Teres-1t.ru

Инженерные решения
2 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Погрешности измерений, представление результатов эксперимента

Погрешности измерений, представление результатов эксперимента

Определяется несовершенством методов и допущениями в методике.

Погрешность теории (модели)

Определяется теоретическими упрощениями, степенью соответствия теоретической модели и реальности.

Погрешность оператора

Определяется субъективным фактором, ошибками экспериментатора.

Примеры значащих цифр:
0,403 – три значащих цифры, величина определена с точностью до тысячных.
40,3 – три значащих цифры, величина определена с точностью до десятых.
40,300 – пять значащих цифр, величина определена с точностью до тысячных.

В простейших измерениях инструментальная погрешность прибора является основной.
В таких случаях физическую величину измеряют один раз, полученное значение берут в качестве истинного, а абсолютную погрешность считают равной инструментальной погрешности прибора.
Примеры измерений с абсолютной погрешностью равной инструментальной:

  • определение длины с помощью линейки или мерной ленты;
  • определение объема с помощью мензурки.

Пример получения результатов прямых измерений с помощью линейки:

Пример получения результатов прямых измерений с помощью линейкиИзмерим длину бруска линейкой, у которой пронумерованы сантиметры и есть только одно деление между пронумерованными делениями.
Цена деления такой линейки: begin triangle=frac= frac<1 text<см>><1+1>=0,5 text <см>end Инструментальная погрешность: begin d=frac<2>=frac<0,5><2>=0,25 text <см>end Истинное значение: (L_0=4 text<см>)
Результат измерений: $ L=L_0pm d=(4,00pm 0,25) text <см>$ Относительная погрешность: $ delta=frac<0,25><4,00>cdot 100text<%>=6,25text<%>approx 6,3text <%>$
Пример получения результатов прямых измерений с помощью линейкиТеперь возьмем линейку с n=9 мелкими делениями между пронумерованными делениями.
Цена деления такой линейки: begin triangle=frac= frac<1 text<см>><9+1>=0,1 text <см>end Инструментальная погрешность: begin d=frac<2>=frac<0,1><2>=0,05 text <см>end Истинное значение: (L_0=4,15 text<см>)
Результат измерений: $ L=L_0pm d=(4,15pm 0,05) text <см>$ Относительная погрешность: $ delta=frac<0,05><4,15>cdot 100text<%>approx 1,2text <%>$

Второе измерение точнее, т.к. его относительная погрешность меньше.

п.5. Абсолютная погрешность серии измерений

Измерение длины с помощью линейки (или объема с помощью мензурки) являются теми редкими случаями, когда для определения истинного значения достаточно одного измерения, а абсолютная погрешность сразу берется равной инструментальной погрешности, т.е. половине цены деления линейки (или мензурки).

Гораздо чаще погрешность метода или погрешность оператора оказываются заметно больше инструментальной погрешности. В таких случаях значение измеренной физической величины каждый раз немного меняется, и для оценки истинного значения и абсолютной погрешности нужна серия измерений и вычисление средних значений.

Пример расчета истинного значения и погрешности для серии прямых измерений:
Пусть при измерении массы шарика с помощью рычажных весов мы получили в трех опытах следующие значения: 99,8 г; 101,2 г; 100,3 г.
Инструментальная погрешность весов d = 0,05 г.
Найдем истинное значение массы и абсолютную погрешность.

Составим расчетную таблицу:

№ опыта123Сумма
Масса, г99,8101,2100,3301,3
Абсолютное отклонение, г0,60,80,11,5

Сначала находим среднее значение всех измерений: begin m_0=frac<99,8+101,2+100,3><3>=frac<301,3><3>approx 100,4 text <г>end Это среднее значение принимаем за истинное значение массы.
Затем считаем абсолютное отклонение каждого опыта как модуль разности (m_0) и измерения. begin triangle_1=|100,4-99,8|=0,6\ triangle_2=|100,4-101,2|=0,8\ triangle_3=|100,4-100,3|=0,1 end Находим среднее абсолютное отклонение: begin triangle_=frac<0,6+0,8+0,1><3>=frac<1,5><3>=0,5 text <(г)>end Мы видим, что полученное значение (triangle_) больше инструментальной погрешности d.
Поэтому абсолютная погрешность измерения массы: begin triangle m=maxleft; dright>=maxleft<0,5; 0,05right> text <(г)>end Записываем результат: begin m=m_0pmtriangle m\ m=(100,4pm 0,5) text <(г)>end Относительная погрешность (с двумя значащими цифрами): begin delta_m=frac<0,5><100,4>cdot 100text<%>approx 0,050text <%>end

п.6. Представление результатов эксперимента

Как найти результат прямого измерения, мы рассмотрели выше.
Результат косвенного измерения зависит от действий, которые производятся при подстановке в формулу величин, полученных с помощью прямых измерений.

