Добавил:
Upload Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз: Предмет: Файл:
УП - теор. метрология ч.1- Шишкин 2008.pdf
Скачиваний:
119
Добавлен:
02.04.2015
Размер:
2.93 Mб
Скачать

И.Ф. Шишкин. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ МЕТРОЛОГИЯ

________________________________________________________________

5.2. ОДНОКРАТНОЕ ИЗМЕРЕНИЕ ПО ГРАДУИРОВАННЫМ ШКАЛАМ

Подавляющее большинство измерений являются однократными. Можно сказать, что в обиходе, в торговле, во многих областях производственной деятельности выполняются только однократные измерения. В обычных условиях их точность вполне приемлема, а простота, высокая производительность (количество измерений в единицу времени) и низкая стоимость (по оценке трудозатрат) ставят их вне конкуренции. Многие люди до конца своей жизни остаются знакомыми только с однократными измерениями.

У серийно выпускаемых измерительных приборов шкалы отсчетных устройств в большинстве случаев уже проградуированы в значениях измеряемой величины. Первый этап решения обратной задачи теории измерений, следовательно, выполнен, и в результате измерительной процедуры снимается показание (10), в которое, при необходимости, нужно внести поправку. После внесения поправки получается результат измерения (11), (12), который в отличие от значения измеряемой величины является случайным. На втором этапе решения обратной задачи неслучайное значение измеряемой величины отождествляется со средним значением результата измерения, область определения которого устанавливается, исходя из априорной информации.

Таким образом, необходимым условием проведения однократного измерения

служит наличие априорной информации. К ней относится, например, информация о виде закона распределения вероятности показания и мере его рассеяния, которая извлекается из опыта предшествовавших измерений. Если ее нет, то используется информация о том, на сколько значение измеряемой величины может отличаться от результата однократного измерения. Такая информация бывает представлена классом точности средства измерений (см. разд. 2.2.2). К априорной относится также информация о значении аддитивной или мультипликативной поправки θ. Если оно неизвестно, то это учитывается ситуационной моделью, согласно которой с одинаковой вероятностью, например, значение поправки может быть, любым в пределах от θmin до θmax. Без апри-

орной информации выполнение однократного измерения бессмысленно.

Последовательность действий при однократном измерении показана на рис. 51 . Предварительно проводится тщательный анализ априорной информации. В ходе этого анализа уясняется физическая сущность изучаемого явления, уточняется его модель, определяются влияющие факторы и меры, направленные на уменьшение их влияния (термостатирование, экранирование, компенсация электрических и магнитных полей и др.), значения поправок, принимается решение в пользу той или иной методики измерения, выбирается средство измерений, изучаются его метрологические характеристики и опыт выполнения подобных измерений в прошлом. Важным итогом этой предварительной работы должна стать твердая уверенность в том, что точности однократного измерения достаточно для решения поставленной задачи. Если это условие выполняется, то после необходимых приготовлений, включающих установку и подготовку к работе средства измерений, исключение или компенсацию влияющих факторов, выполняется основная измерительная процедура — получение одного значения отсчета (или показания, если шкала отсчетного устройства уже проградуирована в значениях измеряемой величины).

112

Часть I. ОБЩАЯ ТЕОРИЯ ИЗМЕРЕНИЙ

________________________________________________________________

Анализ априорной информации; определение поправки θ

Получение единственного значения отсчета x по формуле (8)

Перевод x в единственное значение показания X по формуле (10)

Внесение в показание поправки и получение результата однократного измерения Q по формуле (11) или (12)

Определение пределов, в которых находится значение измеряемой величины Q с выбранной вероятностью

Рис.51.

Порядок выполнения однократного измерения

Если измерение выполняется не в нормальных, а в рабочих условиях, то в показание вносится поправка, значение которой может быть известно точно или с некоторой неопределенностью. Внесением поправки заканчивается процедура получения результата однократного измерения. После этого выбирается вероятность, с которой будет установлен интервал, в пределах которого находится значение измеряемой величины, и определяются границы этого интервала.

