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.
          с) количество вещества
         пробы воды (H2O) 0,012 моль или 12 ммоль.

      Примечания. 1. Значение величины может быть положительным,
      отрицательным или нулевым;
      2. Значение величины может быть выражено разными способами.
      3. Значения величин, имеющих размерность, равную 1, как правило,
      выражаются безразмерным числом.
      4. Величина, которая не может быть выражена в виде произведения
      единицы измерения на число, может быть выражена ссылкой на
      принятую условную шкалу или на измерительную процедуру, или на то
      и другое.

В.2.3.    Истинное значение (величины) [VIM 1.19]          -    значение,
соответствующее определению данной конкретной величины.
       Примечания. 1. Это – значение, которое могло бы быть получено при
       идеальном измерении.
       2. Истинное значение по природе не определимо.
       3.    В английском языке неопределенный артикль чаще, чем
       определенный, используется в сочетании с термином «истинное
       значение», так как может быть много значений, соответствующих
       определению данной конкретной величины.

Пояснение к Руководству: см. приложение D, в частности – D.3.5, где указаны
причины, по которым термин «истинное значение» не используется в этом
Руководстве и по которым термин «истинное значение измеряемой величины»
(или величины)      или «значение измеряемой величины» (или величины)
рассматриваются как эквивалентные.

В.2.4. Действительное значение (величины) [VIM 1.20]       - значение,
приписываемое конкретной величине и принимаемое, часто по соглашению,
как имеющее неопределенность, приемлемую для данной цели.

      Примеры 1. «Действительное значение величины» иногда называют
      приписанным значением, наилучшей оценкой величины, номинальным
      значением или исходным значением. Однако «исходное значение» - в
      этом смысле, не следует путать с «исходным значением» в смысле,
      указанном в Примечании к 5.7 [VIM].
      2. Часто для определения действительного значения используется
      несколько результатов измерений величины.

В.2.5. Измерение [VIM 2.1] – совокупность операций, имеющих целью
определения значения величины.
       Примечание: операции могут выполняться автоматически.
                                                                         50


В.2.6. Принцип измерения [VIM 2.3] - научная основа измерения.
        Примеры
       а) применение термоэлектрического эффекта для измерения
       температуры;
       в) применение эффекта Джозефсона для измерения разности
       электрического потенциала;
       с) применение эффекта Доплера для измерения скорости;
       d) применение эффекта Рамана для измерения волнового числа
       молекулярных вибраций.

В.2.7. Метод измерения [VIM 2.4] – логическая последовательность операций,
описанная в общем виде, которая применяется при выполнении измерений.
       Примечание: методы измерения могут быть различными, например:
       - метод измерений замещением;
       - дифференциальный метод;
       - нулевой метод.

В.2.8.    Измерительная процедура [VIM 2.5]        (методика выполнения
измерений) - специально описанная совокупность операций, используемая
при выполнении конкретных измерений в соответствии с данным методом.
       Примечание: измерительная процедура обычно вносится в документ,
       который сам иногда называется «измерительная процедура» (или метод
       измерения)   и обычно содержащиеся в нем сведения являются
       достаточными для оператора, чтобы выполнить измерения без
       дополнительной информации.

В.2.9. Измеряемая физическая величина [VIM 2.6] - конкретная величина,
подвергаемая измерению.
       Пример: давление пара в данной пробе воды при 20 0С.
       Примечание: определение измеряемой физической величины может
       потребовать определения таких величин, как время, температура и
       давление.

В.2.10. Влияющая величина [VIM 2.7] - величина, которая не является
предметом измерения, но влияющая на результат измерения.
       Примеры:
       а) температура микрометра, применяемого для измерения длины;
       b) частота при измерении амплитуды переменного электрического
       напряжения;
       с) концентрация билирубина при измерении концентрации гемоглобина
       в пробе плазмы крови человека.



                                                                        51


Пояснение к Руководству: определение влияющей величины подразумевает
включение величин, связанных с измерительными эталонами, образцовыми
веществами и справочными данными, от которых может зависеть результат
измерения, а также от таких явлений, как кратковременные флюктуации
параметров измерительного прибора, и таких величин, как температура
окружающей среды, атмосферное давление и влажность.

