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.
    вносил вклад в проявляющуюся изменчивость наблюдений. Это объясняется тем,
что неопределенность, обусловленная той частью эффекта, которая вносит вклад в
наблюдаемую изменчивость, уже включена в составляющую неопределенности,
полученную из статистического анализа наблюдений.
4.3.11. Обсуждение оценивания стандартной неопределенности по типу В
в 4.3.3 – 4.3.9 рассматривается как только качественное. В дальнейшем
оценивания неопределенности должны быть основаны на количественных данных
в максимально возможной степени, как подчеркивается в 3.4.1 и 3.4.2.

4.4. Графическая иллюстрация оценивания стандартной неопределенности

4.4.1. На рис. 1 графически представлена оценка значения входной величины Xi
и оценивание неопределенности этой оценки из неизвестного распределения
возможных измеренных значений Xi или распределения вероятностей Xi, выборку
которого получают путем повторных измерений.
4.4.2. На рис. 1а предполагают, что входной величиной Xi является температура
t, что ее неизвестным распределением является нормальное распределение с
ожиданием ёt = 100 оС и стандартным отклонением σ = 1,5 оС. Тогда ее функция
плотности вероятностей имеет вид

                    1
       p( t ) =        ⋅ exp ⎡( t − ё )2 / 2σ 2 ⎤ .
                  σ 2π       ⎣                  ⎦

       Примечание. Определение функции плотности вероятностей                   p (z)
       требует, чтобы она удовлетворяла условию ∫ p (z)dz = 1.

4.4.3. На рис 1b показана гистограмма n = 20 повторных наблюдений tk
температуры t, которая, как предполагается, была взята случайно из
распределения, показанного на рис 1а. Для получения гистограммы 20
наблюдений или выборок, значения которых даны в табл.1, группировались в
интервалы шириной 1оС (подготовка гистограммы, конечно, не требуется для
статистического анализа данных). Среднее арифметическое или среднее значение
t из n = 20 наблюдений, вычисленное согласно уравнению (3), равняется: t =
100,145 оС ≈ 100,14 оС, и предполагается, что оно является лучшей оценкой
ожидания             ёt     значения       t,    основанной на имеющихся данных.
Экспериментальное стандартное отклонение s(tk) = 1,489 оС ≈ 1,49 оС, и
экспериментальное стандартное отклонение среднего s( t ) среднего значения,
вычисленное из уравнения (5), которое является стандартной неопределенностью
u( t ) = s( t ) = s(tk) / √20 = 0,333 ≈ 0,33 оС (вероятно, что для дальнейших расчетов
все эти цифры желательно сохранить).

                                                                                   30


   p(t)/oC-1
     Число наблюдений




Рис. 1. Графическая иллюстрация оценивания стандартной
неопределенности входной величины из повторных наблюдений




                                                            31


p(t)/oC-1




p(t)/oC-1




           Рис. 2. Графическая иллюстрация оценивания стандартной
        неопределенности входной величины из априорного распределения
                                                                    32


      Примечание, Хотя данные в табл.1 являются правдоподобными,
      учитывая широкое использование цифровых электронных термометров
      с высоким разрешением, они приводятся в целях иллюстрации и не
      обязательно их следует истолковывать как описывающие реальное
      измерение.

Таблица 1. Двадцать повторных наблюдений температуры t, сгруппированных
в интервалы 1оС

Интервал   t1 ≤ t < t2
                         Температура t, оС
t1 , оС    t2 , оС
94,5       95,5          -
95,5       96,5          -
96,5       97,5          96,90
97,5       98,5          98,18; 98,25
98,5       99,5          98,61; 99,03; 99,49
99,5       100,5         99,56; 99,74; 99,89; 100,07; 100,33; 100,42
100,5      101,5         100,68; 100,95; 101,11; 101,20
101,5      102,5         101,57; 101,84; 102,36
102,5      103,5         102,72
103,5      104,5         -
104,5      105,5         -

