Единое окно доступа к образовательным ресурсам

Экспериментальные методы исследований. Погрешности и неопределенности измерений: Учебное пособие

Голосов: 9

В настоящем пособии изложен современный подход к оцениванию неопределенностей измерений, а также основные элементы документа "Руководство по выражению неопределенности измерений", разработанного ведущими международными метрологическими организациями. Этот документ приобрел статус неформального международного стандарта. Существует некоторое противоречие между заложенными в нем принципами и системой отечественных стандартов, касающихся погрешностей результатов измерений. В пособии изложены, также основные положения отечественного нормативного документа, устанавливающего соответствие между двумя формами представления результатов измерений и их сравнительный анализ. Приведены примеры расчета неопределенностей измерений. Для подготовки дипломированных специалистов по направлению 140000 - "Энергетика, энергетическое машиностроение и электроника", специальность 140402 - "Теплофизика", и бакалавров по направлению 140400 - "Техническая физика".

Приведенный ниже текст получен путем автоматического извлечения из оригинального PDF-документа и предназначен для предварительного просмотра.
Изображения (картинки, формулы, графики) отсутствуют.
    2.3.5. Расширенная неопределенность –
величина, определяющая интервал вокруг результата измерения, в пределах
которого, можно ожидать, находится большая часть распределения значений,
которые с достаточным основанием могли быть приписаны измеряемой
величине.

       Примечания. 1. Эта часть распределения может рассматриваться как
       вероятность охвата или уровень доверия для интервала.
       2.Установление связи между конкретным           уровнем доверия и
       интервалом, определенным расширенной неопределенностью, требует
       явных и        неявных предложений относительно распределения
       вероятностей, характеризуемого результатом измерения и его суммарной
       стандартной неопределенностью. Уровень доверия, который может быть
       приписан этому интервалу, может быть известен только до той степени,
       в которой такие предложения могут быть оправданы.
       3.Расширенная неопределенность называется общей неопределенностью
       в параграфе 5 Рекомендаций INC-1 (1980).

2.3.6. Коэффициент охвата - числовой коэффициент, используемый как
множитель суммарной стандартной неопределенности для получения
расширенной неопределенности.

       Примечание. Коэффициент покрытия k обычно находится в диапазоне
       от 2 до 3.

3. Основные понятия

       Дополнительное обсуждение основных понятий можно найти в
Приложении D, в котором основное внимание уделено идеям «истинного»
значения, погрешности и неопределенности и дается графическое
представление этих понятий; и в Приложении Е, где исследуется обоснование и
статистическая база Рекомендации INC-1 (1980), на которых основано это
Руководство. В Приложении J дается словарь основных математических
символов, используемых в этом Руководстве.

3.1.   Измерение

3.1.1. Целью измерения (В.2.5) является определение значения (В.2.2)
измеряемой величины (В.2.9), т.е. значения определенной величины (В.2.1.
Примечание 1), которую надо измерить. Поэтому измерение начинается
соответствующей спецификации измеряемой величины, метода измерения
(В.2.7) и измерительной процедуры (В.2.8).
                                                                         10


        Примечание. Термин «истинное значение» (см. Приложение D) не
        используется в этом Руководстве по причинам, указанным в D.3.5;
        термины «значение измеряемой величины» (или величины) и 2 истинное
        значение измеряемой величины» (или величины) рассматриваются как
        эквивалентные.
3.1.2. Обычно результат измерения (В.2.11) является только аппроксимацией
или оценкой (С.2.26) значения измеряемой величины и, таким образом, будет
полным, только когда сопровождается установлением неопределенности
(В.2.18) этой оценки.
3.1.3. На практике спецификация или определение измеряемой величины
зависит от требуемой точности измерения (В.2.14). Измеряемую величину
следует определять с достаточной полнотой по отношению к требуемой
точности, чтобы для всех практических целей, связанных с измерением, ее
значение было единственным. Именно в этом смысле данное выражение
«значение измеряемой величины» используется в этом Руководстве.
ПРИМЕР – Если длину стального стержня с номинальной длиной 1 м нужно
определить с точностью до микрометра, то его спецификация должна включать
температуру и давление, при которых эта длина определяется. Таким образом,
измеряемую величину следует специфицировать, как, например, длина стержня
при 25,00 оС и 101325 Па (плюс любые другие определяющие параметры,
которые считают необходимыми, такие как способ, с помощью которого этот
стержень поддерживается). Однако, если длина должна быть определена только
с точностью до миллиметра, то ее спецификация не требует определения
температуры или давления или значения любого другого определяющего
параметра.

