Обработка исправленных результатов прямых равнорассеянных наблюдений




Исправленными результатами наблюдений называются результаты, не содержащие систематические погрешности измерений.

Исправленные результаты наблюдений х1,...,хn, полученные при прямых измерениях постоянной физической величины Qx, называются равнорассеянными (равноточными), если они являются независимыми, одинаково распределенными случайными величинами.

Равнорассеянные результаты получают при измерениях, проводимых одним наблюдателем или группой наблюдателей с помощью одних и тех же средств измерений в неизменных условиях внешней среды. Результаты обрабатывают по-разному в зависимости от того, мало (n<40) или велико (n>40) количество наблюдений.

При количестве наблюдений n>30 наиболее часто используют критерий «трех сигм». Более строгим является критерий, который заключается в проверке гипотезы, что результат наблюдения хi не будет содержать грубой погрешности, если он является одним из значений случайной величины х с нормальным законом распределения при количестве наблюдений n. Ф.Е. Граббсом были табулированы q-процентные точки распределения максимальных по модулю отклонений результатов наблюдений от их среднего значения:

 

(1.7)


Если ,то такое наблюдение содержит грубую погрешность (для уровня значимости q) и должно быть исключено при обработке результатов наблюдений.

Определяют оценку с.к.о. результата измерения по формуле

 

(1.8)

 

При помощи составного критерия производится проверка нормальности распределения результатов наблюдений.

По заданной доверительной вероятности Р и числу наблюдений n определяется коэффициент Стьюдента tp из таблицы Ж.1.

Рассчитываются доверительные границы случайной погрешности результата измерения :

 

(1.9)

 

Если сравнивать значения tp для разных распределений, то оказывается, что при Р>0,85 значение tp максимальны для нормального распределения. Поэтому при неизвестной функции распределения (или невозможности проверки принадлежности результатов наблюдений к нормальному распределению) рекомендуется распределение считать нормальным, так как надежность оценки повышается.


Расчетная часть

Техническое задание:

Физическая величина - мощность, размерность - Вт;

средство измерения - ваттметр;

разрешающая способность 0,02;

количество измерений ряда наблюдений n = 100;

уровень значимости q = 0,10;

доверительная вероятность РД = 0,99.

Результаты наблюдений приведены в таблице 1 (в Вт).

равнорассеянный нормальность статистический

Таблица 1. Результаты наблюдений многократных прямых измерений

i                    
xi 75.90 76.20 76.36 75.74 75.96 76.00 75.92 76.16 75.20 76.44
i                    
xi 75.98 75.68 76.18 75.54 76.40 76.74 75.70 75.96 75.94 76.24
i                    
xi 75.48 76.22 75.62 76.18 75.88 75.26 75.44 76.24 76.02 76.42
i                    
xi 75.94 76.12 75.78 75.92 76.48 75.50 76.66 76.14 76.10 75.76
i                    
xi 75.84 75.80 75.60 76.26 76.06 75.96 75.86 75.58 76.30 76.20
i                    
xi 75.98 75.82 75.84 75.72 75.90 76.36 76.12 75.82 75.80 75.64
i                    
xi 76.34 76.04 76.22 75.78 75.56 75.76 76.00 76.04 76.28 76.26
i                    
xi 76.02 76.08 75.74 75.52 76.46 75.88 76.62 75.94 75.72 76.08
i                    
xi 76.30 75.96 75.70 75.68 75.46 76.00 75.90 76.14 76.20 75.98
i                    
xi 76.28 76.16 75.62 75.30 75.92 75.66 76.32 75.86 75.76 76.06
                                         

 

Обработка ряда наблюдений

Находим минимальный и максимальный член ряда наблюдений:

xmin = 75,20 Вт

xmax = 76,74 Вт

Диапазон наблюдений разбиваем на r = 7 одинаковых интервалов Δxj, равных:

 

Δxj = (xmax - xmin)/ r = 0,22 Вт

Δxj = h = 0,22 Вт, j = 1...7

 

Таблица 2. Полученные интервалы

  75,20 75,42
  75,42 75,64
  75,64 75,86
  75,86 76,08
  76,08 76,30
  76,30 76,52
  76,52 76,74

 

