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.2.20. Дисперсия         [ISO 3534-1, 2.23] - мера рассеяния, которая
представляет собой сумму возведенных в квадрат отклонений наблюдаемых
значений от их среднего значения, деленную на число, на единицу меньше, чем
число наблюдений.
       Пример. Для n наблюдений х1, х2, …, хn со средним значением

          1
       x = ∑ xi
          n

      дисперсия составляет
             1
      s2 =      ∑ ( xi − x ) .
                            2

           n −1

      Примечания. 1. Дисперсия выборки представляет собой несмещенную
      оценку дисперсии совокупности.
      2. Дисперсия представляет собой центральный момент второго порядка,
      умноженный на n/(n-1) (см. примечание к [ISO 3534-1] 2.39).

Пояснение к Руководству. Дисперсия, определение которой приводится здесь,
более точно определена как «выборочная оценка дисперсии совокупности».
Дисперсия выборки обычно определяется как центральный момент второго
порядка выборки (см. С.2.13 и С.2.22).

С.2.21. Стандартное отклонение [ISO 3534-1, 2.34]       -   положительный
квадратный корень из дисперсии.

      Примечание. Стандартное отклонение выборки представляет собой
      смещенную оценку отклонения совокупности.

С.2.22. Центральный момент порядка q [ISO 3534-1, 2.37] - в распределении
одномерной характеристики среднее арифметическое значение q-ой степени
разности между наблюдаемыми значениями и их средним значением x
составляет:

1             q
  ∑ ( xi − x ) ,
 ni
где n - число наблюдений.

С.2.23. Статистика [ISO 3534-1, 2.49] - функция выборки случайных
переменных.
        Примечание. Статистика, как функция случайных переменных, также
       является случайной величиной и в качестве таковой принимает
       различные значения от выборки к выборке. Значение статистики,

                                                                         60


      полученное путем использования наблюдаемых величин в этой
      функции, может быть использовано при статистической проверке или в
      качестве оценки параметра совокупности, такого как среднее значение
      или стандартное отклонение.

С.2.24. Оценивание [ISO 3534-1, 2.49] - Операция приписывания, на
основании наблюдений в выборке, числовых значений параметрам
распределения, выбранного в качестве статистической модели совокупности, из
которой взята эта выборка.
       Примечание. Результат этой операции может быть выражен как
       единственное значение (точечная оценка; см. [ISO 3534-1] 2.51 [C.2.26])
       или как интервальная оценка (см. [ISO 3534-1] 2.57[C.2.27] и
       2.58.[C.2.28]).

С.2.25. Оценка [ISO 3534-1, 2.50] - статистика, используемая для оценивания
параметра совокупности.

С.2.26. Значение оценки [ISO 3534-1, 2.51] -            значение статистики,
полученное в результате оценивания.

С.2.27. Двусторонний доверительный интервал [ISO 3534-1, 2.57] - если Т1
и Т2 - это две функции наблюдаемых значений, а Θ – параметр совокупности,
подлежащий оценке, вероятность Рr(T1≤Θ≤T2) по крайней мере равна (1-α) [где
(1-α) - фиксированное число, положительное и меньшее единицы], то интервал
между      Т1 и Т2 представляет собой двусторонний (1-α) доверительный
интервал для Θ.
       Примечания. 1. Границы Т1 и Т2 доверительного интервала являются
       статистиками ([ISO 3534-1] 2.45 [C.2.23]) и в качестве таковых обычно
       принимают различные значения от выборки к выборке.
       2. В больших сериях выборок относительная частота случаев, когда
       истинное значение параметра совокупности Θ                 накрывается
       доверительным интервалом, больше либо равна (1-α).

