Погрешности измерений и их классификация
Полученное из опыта значение измеряемой величины может отличаться от ее действительного (истинного) значения.
Погрешность измерения – отклонение результата измерения от истинного (действительного) значения измеряемой величины.
Это может быть обусловлено конструктивными недостатками прибора, несовершенством технологии его изготовления, а также влиянием различных внешних факторов.
Таким образом, погрешности классифицируют:
По источнику возникновения (метод, инструмент, субъект)
-Методические (зависят от метода измерения и способа включения приборов в электрическую цепь)
-Инструментальные (зависят от средства измерения)
-Субъективные (зависят от измерителя)
По условиям проведения измерений (температура, давление, влажность)
-Основные (измерения проводятся в нормальных условиях — при нормальной температуре, давлении, влажности)
-Дополнительные (условия отличны от нормальных)
По характеру проявления (систематические, случайные, промахи)
Систематические – погрешности, остающиеся постоянными или закономерно изменяющимися при повторных измерениях тем же способом и средствами. Т.е. они заранее известны и их легко исключить.
Случайные – погрешности, изменяющиеся случайным образом при повторных измерениях одной и той же величины. Обычно выявляются в результате многократных измерений (не менее 10).
Промах – грубая ошибка, обусловленная неправильным отсчетом или расчетом, небрежностью измеряющего, поломки прибора, неправильно собранной схемы, невнимательности и т.д. Такие данные необходимо исключать.
По временному поведению измеряемой величины (статическая, динамическая)
Статическая – когда измеряемая величина не меняется за время измерения
Динамическая – когда прибор не успевает реагировать на изменения измеряемой величины.
По способу выражения измеряемой величины
Абсолютной погрешностью D Х называется разность между измеренным и действительным значениями.
– действительное значение измеряемой величины.
Выражается D Х в единицах измеряемой величины.
Относительная погрешность – отношение абсолютной погрешности к действительному значению измеряемой величины.
Выражается в процентах или относительных единицах. Относительная погрешность характеризует точность измерений.
Приведенная погрешность g пр – отношение абсолютной погрешности к номинальному (нормированному) значению – верхнему пределу диапазона или поддиапазона измерения прибора.
Пределом измерения прибора называется наибольшая величина, на которую рассчитан данный прибор.
Прибор может иметь несколько пределов измерений (например, вольтметр).
Чем меньшую погрешность дает прибор, тем он точнее.
Выражается в процентах.
Максимальная приведенная погрешность определяет класс точности прибора.
Электроизмерительные приборы изготавливаются нескольких классов точности
Источник
Уроки математики и физики для школьников и родителей
понедельник, 28 октября 2019 г.
Урок 16. Абсолютная и относительная погрешность
Для подсчёта абсолютной погрешности необходимо из большего числа вычесть меньшее число.
Существует формула абсолютной погрешности. Обозначим точное число буквой А , а буквой а – приближение к точному числу. Приближённое число – это число, которое незначительно отличается от точного и обычно заменяет его в вычислениях. Тогда формула будет выглядеть следующим образом:
В школе учится 374 ученика. Если округлить это число до 400 , то абсолютная погрешность измерения равна :
На предприятии 1284 рабочих и служащих. При округлении этого числа до 1300 абсолютная погрешность составляет
При округлении до 1280 абсолютная погрешность составляет
Редко когда можно точно знать значение измеряемой величины, чтобы рассчитать абсолютную погрешность. Но при выполнении различных измерений мы обычно представляем себе границы абсолютной погрешности и всегда можем сказать, какого определённого числа она не превосходит.
Торговые весы могут дать абсолютную погрешность, не превышающую 5 г, а аптекарские – не превышающую одной сотой грамма.
Записывают абсолютную погрешность числа, используя знак ± .
Длина рулона обоев составляет.
Границу абсолютной погрешности называют предельной абсолютной погрешностью .
Но абсолютная погрешность не даёт нам представление о качестве измерения, то есть о том, насколько тщательно это измерение выполнено. Чтобы понять эту мысль, достаточно разобраться в таком примере.
Допустим, что при измерении коридора длиной в 20 м мы допустили абсолютную погрешность всего только в 1 см. Теперь представим себе, что, измеряя корешок книги, имеющий 18 см длины, мы тоже допустили абсолютную погрешность в 1 см. Тогда понятно, что первое измерение нужно признать превосходным, но зато второе – совершенно неудовлетворительным. Это значит, что на 20 м ошибка в 1 см вполне допустима и неизбежна, но на 18 см такая ошибка является очень грубой.