  • абсолютная погрешность их суммы равна сумме абсолютных погрешностей
  • абсолютная погрешность их разности также равна сумме абсолютных погрешностей
  • относительная погрешность их произведения равна сумме относительных погрешностей
  • относительная погрешность их частного также равна сумме относительных погрешностей
  • относительная погрешность квадрата (a^2) равна удвоенной относительной погрешности
  • относительная погрешность куба (a^3) равна утроенной относительной погрешности
  • относительная погрешность произвольной натуральной степени (a^n) равна

Вывод этих формул достаточно сложен, но если интересно, его можно найти в Главе 7 справочника по алгебре для 8 класса.

п.7. Задачи

Задача 1. Определите цену деления и объем налитой жидкости для каждой из мензурок. В каком случае измерение наиболее точно; наименее точно?
Задача 1

Составим таблицу для расчета цены деления:

№ мензуркиa, млb, млn(triangle=frac), мл
120404(frac<40-20><4+1>=4)
21002004(frac<200-100><4+1>=20)
315304(frac<30-15><4+1>=3)
42004004(frac<400-200><4+1>=40)

Инструментальная точность мензурки равна половине цены деления.
Принимаем инструментальную точность за абсолютную погрешность и измеренное значение объема за истинное.
Составим таблицу для расчета относительной погрешности (оставляем две значащих цифры и округляем с избытком):

№ мензуркиОбъем (V_0), млАбсолютная погрешность
(triangle V=frac<2>), мл
Относительная погрешность
(delta_V=fraccdot 100text<%>)
16823,0%
2280103,6%
3271,55,6%
4480204,2%

Наиболее точное измерение в 1-й мензурке, наименее точное – в 3-й мензурке.

Ответ:
Цена деления 4; 20; 3; 40 мл
Объем 68; 280; 27; 480 мл
Самое точное – 1-я мензурка; самое неточное – 3-я мензурка

Задача 2. В двух научных работах указаны два значения измерений одной и той же величины: $ x_1=(4,0pm 0,1) text<м>, x_2=(4,0pm 0,03) text <м>$ Какое из этих измерений точней и почему?

Мерой точности является относительная погрешность измерений. Получаем: begin delta_1=frac<0,1><4,0>cdot 100text<%>=2,5text<%>\ delta_2=frac<0,03><4,0>cdot 100text<%>=0,75text <%>end Относительная погрешность второго измерения меньше. Значит, второе измерение точней.
Ответ: (delta_2lt delta_1), второе измерение точней.

Задача 3. Две машины движутся навстречу друг другу со скоростями 54 км/ч и 72 км/ч.
Цена деления спидометра первой машины 10 км/ч, второй машины – 1 км/ч.
Найдите скорость их сближения, абсолютную и относительную погрешность этой величины.

Абсолютная погрешность скорости каждой машины равна инструментальной, т.е. половине деления спидометра: $ triangle v_1=frac<10><2>=5 (text<км/ч>), triangle v_2=frac<1><2>=0,5 (text<км/ч>) $ Показания каждого из спидометров: $ v_1=(54pm 5) text<км/ч>, v_2=(72pm 0,5) text <км/ч>$ Скорость сближения равна сумме скоростей: $ v_0=v_<10>+v_<20>, v_0=54+72=125 text <км/ч>$ Для суммы абсолютная погрешность равна сумме абсолютных погрешностей слагаемых. $ triangle v=triangle v_1+triangle v_2, triangle v=5+0,5=5,5 text <км/ч>$ Скорость сближения с учетом погрешности равна: $ v=(126,0pm 5,5) text <км/ч>$ Относительная погрешность: $ delta_v=frac<5,5><126,0>cdot 100text<%>approx 4,4text <%>$ Ответ: (v=(126,0pm 5,5) text<км/ч>, delta_vapprox 4,4text<%>)

Задача 4. Измеренная длина столешницы равна 90,2 см, ширина 60,1 см. Измерения проводились с помощью линейки с ценой деления 0,1 см. Найдите площадь столешницы, абсолютную и относительную погрешность этой величины.