4.4.4. На рис 2. графически показаны оценка значения входной величины Xi и
оценивание неопределенности этой оценки из априорного распределения
возможных значений Xi или распределения вероятностей Xi , основанной на
всей имеющейся информации. Для обоих из показанных случаев снова
предполагают, что входной величиной является температура t.
4.4.5. Для случая, показанного на рис.2а, предполагалось, что имеется мало
информации о входной величине t и все, что можно сделать, так это
предположить, что t описывается симметричным прямоугольным априорным
распределением вероятностей с нижней границей а- = 96 оC и верхней
границей а+ = 104 оC и, таким образом, полушириной а = (а+ - а- )/2 = 4 оC
(см.4.3.7). Тогда функция плотности вероятностей величины t есть

p(t) = 1/2a,     при а- ≤ t < а+ ,
p(t) = 0     в противном случае.
Как указано в 4.3.7,наилучшей оценкой t является ее ожидание ёt=(а+ - а-
)/2=100oC. Стандартная неопределенность этой оценки имеет вид u(ёt ) = a/√3
≈ 2,3 oC, (см.уравнение 7).
4.4.6. Для случая, показанного на рис.2b, предполагается, что имеющаяся
информация, касающаяся t, менее ограничена и что t можно описать
симметричным треугольным априорным распределением вероятности при той

                                                                         33


же самой нижней границе а- = 96 оC и той же самой верхней границе а+ = 104
о
  C и, таким образом, той же полуширине а = (а+ - а- )/2 = 4 оC, как в 4.4.5
(см.4.3.9). Тогда функция плотности вероятностей величины t есть

p(t)=( t- а-)/а2, а- ≤ t(а+ + а-)/2,
p(t)=( а+ - t)/ а2, (а+ + а-)/2 ≤ t≤ а+,
р(t)=0 в противном случае.

Как указано в 4.3.9, ожидание величины t есть ёt=(а+ + а-)/2=100 oC, что
вытекает из С.3.1. Стандартная неопределенность этой оценки есть
u(ёt )= a/√6=1,6 oC, что следует из С.3.2 (см. уравнение 9b).
Это последнее значение u(ёt )=1,6 oC можно сравнить с u(ёt )=2,3 oC,
полученным в 4.4.5 из прямоугольного распределения с той же самой шириной
8 oC; из нормального распределения с σ =-1,5 oC из рис. 1а, чья ширина от -
2,58σ до +2,58σ , включающая 99 процентов распределения, равна примерно 8
o
  C; и с u (t ) = 0,330 C , полученной в 4.4.3 из 20 наблюдений, которые, как
предполагалось, были взяты случайно из того же самого нормального
распределения.

5. Определение суммарной стандартной неопределенности

5.1. Некоррелированные входные величины

Этот подраздел рассматривает случай, когда все входные величины
независимы (с.3.7). Случай, когда две или более входные величины связаны
между собой, т.е. взаимозависимы или коррелированны (С.2.8), обсуждается в
5.2.
5.1.1. Стандартная неопределенность y, где y оценка измеряемой величины Y
и, следовательно, результат измерения получается путем соответствующего
суммирования стандартных неопределенностей входных оценок х1, х2…, xN (см.
4.1). Эта суммарная стандартная неопределенность оценки y обозначается
как uc(y).
        Примечание.      По причинам, которые подобны указанным в
                                               2
        Примечании к 4.3.1, символы uc(y) и uc (y) используются во всех
        случаях.

5.1.2. Суммарная стандартная неопределенность uc(y) представляет собой
положительный квадратный корень из суммарной дисперсии            2
                                                                 uc (y),
полученной из формулы
                                                 2
                                         ⎛ df ⎞ 2
                                           N
                              u ( y)= ∑ ⎜
                               2
                               С               ⎟ u ( xi ),              (10)
                                     t =1⎝ dxi ⎠

                                                                           34


где f - функция, приведенная в уравнении (1), каждая u(xi )- стандартная
неопределенность, оцененная, как описано в 4.2 (оценка по типу А) или в 4.3
(оценка по типу В). Суммарная стандартная неопределенность uc(y)
представляет собой оцененное стандартное отклонение и характеризует собой
разброс значений, которые могут быть с достаточным основанием приписаны
измеряемой величине Y (см.2.2.3). Уравнение (10) и его эквивалент для
коррелированных входных величин - уравнение (13), оба из которых
базируются на аппроксимации Y = f(X1, X2,…, XN) рядом Тейлора первого
порядка, выражают закон нераспространения неопределенности в терминах
настоящего Руководства.