Таким образом, конечной целью измерительного эксперимента является получение достоверной количественной информации о значении измеряемой величины Q. На пути к достижению этой цели получение результата однократного измерения слу-

жит промежуточным этапом. Проанализируем несколько конкретных вариантов.

Вариант 1. Априорная информация: отсчет, а, следовательно, и показание подчиняются нормальному закону распределения вероятности с известной стандартной неопределенностью типа A. Измерение будет выполняться в рабочих условиях, и в показание нужно внести аддитивную поправку, значение которой равно θ.

В этом случае результат измерения Q (см. формулу (12) будет подчиняться нормальному закону распределения вероятности с известным средним квадратическим отклонением σQ = σX , смещенному по отношению к закону распределения вероятно-

сти показания X на значение поправки θ, внесение которой обеспечит правильность измерения (см. рис. 30). Для более наглядного решения обратной задачи (см. п. 4.4 ), по данным таблицы 9 построим график зависимости доверительного интервала от доверительной вероятности. На рис. 52 ему соответствует верхняя кривая.

113

И.Ф. Шишкин. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ МЕТРОЛОГИЯ

________________________________________________________________

Рис. 52.

Вероятность попадания отдельного значения результата измерения в окрестность среднего значения

Задавшись доверительной вероятностью Р, можно по верхней кривой на рис. 52 определить параметр t, показывающий, на сколько σQ полученное экспериментально

значение результата однократного измерения Qi = Xi + θ может отличаться от среднего

значения Q , отождествляемого со значением измеряемой величины Q. C той же веро-

ятностью значение измеряемой величины Q находится в интервале [Qi - tσQ; Qi + tσQ]. Эта измерительная информация записывается в форме:

Q = Qi - tσQ Qi + tσQ с доверительной вероятностью Р.

114

Часть I. ОБЩАЯ ТЕОРИЯ ИЗМЕРЕНИЙ

________________________________________________________________

Не рекомендуется пользоваться записью Q = Qi ± tσQ, так как в силу особенностей человеческой психики при этом возникает некоторая доминанта, акцент на середину интервала, для чего нет никаких оснований. Все значения Q в интервале [Qi - tσQ; Qi + tσQ] равноправны.

Вариант 2. Априорная информация: отсчет, а, следовательно, и показание подчиняются неизвестному закону распределения вероятности с известной стандартной неопределенностью типа A. Измерение будет выполняться в нормальных условиях, так что во внесении поправки нет необходимости.

В данном случае закон распределения вероятности результата измерения будет неизвестен, известным будет лишь его среднее квадратическое отклонение σQ = σX .

Вероятность того, что отдельное значение результата измерения Qi при любом законе

распределения вероятности не будет отличаться от среднего значения Q больше, чем

на половину доверительного интервала [ Q - tσQ ; Q + tσQ], устанавливается неравен-

ством П.Л. Чебышева (см. п. 4.4). Иными словами, неравенство П.Л. Чебышева определяет нижнюю границу вероятности того, что ни при каком законе распределения вероятности случайное значение результата измерения не окажется за пределами доверительного интервала. Эта граница соответствует нижней кривой на рис. 52. Задавшись доверительной вероятностью Р, можно по нижней кривой на рис. 52 найти параметр t, показывающий самое большое количество σQ , на которое экспериментально

полученное значение результата однократного измерения Qi = Xi может отличаться от

среднего значения Q . С той же вероятностью неслучайное значение измеряемой ве-

личины Q, отождествляемое с

Q

,

находится в интервале [Qi - tσQ;

Qi + tσQ]. Форма, в которой записывается эта измерительная информация, приведена в варианте 1.

При симметричных законах распределения вероятности результата измерения неравенство П.Л. Чебышева имеет вид

P{Q Q Qi Q + Q }194 t12 .