Находим середины интервалов xj и подсчитываем частоту каждого интервала:

 

Таблица 3. Расчетные данные

j xj, Вт mj ,1/Втηjηj2mj* ηjmj* ηj2          
  75,31   0,03 0,14 -3   -9  
  75,53   0,11 0,50 -2   -22  
  75,75   0,21 0,95 -1   -21  
  75,97   0,29 1,32        
  76,19   0,22 1,0        
  76,41   0,11 0,50        
  76,63   0,03 0,14        
Суммы:   - - - -    

 

Наибольшая частота приходится на пятый интервал, поэтому в качестве «ложного нуля» принимаем:


X0 = X4 =75,97 Вт.

 

Вычисляем статистические оценки вероятностей попадания результата наблюдений в j-ый интервал - частости по формуле:

 

=

 

Вычисляем оценки средней плотности распределения в интервалах:

 

 

Строим гистограмму статистического распределения (рис.1).

 

Рисунок 1. Гистограмма статистического распределения

 

Из вида гистограммы можно сделать предположение, что закон распределения результатов наблюдений является нормальным.

Вычисляем для каждого интервала значение ηj:


 

Находим значения начальных моментов:

 

 

Вычисляем оценку второго центрального момента:

 

 

Определяем значения моментов наблюдений:

 

 

Вычисляем исправленные значения моментов:

 

 

Определяем точные оценки истинного значения тока, с.к.о. результатов наблюдений и измерений:


 

Проверяем наличие грубых погрешностей по критерию «трех сигм»:

 

=3. =0,8772(Вт).

 

Наибольшие случайные отклонения равны:

 

|V(xmin)|=|xmin- |=|75,20-75,9722|=0,7722 < 0,8772 (Вт);

|V(xmax)| = | xmax- |=|76,74-75,9722|=0,7678 < 0,8772 (Вт).

 

Таким образом, среди результатов наблюдений нет таких, в которых были бы грубые погрешности.

Проверка нормальности закона распределения, используя критерии Колмогорова, χ2, ω2.

1. Критерий Колмогорова.

В таблицу 4 записываем значения: x1;x1+jΔ;…; x1+kΔ, j=0,…,k, где Δ - разрешающая способность средства измерения (измеряемое приращение интервала - Δ=0,02 Вт); k - число приращений интервала, вычисляемое по формуле:

 

k = (xmax -xmin)/D

 

k = (76,74-75,20)/ 0,02= 77;

Записываем частоты mj+1(m1,…,mk+1), которые установлены для значений x1,…,x1+k.Δ.

Вычисляем параметры опытного распределения:


 

и определяем функции опытного распределения:

 

 

Определяем значения интегральной функции нормированного нормального распределения. Используем для этого значения нормированной функции Лапласа Ф(|z|) и формулу Ф(z)=0,5+ Ф(z), при этом Ф(z)= Ф(|z|) при z≥0 и Ф(z) = - Ф(|z|) при z<0.

По данным таблицы 6 находим максимальное абсолютное отклонение функции опытного распределения от функции теоретического распределения:

 

Dmax = max|Фn(zj+1)-Ф(zj+1)|;

 

Dmax = 0,04433;

Вычисляем значение проверяемого параметра:

 

ln=Dmax* = 0,04433*10= 0,4433.

 