В.2.11.     Результат измерения [VIM 3.1]         - значение, приписываемое
измеряемой величине, полученное путем измерения.
        Примечания. 1. При приведении результата следует ясно указать,
        относится ли он к:
        - показанию прибора;
        - результату без учета поправки;
        - результату с учетом поправки или к среднему нескольких значений.
        2. Полная формулировка результата измерения включает информацию о
        неопределенности измерения.

В.2.12. Неисправленный результат измерения [VIM 3.3] -            результат
измерения до введения поправки на систематическую погрешность.

В.2.13.  Исправленный результат измерения [VIM 3.4]          - результат
измерения после введения поправки на систематическую погрешность.

В.2.14. Точность измерения [VIM 3.5] - близость результата измерения к
истинному значению измеряемой величины.
       Примечания. 1. «Точность» является качественным понятием.
       2. Не следует употреблять термин прецизионность вместо «точности».

В.2.15.     Сходимость (результатов измерений) [VIM 3.6]          - близость
результатов последовательных измерений одной и той же измеряемой
величины, выполненных в одинаковых условиях измерений.
        Примечания. 1. Эти условия называются условиями сходимости.
        2. К условиям сходимости относятся:
        - одна и та же измерительная процедура;
        - один и тот же наблюдатель;
        - один и тот же измерительный прибор, применяемый в одних и тех же
        условиях;
        - одно и то же место;
        - повторение измерений в течение короткого периода времени.
        3. Сходимость может выражаться в количественно через параметры,
        характеризующие дисперсию результатов.




                                                                          52


В.2.16. Воспроизводимость (результатов измерений) [VIM 3.7] – близость
результатов измерений одной и той же измеряемой величины, при проведении
измерений в измененных условиях.
       Примечания. 1. Для обоснованного утверждения о воспроизводимости
       следует указывать, какие условия были изменены.
       2. Изменяющиеся условия могут включать:
       - принцип измерения;
       - наблюдателя;
       - метод измерения;
       - измерительный прибор;
       - измерительный эталон:
       - место;
       - условия применения;
       - время.
       3. Воспроизводимость может быть выражена количественно с помощью
       параметров, характеризующих дисперсию результатов.
       4. В этих случаях обычно подразумевается, что результаты измерения
       являются исправленными результатами.
В.2.17. Экспериментальное стандартное отклонение [VIM 3.8] - величина
s(qk) для ряда n    измерений одной и той же измеряемой величины,
характеризующая рассеяние результатов и определяемая по формуле

          n
          ∑ ( qk − q )
                      2


s( q ) = k =1           ,
    k         n −1

где qk – результат k-го измерения; q - среднее арифметическое из n
рассматриваемых результатов.
       Примечания. 1. Если рассматривать ряд значений n как выборку из
      распределения, то q - несмещенная оценка среднего значения ёq , а
       s 2 ( qk ) - несмещенная оценка дисперсии σ2 этого распределения.
        2. Выражение s( qk ) / n является оценкой стандартного отклонения
        распределения q и называется экспериментальным стандартным
        отклонением среднего значения.
        3. «Экспериментальное стандартное отклонение среднего значения»
        иногда   не   правильно    называют    средней    квадратической
        погрешностью среднего значения.
Пояснение к Руководству: Некоторые обозначения, применяемые в VIM, были
изменены с целью достижения единообразия с обозначениями, используемыми
в 4.2 данного Руководства.