Соответствующая граница проходит левее и выше. На рис. 52 она показана пунктиром.

Вариант 3. Априорная информация представлена классом точности измерительного прибора. Измерение будет выполняться в нормальных условиях, так что во внесении поправки нет необходимости.

Так как поправка в показание не вносится, закон распределения вероятности результата измерения совпадает с законом распределения вероятности показания, и X =

Q . Значение измеряемой величины Q, отождествляемое с Q и X , не может отличаться от значения Xi, которое показывает указатель отсчетного устройства, больше чем на

115

И.Ф. Шишкин. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ МЕТРОЛОГИЯ

________________________________________________________________

соответствующее классу точности число процентов. Поскольку среди возможных значений Q нет предпочтительных, постольку математической моделью такой ситуации (см. п.1.1) является равномерный "закон распределения вероятности" Q на интервале возможных значений [Q1;Q2], показанный на рис. 53.

Рис. 53. Математическая модель ситуации, возникающей при использовании класса точности измерительного прибора

“Функция распределения” вероятности Q

Q

Q

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

Q Q1

 

F(Q)= p(Q)dQ =

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Q

 

(27)

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

dQ =

 

 

 

 

 

Q

 

Q1

=

 

 

 

.

Q

2

Q

 

Q

2

Q

 

 

Q

2

Q

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Q

Q

 

 

1

 

 

 

 

 

1

 

 

 

 

 

 

1

 

 

1

1

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

“Вероятность” того, что значение Q находится слева от середины интервала [Q1;Q2] на

удалении, не более чем kuQ, равна

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1

 

 

Q

+ Q

 

k uQ

 

,

 

 

 

 

 

 

 

 

 

2

F

1

2

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

а “вероятность” того, что оно находится в окрестности середины интервала ± kuQ, в два раза больше:

Q

+ Q

2

 

P =12 F

1

 

k uQ .

 

2

 

 

 

 

 

Это аналог доверительной вероятности, называемый уровнем доверия. Коэффициент k, являющийся аналогом параметра t, называется коэффициентом охвата, а произведе-

ние kuQ - расширенной неопределенностью.

Используя выражение (27) при Q = Q1 + Q2 kuQ , и принимая во внимание

2

(см. п. 1.1), что

116

Часть I. ОБЩАЯ ТЕОРИЯ ИЗМЕРЕНИЙ

________________________________________________________________

Q Q = 2u

Q

3 ,

Q1+Q2

Q = u

Q

3 ,

 

2 1

 

2

1

 

 

 

 

 

 

 

окончательно получим:

P =

k

.

(28)

 

3

 

 

На рис. 54 по формуле (28) построена линейная зависимость уровня доверия P от коэффициента охвата k при равномерном "законе распределения вероятности" Q.

Рис. 54.

Зависимость уровня доверия P от коэффициента охвата k

117

И.Ф. Шишкин. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ МЕТРОЛОГИЯ

________________________________________________________________

Задавшись уровнем доверия Р, можно, используя эту зависимость, определить коэффициент охвата k, показывающий, на сколько uQ значение измеряемой величины Q может отличаться от своего "среднего значения", равного Xi, т.е. указать интервал [Xi - kuQ; Xi + kuQ], в котором значение измеряемой величины Q находится с выбранным уровнем доверия. Эта измерительная информация записывается в форме:

Q = Xi - kuQ Xi + kuQ с уровнем доверия Р.

Продолжение примеров 9…14

В примере 9 при уровне доверия P = 1 и коэффициенте охвата k = 1,732 расширенная неопределенность составляет 1 В. Измеряемое напряжение

U = (123…125) В с уровнем доверия 1,0.

В примере 10 при уровне доверия P = 0,99 и коэффициенте охвата k = 1,71 расширенная неопределенность составляет 0,29 А. Измеряемая сила тока

I = (3,71…4,29) А с уровнем доверия 0,99.