Таблица 4. Рассчитанные значения

j x1+j*Δ mj+1 zj+1 Фn(Zj+1) Ф(Zj+1) Фn(Zj+1)- Ф(Zj+1)
  75,20   -2,6409 0,01 0,00415 0,00585
  75,22   -2,5725 0,01 0,00508 0,00492
  75,24   -2,5041 0,01 0,00621 0,00379
  75,26   -2,4357 0,02 0,00734 0,01266
  75,28   -2,3673 0,02 0,00889 0,01111
  75,30   -2,2989 0,03 0,01072 0,01928
  75,32   -2,2305 0,03 0,01287 0,01713
  75,34   -2,1621 0,03 0,01559 0,01461
  75,36   -2,0937 0,03 0,01831 0,01169
  75,38   -2,0253 0,03 0,02118 0,00882
  75,40   -1,9569 0,03 0,02500 0,00500
  75,42   -1,8885 0,03 0,02938 0,00062
  75,44   -1,8201 0,04 0,03438 0,00562
  75,46   -1,7517 0,05 0,04006 0,00352
  75,48   -1,6833 0,06 0,04648 0,01352
  75,50   -1,6149 0,07 0,05370 0,01630
  75,52   -1,5465 0,08 0,06057 0,01943
  75,54   -1,4781 0,09 0,06944 0,02056
  75,56   -1,4097 0,10 0,07927 0,02073
  75,58   -1,3413 0,11 0,09012 0,01988
  75,60   -1,2729 0,12 0,10204 0,01796
  75,62   -1,2045 0,14 0,11507 0,02493
  75,64   -1,1361 0,15 0,12714 0,02286
  75,66   -1,0677 0,16 0,14231 0,01769
  75,68   -0,9993 0,18 0,13567 0,04433
  75,70   -0,9309 0,20 0,17619 0,02381
  75,72   -0,8625 0,22 0,19489 0,02511
  75,74   -0,7941 0,24 0,21476 0,02524
  75,76   -0,7257 0,27 0,23270 0,03730
  75,78   -0,6573 0,29 0,25463 0,03537
  75,80   -0,5889 0,31 0,27760 0,03240
  75,82   -0,5205 0,33 0,30153 0,02847
  75,84   -0,4521 0,35 0,32636 0,02364
  75,86   -0,3837 0,37 0,35197 0,01803
  75,88   -0,3153 0,39 0,37448 0,01552
  75,90   -0,2469 0,42 0,40129 0,01871
  75,92   -0,1785 0,45 0,42858 0,02142
  75,94   -0,1101 0,48 0,45620 0,02380
  75,96   -0,0417 0,52 0,48405 0,03595
  75,98   0,0267 0,55 0,51197 0,03803
  76,00   0,0951 0,58 0,53983 0,04017
  76,02   0,1635 0,60 0,56356 0,03644
  76,04   0,2319 0,62 0,59095 0,02905
  76,06   0,3003 0,64 0,61791 0,02209
  76,08   0,3687 0,66 0,64431 0,01569
  76,10   0,4371 0,67 0,67003 -0,00003
  76,12   0,5055 0,69 0,69497 -0,00497
  76,14   0,5739 0,71 0,71566 -0,00566
  76,16   0,6423 0,73 0,73891 -0,00891
  76,18   0,7107 0,75 0,76115 -0,01115
  76,20   0,7791 0,78 0,78230 -0,00230
  76,22   0,8475 0,80 0,80234 -0,00234
  76,24   0,9159 0,82 0,82121 -0,00121
  76,26   0,9843 0,84 0,83646 0,00354
  76,28   1,0527 0,86 0,85314 0,00686
  76,30   1,1211 0,88 0,86864 0,01136
  76,32   1,1895 0,89 0,88298 0,00702
  76,34   1,2579 0,90 0,89617 0,00383
  76,36   1,3263 0,92 0,90824 0,01176
  76,38   1,3947 0,92 0,91924 0,00076
  76,40   1,4631 0,93 0,92768 0,00232
  76,42   1,5315 0,94 0,93699 0,00301
  76,44   1,5999 0,95 0,94520 0,00480
  76,46   1,6683 0,96 0,95254 0,00746
  76,48   1,7367 0,97 0,95907 0,01093
  76,50   1,8051 0,97 0,96485 0,00515
  76,52   1,8735 0,97 0,96926 0,00074
  76,54   1,9419 0,97 0,97381 -0,00381
  76,56   2,0103 0,97 0,97778 -0,00778
  76,58   2,0787 0,97 0,98124 -0,01124
  76,60   2,1471 0,97 0,98422 -0,01422
  76,62   2,2155 0,98 0,98679 -0,00679
  76,64   2,2839 0,98 0,98870 -0,00870
  76,66   2,3523 0,99 0,99061 -0,00061
  76,68   2,4207 0,99 0,99224 -0,00224
  76,70   2,4891 0,99 0,99361 -0,00361
  76,72   2,5575 0,99 0,99477 -0,00477
  76,74   2,6259 1,00 0,99573 0,00427
    n=100       Dmax=0,04433

 

Так как q =0,10, то = 1,36.