                                                                           53


В.2.18. Неопределенность (измерения) [VIM 3.9] - параметр, связанный с
результатом измерений и характеризующий рассеяние значений, которые
достаточно обоснованно могли бы быть приписаны измеряемой величине.
       Примечания. 1. Параметром может быть, например, стандартное
       отклонение (или число, кратное ему), или половина интервала,
       имеющего указанный уровень доверия.
       2. Неопределенность измерения состоит, в общем случае, из многих
       составляющих. Некоторые из этих составляющих могут быть оценены
       на основании статистического распределения результатов рядов
       измерений      и могут характеризоваться экспериментальными
       стандартными отклонениями. Другие составляющие, которые также
       могут характеризоваться стандартными отклонениями, вычисляются из
       предполагаемого распределения вероятностей, основанного на опыте
       или другой информации.
       3. Подразумевается, что результат измерения является лучшей оценкой
       значения измеряемой величины и что все составляющие
       неопределенности,      включая      составляющие,     обусловленные
       систематическими эффектами, такими как связанные с поправками и
       эталонами, приводят к рассеянию.
Пояснение к Руководству. В VIM указывается, что определение и примечания
– идентичны определению и примечаниям в данном Руководстве (см. 2.2.3).

В.2.19. Погрешность (измерения) [VIM 3.10] - отклонение результата
измерения от истинного значения измеряемой величины.
       Примечания. 1. Так как истинное значение не может быть определено,
       на практике применяется действительное значение (см. VIM 1.19 [В.2.3]
       и 1.20 [В.2.4]).
       2. Когда необходимо различать «относительную погрешность» и
       «погрешность»,     последнюю      иногда   называют     абсолютной
       погрешностью измерения. Этот термин не следует путать с
       абсолютным значением погрешности, которое является модулем
       погрешности.
  Пояснение к Руководству: если результат измерения зависит от значений
еще каких-либо величин, помимо измеряемой, погрешности измеряемых
значений этих величин вносят вклад в погрешность результата измерения. См.
также Пояснения к В.2.22 и В.2.3 Руководства.

В.2.20. Относительная погрешность [VIM 3.12] - отношения погрешности
измерения к истинному значению измеряемой величины.
       Примечание. Так как истинное значение не может быть определено,
       на практике применяется действительное значение (см. [VIM] 1.19
       [В.2.3] и 1.20 [В.2.4]).
Пояснение к Руководству. См. Пояснение к В.2.3 Руководства.


                                                                          54


В.2.21. Случайная погрешность [VIM 3.13] - разность результата измерения и
среднего значения, которое могло бы быть получено при бесконечно большом
числе повторных измерений одной и той же измеряемой величины,
проводимых в условиях сходимости.
       Примечания. 1. Случайная погрешность равна погрешности измерения
       минус систематическая погрешность.
       2. Так как может быть выполнено только ограниченное число
       измерений, можно определить только оценку случайной погрешности.
Пояснение к Руководству. См. Пояснение к В.2.22 Руководства.

В.2.22 Систематическая погрешность [VIM 3.14] - разность между средним
значением, получаемым при бесконечном числе измерений одной и той же
измеряемой величины в условиях          сходимости, и истинным значением
измеряемой величины.
       Примечания. 1. Систематическая погрешность равна погрешности
       измерения минус случайная погрешность.
       2. Как и истинное значение, систематическая погрешность и ее причины
       не могут быть полностью известны.
       3. Что касается измерительного прибора, см. «систематическая
       погрешность (измерительного прибора)» [VIM 5.25].
Пояснение к Руководству. Погрешность результата измерения (см. В.2.19)
может часто рассматриваться как результат воздействия ряда случайных и
систематических эффектов, которые вносят свой вклад в погрешность
результата измерения. См. также Пояснение к В.2.19 и В.2.3 Руководства.

В.2.23. Поправка [VIM 3.15] – значение величины, которое алгебраически
суммируется с неисправленным результатом измерения для компенсации
систематической погрешности.
       Примечания 1. Поправка равна оцененной систематической
       погрешности, взятой с обратным знаком.
       2. Так как систематическая погрешность не может быть известна точно,
       компенсация не может быть полной.

В.2.24 Поправочный коэффициент [VIM 3.16] - числовой коэффициент, на
который умножают неисправленный результат измерения для компенсации
систематической погрешности.
       Примечание. Так как систематическая погрешность не может быть
       точно известна, компенсация не может быть полной.