      Примечание. Неполное определение измеряемой величины может
      вызвать достаточно большую составляющую неопределенности, которая
      должна быть включена в оценку неопределенности результата измерения
      (см. D.11, D.3.4 и D.6.2).

3.1.4. Во многих случаях результат измерения определяется на основе рядов
наблюдений, полученных при условиях повторяемости (В.2.15. Примечание 1).
3.1.5. Предполагается, что изменения в повторных наблюдениях возникают из-
за влияющих величин (В.2.10), которые могут оказать влияние на результат
измерения и которые невозможно поддерживать полностью постоянными.
3.1.6. Математическая модель измерения, которая преобразует ряд повторных
наблюдений в результат измерения, является крайне важной, т.к. кроме
наблюдений, она обычно включает различные величины, которые точно
неизвестны. Это отсутствие значения вносит вклад в неопределенность
результата измерения наряду с изменениями повторных наблюдений и любой
неопределенностью, связанной с самой математической моделью.
                                                                        11


3.1.7. Это Руководство трактует измеряемую величину как скаляр (единичную
величину). Распространение на ряд связанных измеряемых величин,
определенных одновременно в том же самом измерении, требует замены
скалярной измеряемой величины и ее дисперсии на векторную измеряемую
величину и ковариационную матрицу.

3.2. Погрешности, эффекты и поправки

3.2.1. Обычно измерение обладает рядом несовершенств, которые вызывают
погрешность (В.2.12) результата измерения. Традиционно погрешность
рассматривают как состоящую из двух составляющих, а именно – случайной
(В.2.20) и систематической (В.2.21) составляющей. Погрешность –
идеализированное понятие, и погрешности не могут быть известны точно.
    3.2.2. Случайная погрешность предположительно возникает из
непредсказуемых        или стохастических временных и пространственных
изменений влияющих величин. Эффекты таких изменений, ниже называемые
случайными эффектами, вызывают изменения        измеряемой величины при
повторных наблюдениях. Хотя случайная погрешность результата измерений не
может быть компенсирована поправкой, ее обычно можно уменьшить, увеличив
число наблюдений; ее математическое ожидание или ожидаемое значение
(С.2.9, С.3.1) равняется нулю.

      Примечания. 1. Экспериментальное стандартное отклонение среднего
      арифметического или усредненного значения рядов наблюдений не
      является случайной погрешностью среднего значения, хотя оно так
      называется в некоторых публикациях. Это, на самом деле, мера
      неопределенности среднего значения, обусловленная случайными
      эффектами      Точное значение погрешности среднего значения,
      возникающей из-за этих эффектов, не может быть известно.
      2.Термины «погрешность» и «неопределенность»             не являются
      синонимами и представляют собой совершенно различные понятия; их
      не следует путать друг с другом или неправильно использовать.

3.2.3. Систематическую погрешность, подобно случайной погрешности, нельзя
устранить, но ее также часто можно уменьшить. Если систематическая
погрешность возникает в результате известного эффекта влияющей величины
на результат измерений, называемого систематическим эффектом, то можно
определить значение этого эффекта и, если оно значительно по размеру по
сравнению с требуемой точностью измерения, то можно внести поправку
(В.2.23) или поправочный коэффициент (В.2.24) для компенсации этого
эффекта. Предполагается, что после внесения поправки математическая


                                                                        12


ожидание или ожидаемое значение          погрешности,   возникающей    от
систематического эффекта, равно нулю.