      Примечание. При значительной нелинейности f члены более высокого
      порядка в разложении в ряд Тейлора должны быть включены в
                      2
      выражение для uc (y), уравнение (10). Когда распределение каждого Хi
      располагается симметрично относительно его среднего значения,
      самыми важными членами следующего более высокого порядка,
      которые надо добавить к членам уравнения (10), являются:

                   ⎛                2
                                                 ⎞
            N N ⎜ 1⎛ d2 f ⎞           df d 3 f ⎟ 2
            ∑ ∑ ⎜ ⎜               ⎟ +         2 ⎟
                                                   u ( xi )u 2 ( x j ) .
           i=1 j =1⎜ 2 ⎜ dxi dx j ⎟ dxi dxi dx j ⎟
                   ⎝ ⎝            ⎠              ⎠


5.1.3. Частные производные df/dxi равны df/dXi, оцененным как Xi= xi
(см.Примечание 1 ниже). Эти производные, часто называемые коэффициентами
чувствительности, показывают как входная оценка           y      изменяется с
изменением значений входных оценок х1, х2, …, хN. В частности, изменения в y,
вызванная небольшим изменением ∆xi во входной оценке xi, дано формулой
(∆y)I=(df/dxi)·(∆xi). Если    это    изменение     образовано      стандартной
неопределенностью оценки xi , соответствующее изменение в y будет (df/dxi) ·
                                        2
u(хi). Поэтому суммарную дисперсию uc (y) можно рассматривать как сумму
членов, каждый из которых представляет оцененную дисперсию, связанную с
выходной оценкой y, вызванной оцененной дисперсией, связанной с каждой
входной оценкой xi . Это предполагает запись уравнения (10) в виде
                                                        2
                                          N
                                              ⎡        ⎤    N
                                                               2
                               uC ( y ) = ∑ ⎢c ( x
                                2
                                                      )⎥ = ∑ ui ( y ),                  (11а)
                                              ⎣ i i    ⎦
                                         i =1             i =1

где   сi     =      df     /     dxi,                                uc(y)   =   |сi|   u(xi).
(11в)
                                                                                           35


       Примечания. 1. Строго говоря, частные производные представляют
       собой df/dxi = df/dXi , оцененные на ожиданиях Xi. Однако на практике
       частные производные оцениваются как

       df/dxi = df/dXi | x1, x2, …, xN

       2. Суммарную стандартную неопределенность uc (y) можно численно
       рассчитать путем замены ciu(xi) в уравнении (11а) на:

       Zi=1/2[f(x1,…,xi+ u(xi ),…,xN)-f(x1,...,xi-u(xi),...,xN)].

       Таким образом, дается численная оценка ui(y) путем расчета изменения в
       y, обусловленного изменением в xi на + u(xi) и на -u(xi). Тогда значение
       ui(y) может быть получено, как | Zi| и значения соответствующего
       коэффициента чувствительности ci – как Zi /u(xi).

Пример. Для примера 4.1.1, используя одно и то же обозначение для величины
ее оценки в целях упрощения записи, имеем:

c1 = dP / dV = 2V/R0 [1+α(t-t0)]=2P/V ;
c2 = dP / dR0 = -V2/R02 [1+α(t-t0)]= -P/R0;
c3 = dP / dα = -V2(t-t0)/R0 [1+α(t-t0)]2 = -P(t-t0)/[1+ α(1-t0)],
c4 = dP / dt = -V2α/R0 [1+α(t-t0)]2= -Pα[1+α(1-t0)],
и
u2(P)=(dP/dV)2u2(V)+(dP/dR0)2u2(R0) + (dP/dα)2u2(α)+(dP/dt)2u2(t)=[c1u(V)]2 +
+[c2u(R0)]2+[c3u(α)]2+[c4u(t)]2= u12(P)+u22(P)+u32(P)+u42(P).

5.1.4. Коэффициенты чувствительности        df/dxi    вместо того, чтобы
рассчитываться из функции      f, иногда определяются экспериментальным
путем с помощью измерения изменения в      Y,      вызванного изменением в
выбранном     Xi, поддерживая при этом остальные входные величины
неизменными. В этом случае знание функции f (или части ее, когда так
определяются     только    некоторые   коэффициенты       чувствительности)
соответственно сводится к эмпирическому разложению в ряд Тейлора первого
порядка, основанного на измеренных коэффициентах чувствительности.