                                                                         55


Приложение С.      Основные статистические термины и понятия

С.1. Источник определений

Определения основных статистических терминов, приведенных в этом
Приложении, взяты из Международного стандарта ISO 3534-1, который должен
быть основополагающим источником для определения терминов, не
включенных в данный текст. Некоторые из этих терминов и лежащие в их
основе понятия подробно рассматриваются в С.3, а в разделе С.2, для более
удобного пользования этим Руководством, приведены их формальные
определения. Однако определение некоторых терминов, связанных с
основными и включенных в С.3, не основаны непосредственно на стандарте
ISO 3534-1.

С.2. Определения

Как в разделе 2 и Приложении В, заключение некоторых новых слов у
терминов в скобки означает, что эти слова могут быть опущены, если это не
приведет к путанице. Определения терминов С.2.1- С.2.14 даны в понятиях
свойств совокупностей. Определения терминов С.2.15 – С.2.31 относятся к ряду
наблюдений.

С.2.1. Вероятность [ISO 3534-1, 1.1] – действительное число в интервале от 0
до 1, приписываемое случайному событию.
       Примечание. Его можно отнести к долговременной относительной
       частоте события или степени уверенности, что событие произойдет. При
       высокой степени уверенности, вероятность близка к 1.

С.2.2. Случайная переменная величина; переменная [ISO 3534-1, 1.2] -
переменная величина, которая может принимать любое значение из указанного
ряда величин и с которой связано распределение вероятностей ([ISO 3534-1]
1.3[C.2.3]).
       Примечания. 1. Случайная переменная величина, которая может
       принимать только отдельные значения, называется «дискретной».
       Случайная переменная величина, которая может принимать любое
       значение в пределах конечного или бесконечного интервала, называется
       «непрерывной».
       2. Вероятность события А обозначается Pr(A) или Р(А).
Пояснение к Руководству. Обозначение Pr(A) применяется в данном
Руководстве вместо обозначения Рr(А), которое используется в ISO 3534-1.

С.2.3. Распределения вероятностей (случайной переменной величины)



                                                                          56


[ISO 3534-1, 1.3] – функция, определяющая вероятность того, что случайная
величина принимает любое заданное значение или принадлежит к заданному
ряду значений.
       Примечание. Вероятность всего ряда значений случайной переменной
       равна 1.
С.2.4. Функция распределения [ISO 3534-1, 1.4] - функция, определяющая
для каждого значения х вероятность того, что случайная величина Х
меньше или равна х

 F(x) = Pr(X ≤ x).

С.2.5. Функция плотности вероятностей (для непрерывной случайной
переменной) [ISO 3534-1, 1.5] - производная (если она существует) функции
распределения
f(x) = dF(x)/dx.

       Примечание. f(x) dx это «элемент вероятности»

f(x) dx=Pr(x<X<x+ dx).

C.2.6. Функция вероятностной меры [ISO 3534-1, 1.6] - функция,
определяющая для каждого значения xi дискретной случайной переменной Х
вероятность pi того, что случайная величина равна xi

pi =Pr(X=xi).

С.2.7. Параметр [ISO 3534-1, 1.12] - величина, используемая в описании
распределения вероятностей случайной переменной.

С.2.8. Корреляция [ISO 3534-1, 1.13] - связь между двумя или несколькими
случайными переменными в пределах распределения двух или более
случайных переменных величин.
       Примечание. Большинство статистических мер корреляции оценивают
       только степень линейной связи.

С.2.9. Ожидание (случайной переменной или распределения вероятностей);
ожидаемое значение, среднее значение [ISO 3534-1, 1.18] -
1. Для дискретной случайной переменной Х, принимающей значения xi с
вероятностью pi , ожидаемое значение, если оно существует, составляет

ё = E(X) = ∑ pi xi,

причем суммирование происходит по всем значениям xi ,     которые может
принимать Х.
                                                                       57


2. Для непрерывной случайной переменной Х, имеющей функцию плотности
вероятностей f(x), ожидаемое значение, если оно существует, составляет

ё = E(X) = ∫xf(x)dx,

причем интегрирование происходит по всему интервалу                          (интервалам)
изменения Х.