      Примечание. Неопределенность поправки, вносимой в результат
      измерения для компенсации систематического эффекта, не является
      систематической погрешностью, часто называемой смещением,
      результата измерения, вызванного этим эффектом. Это, на самом деле,
      мера неопределенности результата из-за неполного знания требуемого
      значения поправки. Погрешность, возникающая от неполной
      компенсации систематического эффекта, ё не может быть известна
      точно. Термины «погрешность» и «неопределенность» следует
      использовать правильно и следить за тем, чтобы не путать их.

3.2.4. Предполагают, что в результате измерения внесены поправки на все
известные значимые систематические эффекты и что предприняты все усилия,
чтобы узнать такие эффекты.

      Примечание. Часто измерительные приборы и системы настаиваются
      или калибруются с использованием эталонов и эталонных образцов,
      чтобы исключить систематические эффекты; однако неопределенности,
      связанные с этими эталонами и образцами все же должны учитываться.

3.3. Неопределенность

3.3.1. Неопределенность результата измерения отражает отсутствие точного
знания значения измеряемой величины (см.2.2). Результат измерения после
внесения поправки на известные систематические эффекты все еще являются
только оценкой измеряемой величины вследствие неопределенности,
возникающей из-за случайных эффектов и неточной поправки результата на
систематические эффекты.

      Примечание. Результат измерения (после внесения поправки) может
      быть, не зная того, очень близким к значению измеряемой величины (и
      поэтому иметь пренебрежительно малую погрешность), даже если он
      может     иметь    большую     неопределенность.   Таким    образом,
      неопределенность результата измерения не следует путать с
      неизвестным остатком погрешности.

3.3.2. На практике существует много возможных источников неопределенности
при измерении, включая:
        а) неполное определение измеряемой величины;
        в) несовершенную реализацию определения измеряемой величины;
                                                                        13


       с) нерепрезентативную выборку измерений;
       d) неадекватное знание эффектов от условия окружающей среды,
влияющих на измерения, или несовершенное измерение параметров
окружающей среды;
       e) субъективная систематическая погрешность оператора при снятии
показаний аналоговых приборов;
       f) конечная разрешающая способность прибора или порог
чувствительности;
       g) неточные значения, приписанные эталонам, используемым для
измерения, и стандартным образцам и материалам;
       h) неточные значения констант и других параметров, полученных из
внешних источников и используемых в алгоритме обработке данных;
       i) аппроксимации и предположения, используемые в методе измерения и
измерительной процедуре;
       j) изменения в повторных наблюдениях измеряемой величины при явно
одинаковых условиях.
       Эти источники необязательно являются независимыми, и некоторые из
них от а) до i) могут вносить вклад в источник j). Конечно, неизвестный
систематический эффект не может быть учтен в оценке неопределенности
результата измерения, но он вносит вклад в его погрешность.
3.3.3.В соответствии с Международной рекомендацией INC-1 неопределенности
разделяют на две категории в соответствии с методами их оценки: «А» и «В».
Эти категории относятся к неопределенности и не являются заменителями
терминов «случайная» и «систематическая». Неопределенность от внесения
поправки на известный систематический эффект может быть получена в
некоторых случаях как оценка по категории «А», в то время как в других
случаях – как оценка по категории «В», также как и неопределенность,
характеризующая случайный эффект.
       Примечание. В некоторых публикациях неопределенности разделяют
       на категории «случайной» и «систематической» и связывают с
       погрешностями, возникающими соответственно из случайных и
       известных систематических эффектов. Такое разделение составляющих
       неопределенности может быть двусмысленным при общем применении.
       Например, «случайная» составляющая неопределенности в одном
       измерении      может     стать    «систематической»   составляющей
       неопределенности в другом измерении, в котором результат первого
       измерения используется в качестве входных данных. При разделении на
       категории методов оценки составляющих неопределенности, а не самих
       составляющих, такая двусмысленность устраняется. В тоже время это не
       мешает собирать отдельные составляющие, которые были оценены
       этими двумя различными методами, в указанные группы, чтобы
       использовать для конкретной цели (см.3.4.3.)
                                                                         14


