Учебное пособие: Виявлення грубих результатів вимірювань

Таким чином, у принципі, систематичні похибки вимірювань можуть бути передбачені, виявлені і тому є можливість для їх повного вилучення з результату вимірювання, тобто перейти до виправленого результату вимірювання. Проте, використовуючи на практиці описані методи вилучення систематичних похибок, слід пам’ятати, що повною мірою добитися цієї мети не можна. Отже, будь-який виправлений результат вимірювання має деякий залишок систематичної похибки, названий невилученою систематичною похибкою , що є випадковою величиною, оцінювання характеристик якої ґрунтується на методах математичної статистики.

Інколи для підвищення правильності вимірювань, тобто зменшення систематичних похибок, використовують рандомізацію. Під рандомізацією розуміють штучне переведення систематичних похибок у випадкові (в перекладі з англійської термін "рандомізація" означає перемішування, створення хаосу). Для здійснення рандомізації процес вимірювання організується так, щоб фактори, які впливають на результати вимірювань, а точніше, на їх похибки, діяли випадково. Наприклад, неточне градуювання шкали вимірювального приладу призводить до появи систематичних похибок для даного приладу. Якщо ж вимірювання самої фізичної величини провести декількома приладами даного типу, то ці похибки будуть змінюватися від приладу до приладу випадково. Піддаючи одержані результати спостережень статистичній обробці, можна істотно зменшити систематичну складову результату вимірювання.

2.9. Методи підсумовування похибок вимірювань

2.9.1. Постановка задачі підсумовування похибок вимірювань

При аналізі похибок вимірювань і ЗВТ можливі три основні задачі:

1) кількісна оцінка окремих складових систематичної і випадкової похибок;

2) підсумовування кількісних характеристик складових похибки одного виду (систематичних або випадкових);

3) підсумовування кількісних характеристики систематичної і випадкової складових з метою одержання повної похибки.

Вирішення цих задач у сукупності і дозволяє одержати кількісні оцінки характеристик похибки, тобто оцінити похибку. Перш за все зауважимо, що термін "підсумовування" використовують при оцінюванні похибок в узагальненому смислі, а не як найменування конкретної математичної операції. Більш того, в останній час замість терміна "підсумовування" все частіше застосовують термін "об’єднання" похибок.

Повна похибка вимірювань, як і ЗВТ, у загальному випадку створюється рядом складових (систематичних і випадкових), оцінку кожної з яких знаходять розрахунковим або експериментальним шляхом. Метод підсумовування складових похибки визначається природою і взаємозв’язком їх джерел.

Сутність задачі визначення розрахунковим шляхом повної похибки вимірювань або ЗВТ полягає в підсумовуванні (об’єднанні) її окремих складових за установленим, загальноприйнятим правилом, що є одним із заходів забезпечення єдності вимірювань. Так, для визначення похибки навіть окремого вимірювального пристрою необхідно підсумовувати всі його складові похибки, викликані різними причинами. При створенні вимірювальних приладів, установок і систем має місце задача оцінки похибки вимірювальних каналів, яка зводиться до підсумовування похибок ряду вимірювальних пристроїв, що створюють даний вимірювальний канал. Для визначення похибок будь-яких видів вимірювань необхідно підсумовувати різні складові методичних, інструментальних і суб’єктивних похибок, а також похибку обчислювань при опосередкованих, сукупних і сумісних вимірюваннях.

Таким чином, задача розрахункового підсумовування (або аналітичного визначення) похибок - одна з основних задач як при створенні ЗВТ, так і при оцінюванні похибок результатів вимірювань. Причому необхідні якомога простіші методи підсумовування похибок.