С.2.28. Односторонний доверительный интервал [ISO 3534-1, 2.58] – если Т
является функцией наблюдаемых значений, а Θ - параметр совокупности,
подлежащий определению, вероятность Рr(T ≥ Θ) [или вероятность Рr(T ≤ Θ)]
по крайней мере равна (1-α) [где (1-α) – фиксированное число, положительное
и меньше единицы], то интервал от наименьшего возможного значения Θ до Т
(или интервал от Т до наибольшего возможного значения Θ) является
односторонним (1-α) доверительным интервалом для Θ.
       Примечания 1. Граница Т доверительного интервала является
       статистикой ([ISO 3534-1] 2.45 [C.2.23]) и в качестве таковой будет,
       как правило, принимать различные значения от выборки к выборке.
       2. См. Примечание 2 [ISO 3534-1] 2.57 [C.2.27].
                                                                            61


С.2.29. Коэффициент доверия; доверительный уровень [ISO 3534-1, 2.59] -
значение (1-α) вероятности, связанное с доверительным интервалом или
статистическим интервалом охвата (см. [ISO 3534-1 2.57 [C.2.27], 2.58 [C.2.28]
и 2.61 [C.2.30]).
        Примечание. (1-α) часто выражается в процентах.

С.2.30. Статистический интервал охвата [ISO 3534-1, 2.61] - интервал, для
которого с заданным доверительным уровнем констатировать, что он включает,
по крайней мере, определенную часть совокупности.
       Примечания 1. Если обе границы определяются статистиками,
       интервал является двусторонним. Если одна из двух границ не является
       конечной или представляет собой граничное значение переменной
       величины, интервал является односторонним.
       2. Его называют «статистически допустимый интервал». Такой термин
       не следует использовать, так как это может вызвать путаницу с
       «допустимым интервалом», определенным в ISO 3534-2.

С.2.31. Степени свободы [ISO 3534-1, 2.85] - обычно число членов в сумме
минус число ограничений на члены суммы.
С.3. Расшифровка терминов и понятий
С.3.1. Ожидание
Ожидание функции g(z) от случайной переменной z                с плотностью
распределения вероятностей p(z) определяется уравнением

E[g(z)] = ∫ g(z) p(z)dz,

где из определения p(z) следует, что ∫ p(z)dz = 1. Ожидание случайной
переменной z, обозначаемое через ёz, которое также называется ожидаемая
величина или среднее значение z, определяется по формуле

ёz ≡E(z) = ∫z p(z)dz,
оно оценивается статистически через z - среднее арифметическое значение или
среднее из n независимых наблюдений zi случайной переменной z, плотность
распределения вероятностей которой p(z)

     1 n
z=      ∑z .
     n i=1 i




                                                                            62


С.3.2. Дисперсия
Дисперсия случайной переменной представляет собой ожидаемое значение
квадратичного отклонения от ее ожидания. Таким образом, дисперсия
случайной переменной z с плотностью распределения вероятностей p(z)
определяется по формуле

σ2(z) = ∫(z- ёz)2p(z)dz,

где ёz – ожидаемое значение z. Дисперсия σ2(z) может быть оценена по
формуле

                 1 n
s 2 ( zi ) =          ∑ ( zi − z ) ,
                                  2

               n − 1 i=1

           1 n
где z =       ∑ z и zi – n независимых наблюдений z.
           n i=1 i

          Примечания. 1. Множитель n - 1 в выражении для s2(zi) обусловлен
          корреляцией между zi и z и отражает тот факт, что есть только n - 1
          независимых членов в множестве {zi - z }.
          2. Если ожидание ёя известно, то дисперсия может быть оценена по
          формуле:
                      1 n
          s 2 ( zi ) = ∑ ( zi − ё z )2 .
                      n i=1

Дисперсия среднего арифметического или среднего наблюдений, в отличие от
дисперсии индивидуальных наблюдений, является надлежащей мерой
неопределенности результата измерения. Дисперсию переменной z следует
старательно отличать от дисперсии среднего z . Дисперсия среднего
арифметического рядов n не зависимых наблюдений zi            определяется по
           2         2
уравнению σ ( z ) = σ (zi)/n и оценивается через экспериментально полученную
дисперсию среднего значения:

               s 2 ( zi )           1       n
s (z )=
 2
                            =               ∑ ( zi − z ) .
                                                        2

                  n             n( n − 1 ) i=1

С.3.3. Стандартное отклонение
Стандартное отклонение представляет собой положительный квадратный
корень из дисперсии. Так как стандартную неопределенность, оцениваемую по
типу А, получают, беря квадратный корень из статистически оцененной
дисперсии,    часто   более     удобно   при   определении     стандартной
неопределенности,    оцениваемой     по   типу   В,   оценивать    сначала

                                                                           63


нестатистический эквивалент стандартного отклонения, а затем, для получения
эквивалента дисперсии – возводить в квадрат это стандартное отклонение.