С.2.10. Центрированная случайная переменная [ISO 3534-1, 1.21] -
случайная величина, ожидаемое значение которой равно нулю.
       Примечание. Если случайная переменная Х имеет ожидаемое значение,
       равное ё, соответствующая центрированная случайная переменная – это
       (Х- ё).

С.2.11. Дисперсия (случайной переменной или распределение вероятностей)
[ISO 3534-1, 1.22] - ожидаемое значение квадрата центрированной случайной
переменной ([ISO 3534-1] 1.21 [С.2.10])

σ 2 = V ( X ) = E{[ X − E( X )] 2 } .

С.2.12. Стандартное отклонение (случайной переменной или распределения
вероятностей) [ISO 3534-1, 1.23] - положительный квадратный корень из
дисперсии

σ = V ( X ).

С.2.13. Центральный момент1 порядка q [ISO 3534-1, 1.28] - при одномерном
распределении ожидаемое значение q-ой степени центрированной случайной
переменной (Х- ё) составляет:
E [(X-ё)q].

        Примечание. Центральный момент второго порядка представляет собой
        дисперсию ([ISO 3534-1] 1.22[C.2.11]) случайной переменной Х.

С.2.14. Нормальное распределение; распределение Лапласа-Гаусса [ISO
3534-1, 1.37] – распределение вероятностей непрерывной     случайной
переменной Х, функция плотности вероятностей которой равна



1
 Если в определении моментов величины Х, Х-а, Y, Y-b, и т.д. заменить на их абсолютные
величины, т.е. |X|, |X-a|, |Y|, |Y-b| и т.д., то будут определены другие моменты, называемые
«абсолютными моментами».
                                                                                         58


               1      ⎡ 1 ⎡ x − ё ⎤2 ⎤
       f(x)=      exp ⎢ − ⎢       ⎥ ⎥,
             σ 2π     ⎢ 2⎣ σ ⎦ ⎥
                      ⎣              ⎦

где − ∞ < x < +∞ .
      Примечание. ё – ожидаемое значение и σ – стандартное отклонение
      нормального распределения.

С.2.15. Характеристика [ISO 3534-1, 2.2] - свойство, которое помогает
идентифицировать или различать отдельные объекты данной совокупности.
       Примечание. Характеристика может быть количественной (выражена
       через переменные величины) или качественной (выражена через
       свойства элементов совокупности).

С.2.16. Совокупность [ISO 3534-1, 2.3] - множество рассматриваемых
объектов.
        Примечание. Для случайной переменной распределение вероятностей
       ([ISO 3534-1] 1.3 [C.2.3]) рассматривается как определяющее
       совокупность этой переменной.

С.2.17. Частота [ISO 3534-1, 2.11] - число случаев данного типа событий или
число наблюдений, попадающих в определенную группу.

С.2.18. Частное распределение [ISO 3534-1, 2.15] - эмпирическое
соотношение между значениями характеристики и их частотами или
относительными частотами.
       Примечание. Распределение может быть графически представлено в
       виде гистограммы ([ISO 3534-1] 2.17), столбцовой диаграммы
       ([ISO 3534-1] 2.18), графика накоплений частоты ([ISO 3534-1] 2.19),
       или прямоугольной таблицы ([ISO 3534-1] 2.22).

С.2.19. Среднее арифметическое; среднее значение [ISO 3534-1, 2.26] -
сумма значений, деленная на их число.
       Примечания. 1.        Термин «среднее арифметическое» обычно
       применяется, когда речь идет о параметре совокупности, а термин
       «среднее значение» - когда речь идет о результате вычисления по
       данным, полученным в выборке.
       2. Среднее значение простой случайной выборки, взятой из
       совокупности, представляет собой несмещенную оценку среднего
       арифметического этой совокупности. Однако иногда применяются и
       другие оценки, такие как среднее геометрическое или гармоническое,
       медиана или мода.



                                                                         59



    
Яндекс цитирования Яндекс.Метрика