4. 2. Свойства случайных погрешностей

Случайные погрешности характеризуются следующими свойствами:

1. При определенных условиях измерений случайные погрешности по абсолютной величине не могут превышать известного предела, называемого предельной погрешностью. Это свойство позволяет обнаруживать и исключать из результатов измерений грубые погрешности.

2. Положительные и отрицательные случайные погрешности примерно одинаково часто встречаются в ряду измерений, что помогает выявлению систематических погрешностей.

3. Чем больше абсолютная величина погрешности, тем реже она встречается в ряду измерений.

4. Среднее арифметическое из случайных погрешностей измерений одной и той же величины, выполняемых при одинаковых условиях, при неограниченном возрастании числа измерений стремится к нулю. Это свойство, называемое свойством компенсации, можно математически записать так: , где - знак суммы, т.е. = ∆₁ + ∆₂ + ∆₃+ … + ∆_n , n – число измерений.

Последнее свойство случайных погрешностей позволяет установить принцип получения из ряда измерений одной и той же величины результата, наиболее близкого к ее истинному значению, т.е. наиболее точного. Таким результатом является среднее арифметическое из n измеренных значений данной величины. При бесконечно большом числе измерений .

При конечном числе измерений арифметическая средина x = содержит остаточную случайную погрешность, однако от точного значения X измеряемой величины она отличается меньше, чем любой результат l непосредственного измерения. Это позволяет при любом числе измерений, если n > 1, принимать арифметическую средину за окончательное значение измеренной величины. Точность окончательного результата тем выше, чем больше n.

4. 3. Средняя квадратическая, предельная и относительная погрешности

Для правильного использования результатов измерений необходимо знать, с какой точностью, т.е. с какой степенью близости к истинному значению измеряемой величины, они получены. Характеристикой точности отдельного измерения в теории погрешностей служит предложенная Гауссом средняя квадратическая погрешность m, вычисляемая по формуле

где n – число измерений данной величины.

Эта формула применима для случаев, когда известно истинное значение измеряемой величины. Такие случаи в практике встречаются редко. В то же время из измерений можно получить результат, наиболее близкий к истинному значению, - арифметическую средину. Для этого случая средняя квадратическая погрешность одного измерения подсчитывается по формуле Бесселя:

где - отклонения отдельных значений измеренной величины от арифметической средины, называемые вероятнейшими погрешностями, причем [ ] = 0.

Точность арифметической средины, естественно, будет выше точности отдельного измерения. Ее средняя квадратическая погрешность M определяется по формуле

где m – средняя квадратическая погрешность одного измерения, вычисляемая по формуле или .

Часто в практике для контроля и повышения точности определяемую величину измеряют дважды – в прямом и обратном направлениях, например, длину линий, превышения между точками. Из двух полученных значений за окончательное применяется среднее из них. В этом случае средняя квадратическая погрешность одного измерения подсчитывается по формуле

m = √ ([d²]) / 2n

а среднего результата из двух измерений – по формуле

,

где d – разность двукратно измеренных величин, n – число разностей (двойных измерений).

В соответствии с первым свойством случайных погрешностей для абсолютной величины случайной погрешности при данных условиях измерений существует допустимый предел, называемый предельной погрешностью. В строительных нормах предельная погрешность называется допускаемым отклонением.

Теорией погрешностей измерений доказывается, что абсолютное большинство случайных погрешностей (68,3%) данного ряда измерений находится в интервале от 0 до ±m; в интервал от 0 до ±2m попадает 95,4%, а от 0 до ±3m – 99,7% погрешностей. Таким образом, из 100 погрешностей данного ряда измерений лишь пять могут оказаться больше или равны 2m, а из 1000 погрешностей только три будут больше или равны 3m. На основании этого в качестве предельной погрешности ∆_пред для данного ряда измерений принимается утроенная средняя квадратическая погрешность, т.е. ∆_пред = 3m. На практике во многих работах для повышения требований точности измерений принимают ∆_пред = 2m. Погрешность измерений, величины которых превосходят ∆_пред, считают грубыми.

Иногда о точности измерений судят не по абсолютной величине средней квадратической или предельной погрешности, а по величине относительной погрешности.

Относительной погрешностью называется отношение абсолютной погрешности к значению самой измеренной величины. Относительная погрешность выражается в виде простой дроби, числитель которой – единица, а знаменатель – число, округленное до двух - трех значащих цифр с нулями. Например, относительная средняя квадратическая погрешность измерения линии длиной l = 110 м при m₁ = 2 см равна m₁/ l = 1/5 500, а относительная предельная погрешность при ∆_пред = 3m = 6 см, ∆_пред / l = 1/1 800.