5.1.5. Если уравнение (1) для измеряемой величины                Y    расширяется
относительно номинальных значений            Xi,0 входных величин Xi, то для
первого порядка (который обычно является адекватной аппроксимацией)
Y=Y0+ c1δ1+ c2δ2+…+ cNδN, где Y0 =f (X1,0, X2,0,… XN,0), ci = (df/dXi), оцененное
при Xi = Xi,0 и δi= Xi, - Xi,0 . Таким образом, в целях анализа неопределенности,
измеряемая величина обычно может аппроксимироваться линейной функцией
       ее переменных путем преобразования ее входных величин от Xi к δi .
                                                                                36


Пример.      Из примера 2 в 4.3.7 оценка измеряемой величины V равна
V = V + ∆V , где V =0,928571 В, u( ∆V ) = 12 мкВ , суммированная поправка
∆V = 0 и u( ∆V ) = 8,7 мкВ . Поскольку dV / dV = 1 и dV / d( ∆V ) = 1,
суммарная дисперсия, связанная V дается формулой

u 2 (V ) = u 2 (V ) + u 2 ( ∆V ) = ( 12 мкВ)2 + ( 8,7 мкВ)2 = 219 ⋅ 10−12 В 2
 c

и суммарная стандартная неопределенность равна uc(V)=15 мкВ, что
соответствует относительной суммарной стандартной неопределенности
uc(V)/V=16 · 10-6 В (см.5.1.6). Это пример случая, когда измеряемая величина
уже является линейной функцией величин, от которых она зависит, с
коэффициентами сi = +1. Из уравнения (10) следует, что если
                                                                          N
Y=c1X1+c2X2+...+cNXN, и константы сi = +1 или -1, то uC ( y ) = ∑ u 2 ( x ).
                                                           2
                                                                         i
                                                                 i =1
                                p       p            p
5.1.6. Если Y имеет вид Y = cX 1 1 ⋅ X 2 2 ⋅ ... ⋅ X N N и известно, что степени pi
представляют собой положительные или отрицательные числа, имеющие
пренебрежимо малые неопределенности, то суммарную дисперсию, уравнение
(10), можно выразить как

                                                    N
                            [ uc ( y ) / y ] 2 = ∑ [ piu( xi ) / xi ] 2               (12)
                                                    i −1


Это уравнение имеет такой же вид, как и уравнение (11а), но с суммарной
дисперсией uC ( y ) , выраженной как относительная суммарная дисперсия
                     2


[uc(y)/y]2 , и оцененной дисперсией u2(xi), связанной с каждой входной
оценкой, выраженной как оцененная относительная дисперсия [u(xi)/ xi]2.
(Относительная суммарная стандартная неопределенность есть uc(y)/|y| и
относительная стандартная неопределенность каждой входной оценки: u(xi)/|
xi|, |y| ≠ 0 и | xi| ≠ 0).

        Примечания. 1. Преобразования измеряемой величины Y в этом виде
        в линейную функцию переменных (см. 5.1.5) легко достичь путем
        подстановки Xi = Хi,0 (1+δi),     и тогда получаем следующие
                                                                 N
        приблизительные зависимости (Y-Y0)/Y0 = ∑ pi δi . С другой стороны,
                                                i =1
                                                                 N
        логарифмическое преобразование Z=ln c + ∑ piWi .
                                                i =1
        2. Если каждое p равно либо +1, либо минус 1, то уравнение (12)
                                             N
        принимает вид [uc(y)/y]2             ∑ [ u( xi ) / xi ] , который показывает, что в
                                                               2
                                         =
                                             i =1

                                                                                        37


           этом особом случае относительная суммарная дисперсия, связанная с
           оценкой y просто равна сумме оцененных относительных дисперсий,
           связанных с входными оценками xi .

5.2. Коррелированные входные величины

5.2.1. Уравнение (10) и те уравнения, которые выведены из него, такие как (11)
и (12), справедливы только в том случае, если входные величины Xi независимы
или некоррелированы (считается, что инвариантами являются случайные
переменные, а не физические величины – см. 4.1.1., Примечание 1). 1). Если
какие-либо из Xi в значительной степени коррелированны, то корреляцию
необходимо брать в расчет.
5.2.2. Когда входные величины коррелированны, соответствующее выражение
для суммарной дисперсии u c ( y ), связанной с результатом измерения, будет
                            2


                                                                        2
                   d∫ d∫                     N ⎛ d∫ ⎞                 N −1          d∫ d∫
                            u ( xi ,x j ) = ∑ ⎜                                              u ( xi ,x j ) ,
              N     N                                                         N
 2
uc (   y)= ∑ ∑                                        ⎟ u 2 ( xi ) + 2 ∑ ∑
          i =1j =1
                   dxi dx j                i =1 ⎝ dxi ⎠               i =1 j = i +1
                                                                                    dxi dx j
(13)
где хi и хj являются оценками Хi и Хj , а u(xi, хj)= =u( хj, хi) являются
оцененной ковариацией, связанной с хi и хj. Степень корреляции между хi и
хj характеризуется оцененным коэффициентом корреляции (С.3.6)