Отсюда ясно, что для оценки качества измерения существенна не сама абсолютная погрешность, а та доля, какую она составляет от измеряемой величины. При измерении коридора длиной в 20 м погрешность в 1 см составляет
Делаем вывод, что измеряя корешок книги, имеющий 18 см длины и допустив погрешность в 1 см, можно считать измерение с большой ошибкой. Но если погрешность в 1 см была допущена при измерении коридора длиной в 20 м, то это измерение можно считать максимально точным.
Если ошибка, возникающая при измерении линейкой или каким либо другим измерительным инструментом, значительно меньше, чем деления шкалы этой линейки, то в качестве абсолютной погрешности измерения обычно берут половину деления. Если деления на линейке нанесены достаточно точно, то ошибка при измерении близка к нулю.
Тогда значение измеряемой длины предмета будет значение ближайшей метки линейки. Поэтому, если измерение выполнено аккуратно, то истинная длина предмета может отличаться от измеренной длины не более чем на половину деления шкалы, то есть 0,5 мм .
Для измерения длины болта использованы метровая линейка с делениями 0,5 см и линейка с делениями 1 мм. В обоих случаях получен результат 3,5 см. Ясно, что в первом случае отклонение найденной длины 3,5 см от истинной, не должно по модулю превышать 0,5 см, во втором случае 0,1 см.
Если этот же результат получится при измерении штангенциркулем, то
Данный пример показывает зависимость абсолютной погрешности и границ, в которых находится точный результат, от точности измерительных приборов. В одном случае ∆ l = 0,5 и, следовательно,
Длина листа бумаги формата А4 равна (29,7 ± 0,1) см. А расстояние от Санкт-Петербурга до Москвы равно (650 ± 1) км. Абсолютная погрешность в первом случае не превосходит одного миллиметра, а во втором – одного километра. Необходимо сравнить точность этих измерений.
Если вы думаете, что длина листа измерена точнее потому, что величина абсолютной погрешности не превышает 1 мм, то вы ошибаетесь. Напрямую сравнить эти величины нельзя. Проведём некоторые рассуждения.
При измерении длины листа абсолютная погрешность не превышает 0,1 см на 29,7 см, то есть в процентном отношении это составляет
0,1 : 29,7 ∙ 100% ≈ 0,33%
Когда мы измеряем расстояние от Санкт-Петербурга до Москвы, то абсолютная погрешность не превышает 1 км на 650 км, что в процентном соотношении составляет
1 : 650 ∙ 100% ≈ 0,15%
Видим, что расстояние между городами измерено точнее, чем длинна листа формата А4.
Истинное значение измеряемой величины известно бывает лишь в очень редких случаях, а поэтому и действительная величина абсолютной погрешности почти никогда не может быть вычислена. На практике абсолютной погрешности недостаточно для точной оценки измерения. Поэтому на практике более важное значение имеет определение относительной погрешности измерения.
Абсолютная погрешность, как мы убедились, не даёт возможности судить о качестве измерения. Поэтому для оценки качества приближения вводится новое понятие – относительная погрешность. Относительная погрешность позволяет судить о качестве измерения.
Относительная погрешность – это частное от деления абсолютной погрешности на модуль приближённого значения измеряемой величины, выраженная в долях или процентах.
Округлим дробь 14,7 до целых и найдём относительную погрешность приближённого значения :
При измерении в (сантиметрах) толщины b стекла и длины l книжной полки получили следующие результаты :
b ≈ 0,4 с точностью до 0,1 ,
l ≈ 100 с точностью до 0,1.
Абсолютная погрешность каждого из этих измерений не превосходит 0,1 . Однако 0,1 составляет существенную часть числа 0,4 и ничтожную часть числа 100 . Это показывает, что качество второго измерения намного выше, чем первого.
В результате измерения нашли, что b ≈ 0,4 с точностью до 0,1 , то есть абсолютная погрешность измерения не превосходит 0,1 . Значит, отношение абсолютной погрешности к приближённому значению меньше или равно
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 1 см очень велика, это ошибка в 10% . А для десятиметрового отрезка 1 см не имеет значения, эта ошибка всего в 0,1%.
Чем меньше относительная погрешность измерения, тем оно точнее.
Различают систематические и случайные погрешности.
Систематической погрешностью называют ту погрешность, которая остаётся неизменной при повторных измерениях.
Случайной погрешностью называют ту погрешность, которая возникает в результате воздействия на процесс измерения внешних факторов и может изменять своё значение.
В большинстве случаев невозможно узнать точное значение приближённого числа, а значит, и точную величину погрешности. Однако почти всегда можно установить, что погрешность (абсолютная или относительная) не превосходит некоторого числа.