С.3.4. Ковариация
Ковариация двух случайных переменных является мерой их взаимной
зависимости. Ковариация случайных переменных y и z определяется по
формуле

cov(y,z) = cov(z,y) = E{[y – E(y)][z – E(z)]},

откуда следует, что
cov(y,z) = cov(z,y) = ∫∫(y – ёy)(z - ёz)p(y,z)dydz =

=∫∫yzp(y,z)dydz – ёyёz,

где p(y,z) – совместная функция плотности распределения вероятностей двух
случайных переменных y и z . Ковариация cov(y,z) [обозначаемая также ν
(y,z)] может быть оценена с помощью s(yi,zi), полученной из n независимых пар
yi и zi одновременных наблюдений y и z

                  1 n
s( yi ,zi ) =          ∑ ( y − y )( zi − z ),
                n − 1 i=1 i

          1 n          1 n
где y =      ∑ yi и z = ∑ zi .
          n i=1        n i=1


         Примечание. Оцененная ковариация двух средних значений y и z
         определяется как s( y , z ) = s( yi , zi ) / n.


С.3.5. Ковариационная матрица
При многомерном распределении вероятностей матрица V с элементами,
равными дисперсиям и ковариациям случайных переменных, называется
ковариационной матрицей. Диагональные элементы v(z,z) ≡ σ2(z) или s(zi,zi) ≡
s2(zi) являются дисперсиями, а недиагональные элементы v(y,z) или s(yi,zi)
являются ковариациями.




                                                                           64


С.3.6. Коэффициент корреляции

Коэффициент корреляции является мерой относительной взаимной
зависимости двух случайных величин, равной отношению их ковариаций к
положительному квадратному корню из произведения их дисперсий.
Таким образом,

                              ν( y,z )        ν( y,z )
ρ( y,z ) = ρ( z, y ) =                      =
                           ν( y, y )ν( z,z ) σ( y )σ( z )

с оценками
                                   s( yi ,zi )                s( yi ,zi )
r( yi ,zi ) = r( zi , yi ) =                             =                    .
                               s( yi , yi )s( zi ,zi )       s( yi )s( zi )


коэффициент корреляции является просто числом, таким что –1 ≤ r(yi,zi) ≤ +1.

         Примечания. 1. Так как ρ и r являются просто числами в
         диапазоне от -1 до +1 включительно, а ковариации, как правило,
         представляют собой величины с неудобной физической размерностью и
         амплитудой, коэффициенты корреляции обычно более употребительны,
         чем ковариации.
         2.   Для    многомерного     распределения     вероятностей    вместо
         ковариационной матрицы обычно применяется матрица коэффициентов
         корреляции. Так как ρ(y,y) = 1 и r(yi,yi) = 1, диагональные элементы
         этой матрицы равны единице.
         3. Если входные оценки xi и        xj коррелированны (см.2.2) и если
         изменения δi в xi вызывает изменения        δj в xj, то коэффициент
         корреляции, связанный с xi и xj, оценивается приблизительно как:

         r(xi, xj) ≈ u(xi)δj/u(xj)δi.
         Это соотношение может служить основой для экспериментального
         оценивания коэффициента корреляции. Оно может быть также
         использовано для приблизительного расчета изменения в одной из
         входных оценок, обусловленного изменением в другой, если их
         коэффициент корреляции известен.




                                                                                  65


С.3.7. Независимость
Две случайные переменные являются статистически независимыми, если их
совместное распределение вероятностей является произведением их
индивидуальных распределений вероятностей.
       Примечание.     Если две случайные переменные независимы, их
       ковариация и коэффициент корреляции являются нулевыми, но обратное
       утверждение не обязательно верно.