В примере 11 при уровне доверия P = 0,95 и коэффициенте охвата k =1,65 расширенная неопределенность составляет 0,095 Гц. Измеряемая частота

F = (51,305…51,495) Гц с уровнем доверия 0,95.

В примере 12 при уровне доверия P = 0,9 и коэффициенте охвата k = 1,56 расширенная неопределенность составляет 0,50 . Измеряемый угол сдвига фазы между током и напряжением в электрической цепи

φ= (39…40) 0 с уровнем доверия 0,9.

Впримере 13 при уровне доверия P = 0,58 и коэффициенте охвата k = 1,0 расширенная неопределенность составляет 0,57 Мом. Измеряемое сопротивление

R = (39,43…40,57) Мом с уровнем доверия 0,58.

В примере 14 при уровне доверия P = 0,5 и коэффициенте охвата k = 0,866 расширенная неопределенность составляет 0,0037 А. Измеряемая сила тока

I = (-24,9963…-25,0037) А с уровнем доверия 0,5.

Вариант 4. Априорная информация представлена классом точности измерительного прибора. Измерение будет выполняться в рабочих условиях, и в показание нужно внести аддитивную поправку, значение которой равно θ.

Внесение аддитивной поправки смещает математическую модель p( X ), показанную на рис. 53, влево или вправо, в зависимости от знака θ, так, как это показано, например, на рис. 55.

118

Часть I. ОБЩАЯ ТЕОРИЯ ИЗМЕРЕНИЙ

________________________________________________________________

Рис. 55. Внесение аддитивной поправки, значение которой известно точно

Неопределенность измерения при этом не меняется. Задавшись уровнем доверия Р, можно по тому же графику на рис. 54 определить коэффициент охвата k, показывающий, на сколько uQ значение измеряемой величины Q может отличаться от своего "среднего значения", равного Qi = Xi + θ, т.е. указать интервал [Qi - kuQ; Qi + kuQ], в котором значение измеряемой величины Q находится с выбранным уровнем доверия. Эта измерительная информация записывается в форме:

Q = Qi - kuQ Qi + kuQ с уровнем доверия Р.

Вариант 5. Априорная информация представлена классом точности измерительного прибора. Измерение будет выполняться в условиях, при которых в показание нужно внести аддитивную поправку, значение которой находится в интервале от θ1 до

θ2.

На рис. 56,а показаны ситуационные модели p( X ), p( θ) и их композиция

p( Q ) ≡ p(Q)

в предположении, что неопределенности показания и поправки равны. Композицией двух равномерных законов распределения вероятности с одинаковой дисперсией является треугольный закон (закон распределения вероятности Симпсона) со средним зна-

чением

 

= Qi = Xi +

θ1 + θ2

и параметрами, показанными на рис. 56,а.

Q

2

 

 

 

 

119

И.Ф. Шишкин. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ МЕТРОЛОГИЯ

________________________________________________________________

При Q2a Q Q

p(Q) = Q (Q 2a) tgϕ = Q (Q 2 2a) . 4a

Обозначим Q (Q 2a) = x , тогда

x

x

 

x2

 

 

2a)]2

 

[Q(Q

F(x)=

 

dx =

 

=

 

4a2

8a2

8a2

0

 

 

 

 

 

 

 

“Вероятность” того, что значение Q находится слева от Q kuQ , равна

.

на удалении, не более чем

1[(Q kuQ )2(Q 2a)]2 ,

28a

а“вероятность” того, что оно находится в окрестности Q на удалении, не более чем ± kuQ, в два раза больше:

 

[(

 

 

kuQ )

(

 

2a)]2

 

 

P =1

Q

Q

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

.

 

 

 

 

 

 

 

4a2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Для треугольного закона распределения вероятности uQ =

2a

. Отсюда

6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

k

 

 

 

k

 

 

 

P =

 

 

2

 

 

 

 

.