Продавец взвешивает арбуз на чашечных весах. В наборе наименьшая гиря – 50 г. Взвешивание показало 3600 г. Это число – приближённое. Точный вес арбуза неизвестен. Но абсолютная погрешность не превышает 50 г. Относительная погрешность не превосходит
Число, заведомо превышающее абсолютную погрешность (или в худшем случае равное ей), называется предельной абсолютной погрешностью.
Число, заведомо превышающее относительную погрешность (или в худшем случае равное ей), называется предельной относительной погрешностью.
В предыдущем примере за предельную абсолютную погрешность можно взять 50 г , а за предельную относительную погрешность 1,4% .
Величина предельной погрешности не является вполне определённой. Так в предыдущем примере можно принять за предельную абсолютную погрешность 100 г , 150 г и вообще всякое число, большее чем 50 г . На практике берётся по возможности меньшее значение предельной погрешности. В тех случаях, когда известна точная величина погрешности, эта величина служит одновременно предельной погрешностью. Для каждого приближённого числа должна быть известна его предельная погрешность (абсолютная или относительная). Когда она прямо не указана, подразумевается что предельная абсолютная погрешность составляет половину единицы последнего выписанного разряда. Так, если приведено приближённое число 4,78 без указания предельной погрешности, то подразумевается, что предельная абсолютная погрешность составляет 0,005 . В следствии этого соглашения всегда можно обойтись без указания предельной погрешности числа.
Предельная абсолютная погрешность обозначается греческой буквой ∆ ( >), предельная относительная погрешность – греческой буквой δ ( >). Если приближённое число обозначить буквой а ,
На практике относительную погрешность округляют до двух значащих цифр, выполняя округление с избытком, то есть, всегда увеличивая последнюю значащую цифру на единицу.
Для х = 1,7 ± 0,2 относительная погрешность измерений равна :
Длина карандаша измерена линейкой с миллиметровым делением. Измерение показало 17,9 см. Какова предельная относительная погрешность этого измерения ?
Здесь а = 17,9 см. Можно принять ∆ = 0,1 см, так как с точностью до 1 мм измерить карандаш нетрудно, а значительно уменьшить предельную погрешность не удастся (при навыке можно прочесть на хорошей линейке и 0,02 и даже 0,01 см, но у самого карандаша рёбра могут отличаться на большую величину ). Относительная погрешность равна
Цилиндрический поршень имеет около 35 мм в диаметре. С какой точностью нужно его измерить микрометром, чтобы предельная относительная погрешность составляла 0,05% ?
По условию, предельная относительная погрешность должна составлять 0,05% от 35 мм. Следовательно, предельная абсолютная погрешность равна
Можно воспользоваться формулой
Подставляя в формулу
∆ = 35 × 0,0005 = 0,0175 мм .
Действия над приближёнными числами.
Сложение и вычитание приближённых чисел.
Абсолютная погрешность суммы двух величин равна сумме абсолютных погрешностей отдельных слагаемых.
Складываются приближённые числа
Пусть предельная погрешность первого есть 5 , а второго 1. Тогда предельная погрешность суммы равна
Так, если истинное значение первого есть 270 , а второго 33 , то приближённая сумма
Найти сумму приближённых чисел :
0,0909 + 0,0833 + 0,0769 + 0,0714 + 0,0667
+ 0,0625 + 0,0588 + 0,0556 + 0,0526.
Сложение даёт следующий результат – 0,6187 .
Предельная погрешность каждого слагаемого
Предельная погрешность суммы :
0,00005 ∙ 9 = 0,00045.
Значит, в последнем (четвёртом) знаке суммы возможна ошибка до 5 единиц. Поэтому округляем сумму до третьего знака, то есть до тысячных. Получаем 0,619 , здесь все знаки верные.
При значительном числе слагаемых обычно происходит взаимная компенсация погрешностей, поэтому истинная погрешность суммы лишь в исключительных случаях совпадает с предельной погрешностью или близка к ней. Насколько редки эти случаи, видно из предыдущего примера, где 9 слагаемых. Истинная величина каждого из них может отличаться в пятом знаке от взятого приближённого значения на 1, 2, 3, 4 или даже на 5 единиц в ту и в другую сторону.
Например, первое слагаемое может быть больше своего истинного значения на 4 единицы пятого знака, второе – на две, третье – меньше истинного на одну единицу и так далее.