 

-q = P{ };


Так как = 0,4433< = 1,36 - то согласно критерию Колмогорова гипотеза о нормальности закона распределения подтверждается.

. Критерий χ2.

Для проверке нормальности закона распределения согласно критерию χ2 данные расчетов привели в таблице.

Аналогично интервал от хmin=75,20 Вт до хmax=76,74 Вт разбили на r=7 интервалов. Значения середин интервалов xj, частоты приведены в таблице.

Если в некоторых интервалах попало меньше пяти наблюдений, то такие интервалы объединили с соседними.

Нашли отклонения от середин каждого из интервалов Vj= j- , а так же нормированные отклонения от среднего арифметического:

 

.

 

Для каждого интервала исходя из значения tj нашли дифференциальную функцию нормированного нормального распределения p(tj). Плотность в серединах интервалов находятся из формул:

 

.

 

Нашли теоретические частоты по формуле:

 

n.Pj=n.hj.P(xj).

 

Нашли меру расхождения ;

 


Таблица 5. Рассчитанные значения

j xj, мА mj xj- tjP(tj)P(xj)nPj=nΔxj*P(xj)x2j          
  75,31 -0,6622-2,26470,03030,1036 0,3783            
  75,53   -0,4422 -1,5123 0,1276 0,4364    
  75,75   -0,2222 -0,7599 0,2989 1,0222 22,4884 0,0985
  75,97   -0,0022 -0,0075 0,3977 1,3601 29,9222 0,0284
  76,19   0,2178 0,7449 0,3011 1,0298 22,6556 0,0190
  76,41 0,43781,49730,12950,4429 0,2888            
  76,63   0,6578 2,2497 0,0317 0,1084    
               

Число степеней свободы распределения k=r-s, где r=5, т.е. k=2.

Так как q/2=0,05

 

 

Учитывая, что:

 

< <

 

то распределение результатов можно считать нормальным.

. Критерий ω2.

Для проверки нормальности закона распределения согласно критерию ω2 данные расчетов представили в таблице.

Результаты наблюдений располагаются в порядке возрастания, т.е. получается упорядоченная выборка ω2:


x1≤x2≤…≤xn

 

Вычисляем значения нормированных отклонений от среднего арифметического:

 

.

 

Исходя из zj находим значения интегральной функции нормированного нормального распределения Ф(zj).

Вычисляем значения критерия проверки:

 

 