 

(29)

6

6

 

 

 

 

 

 

 

 

 

На рис. 54 по формуле (29) построена нелинейная зависимость уровня доверия P от коэффициента охвата k при треугольном "законе распределения вероятности" Q. Задавшись уровнем доверия Р, можно, используя эту зависимость, определить коэффициент охвата k, показывающий, на сколько uQ значение измеряемой величины Q

может отличаться от своего "среднего значения", равного

Xi +

θ1 + θ2

, т.е. указать ин-

2

 

θ1 + θ2

 

θ1 + θ2

 

 

 

тервал [Xi +

- kuQ; Xi +

+ kuQ], в котором значение измеряемой величи-

2

2

 

 

 

 

 

 

ны Q находится с выбранным уровнем доверия. Эта измерительная информация записывается в форме:

Q = Xi +

θ1 +θ2

- kuQ … Xi +

θ1 + θ2

+ kuQ с уровнем доверия Р.

2

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

120

 

Часть I. ОБЩАЯ ТЕОРИЯ ИЗМЕРЕНИЙ

________________________________________________________________

а

б

Рис. 56. Внесение аддитивной поправки, точное значение которой неизвестно

121

И.Ф. Шишкин. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ МЕТРОЛОГИЯ

________________________________________________________________

Если неопределенности ситуационных моделей p( X ) и p( θ) не равны, то композицией двух равномерных законов распределения вероятности с неодинаковыми дисперсиями будет трапецеидальный закон распределения вероятности со средним значе-

нием Q = Qi = Xi + θ1 +2θ2 и параметрами

a = a1 + a2 ;

1

 

 

b a1 a2

 

h =

 

;

β =

 

=

 

.

 

 

a

a1 + a2

b = a1 a2 ;

(1 + β)a

показанными на рис. 56,б.

 

 

 

 

 

 

 

 

Принимая во внимание, что для трапецеидального закона распределения вероятности

uQ = a

1

+β2

,

 

 

6

 

 

 

 

на рис. 54 можно построить зависимость P(k), использование которой позволит определить интервал [Q1;Q2], в пределах которого находится значение измеряемой величины Q c выбранным уровнем доверия. Каждому значению β будет соответствовать своя кривая. Так как при b → a трапецеидальный закон переходит в равномерный, а при b → 0 – в треугольный, все кривые будут располагаться между двумя граничными линиями, показанными на рис. 54.

Вариант 6. Априорная информация: отсчет а, следовательно, и показание подчиняются нормальному закону распределения вероятности с известной стандартной неопределенностью типа A; значение аддитивной поправки находится в пределах от θ1

до θ2 .

Среднее значение показания не может быть удалено от его единственного значения Xi больше, чем на ± t σX , где t зависит от выбора доверительной вероятности.

Пусть P = 0,997; тогда t = 3. Ситуационная модель, отражающая дефицит информации о среднем значении показания, представляет собой равномерный "закон распределения вероятности" X на интервале [Xi - 3 σX ; Xi + 3 σX ] со средним значением Xi и стандартной неопределенностью типа B

u X = 3X .

Далее см. вариант 5. Вероятность того, что значение измеренной величины находится в пределах установленного интервала, равна произведению доверительной вероятности на выбранный уровень доверия.

Вариант 7. Априорная информация: отсчет а, следовательно, и показание подчиняются нормальному закону распределения вероятности со средним квадратическим

122

Часть I. ОБЩАЯ ТЕОРИЯ ИЗМЕРЕНИЙ

________________________________________________________________

отклонением σx = σX ; значение мультипликативной поправки находится в пределах от θ1 до θ2 .

Этот случай рассмотрим на примере.

Продолжение примера 15.

В примере 15 коэффициент линейного расширения сплава α неизвестен. По справочным данным он может быть в пределах от 10-6 К-1 до 10-5 К-1. В каких пределах находится значение измеренного линейного размера, если единственное значение отсчета xi в условиях, рассмотренных в примере, оказалось равным 1, а из опыта предшествовавших измерений известно, что отсчет подчиняется нормальному закону распределения вероятности со средним квадратическим отклонением 2 103 ?