3.3.4. Целью классификаций на тип «А» и тип «В» является показ двух
различных способов оценки составляющих неопределенности, и она
используется только для удобства обсуждения. Она не предназначена для
показа того факта, что существует какое-либо различие в природе этих
составляющих, являющихся результатом этих двух типов вычисления. Оба
типа оценивания основаны на распределениях вероятностей и составляющие
неопределенности, являющиеся результатом использования каждого типа,
определяются количественно дисперсией или стандартным отклонением.
3.3.5. Оцененную дисперсию u2,            характеризующую составляющую
неопределенности, полученную в результате оценивания по типу «А»,
вычисляют из рядов повторных наблюдений, и она является знакомой
статистической оценкой дисперсии s. Оцененное стандартное отклонение u,
положительный квадратный корень из u2 , является, таким образом, u = s и для
удобства его иногда называют стандартной неопределенностью типа А. Для
составляющей неопределенности, полученной из оценивания по типу В,
оцениваемую дисперсию u2 вычисляют, используя имеющиеся данные, и
оцененное стандартное отклонение u          иногда называют стандартной
неопределенностью типа В.
       Таким образом, стандартную неопределенность типа А получают из
функции плотности вероятностей, полученной из наблюдаемого распределения
по частности, в то время как стандартную неопределенность типа В получают
из предполагаемой функции вероятностей, основанной на степени уверенности
в том, что событие произойдет (эта вероятность часто называется субъективной
вероятностью). Оба эти подхода являются признанными интерпретациями
вероятности.

      Примечание. Оценка составляющей неопределенности по типу В
      обычно основывается на фонде сравнительно надежной информации.

3.3.6. Стандартная неопределенность результата измерений, полученного из
значений ряда других величин, называют суммарной стандартной
неопределенностью, обозначаемой как uс. Она является оцененным
стандартным отклонением, связанным с результатом, и равна положительному
квадратному корню и суммарной дисперсии, полученной из всех составляющих
дисперсии и ковариации, однако вычисленная путем использования так
называемого закона распространения неопределенности (см. раздел 5).
3.3.7. Для удовлетворения требований в некоторых областях промышленности
и торговли, а также требований области здравоохранения и безопасности
используют расширенную неопределенность U, получаемую умножением
суммарной стандартной неопределенности uc на коэффициент охвата k. Целью
использования U является показ интервала около результата измерения, в
пределах которого, можно ожидать нахождение большей части распределения
значений, которые могли быть с достаточным основанием приписаны
измеряемой величине.

                                                                          15


      Примечание. Коэффициент охвата k всегда должен быть указан, чтобы
      можно было снова получить стандартную неопределенность измеряемой
      величины для использования ее при вычислении суммарной
      стандартной неопределенности других результатов измерений, которые
      могут завесить от этой величины.

3.4. Практические соображения

3.4.1. Если все величины, от которых зависит результат измерения, изменяются,
их неопределенность можно оценить статистическими средствами. Однако, так
как на практике это редко представляется возможным из-за ограниченного
времени и ресурсов, неопределенность результата измерения обычно
оценивают, используя математическую модель измерения и закон
распространения неопределенности. Таким образом, подразумевается, что
измерения можно моделировать математически до степени, определяемой
требуемой точностью измерения.
3.4.2. Поскольку математическая модель может быть неполной, все упомянутые
величины следует изменять до самой полной практической степени, чтобы
оценивание неопределенности, на сколько это возможно могло быть основано
на наблюдаемых данных. Всякий раз, когда это доступно, использование
эмпирических моделей измерения, основанных на долговременных
количественных данных, и использование эталонов сравнения, которые могут
показать, находится ли измерения под статистическим контролем, должны
составлять часть усилий, которые необходимо затратить для получения
надежных оценок неопределенности. Математическая модель должна всегда
пересматриваться, когда наблюдаемые данные, включая результаты
независимых определений, той же самой измеряемой величины, показывают,
что модель неполна. Хорошо спланированный эксперимент может значительно
способствовать повышению надежности оценок неопределенности и является
частью искусства проведения измерения.
3.4.3. Для того, чтобы решить, нормально ли функционирует измерительная
система, экспериментально наблюдаемая изменчивость ее выходных величин,
оцененная их наблюдаемыми стандартными отклонениями, часто сравнивают с
предсказанным стандартным отклонением, полученным суммированием
различных составляющих неопределенности, которые характеризуют
измерение. В таких случаях следует рассматривать только те составляющие
(независимо от того, получены ли они из оценивания по типу А или типу В),
которые могут внести вклад в экспериментально наблюдаемую изменчивость
этих выходных величин.

      Примечание.     Такой анализ    может быть облегчен сбором тех
      составляющих, которые вносят вклад в изменчивость, и тех, которые не
      вносят вклад, в две отдельные соответствующим образом помеченные
      группы.

                                                                           16


3.4.4. В некоторых случаях нет необходимости включать неопределенность
поправки на систематический эффект в оценивание           неопределенности
результата измерения. Хотя неопределенность уже оценена, ею можно
пренебречь, если ее вклад в суммарную стандартную неопределенность
результата измерения      незначителен.    Если значения самой поправки
незначительно по сравнению с суммарной стандартной неопределенностью, то
ею самой тоже можно пренебречь.
3.4.5. Как часто случается на практике, особенно в области законодательной
метрологии, измерительный прибор поверяется сравнением с эталоном и
неопределенности, связанные с эталоном и процедурой сравнения,
пренебрежительно малы по сравнению с требуемой точностью поверки.
Примером может служить использование набора хорошо откалиброванных
эталонов массы для поверки шкалы коммерческого прибора. В таких случаях,
поскольку составляющая неопределенности достаточно малы, чтобы ими
можно было пренебречь, измерение может рассматриваться как определение
погрешности поверяемого устройства.
3.4.6. Оценка значения измеряемой величины, полученная в результате
измерения, иногда выражается в единицах, принятых для эталона, а не в
единицах, международной системе единиц физических величин (СИ). В таких
случаях значение неопределенности, приписываемое результату измерения,
может быть значительно меньше, чем когда результат выражается в
соответствующих единицах СИ (в действительности, измеряемая величина
была переопределена как отношение значения измеряемой величины к
принятой величине эталона.
3.4.7. Грубые ошибки при регистрации или анализе данных могут вносить
значительную неизвестную погрешность в результат измерения. Большие
грубые ошибки можно распознать путем проверки данных; Небольшие – могут
быть замаскированы или даже проявиться в виде случайных изменений. Меры
неопределенности не предназначены дать объяснения таким ошибкам.
3.4.8. Описываемая методика дает схему определения неопределенности, но она
не может заменить критические размышления, интеллектуальную честность и
профессиональное мастерство. Оценка неопределенности не является ни
рутинной работой, ни чисто математической; она зависит от детального знания
природы, измеряемой величины, и измерения. Поэтому качество и ценность
упомянутой неопределенности результата измерения, в конечном счете, зависит
от понимания, критического анализа и честности тех, кто участвует в
приписывании ее значения.


4. Вычисление стандартной неопределенности
      Дополнительное    руководство    по   оцениванию      составляющих
неопределенности, главным образом практического характера, можно найти в
Приложении F.

                                                                         17


4.1. Моделирование измерения

4.1.1. В большинстве случаев измеряемая величина F не является прямо
измеряемой, а зависит от N других измеряемых величин Х. Х2,…, ХN через
функциональную зависимость f

                           Y = f (X1, X2,… XN)                           (1)

        Примечания 1. Для экономии обозначений в этом Руководстве один и
        тот же символ используется для обозначения физической величины
        (измеряемой величины) и случайной переменной (см. 4.2.1), которая
        представляет возможный результат наблюдений за этой величиной.
        Когда указывается, что величина на входе Хi имеет определенное
        распределение вероятностей, то символ используется в последнем
        смысле; предполагается, что физическая величина сама характеризуется
        существенно единственным значением (см. 1.2 и 3.1.3).
        2. В рядах наблюдений k-тое наблюдаемое значение обозначается как
        Хik; поэтому, если R обозначает сопротивление резистора, то k-тое
        наблюдаемое значение сопротивления обозначается как Rk.
        3. Оценка Хi (строго говоря, его ожидания) обозначается хi .

Пример. Энергия Р (измеряемая величина), рассеиваемая при температуре t
терморезистором, имеющим значение R0 при определенной температуре t0 и
при линейном температурном коэффициенте сопротивления а с разностью
потенциалов V, подаваемых на клеммы, зависит от V, R0, a и t согласно

P = f(V,R0,a,t) = V2 / R0[1 + a(t-t0)]

        Примечание. Другие методы измерения Р следует моделировать с
        помощью других математических выражений.

4.1.2. Сами входные величины Х1, Х2,… ХN.. от которых зависит выходная
величина Y, можно рассмотреть как измеряемые величины, и они сами могут
зависеть от других величин, включая поправки и поправочные коэффициенты
на систематические эффекты, что ведет к сложной функциональной
зависимости f, которая никогда не может быть записана точно. Кроме того, f
можно определить экспериментально (см. 5.1.4) или может существовать
только как алгоритм, который должен быть реализован численно. Функцию f , в
том виде как она представлена в этом Руководстве, следует интерпретировать
в этом более широком смысле, а именно – как функцию, которая содержит
каждую величину, включая все поправки и поправочные коэффициенты,
которые могут внести значительную составляющую в результат измерения.


                                                                          18


     Таким образом, если данные показывают, что f не моделирует измерение
до степени, налагаемой требуемой точностью результата измерения, то
дополнительные входные величины должны быть включены в f для устранения
неадекватности (см.3.4.2). Это может потребовать введения входной величины,
чтобы отразить неполное знание явления, которое влияет на измеряемую
величину. В примере 4.1.1 дополнительные входные величины могут быть
необходимы, чтобы объяснить известное неравномерное распределение
температуры по резистору, возможный нелинейный температурный
коэффициент сопротивления или возможную зависимость сопротивления от
атмосферного давления.

        Примечание. Так не менее, уравнение (1) может быть настолько
        элементарным, как     Y=X1- X2. Оно отражает модели, например,
        сравнения двух определений одной и той же величины Х.

4.1.3. Набор входных величин Х1, Х2, …ХN можно разделить на следующие
категории:
       - величины, чьи значения и неопределенности определяются
непосредственно в текущем измерении. Эти значения и неопределенности
можно получить, например, в результате одного наблюдения, повторных
наблюдений или заключения, основанного оп опыте, и могут требовать
определения поправок в показания прибора и поправок на влияющие величины
такие, как окружающая температура, атмосферное давление и влажность;
       - величины, чьи значения и неопределенности вносятся в измерение из
внешних источников, такие как величины, связанные с аттестованными
эталонами, стандартными образцами веществ и материалов или стандартными
справочными данными.
4.1.4. Оценку измеряемой величины Y, обозначенную y, получают из
уравнения (1), используя входные оценки х1 , .х2,…, хN для значений N величина
Х1, Х2,…, ХN. Таким образом, выходная оценка y, которая является результатом
измерения, выражается следующим образом

                        y = f( х1 , .х2,…, хN )                           (2)

        Примечание. В некоторых случаях оценку y можно получить из

       1 n
y = Y = ∑ f (X 1,k , X 2,k ,..., X N ,k )
       n k =1




                                                                            19



    
Яндекс цитирования Яндекс.Метрика