Таблица 6. Рассчитанные значения

j xj zj Ф(zj) ln(Ф(zj)) ln(1-Ф(zj)) Aj
  75,20 -2,640791 0,00415 -5,48465 -0,00416 -0,031561
  75,26 -2,435601 0,00740 -4,90628 -0,00743 -0,080910
  75,30 -2,298808 0,01072 -4,53564 -0,01078 -0,123900
  75,44 -1,820032 0,03438 -3,37028 -0,03498 -0,151720
  75,46 -1,751636 0,04006 -3,21738 -0,04088 -0,183827
  75,48 -1,683240 0,04648 -3,06873 -0,04759 -0,213757
  75,50 -1,614843 0,05370 -2,92434 -0,05520 -0,241690
  75,52 -1,546446 0,06057 -2,80396 -0,06248 -0,268092
  75,54 -1,478050 0,06944 -2,66729 -0,07197 -0,292571
  75,56 -1,409653 0,07927 -2,5349 -0,08259 -0,315558
  75,58 -1,341257 0,09012 -2,40661 -0,09444 -0,337220
  75,60 -1,272860 0,10204 -2,28239 -0,10763 -0,357727
  75,62 -1,204463 0,11507 -2,16221 -0,12225 -0,377243
  75,62 -1,204463 0,11507 -2,16221 -0,12225 -0,397642
  75,64 -1,136067 0,12714 -2,06247 -0,13598 -0,415321
  75,66 -1,067670 0,14231 -1,94975 -0,15351 -0,431929
  75,68 -0,999273 0,13567 -1,99753 -0,14580 -0,451336
  75,68 -0,999273 0,13567 -1,99753 -0,14580 -0,469853
  75,70 -0,930877 0,17619 -1,73619 -0,19382 -0,479155
  75,70 -0,930877 0,17619 -1,73619 -0,19382 -0,494579
  75,72 -0,862481 0,19489 -1,63532 -0,21678 -0,507578
  75,72 -0,862481 0,19489 -1,63532 -0,21678 -0,521763
  75,74 -0,794084 0,21476 -1,53823 -0,24177 -0,533471
  75,74 -0,794084 0,21476 -1,53823 -0,24177 -0,546436
  75,76 -0,725688 0,23270 -1,45801 -0,26488 -0,557194
  75,76 -0,725688 0,23270 -1,45801 -0,26488 -0,569125
  75,76 -0,725688 0,23270 -1,45801 -0,26488 -0,581056
  75,78 -0,657291 0,25463 -1,36794 -0,29387 -0,589244
  75,78 -0,657291 0,25463 -1,36794 -0,29387 -0,599984
  75,80 -0,588894 0,27760 -1,28157 -0,32518 -0,607314
  75,80 -0,588894 0,27760 -1,28157 -0,32518 -0,616878
  75,82 -0,520498 0,30153 -1,19889 -0,35886 -0,623470
  75,82 -0,520498 0,30153 -1,19889 -0,35886 -0,631870
  75,84 -0,452101 0,32636 -1,11975 -0,39506 -0,637832
  75,84 -0,452101 0,32636 -1,11975 -0,39506 -0,645079
  75,86 -0,383705 0,35197 -1,04421 -0,43382 -0,650507
  75,86 -0,383705 0,35197 -1,04421 -0,43382 -0,656611
  75,88 -0,315308 0,37448 -0,98222 -0,46917 -0,661564
  75,88 -0,315308 0,37448 -0,98222 -0,46917 -0,666694
  75,90 -0,246912 0,40129 -0,91307 -0,51298 -0,671015
  75,90 -0,246912 0,40129 -0,91307 -0,51298 -0,675016
  75,90 -0,246912 0,40129 -0,91307 -0,51298 -0,679017
  75,92 -0,178515 0,42858 -0,84728 -0,55963 -0,681881
  75,92 -0,178515 0,42858 -0,84728 -0,55963 -0,684757
  75,92 -0,178515 0,42858 -0,84728 -0,55963 -0,687634
  75,94 -0,110119 0,45620 -0,78482 -0,60917 -0,689095
  75,94 -0,110119 0,45620 -0,78482 -0,60917 -0,690851
  75,94 -0,110119 0,45620 -0,78482 -0,60917 -0,692608
  75,96 -0,041722 0,48405 -0,72557 -0,66175 -0,692699
  75,96 -0,041722 0,48405 -0,72557 -0,66175 -0,693337
  75,96 -0,041722 0,48405 -0,72557 -0,66175 -0,693975
  75,96 -0,041722 0,48405 -0,72557 -0,66175 -0,694614
  75,98 0,026675 0,51197 -0,66949 -0,71738 -0,692237
  75,98 0,026675 0,51197 -0,66949 -0,71738 -0,691758
  75,98 0,026675 0,51197 -0,66949 -0,71738 -0,691279
  76,00 0,095075 0,53983 -0,6165 -0,77616 -0,687549
  76,00 0,095075 0,53983 -0,6165 -0,77616 -0,685952
  76,00 0,095075 0,53983 -0,6165 -0,77616 -0,684356
  76,02 0,163468 0,56356 -0,57348 -0,82910 -0,679565
  76,02 0,163468 0,56356 -0,57348 -0,82910 -0,677009
  76,04 0,231864 0,59095 -0,52602 -0,89392 -0,671342
  76,04 0,231864 0,59095 -0,52602 -0,89392 -0,667663
  76,06 0,300261 0,61791 -0,48141 -0,96210 -0,661670
  76,06 0,300261 0,61791 -0,48141 -0,96210 -0,656863
  76,08 0,368657 0,64431 -0,43958 -1,03370 -0,650488
  76,08 0,368657 0,64431 -0,43958 -1,03370 -0,644547
  76,10 0,437054 0,67003 -0,40043 -1,10875 -0,637720
  76,12 0,505451 0,69499 -0,36386 -1,18741 -0,631513
  76,12 0,505451 0,69499 -0,36386 -1,18741 -0,623277
  76,14 0,573847 0,71566 -0,33455 -1,25758 -0,616076
  76,14 0,573847 0,71566 -0,33455 -1,25758 -0,606845
  76,16 0,642244 0,73891 -0,30258 -1,34289 -0,599068
  76,16 0,642244 0,73891 -0,30258 -1,34289 -0,588665
  76,18 0,710640 0,76115 -0,27292 -1,43192 -0,580058
  76,18 0,710640 0,76115 -0,27292 -1,43192 -0,568468
  76,20 0,779037 0,78230 -0,24552 -1,52464 -0,558901
  76,20 0,779037 0,78230 -0,24552 -1,52464 -0,546110
  76,20 0,779037 0,78230 -0,24552 -1,52464 -0,533319
  76,22 0,847433 0,80234 -0,22022 -1,62121 -0,521434
  76,22 0,847433 0,80234 -0,22022 -1,62121 -0,507425
  76,24 0,915830 0,82121 -0,19698 -1,72154 -0,494267
  76,24 0,915830 0,82121 -0,19698 -1,72154 -0,479021
  76,26 0,984227 0,83646 -0,17858 -1,81070 -0,464198
  76,26 0,984227 0,83646 -0,17858 -1,81070 -0,447877
  76,28 1,052623 0,85314 -0,15883 -1,91828 -0,431545
  76,28 1,052623 0,85314 -0,15883 -1,91828 -0,413951
  76,30 1,121020 0,86864 -0,14083 -2,02981 -0,395840
  76,30 1,121020 0,86864 -0,14083 -2,02981 -0,376950
  76,32 1,189416 0,88298 -0,12445 -2,14541 -0,356863
  76,34 1,257813 0,89617 -0,10963 -2,26500 -0,335940
  76,36 1,326210 0,90824 -0,09625 -2,38858 -0,314018
  76,36 1,326210 0,90824 -0,09625 -2,38858 -0,291095
  76,40 1,463002 0,92768 -0,07507 -2,62665 -0,266437
  76,42 1,531399 0,93699 -0,06508 -2,76446 -0,240542
  76,44 1,599796 0,94520 -0,05636 -2,90407 -0,212983
  76,46 1,668192 0,95254 -0,04862 -3,04787 -0,183589
  76,48 1,736589 0,95907 -0,04179 -3,19589 -0,152185
  76,62 2,215364 0,98679 -0,0133 -4,32678 -0,121135
  76,66 2,352158 0,99061 -0,00943 -4,66811 -0,079314
  76,74 2,625744 0,99573 -0,00428 -5,45614 -0,031538