Решение. 1. Результат измерения (см. формулу (11) Q = θX.

2. θ = 1 + α(t - tн) = 1 + 1000α. Отсутствие точных сведений об α можно учесть с помощью ситуационной модели, согласно которой мультипликативная поправка (поправочный множитель) с одинаковой вероятностью может иметь любое значение в пределах интервала 1,001 θ1,01. Числовые характеристики этого "закона распределения вероятности”:

θ =1,0055;

uθ = 2,6 103 .

3. Среднее значение показания не может быть удалено от его единственного значения Xi = 1м больше, чем на ± t σX , где t зависит от выбора доверительной вероятности. Пусть P = 0,997; тогда t = 3. Ситуационная модель, отражающая дефицит информации о среднем значении показания, представляет собой равномерный "закон распределения вероятности" X на интервале [Xi - 3 σX ; Xi + 3 σX ] со средним значением Xi = 1м и стандартной неопределенностью типа B

u

 

= X

= 6 103

= 3,5 103 м.

X

 

3

1,73

 

 

 

 

4. Среднее значение результата измерения

Q = θ X =1,0055 1 м =1,0055м

имеет суммарную стандартную неопределенность, определяемую по формуле (22):

uQ = X 2 uθ2 + θ2u2X = 12 (2,6 103 )2 +1,00552 (3,5 103 )2 = 4,36 103 м,

и расширенную неопределенность kuQ , где, согласно Руководству ИСО, по аналогии с вероятностно-

статистическими методами расчетов коэффициент охвата k выбирается равным 2…3. В теории вероятности и математической статистике таким значениям параметра t соответствует достаточно высокая доверительная вероятность. Измерительная информация в таком случае записывается в форме:

Q = Q kuQ ...Q + kuQ при коэффициенте охвата, равном k.

123

И.Ф. Шишкин. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ МЕТРОЛОГИЯ

________________________________________________________________

5. Значение измеренного линейного размера, отождествляемое со средним значением результата измерения,

Q = (982…1019) мм при коэффициенте охвата, равном 3.

Приведем еще два примера.

Пример 53. Вольтамперметром М-11-08 класса точности 0,2 с входным сопротивлением Rвх = 4 кОм в диапазоне измерений (0…15) B измеряется падение напряжения на нагрузке R, величина которой установлена с помощью магазина сопротивления МСР-63 такой, как это показано на рис.57. Схема электрических соединений приведена на рис. 58.

Каков интервал возможных значений измеряемого напряжения, если показание вольтампермет-

ра UV = 8 B ?

Рис. 57.

Установка величины сопротивления нагрузки в примере 53

Рис. 58.

Схема электрических соединений в примере 53

124

Часть I. ОБЩАЯ ТЕОРИЯ ИЗМЕРЕНИЙ

________________________________________________________________

Решение. 1. Падение напряжения на сопротивлении нагрузки R

U = I · R .

2. Показание вольтметра, подключенного к сопротивлению нагрузки так, как это показано на

рис. 58,

U V = I

R R вх

.

 

 

R+ R вх

3. Подставив выражение для силы электрического тока из этой формулы в предыдущую, получим следующий результат однократного измерения, который, согласно третьей аксиоме метрологии, является случайным:

U = U V +U V RRвх = U V +U п ,

где Uп - аддитивная поправка к случайному показанию вольтметра UV.

