Расчет погрешности при косвенных измерениях

В большинстве случаев конечной целью лабораторной работы является вычисление искомой величины с помощью некоторой формулы, в которую входят величины, измеряемые прямым путем. Такие измерения называются косвенными. В качестве примера приведем формулу плотности твердого тела цилиндрической формы

, (П.5)

где  – плотность тела, m – масса тела, d – диаметр цилиндра, h – его высота.

Зависимость (П.5) в общем виде можно представить следующим образом:

, (П.6)

где Y – косвенно измеряемая величина, в формуле (П.5) это плотность ;

X₁, X₂,..., X_n – прямо измеряемые величины, в формуле (П.5) это m, d, и h.

Результат косвенного измерения не может быть точным, поскольку результаты прямых измерений величин X₁, X₂, ..., X_n всегда содержат в себе погрешность. Поэтому при косвенных измерениях, как и при прямых, необходимо оценить доверительный интервал (абсолютную погрешность) полученного значения Y.

При расчете погрешности в случае косвенных измерений удобно придерживаться такой последовательности действий:

1) получить средние значения каждой прямо измеряемой величины X₁,  X₂, …, X_n;

2) получить среднее значение косвенно измеряемой величины Y, подста-

вив в формулу (П.6) средние значения прямо измеренных величин;

3) провести оценки абсолютных погрешностей прямо измеренных величин

X₁, X₂, ..., X_n, воспользовавшись формулами (П.2) и (П.3);

4) основываясь на явном виде формулы (П.6), получить формулу для расчета

абсолютной погрешности косвенного измерения Y и рассчитать ее;

5) рассчитать относительную погрешность косвенного измерения;

6) записать результат измерения с учетом погрешности.

Ниже без вывода приводится формула, позволяющая получить формулы для расчета абсолютной погрешности, если известен явный вид функции (П.6):

, (П.7)

где YX₁ и т. д. – частные производные от Y по всем прямо измеряемым величинам X₁, X₂, …, X_n (когда берется частная производная, например по X₁, то все остальные величины X_i в формуле считаются постоянными), X_i – абсолютные погрешности прямо измеряемых величин, вычисленные согласно (П.3).

Рассчитав y, находят относительную погрешность .

Однако если функция (П.6) является одночленом, то намного легче сначала рассчитать относительную погрешность, а затем уже – абсолютную.

Действительно, разделив обе части равенства (П.7) на Y, получим

. Но так как ,

то можно записать

. (П.8)

Теперь, зная относительную погрешность, определяют абсолютную .

В качестве примера получим формулу для расчета погрешности плотности вещества, определяемой по формуле (П.5). Поскольку (П.5) является одно-членом, то, как сказано выше, проще сначала рассчитать относительную погреш-ность измерения по (П.8). В (П.8) под корнем имеем сумму квадратов частных производных от логарифма измеряемой величины, поэтому сначала найдем натуральный логарифм :

ln  = ln 4 + ln m – ln  –2 ln d – ln h,

а потом уже воспользуемся формулой (П.8) и получим, что

. (П.9)

Как видно, в (П.9) используются средние значения прямо измеряемых величин и их абсолютные погрешности, рассчитанные методом прямых измерений по (П.3). Погрешность, вносимую числом , не учитываем, поскольку ее значение всегда можно взять с точностью, превышающей точность измерения всех других величин. Рассчитав , находим .

Если косвенные измерения являются независимыми (условия каждого последующего эксперимента отличаются от условий предыдущего), то значения величины Y вычисляются для каждого отдельного эксперимента. Произведя n опытов, получают n значений Y_i. Далее, принимая каждое из значений Y_i (где i – номер опыта) за результат прямого измерения, вычисляют Y и методом прямых измерений, по формуле (П.2), – Y.

Окончательный результат как прямых, так и косвенных измерений должен выглядеть так:

, (П.10)

где m – показатель степени, u – единицы измерения величины Y.