 

А=-50,096205

Для уровня значимости q = 0,10 соответствующее значение Ω2n=1,94.

Для найденного значения справедливо:

 

 

Так как:

 

=1,94 и = 0,1924 < =1,94

 

то согласно критерию ω2 результаты можно принять распределенными по нормальному закону.

Определяем коэффициент Стьюдента.

Для n>30 и P=0,99 t=2,576

Рассчитываем доверительные границы случайной погрешности результата измерения:

=t. =2,576·0,02924 = 0,07532 (Вт).

Результат измерения согласно ГОСТ-8.207-76 представляем в виде:

I = (75,972 ± 0,076) Вт; P=0,99.

 


Использованная литература

1. Кострикин А.М. Теоретическая метрология: Учеб. пособие для студентов специальности Т.13.01 "Метрология, стандартизация и сертификация". В 3 ч. Ч.1. - Мн.: БГУИР, 1999. - 87 с.

2. Кострикин А.М. Теоретическая метрология: Учеб. пособие для студентов специальности Т.13.01 "Метрология, стандартизация и сертификация". В 3 ч. Ч.2. - Мн.: БГУИР, 1999. - 90 с.

. Сергеев А.Г. Метрология: учебник. - М.: Логос, 2005 - 272с.: ил.

. ГОСТ 8.207-76 Прямые измерения с многократными наблюдениями. Методы обработки результатов наблюдений



Поделиться:




Поиск по сайту

©2015-2024 poisk-ru.ru
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.
Дата создания страницы: 2020-03-31 Нарушение авторских прав и Нарушение персональных данных


Поиск по сайту: