Записати кінцевий результат у вигляді при α =0,68, або при α =0,95.

Таблиця 2

Тип залежності	Формула для обчислення стандартної похибки

 

Прийнятi позначення та найважливiшi формули

1. < x > – середньоарифметичне: .

2. – абсолютна похибка:

3. – середня абсолютна похибка: .

4. – вiдносна похибка: .

5. S_n – середньоквадратична похибка середнього арифметичного:

.

6. – стандартна похибка: .

7. – довірча ймовірність (коефіцієнт надійності).

8. t _{α, n} – коефіцієнт Стьюдента.

Формула для знаходження стандартної похибки при незначній кількості вимірів:

.

Формула знаходження стандартної похибки при непрямих вимірах:

.