Метрологическая задача. Записать результат измерения сопротивления по следующим данным: класс точности вольтметра – 0.5/0.2; Uк = 150 В; класс точности амперметра – 0.5; Iк = 10 А; U пит = 120 В; 50 Гц; 100 ΔUпит/Uпит = 5 %. Результаты измерений U и I представлены в таблице.
№ 1 2 3 4 5 6
U, B 110 115 110 105 110 115
I, A 7,2 7,4 7,2 7,0 7,2 7,4
Решение
Прежде всего, произведем обработку прямых измерений напряжения и тока. Вычисляем средние арифметические результатов наблюдений по каждому параметру, приняв их за результаты измерения по следующей формуле:
,
гдеxi – значение, полученное при однократном измерении величины х; n – количество измерений величины х;
Таким образом, в условиях нашей задачи получаем:
- для напряжения
U=16*i=16Ui=16*110+115+110+105+110+115=
=6656=110,8 B;
- для силы тока
I=16*i=16Ii=16*7,2+7,4+7,2+7,0+7,2+7,4=
=43,46=7,23 A.
Далее вычисляем оценки среднего квадратичного отклонения результатов наблюдений по каждому из параметров, используя следующую формулу:
.
Таким образом, в условиях нашей задачи получаем:
- для напряжения
σU=16-1*i=16Ui-U2=15*i=16Ui-110,82=
=110-110,82+115-110,82+…+115-110,825=
=70,845=3,764 B;
- для силы тока
σI=16-1*i=16Ii-I2=15*i=16Ii-7,372=
=7,2-7,232+7,4-7,232+…+7,4-7,2325=
=0,11345=0,151 A.
Проверяем результаты наблюдений на наличие промахов. При числе наблюдений n<10 для этого может быть использован критерий Шовине, согласно которому необходимо выполнение следующих условий:
и
.
Таким образом, в условиях нашей задачи получаем:
- для напряжения Umax=115 B; Umin=105 B.
Umax-UσU=115-110,83,764=1,12<1,7;
Umin-UσU=105-110,83,764=1,54<1,7;
- для силы тока Imax=7,4 A; Imin=7,0 A.
Imax-IσI=7,4-7,230,151=1,13<1,7;
Imin-IσI=7,0-7,230,151=1,52<1,7.
Таким образом, исходные наблюдения ни в разрезе напряжения, ни в разрезе силы тока грубых промахов не содержат и нет результатов, подлежащих исключению.
После этого можно переходить к дальнейшей обработке. Вычисляем оценку среднего квадратического отклонения результатов измерений по двум параметрам:
σU=σUn=3,7646=1,54 B;
σI=σIn=0,1516=0,06 A.
Определяем доверительные границы случайной составляющей погрешности результатов измерений. При малом числе наблюдений n=6 < 20 доверительный интервал случайной погрешности находят с помощью нормированного распределения Стьюдента по следующей формуле:
где t – коэффициент Стьюдента, выбираемый в зависимости от принятой доверительной вероятности Рд и числа наблюдений n.
Значения коэффициентов t распределения Стьюдента в зависимости от принятой доверительной вероятности Рд и числа степеней свободы (n – 1) при малом числе наблюдений n приведены в таблице 1.
Таблица 1 - Коэффициенты t распределения Стьюдента
Рд Число степеней свободы (n – 1)
3 4 5 6 8 9 10 12
0,90 2,35 2,13 2,1 1,94 1,86 1,83 1,81 1,78
0,95 3,18 2,70 2,57 2,45 2,31 2,27 2,23 2,18
0,99 5,84 4,60 4,03 3,71 3,36 3,25 3,17 3,06
В отсутствии дополнительных данных в нашем задании принимаем доверительную вероятность P=0,95