                                         r(хi, хj)=u(xi, хj)/u(xi) u( хj),                              (14)


где r(хi, хj)=r( хj xi,), и -1≤r(хi, хj)= ≤+1. Если оценки хi и хj независимы, то
r(хi,хj)=0, и изменение одной из них не означает ожидаемого изменения другой
(см. С.2.8, С.3.6 и С.3.7 для более подробной информации).
В терминах коэффициентов корреляции, которые легче истолковать, чем
ковариации, член ковариации в уравнении (13) можно записать как

                                                 d∫ d∫
                                                          u ( xi )u ( x j ) r ( xi ,x j ) .
                               N −1 N
                             2∑ ∑                                                                          (15)
                                  i =1   j =i +1 d i dx j

Таким образом, с помощью уравнения (11в) уравнение (13) принимает вид:

                  uc ( y ) = ∑ ci2u 2 ( xi ) + 2 ∑ ∑ ci c j u ( xi ) u ( x j ) r ( xi ,x j )
                              N                         N −1 N
                   2
                                                                                                           (16)
                             i =1                        i =1 j =i +1




           Примечания. 1. Для весьма особого случая, когда все входные оценки
           корреляции с коэффициентами корреляции r(хi, хj)=+1, уравнение (16)
           сводится к
                                                                                                               38


                           (     ) )2 = +( ∑ d ∫ u ( xi ) )2 .
                   N                        N
        uc ( y ) = ( ∑ ci u xi
         2
                     i =1                  i =1 dxi

        Таким образом, суммарная стандартная неопределенность uc(y) является
        просто положительным квадратным корнем из линейной суммы членов,
        представляющих собой дисперсию выходной оценки y, вызванной
        стандартной неопределенностью каждой входной оценки хi (см. 5.1.3).
        [Эту линейную сумму не следует путать с общим законом
        распространения погрешностей, хотя они и имеют похожую форму;
        стандартные неопределенности не являются погрешностями (см.Е.3.2)]
Пример. 1. Десять резисторов, каждый из которых имеет номинальное
сопротивление Ri=1000 Ом, откалиброваны с пренебрежимо малой
неопределенностью сличения с помощью такого же эталонного резистора Rs на
1000 Ом, характеризующегося стандартной неопределенностью u(Rs)=100 мОм,
как указано в его свидетельстве о сертификации. Резисторы соединены
последовательно с помощью проводов, имеющих пренебрежимо малое
сопротивление для того, чтобы получить образцовое сопротивление Rref с
номинальным сопротивлением 10 кОм. Таким образом, Rref = f ( Ri ) = ∑10 1 Ri.
                                                                     i=
Поскольку r(xi,xj) = r(Ri,Rj) = +1 для каждой пары резисторов (см. F.1.2.3
Пример 2), то применимо уравнение этого Примечания. Так как для каждого
резистора d∫/dxi = dRref/dRi = 1 и u(xi) = u(Ri) = u(Rs) (см. F.1.2.3, Пример 2), то
это уравнение дает для суммарной стандартной неопределенности Rref ,
выражение                    = ∑i =1 u (Rs ) =10·(100 мОм)=1      Ом.     Результат
                                 10
                uc(Rref)
uc(Rref)=[ ∑i =1 u 2 (Rs ) ]=0,32 Ом, полученный с помощью уравнения (10), неверен,
              10



так как он не учитывает, что все калиброванные значения десяти резисторов
коррелированны.
2. Оцененные дисперсии u2(xi)и оцененные ковариации u(xi,xj)можно
рассматривать, как элементы ковариационной матрицы с элементами uij
матрицы являются дисперсиями u2(xi), в то время как внедиагональные
элементы uij (i≠j). Если две входные оценки некоррелированы, то их
ковариации и соответствующие элементы и uij и uji ковариационной матрицы
равны 0. Если все входные оценки некоррелированы, то все внедиагональные
элементы равны нулю и ковариационная матрица является диагональной (см.
также С.3.5).
3. В целях численного оценивания уравнение (16) можно записать, как

 2
          N    N
                       (
uc ( y ) = ∑ ∑ Zi Z j r xi ,x j ,
           i=1 j =1
                                  )
где Zi дано в 5.1.3, Примечание 2.
4. Если Xi особого вида, рассмотренные в 5.1.6, коррелированны, то в правой
части уравнения (12) необходимо добавить следующие члены

                                                                                 39



    
Яндекс цитирования Яндекс.Метрика