С.3.8. t-распределение; распределение Стьюдента
t-распределение или распределение Стьюдента представляет собой
распределение вероятностей непрерывной случайной величины t, функция
плотности распределения вероятностей который имеет вид

               ⎡ ν + 1⎤
              Γ⎢           2 −( ν +1 )/ 2
            1  ⎣   2 ⎥⎡ t ⎤
                      ⎦ 1+
p( t, ν ) =             ⎢
            πν Γ ⎡ ν ⎤ ⎣   ν⎥
                            ⎦
                 ⎢2⎥
                 ⎣ ⎦

-∞ < t < +∞,

где Γ есть гамма – функция и ν > 0.
Ожидание t-распределения равно нулю, а его дисперсия равна ν/( ν-2) для ν
>2.
При ν → ∞, t-распределение стремится к нормальному распределению с ё = 0
и σ = 1 (см. С.2.14).
Распределение вероятностей переменной ( z − ё z ) / s( z ) представляет собой
t-распределение, если случайная величина z распределена нормально с
ожиданием ёz, где z - среднее арифметическое n независимых наблюдений
zi величины z; s(zi) - экспериментальное отклонение n наблюдений, а s( z ) =
s(zi)/√n - экспериментальное стандартное отклонение среднего z с ν = n-1
степенями свободы.




                                                                           66


Приложение D. «Истинное» значение, погрешность и неопределенность

Термин истинное значение (В.2.3) традиционно использовался в публикациях,
посвященных неопределенности, однако в данном Руководстве в силу причин,
изложенных в этом Приложении, этот термин не применяется. Так как термины
«измеряемая величина», «погрешность» и «неопределенность» часто
понимаются неправильно, в данном Приложении в дополнение к сведениям,
приведенным в разделе 3, содержится обсуждение идей, лежащих в основе этих
терминов. Чтобы проиллюстрировать, почему понятие неопределенности,
принятая в данном Руководстве, основано на результате измерения и его
оцененной неопределенности, а не на непознаваемых величинах – «истинном»
значении и погрешности приведены два рисунка.
D.1. Измеряемая величина
D.1.1. Первым шагом при проведении измерения является определение
измеряемой величины – то есть величины, которую предстоит измерить;
измеряемая величина не может быть определена значением, а только путем
описания величины. Однако, в принципе, измеряемая величина может быть
полностью описана     только при неограниченном количестве информации.
Таким образом, до той степени, в которой оно дает поле для интерпретации,
неполное определение измеряемой величины вносит в неопределенность
результата измерения составляющую, которая может быть, а может и не быть
значимой по сравнению с точностью, требуемой от измерения.
D.1.2. Обычно определение измеряемой величины уточняют некоторые
физические состояния и условия.

      Пример. Скорость звука в сухом воздухе, состоящем из N2 = 0,7808,
      O2 = 0,2095, Ar = 0,00935 и CO2 = 0,00035 (молярная доля), при
      температуре Т = 273,15 К и давлении р = 101325 Ра.

D.2. Реализованная величина
D.2.1. В идеальном случае - величина, реализованная при измерении, должна
быть полностью согласованна с определением измеряемой величины. Часто,
однако, такая величина не может быть реализована, и тогда осуществляется
измерение величины, которая является лишь аппроксимацией измеряемой
величины.

D.3. «Истинное» значение и исправленное значение
D.3.1. В результат измерения реализованной величины вносится поправка
на различие между ней и измеряемой величиной, чтобы определить, каким бы
был результат измерения, если бы реализованная величина действительно
полностью удовлетворяла бы определению измеряемой величины. В результат
измерения реализованной величины вносятся также поправки на все другие

                                                                        67


известные значимые систематические эффекты. Хотя окончательный
исправленный результат иногда рассматривается как наилучшая оценка
«истинного» значения измеряемой величины,    в действительности, этот
результат просто является наилучшей оценкой значения величины,
предназначенной для измерения.

D.3.2. В качестве примера предположим, что измеряемой величиной является
толщина данного листа материала при заданной температуре. Образец
доводится до температуры, близкой к заданной, и его толщина измеряется в
определенном месте с помощью микрометра. Толщина материала в этом месте
и при этой температуре, при давлении, оказываемом микрометром –
представляет собой реализованную величину.

D.3.3. Температура материала в момент измерения и приложенное давление -
определяются. Неисправленный результат измерения реализованной величины
затем корректируется путем учета: калибровочной кривой микрометра,
отклонения температуры образца от заданной         температуры, а также
небольшого сжатия образца от приложенного давления.

D.3.4. Исправленный результат может быть назван наилучшей оценкой
«истинного» значения; «истинного» в том смысле, что оно является значением
величины, которая принимается за величину, полностью удовлетворяющую
определению измеряемой величины; но если бы микрометр был приложен к
другой части листа материала, реализованная величина была бы другой, с
другим «истинным» значением. Однако это «истинное» значение также
соответствовало бы определению измеряемой величины, так как в нем не
уточняется – должна ли быть толщина определена в конкретном месте листа.
Следовательно, в этом случае из-за неполного определения измеряемой
величины «истинное» значение имеет неопределенность, которая может быть
оценена по измерениям, выполненным в различных точках листа. На некотором
уровне каждая измеряемая величина имеет такую «собственную»
неопределенность, которая, в принципе, может быть оценена тем или иным
способом. Она является минимальной неопределенностью, с которой может
быть определена измеряемая величина, и каждое измерение, при котором
достигается такая неопределенность, может рассматриваться как наилучшее
возможное измерение измеряемой величины. Для получения значения
рассматриваемой      величины,    имеющей   меньшую      неопределенность,
необходимо, чтобы измеряемая величина имела более полное определение.
       Примечания. 1. В рассмотренном примере определение измеряемой
       величины оставляет без внимания много других параметров, которые,
       возможно, могли бы повлиять на толщину: атмосферное давление,
       влажность, положение листа в гравитационном поле, способ, которым
       он закреплен, и так далее.


                                                                        68


      2. Хотя измеряемая величина должна быть определена достаточно
      подробно, чтобы любая неопределенность, обусловленная неполнотой ее
      определения, была пренебрежительно малой по сравнению с требуемой
      точностью измерения, следует признать, что это не всегда будет
      практично. Определение может, например, быть неполным, так как оно
      не уточняет параметры, которые по неоправданному предположению,
      могут иметь пренебрежительно малое влияние; или это определение
      может включать условия, которые никогда полностью не выполняются и
      неполное воспроизведение которых трудно учесть. В примере,
      приведенном в D.1.2, скорость звука предполагает бесконечные плоские
      волны исчезающе малой амплитуды. С учетом того, что измерение не
      соответствует этим условия, должны быть приняты во внимание
      дифракция и нелинейные эффекты.
      3. Неадекватное определение измеряемой величины может привести к
      несоответствию между результатами измерений одной и той же
      величины, проводившихся в различных лабораториях.

D.3.5. Термин «истинное значение измеряемой величины» или величины (часто
сокращаемое до «истинного значения») не применяется в данном Руководстве,
так как слово «истинное» рассматривается как избыточное. Термин
«измеряемая величина» (см. В.2.9) означает «данная величина, подлежащая
измерению». Следовательно, термин «значение измеряемой величины»
означает «значение данной величины, подлежащей измерению». Так как под
термином «данная величина» в общепринятой практике подразумевается
определенная или конкретная величина (см. В.2.1, Примечание 1), то
прилагательное «истинное» в термине «истинное значение        измеряемой
величины» (или в термине «истинное значение величины») не является
необходимым – «истинное» значение измеряемой величины (или величины)
просто является значением измеряемой величины (или величины). Кроме того,
как отмечалось ранее, единственное «истинное» значение является
идеализированным понятием.

D.4. Погрешность
Исправленный результат измерения не является значением измеряемой
величины – то есть он с погрешностью – из-за несовершенного измерения
реализованной величины, обусловленного: случайными изменениями
наблюдений (случайные эффекты), неточным определением поправок на
систематические эффекты и неполным знанием некоторых физических явлений
(также систематические эффекты). Ни значения реализованной величины, ни
значение измеряемой величины не могут быть когда-либо известны точно; все,
что может быть известно – это их оцененные значения. В приведенном выше
примере измеряемая толщина листа может быть ошибочна, то есть может
отличаться от измеряемой величины (толщины листа), так как каждый из


                                                                        69



    
Яндекс цитирования Яндекс.Метрика