Расчёт показывает, что число всех возможных случаев распределения погрешностей составляет около одного миллиарда. Между тем лишь в двух случаях погрешность суммы может достигнуть предельной погрешности 0,00045 , это произойдёт:
– когда истинная величина каждого слагаемого больше приближённой величины на 0,00005 ;
– когда истинная величина каждого слагаемого меньше приближённой величины на 0,00005 .
Значит, случаи, когда погрешность суммы совпадает с предельной, составляют только 0,0000002% всех возможных случаев.
Дальнейший расчёт показывает, что случаи, когда погрешность суммы девяти слагаемых может превысить три единицы последнего знака, тоже очень редки. Они составляют лишь 0,07% из числа всех возможных. Две единицы последнего знака погрешность может превысить 2% всех возможных случаев, а одну единицу – примерно в 25% . В остальных 75% случаев погрешность девяти слагаемых не превышает одной единицы последнего знака.
Найти сумму точных чисел :
0,0909 + 0,0833 + 0,0769 + 0,0714 + 0,0667
+ 0,0625 + 0,0588 + 0,0556 + 0,0526.
Сложение даёт следующий результат – 0,6187.
Округлим их до тысячных и сложим :
0,091 + 0,083 + 0,077 + 0,071 + 0,067
+ 0,062 + 0,059 + 0,056 + 0,053 = 0,619.
Предельная погрешность суммы :
0,0005 ∙ 9 = 0,0045.
Приближённая сумма отличается от истинной на 0,0003 , то есть на треть единицы последнего знака приближённых чисел. Все три знака приближённой суммы верны, хотя теоретически последняя цифра могла быть грубо неверной.
Произведём в наших слагаемых округление до сотых. Теперь предельная погрешность суммы будет :
Между тем получим :
0,09 + 0,08 + 0,08 + 0,07 + 0,07
+ 0,06 + 0,06 + 0,06 + 0,05 = 0,62.
Истинная погрешность составляет только 0,0013 .
Предельная абсолютная погрешность разности двух величин равна сумме предельных абсолютных погрешностей уменьшаемого и вычитаемого.
Пусть предельная погрешность приближённого уменьшаемого 85 равна 2 , а предельная погрешность вычитаемого 32 равна 3 . Предельная погрешность разности
В самом деле, истинное значение уменьшаемого и вычитаемого могут равняться
Тогда истинная разность есть
Она на 5 отличается от приближённой разности 53 .
Относительная погрешность суммы и разности.
Предельную относительную погрешность суммы и разности легко найти, вычислив сначала предельную абсолютную погрешность.
Предельная относительная погрешность суммы (но не разности!) лежит между наименьшей и наибольшей из относительных погрешностей слагаемых. Если все слагаемые имеют одну и ту же (или примерно одну и ту же) предельную относительную погрешность, то и сумма имеет ту же (или примерно ту же) предельную относительную погрешность. Другими словами, в этом случае точность суммы (в процентном выражении) не уступает точности слагаемых. При значительном же числе слагаемых сумма, как правило, гораздо точнее слагаемых.
Найти предельную абсолютную и предельную относительную погрешность суммы чисел :
В каждом слагаемом суммы
24,4 + 25,2 + 24,7 = 74,3
предельная относительная погрешность примерно одна и та же, а именно :
Такова же она и для суммы.
Здесь предельная абсолютная погрешность равна 0,15 , а относительная
0,15 : 74,3 ≈ 0,15 : 75 = 0,2%.
В противоположность сумме разность приближённых чисел может быть менее точной, чем уменьшаемое и вычитаемое. > особенно велика в том случае, когда уменьшаемое и вычитаемое мало отличаются друг от друга.
Относительные погрешности при сложении и вычитании складывать нельзя.
Умножение и деление приближённых чисел.
При делении и умножении чисел требуется сложить относительные погрешности.
Пусть перемножаются приближённые числа 50 и 20 , и пусть предельная относительная погрешность первого сомножителя есть 0,4%, а второго 0,5%.
Тогда предельная относительная погрешность произведения
приближённо равна 0,9% . В самом деле предельная абсолютная погрешность первого сомножителя есть
Поэтому истинная величина произведения не больше чем
(50 + 0,2)(20 + 0,1) = 1009,02,
и не меньше, чем
(50 – 0,2)(20 – 0,1) = 991,022 .
Если истинная величина произведения есть 1009,2 , то погрешность произведения равна
1009,2 – 1000 = 9,02,
а если 991,02 , то погрешность произведения равна
1000 – 991,02 = 8,98.
Рассмотренные два случая – самые неблагоприятные. Значит, предельная абсолютная погрешность произведения есть 9,02 . Предельная относительная погрешность равна
Источник