Инструментальная погрешность линейки (d=frac<0,1><2>=0,05 text<см>)
Результаты прямых измерений длины и ширины: $ a=(90,20pm 0,05) text<см>, b=(60,10pm 0,05) text <см>$ Относительные погрешности (не забываем про правила округления): begin delta_1=frac<0,05><90,20>cdot 100text<%>approx 0,0554text<%>approx uparrow 0,056text<%>\ delta_2=frac<0,05><60,10>cdot 100text<%>approx 0,0832text<%>approx uparrow 0,084text <%>end Площадь столешницы: $ S=ab, S=90,2cdot 60,1 = 5421,01 text<см>^2 $ Для произведения относительная погрешность равна сумме относительных погрешностей слагаемых: $ delta_S=delta_a+delta_b=0,056text<%>+0,084text<%>=0,140text<%>=0,14text <%>$ Абсолютная погрешность: begin triangle S=Scdot delta_S=5421,01cdot 0,0014=7,59approx 7,6 text<см>^2\ S=(5421,0pm 7,6) text<см>^2 end Ответ: (S=(5421,0pm 7,6) text<см>^2, delta_Sapprox 0,14text<%>)

Содержание

В зависимости от характеристик измеряемой величины для определения погрешности измерений используют различные методы.

  • Метод Корнфельда, заключается в выборе доверительного интервала в пределах от минимального до максимального результата измерений, и погрешность как половина разности между максимальным и минимальным результатом измерения:
  • Средняя квадратическая погрешность:
  • Средняя квадратическая погрешность среднего арифметического:

Относительная погрешность

Относительной погрешностью называют отношение абсолютной погрешности числа к самому этому числу. Чтобы рассчитать относительную погрешность в примере с учениками, разделим 26 на 374.

Получим число 0,0695, переведем в проценты и получим 6%. Относительную погрешность обозначают процентами, потому что это безразмерная величина. Относительная погрешность – это точная оценка ошибки измерений. Если взять абсолютную погрешность в 1 см при измерении длины отрезков 10 см и 10 м, то относительные погрешности будут соответственно равны 10% и 0,1%. Для отрезка длиной в 10 см погрешность в 1см очень велика, это ошибка в 10%. А для десятиметрового отрезка 1 см не имеет значения, всего 0,1%.

Различают систематические и случайные погрешности. Систематической называют ту погрешность, которая остается неизменной при повторных измерениях. Случайная погрешность возникает в результате воздействия на процесс измерения внешних факторов и может изменять свое значение.

ΔА = — ΔА

3. График поправок.

4. Приведенная погрешность – это отношение абсолютной погрешности к верхнему пределу измерения прибора.

5. В зависимости от степени точности показывающие и самопишущие электроизмерительные приборы согласно ГОСТ 13600-68 делятся на девять классов: 0,02; 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5; 4,0.

Число, обозначающее класс является наибольшей приведенной погрешностью прибора на всех отметках рабочей части его шкалы.

Результаты решения задачи №1 записаны в табл.2

Таблица 2.2

3. График поправок

1. Что называется измерением?

Измерение есть процесс сравнения измеряемой величины с величиной того же рода, условно принятой за единицу. Результат измерения выражают числом, показывающим отношение измеряемой величины к единице измерения.

2. Что такое мера и измерительный прибор? Как они подразделяются по назначению?

Вещественное воспроизведение единицы измерения, ее дробного или кратного значения называют мерой.

Устройство, служащее для сравнения измеряемой величины с единицей измерения или мерой, называют измерительным прибором.

3. Что такое погрешность? Дайте определение абсолютной, относительной и приведенной погрешности.

Погрешность – это отклонение измеренного значения величины от его действительного значения.

Абсолютной погрешностью измерения называется разность между найденными значениями измеряемой величины и ее действительным значением.

Относительной погрешностью измерения называется выраженное в процентах отношение абсолютной погрешности измерения к действительному значению измеряемой величины.