Трудність підсумовування похибок полягає в тому, що всі складові похибки треба розглядати як випадкові величини з найрізноманітнішими значеннями в кожній конкретній реалізації. Найбільш повно вони можуть бути описані своїми законами розподілу, а їх спільна дія - композицією цих законів. Проте вирішення задачі підсумовування похибок у такій постановці пов’язане з великими труднощами двоякого роду. По-перше, одержання композиції законів розподілу похибок уже для 3-4 складових вимагає значного об’єму обчислювань, які часто можуть бути виконані тільки на ЕОМ. По-друге, при виконанні технічних і більшості контрольно-повірочних вимірювань експериментатор, як правило, не має інформації про закони розподілу складових сумарної похибки. Ці труднощі викликають необхідність застосування для оцінювання похибок спрощених правил підсумовування їх складових, які дозволяють з достатнім ступенем вірогідності оцінити сумарну похибку в умовах неповної початкової інформації.

Найбільш розробленими методами оцінювання випадкових похибок є методи, які безпосередньо запозичені з математичної статистики. Основні труднощі складають оцінювання і підсумовування систематичних похибок. Звичайно їх характеризують границями, які оцінюють приблизними методами, в тому числі близькими до статистичних.

Для оцінювання похибок використовуються три методи (правила, види, форми) підсумовування складових похибок: арифметичне, алгебраїчне і геометричне (квадратичне, статистичне) підсумовування.

2.9.2. Визначення сумарної систематичної похибки вимірювань

При точних вимірюваннях багато які систематичні похибки вилучаються або відповідною постановкою експерименту, або введенням поправок. Як правило, це легше зробити для змінних похибок, які так чи інакше проявляються у вимірювальних сигналах (показах) ЗВТ. Трудніше вилучити постійні систематичні похибки: потрібен аналіз даних про об’єкт, засоби і умови вимірювань, як апріорних, так і одержаних під час експерименту. Це є однією з основних задач при проведенні вимірювань. Методи їх вирішення не достатньо формалізовані і потребують високої метрологічної культури.

Постійні систематичні похибки можна поділити на строго і умовно постійні, причому способи оцінювання і підсумовування для них різні. Для строго постійних складових придатний лише детерміністський підхід і відповідно алгебраїчне та арифметичне підсумовування. Для умовно постійних складових систематичної похибки придатні, залежно від умов, різні квазістатистичні способи підсумовування.

Для визначення систематичної складової повної похибки, інакше кажучи, при підсумовуванні постійних систематичних складових похибки, коли відомі їх значення і знаки, використовують алгебраїчне підсумовування. Це правило є наслідком однієї з основних властивостей математичного сподівання випадкових величин, згідно з яким математичне сподівання суми випадкових величин (похибок) дорівнює сумі математичних сподівань цих випадкових величин (похибок). Ураховуючи, що математичне сподівання повної похибки являє собою її систематичну складову, маємо алгебраїчну суму

де - сумарна систематична похибка;

- складові систематичної похибки, - їх кількість.

Якщо для строго постійних систематичних похибок задані їх допустимі значення (або границі змінювання) , то визначається допустиме значення сумарної систематичної похибки як арифметична сума за модулем допустимих значень складових

.

Величину називають арифметичними границями систематичної похибки.

На практиці нерідко буває відома додаткова інформація про поведінку систематичних похибок, зокрема, відомо, що невилучені систематичні похибки змінюються нерегулярно, залишаючись у границях . Тоді при підсумовуванні такі похибки умовно розглядають як випадкові величини і звичайно вважають, що вони рівномірно розподілені в заданих границях. Це припущення ґрунтується на тому, що для випадкової величини, яка змінюється в заданих границях, рівномірному розподілу відповідає максимальна ентропія (невизначеність). Тому таке припущення є досить обережним і на практиці приводить до реалістичної оцінки похибок.

Зрозуміло, цей умовний прийом не є єдино можливим, проте він досить простий і широко застосовується на практиці. Можна використовувати і "нестатистичні" методи, які базуються, наприклад, на інтервальному аналізі або теорії нечітких множин, проте ці методи не є строго обґрунтованими і містять певні припущення [8].

При квазістатистичному методі границі довірчого інтервалу сумарної невилученої систематичної похибки називають статистичними і знаходять за формулою

(2.22)