4. Обычно для измерений выбирается вольтметр, входное сопротивление которого во много раз

превышает сопротивление нагрузки. Тогда поправкой Uп =U V

R

к показанию можно пренебречь. В

 

 

R вх

этом случае неслучайное среднее значение показания UV , с которым при Uп = 0 отождествлялось бы значение измеряемого напряжения U, было бы удалено от его случайного значения UV не более чем на

15 0,2 = 0,3 B. Эту ситуацию можно было бы представить математической моделью в виде равномерно-

100

го ”закона распределения вероятности“ U на интервале [7,7…8,3] B со средним значением UV = 8 B и стандартной неопределенностью типа В (аналогом среднего квадратического отклонения)

uV = 0,33 = 0,2 B.

5. В рассматриваемом случае поправкой Uп =UV

R

пренебречь нельзя.. Дефицит информа-

 

 

Rвх

ции о точном значении сопротивления R в числителе можно учесть ситуационной моделью в виде равномерного ”закона распределения вероятности“ R на интервале [950…1050] Ом со средним значением 1 кОм и стандартной неопределенностью типа В (аналогом среднего квадратического отклонения)

uR = 503 = 28,9 Ом. Тогда по формулам (17), (22) получим:

 

 

 

1

 

где поправка на неточность вычислений θU

 

 

 

1 2Uп

2

1

2Uп

2

 

 

 

 

 

 

 

U п = 8

 

= 2 B ,

 

=

2 UV2

uV +

2

R2

uR = 0 B ;

4

п

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

R

 

2

 

UV

 

2

1

 

2

8

 

 

 

 

2

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

uп

=

 

 

uV

 

+

 

uR

=

 

0,2

 

+

 

 

 

 

 

 

28,9

 

= 0,06 B .

 

 

 

 

 

Rвх

 

Rвх

 

 

10

3

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

4

 

 

4

 

 

 

 

 

 

 

 

Вопрос о форме ”закона распределения вероятности“ поправки оставим открытым.

6. Внесение в показание аддитивной поправки трансформирует равномерный ”закон распределе-

125

И.Ф. Шишкин. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ МЕТРОЛОГИЯ

________________________________________________________________

ния вероятности“ U. Аналоги числовых характеристик композиции двух ”законов распределения вероятности“:

U =UV +Uп = 8 + 2 =10 B ;

uU = u2V + uп2 = 0, 22 +0,062 = 0, 2 B ,

7. Несмотря на то, что вид ”закона распределения вероятности“ U неизвестен, можно с достаточной уверенностью утверждать, что значение измеряемого напряжения U находится в интервале [ UkuU ; U+ kuU ] , где, согласно Руководству ИСО, k = 2…3. Таким образом, например,

U = (9,6…10,4) B при коэффициенте охвата, равном 2.

Пример 54. Амперметром Э 32-57 класса точности 0,5 с внутренним сопротивлением Rвн = 473 Ом в диапазоне измерений (0…5) А измеряется сила постоянного электрического тока, протекающего через сопротивление R, величина которого установлена с помощью магазина сопротивления МСР-63 такой, как это показано на рис.57. Схема электрических соединений приведена на рис. 59.

Чему равна сила тока, протекающего через сопротивление, если показание амперметра IA = 7,8 A ?

Рис. 59.

Схема электрических соединений в примере 54

Решение. 1. Сила постоянного электрического тока, протекающего через сопротивлении R,

I = UR .

2. Показание амперметра, включенного в электрическую цепь так, как это показано на рис. 59,

I =

U

.

 

 

R+ Rвн

126

Часть I. ОБЩАЯ ТЕОРИЯ ИЗМЕРЕНИЙ

________________________________________________________________

3. Подставив выражение для электрического напряжения из этой формулы в предыдущую, получим следующий результат однократного измерения, который, согласно третьей аксиоме метрологии, является случайным:

I = I A + I A

R вн

= I A + I п ,

R

 

 

где Iп - аддитивная поправка к случайному показанию амперметра IA.

4. Обычно для измерений выбирается амперметр, внутреннее сопротивление которого во много раз меньше сопротивления R. Тогда поправкой Iп = IA RRвн к показанию прибора можно пренебречь. В

этом случае неслучайное среднее значение показания IA , с которым при Iп = 0 отождествлялось бы значение измеряемой силы постоянного электрического тока I, было бы удалено от его случайного значения

IA не более чем на 51000,5 = 0,03 A. Эту ситуацию можно было бы представить математической моделью

в виде равномерного ”закона распределения вероятности“ I на интервале [7,77…7,83] A со средним значением IA = 7,8 A и стандартной неопределенностью типа В (аналогом среднего квадратического откло-

нения) uA = 0,033 = 0,02 A.

5. В рассматриваемом случае поправкой Iп = IA RRвн пренебречь нельзя.. Дефицит информации

о точном значении сопротивления R в знаменателе можно учесть ситуационной моделью в виде равномерного ”закона распределения вероятности“ R на интервале [950…1050] Ом со средним значением 1 кОм и стандартной неопределенностью типа В (аналогом среднего квадратического отклонения)

uR = 503 = 28,9 Ом. Тогда по формулам (17), (22) получим:

Iп = 7,8 1000473 = 3,7 A , где поправкой на неточность вычислений θIп = IARR3вн u2R = 3 103 A можно пренебречь;

 

 

R

вн

2

 

 

I

A

R

вн

 

2

473

2

7,8 473

 

2

uп =

 

 

uA

+

 

 

uR

=

 

 

0,02

+

 

28,9

= 0,1 A .

R

 

R 2

 

1000

106

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Вопрос о форме ”закона распределения вероятности“ поправки оставим открытым.

6. Внесение в показание аддитивной поправки трансформирует равномерный ”закон распределения вероятности“ I. Аналоги числовых характеристик композиции двух ”законов распределения вероятности“:

I = IA + Iп = 7,8 +3,7 =11,5 A ;

uI = u2A + uп2 = 0,022 + 0,12 = 0,1 A .

7. Несмотря на то, что вид ”закона распределения вероятности“ I неизвестен, можно с достаточной уверенностью утверждать, что значение измеряемой силы постоянного электрического тока I находится в интервале [ IkuI ; I+ kuI ] , где, согласно Руководству ИСО, k = 2…3. Таким образом, например,

127

И.Ф. Шишкин. ТЕОРЕТИЧЕСКАЯ МЕТРОЛОГИЯ

________________________________________________________________

I = (11,2…11,8) A при коэффициенте охвата, равном 3.

Рассмотренными вариантами и примерами не исчерпываются, конечно, все возможные ситуации. Они лишь иллюстрируют методологию решения задач, встречающихся на практике.

Важное замечание.

Последние примеры позволяют коснуться правила округления. В метрологии принято среднее квадратическое отклонение или его аналог выражать одной значащей цифрой, например, 8; 0,5; 0,007. Две значащие цифры, например, 27; 0,016 удерживаются при особо точных измерениях и в тех случаях, когда значащая цифра старшего разряда меньше 4 (в промежуточных вычислениях сохраняется на одну значащую цифру больше). Вследствие этого, при квадратичном суммировании

u = u12 + u 22

любым из слагаемых u , под радикалом можно пренебречь, если его учет почти не меняет u. Строго

i

говоря, u при этом может уменьшиться до u, но так как значение u выражается не более, чем двумя значащими цифрами, то условие можно считать выполненным, если u - u< 0,05u , откуда 0,95u < u. Возводя обе части неравенства в квадрат, и принимая во внимание, что ( u)2 = u2 ui2 получим

0,9025u 2 < u2 ui2 ;

ui2 < 0,0975u 2 ; ui < 0,312u .

Таким образом, слагаемым

ui

1 u

(30)

 

3

 

всегда можно пренебречь.

При выполнении измерений никто не застрахован от ошибок. Может оказаться ошибочным и единственное значение отсчета xi при однократном измерении. Во избе-

жание такой ошибки однократное измерение рекомендуется 2…3 раза повторить без совместной обработки полученных результатов.

128