Что такое систематическая погрешность

Систематическая погрешность существует в результатах исследования, если эти результаты показывают устойчивую тенденцию к отклонению от истинных значений. Иными словами, если полученные цифры постоянно выше или ниже расчетных, речь идет о том, что в данных имеется систематическая погрешность.

В маркетинговых исследованиях есть два основных типа систематической погрешности: погрешность выборки и погрешность измерения.

Погрешность выборки

Погрешность выборки возникает, когда выборка, используемая в исследовании, не репрезентативна для всей совокупности данных. Типы такой погрешности включают погрешность структуры, погрешность аудитории и погрешность отбора.

Погрешность структуры

Погрешность структуры возникает из-за использования неполной или неточной основы для выборки. Распространенным источником такой погрешности в рамках маркетинговых исследований является проведение какого-либо опроса по телефону на основе существующего телефонного справочника или базы данных абонентов. Многие данные там указаны неполно или неточно — например, если люди недавно переехали или изменили свой номер телефона. Также такие данные часто указывают неполную или неверную демографию.

Если в качестве основы для исследования взят телефонный справочник, оно подвержено погрешности структуры, так как не учитывает всех возможных респондентов.

Погрешность аудитории

Погрешность аудитории возникает, если исследователь не знает, как определить аудиторию для исследования. Пример — оценка результатов исследования, проведенного среди клиентов крупного банка. Доля ответов на анкету составила чуть менее 1%. Анализ профессий всех опрошенных показал, что процент пенсионеров среди них в 20 раз выше, чем в целом по городу. Если эта группа значительно различается по интересующим переменным, то результаты будут неверными из-за погрешности аудитории.

Погрешность отбора

Даже если маркетологи правильно определили структуру и аудиторию, они не застрахованы от погрешности отбора. Она возникает, когда процедуры отбора являются неполными, неправильными или не соблюдаются должным образом. Например, интервьюеры при полевом исследовании могут избегать людей, которые живут в муниципальных домах. Потому что, по их мнению, жители вряд ли согласятся пройти такой опрос. Если жители муниципальных домов отличаются от тех, кто проживает в домах бизнес-класса, в результаты опроса будет внесена погрешность отбора.

Как минимизировать погрешность выборки

  • Знайте свою аудиторию.
    Знайте, кто покупает ваш продукт, использует его, работает с вами и так далее. Имея базовую социально-экономическую информацию, можно составить стабильную выборку целевой аудитории. Маркетинговые исследования часто касаются одной конкретной группы населения — например, пользователей Facebook или молодых мам.
  • Разделите аудиторию на группы.
    Вместо случайной выборки разбейте аудиторию на группы в соответствии с их численностью в общей совокупности данных. Например, если люди с определенной демографией составляют 35% населения, убедитесь, что 35% респондентов исследования отвечают этому условию.
  • Увеличьте размер выборки.
    Больший размер выборки приводит к более точному результату.

Погрешность измерения

Погрешность измерения представляет собой серьезную угрозу точности исследования. Она возникает, когда существует разница между искомой информацией — то есть истинным значением, и информацией, фактически полученной в процессе измерения. К таким погрешностям приводят различные недостатки процесса исследования. Погрешность измерения, в основном, вызывается человеческим фактором — например, формулировкой вопросника, ошибками ввода данных и необъективными выводами.

К погрешностям измерения приводят следующие виды ошибок.

Ошибка цели

Ошибка цели возникает, когда существует несоответствие между информацией, фактически необходимой для решения проблемы, и данными , которые собирает исследование. Например, компания Kellogg впустую потратила миллионы на разработку завтраков для снижения уровня холестерина. Реальный вопрос, который нужно было бы задать в исследовании, заключался в том, купят ли люди овсяные хлопья для решения своей проблемы. Ответ «Нет» обошелся бы компании дешевле.

Предвзятость ответов

Некоторые люди склонны отвечать на конкретный вопрос определенным образом. Тогда возникает предвзятость ответа. Предвзятость ответа может быть результатом умышленной фальсификации или неосознанного искажения фактов.

Умышленная фальсификация происходит, когда респонденты целенаправленно дают неверные ответы на вопросы. Есть много причин, по которым люди могут сознательно искажать информацию. Например, они хотят скрыть или хотят казаться лучше, чем есть на самом деле.

