Первичные представления об измерениях, измерительных приборах и методах определения погрешностей измерений (стр. 11 )

. (6.6)

Эту формулу можно использовать для планирования эксперимента. Используя ее можно оценить, какое количество измерений нужно выполнить, чтобы абсолютная погрешность случайных ошибок была бы меньше абсолютной погрешности систематических ошибок.

6.3. Определение полной погрешности

Полная абсолютная погрешность прямого измерения равна квадратному корню из суммы квадратов инструментальной погрешности и случайной погрешности, т. е. полная погрешность прямого измерения, определяется формулой:

. (6.7)

Кроме абсолютной погрешности, необходимо определить относительную погрешность, для чего воспользуемся определением относительной погрешности:

. (6.8)

7. Выявление промахов при обработке результатов измерений

В предыдущих параграфах мы рассмотрели, как определить погрешности в случае, если все промахи отброшены. Однако должен существовать критерий, который позволял бы ответить на вопрос, является ли тот или иной результат промахом, и в каком случае этот результат нужно рассматривать как промах, а в каком случае этот результат отбрасывать нельзя.

Обработку результатов прямых измерений лучше всего начать с выявления промахов. Существует много критериев выявления и отбрасывания промахов. Ни один из этих критериев не является универсальным. Выбор критерия отброса промаха часто зависит от цели измерения, а также от результатов анализа полученного при наблюдении результата. При этом очень часто можно обнаружить, что полученный результат связан со сбоем в работе установки, с неправильной установкой оборудования и т. д. Эти случаи известны и отбрасывание таких результатов никаких сомнений не вызывает.

Однако часто среди отсчетов есть результат, который отличается от других результатов, но однозначно ответить на вопрос, является ли это значение промахом, нельзя. Этот случай требует аккуратного анализа полученных результатов. Для того чтобы продемонстрировать эту ситуацию, рассмотрим результаты конкретных измерений длины стержня с помощью штангенциркуля. В таблице 3 приведены результаты таких измерений.

Если учесть все представленные результаты измерения, то получим, что мм. Но результат десятого измерения мм вероятнее всего является промахом, в котором просто ошибочно случайно вместо первой цифры «5» записана цифра «6». Если отбросить этот результат, то длина стержня будет равна мм. Если действовать таким методом, то под подозрение попадает и первый результат. Мы можем предположить, что в нем цифра «8» также записана ошибочно. Если отбросить и этот результат как промах, то длина стержня будет равной мм. Ясно, что такой метод отбрасывания результатов, которые нам кажутся подозрительными, не приведет к обоснованному результату.

Кроме того, если использовать такой метод для определения погрешностей, то также можно получить разные ничем не обоснованные результаты. Например, если рассчитаем среднее квадратичное отклонение отдельных отсчетов при учете всех результатов измерений, то получим мм. Это значение погрешности содержит две значащие цифры, что не соответствует свойствам абсолютной погрешности. Если мы отбросим результат первого и десятого измерения, то получим

мм.

Приведенный пример показывает, что необходимо сформулировать некоторый объективный критерий, на основании которого можно было бы объективно определить промахи. Этот вопрос можно решить, используя свойство ошибок, а именно, мы можем считать какое-то измерение промахом, если вероятность случайного появления такого значения является достаточно малой.

Для определения вероятности появления промаха также используется формула Лапласа и соответствующая ей таблица 1. Из этой таблицы следует, что вероятность появления в результатах измерения значения, отличающегося от среднего арифметического более чем на 3 равна 1 – 0,997 = 0,003. Тогда все измерения, отличающиеся от среднего арифметического значения на величину большую 3, могут быть отброшены.

При таком подходе считается, что результаты измерения, вероятность получения которых меньше 0,003, могут быть следствием грубой ошибки при проведении опыта или промаха. Конечно, такие результаты не являются обязательно следствием грубых ошибок, они могут появляться как следствие поведения случайной величины. Однако, если мы отбрасываем такую величину, то допускаемая при этом ошибка мала, так как мала вероятность появления таких результатов.

Применим эти рассуждения к анализу каждого результата измерения. Тогда вероятность того, что результат первого измерения не будет отличаться от истинного значения более чем на 3, равна

(1–0,003)=0,997. Вероятность того, что это же условие будет иметь место для результата второго измерения, также равна (1–0,003)=0,997. А вероятность того, что результаты и первого и второго измерений не выйдут за указанный предел будет равна произведению этих вероятностей, так как отдельные измерения и их результаты являются независимыми событиями – (1 – 0,003)2.

Таблица 3

Результаты измерения

длины стержня

п./п.	мм
1	58,5
2	55,4
3	56,6
4	56,7
5	57,0
6	56,5
7	56.7
8	55,3
9	56,0
10	66,0
11	56,3
12	56,5
13	56,0
14	56,3
15	56,9

Тогда вероятность того, что ни один из результатов измерений не будет отличаться от среднего более чем на 3, равна:

(7.1)

Если не очень велико, то значение этой вероятности можно найти по приближенной формуле:

(7.2)

Следовательно, вероятность того, что из результатов измерений, хотя бы одно значение будет случайно отличаться от среднего значения более чем на 3, равна . Это значит, что при десяти проведенных измерениях вероятность того, что хотя бы одно значение будет промахом равна 0,03 или 3%.

Одним из методов определения промахов является использование критерия Шовене . Этот критерий формулируется следующим образом:

1.  Из полученного ряда отсчетов (результатов измерений) выбирается аномальный результат .

2.  Вычисляется модуль его отклонения от среднего значения, полученного с учетом всех результатов измерений, в долях выборочного среднего квадратичного отклонения отдельных результатов:

. (7.3)

3.  Вычисляется вероятность этого отклонения, а также ожидаемое число измерений, которые дадут результаты, имеющее отклонение не меньшее, чем исследуемое значение .

4.  Если полученное значение количества измерений меньше 0,5, а при округлении до целого равно нулю, то исследуемый результат измерения является промахом.