Основы теории погрешностей.
Примеры решения задач
Задача 1
В цепи, содержащей идеальный источник напряжения
(внутреннее сопротивление
) и сопротивление нагрузки
, измеряется сила тока амперметром с внутренним сопротивлением
. Амперметр измеряет силу тока абсолютно точно.
Определить абсолютную и относительную погрешность измерения тока за счет конечного значения
. Классифицировать измерение и погрешность измерения. Определить величину поправки, необходимой для устранения погрешности измерения.
Решение задачи
По определению абсолютная погрешность измерения
.
В данном случае видно, что
,
а
(ток, который протекал в цепи до включения в нее амперметра), тогда
.
Относительная погрешность
.
Отсюда следует общеизвестный вывод: для обеспечения малой методической погрешности измерения амперметр должен обладать малым сопротивлением, т.е. должно выполняться условие
.
Погрешность измерения является в данном случае методической, т.к. обусловлена неидеальностью метода измерения (по условию задачи амперметр измеряет силу тока абсолютно точно, т.е. инструментальные погрешности отсутствуют); систематической (т.к. при многократных измерениях погрешность остается постоянной). Само измерение можно классифицировать как прямое, непосредственной оценки, абсолютное, однократное, статическое.
Поправка
, необходимая для устранения систематической погрешности, представляет собой абсолютную погрешность, взятую с противоположным знаком, т.е.
.
Задача 2
Миллиамперметр с пределом измерения
показал результат измерения тока
. При этом известно, что действительное значение
. Определить абсолютную, относительную и приведенную погрешности измерения.
Решение задачи
Известно, что абсолютная погрешность
, но т.к. истинное значение ФВ мы никогда не можем знать, то в метрологии истинное значение при всех вычислениях заменяют действительным значением, т.е.
.
Относительная погрешность
.
Приведенная относительная погрешность по определению:
.
Задача 3
Методом амперметра-вольтметра по приведенной схеме измеряется сопротивление
. Показания приборов:

.
Определить:
1) результат измерения;
2) абсолютную и относительную методические погрешности измерения;
3) исправленный результат измерения.
Решение задачи
Результат измерения в соответствии с указанным методом определяется на основании закона Ома по показаниям приборов
.
Абсолютная методическая погрешность измерения

,
где
и
- падения напряжения на
и
соответственно, а
- ток через
.
Относительная методическая погрешность измерения
.
Найдем
, это исправленный результат измерения с учетом внесенной поправки
, тогда
и
.
Задача 4
При обработке результатов измерений напряжения получены следующие оценки погрешности: систематическая погрешность
; среднеквадратическая погрешность
. Случайная погрешность распределена по нормальному закону.
Определить вероятность того, что результат измерения отличается от истинного значения ФВ не более чем на
. Решить задачу для двух случаев:
1) систематическая погрешность из результата измерения не устраняется;
2) систематическая погрешность устраняется.
Решение задачи
1) Первый вариант задачи.
Понятно, что истинное значение измеряемой величины имеет погрешность, равную нулю, т.е. необходимо определить вероятность попадания погрешности в интервал
,
относительно нуля. Кроме того, известно, что систематическая погрешность представляет собой математическое ожидание реального закона распределения погрешности, т.е.
. Вероятность попадания в требуемый интервал определяется выражением
,
а для нормального закона распределения

,
где
- интегральная функция нормированного нормального распределения. Из соответствующей таблицы 1 Приложения найдем, что
, тогда
.
21) Второй вариант задачи.
При устранении систематической погрешности математическое ожидание становится равным нулю, т.е.
и интервал становится симметричным, т.е.
. Тогда
.
Задача 5
При измерении сопротивления получены следующие оценки результата измерения и погрешностей:
, составляющие НСП
, составляющие нормально распределенной случайной погрешности
.
Записать результат измерения при доверительной вероятности
.
Решение задачи
Для определения общей погрешности измерения необходимо просуммировать отдельно составляющие систематической погрешности
, отдельно составляющие случайной погрешности
и затем сложить полученные суммарные значения НСП и случайной погрешности в соответствии с правилами суммирования погрешностей. Тогда границы систематической погрешности 
, а СКП систематической погрешности
.
В условии задачи отсутствует указание величин коэффициента корреляции, следовательно, составляющие случайной погрешности некоррелированы (независимы) и суммарная СКП:

Границы доверительного интервала случайной погрешности
, где
- коэффициент нормального закона распределения.
Далее необходимо сложить систематическую и случайные составляющие погрешности. Сначала определяем соотношение
, т.е.
. Тогда
, где
.
и
.
Результат измерения с учетом правил округления погрешности и результата запишется в следующем виде
, т.е.
.
Задача 6
Проведено 10 измерений емкости конденсатора. Получена оценка математического ожидания
; СКП отдельного измерения
. Определить границы доверительного интервала погрешности при доверительной вероятности
. Записать результат измерения.
Решение задачи
Границы доверительного интервала погрешности результата многократных измерений при заданной
и
определяются выражением
, где
- коэффициент Стьюдента, (находится из таблицы Приложения);
- СКП результата измерения;
- СКП отдельного измерения. Применительно к нашей задаче имеем
,
.
Результат измерения может быть записан в следующем виде
, тогда с учетом правил округления погрешности и результата измерения
.