Бессознательное искажение информации происходит, когда респондент пытается быть правдивым, но дает неточный ответ. Этот тип предвзятости может возникать из-за формата вопроса, его содержания или по другим причинам.

Предвзятость интервьюера

Интервьюер оказывает влияние на респондента — сознательно или бессознательно. Одежда, возраст, пол, выражение лица, язык тела или тон голоса могут повлиять на ответы некоторых или всех респондентов.

Ошибка обработки

Примеры включают наводящие вопросы или элементы дизайна анкеты, которые затрудняют запись ответов или приводят к ошибкам в них.

Ошибка ввода

Это ошибки, возникающие при вводе информации. Например, документ может быть отсканирован неправильно, и его данные по ошибке перенесутся неверно. Или люди, заполняющие опросы на смартфоне или ноутбуке, могут нажимать не те клавиши.

Виды проводимых маркетинговых исследований различны, поэтому универсальных рецептов не существует. Мы дадим несколько общих советов, используемых для минимизации систематических погрешностей разного типа.

Как минимизировать погрешность измерения

  • Предварительно протестируйте.
    Погрешностей обработки и предвзятости можно избежать, если проводить предварительные тесты вопросника до начала основных интервью.
  • Проводите выборку случайным образом.
    Чтобы устранить предвзятость, при выборке респондентов можно включать каждого четвертого человека из общего списка.
  • Тренируйте команду интервьюеров и наблюдателей.
    Отбор и обучение тех, кто проводит исследования, должен быть тщательным. Особое внимание нужно уделять соблюдению инструкций в ходе каждого исследования.
  • Всегда выполняйте проверку сделанных записей.
    Чтобы исключить ошибки ввода, все данные, вводимые для компьютерного анализа, должны быть перепроверены как минимум дважды.

Мир без ошибок не может существовать. Но понимание факторов, влияющих на маркетинговые исследования и измеряемые погрешности, имеет важное значение для сбора качественных данных.

Как определить класс точности

Согласно действующих государственных норм, производители амперметров обязаны гарантировать его относительную погрешность измерения, полученную по классу точности, указанной на измерительной панели и в паспорте на прибор. Кроме того, все измерительные приборы должны проходить периодическую поверку в метрологических центрах, на соответствие заводскому классу точности. Если такую аттестацию он не проходит, то не может использоваться в измерительных процессах.

маркировка на табло прибора

Зная абсолютную погрешность и показание силы тока на шкале, можно просто получить реальную силу тока, действующую в цепи. При этом шкала для применения абсолютной погрешности считается равномерной.

Ограничение шкалы

Важно! При выборе шкалы стрелочного амперметра, нужно чтобы рабочее значение тока находилось, примерно, в 2/3 диапазона шкалы. Если стрелка будет находиться практически на 0 или на максимальном показатели шкалы, то относительная погрешность будет очень высокой, то есть доверять таким показаниям не рекомендуется.

Методы Корнфельда и Стьюдента

Некоторые экспериментальные исследования требуют многократного измерения одного и того же показателя с помощью аппаратуры или приспособлений. В этом случае высока вероятность возникновения отклонений разброса. Определить ее величины можно разными способами. Самый распространенный и доступный из них называется по автору — методом Корнфельда.

Он применяется в ситуации, когда какая-либо физическая величина была измерена n раз. В этом случае рекомендован следующий порядок действий:

Относительная погрешность измерения времени формула

  1. Предполагается, что имеется ряд результатов измерений от Х1 до Хn.
  2. Из этих величин выбирают минимальную и максимальную.
  3. Вычисляют среднее значение Х.
  4. В пределах от наименьшего до наибольшего показателя выбирают доверительный интервал.
  5. Чтобы найти абсолютное отклонение, необходимо вычесть из максимального результата измерения величину минимального. Полученную разность делят пополам.

Метод Корнфельда имеет существенный недостаток. Чтобы определить вероятность приведенного результата, необходимо провести большое количество измерений. При этом нет возможности изменить границы доверительного интервала. Более точные данные можно получить, используя метод расчета Стьюдента. Для этого используют специальные таблицы, где отражены так называемые коэффициенты Стьюдента.

Эти показатели вычисляются на основе доверительной вероятности и большого количества измерений.

голоса
Рейтинг статьи
Читайте так же:
Счетчик активной энергии бытовой
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector