Прямые многократные измерения




Представим себе, что коллега экспериментатора решил проверить результат и заметил, что индицируемое прибором значение сопротивления несколько меняется от раза к разу. Никакой закономерности в этих изменениях обнаружить не удалось, скорее всего, дело было в невозможности точно воспроизвести сопротивление в точках контакта щупов с объектом. В таких случаях прибегают к многократным измерениям и неопределенность (по типу А) получают путем статистической обработки результатов.

А сколько же измерений надо произвести? Строго говоря, не менее 50 [ ГОСТ 8.207-76]. На практике обычно (за исключением наиболее ответственных ситуаций) ограничиваются числом 8-10, а для обработки данных используют так называемое распределение Стьюдента [ ]).

Пусть в нашем случае был получен следующий ряд значений сопротивления:

0.279, 0.278, 0.281, 0.278, 0.280, 0,277, 0.520, 0.278, 0.277, 0,278

Значение 0.520 явно выпадает из ряда и, скорее всего, является следствием воздействия какого-то дополнительного, разового фактора. Такие значения принято называть промахами и исключать из рассмотрения.

Итак, имеем 9 значений. Естественным желанием даже у человека, совсем не знакомого с метрологией, будет использовать в качестве результата среднее арифметическое значение величины из полученного ряда. Такое среднее называется математическим ожиданием случайной величины и в данном случае равно 0.273444…. Оставим пока здесь большое количество значащих цифр и займемся вычислением неопределенности. Очевидно, что она будет как-то связана с разбросом значений около среднего.

В нашем случае получим:

σ= 0.0010; по таблице для вероятности 95% и n=9 находим t=2.31

Итого, в результате

R = 0.2734 + 0.0023 Ом

 

Итак, при использовании прибора MS 5308 имеем два результата на частоте 100 кГц:

результат однократного измерения R= 0.279 + 0.008 Ом

(относительная погрешность 3%)

результат многократных измерений R = 0.2793 + 0.0023

относительная погрешность 0.8 %, пусть даже 1%

Что же считать окончательным результатом измерений?

Поскольку погрешности считаются независимыми, суммарная неопределенность в таком случае будет равна квадратному корню из суммы квадратов неопределенности обоих видов [ ]. Проделав вычисления, получим для суммарной неопределенности значение ∆ R = 0.0083. Или, используя правила округления, окончательно

R = 0.279 + 0.008 Ом.

В данном случае, однако, и так очевидно, что преобладающей является неопределенность по типу Б, поэтому такой результат можно было бы записать и сразу.

Косвенные измерения

 

Тут подошел теоретик, посмотрел на результат и сказал: это все хорошо, только на самом-то деле нам хотелось бы знать не величину сопротивления данного образца, а удельное сопротивление материала, из которого он сделан.

 

Из формулы видно, что для вычисления удельного сопротивления надо знать длину образца и площадь его поперечного сечения. Пока у нас есть только данные по сопротивлению R, полученные с известной точностью (примерно 3%).

Измеряем остальные параметры:

Длина образца L (используем рулетку с металлической лентой)

Результат: (123 + 2) мм. Неопределенность + 2мм в данном случае оценена эмпирически, она возникает за счет некоторой растяжимости образца

Диаметр образца D, (S= используем микрометр)

Результат: (0.98 + 0.01) мм. Неопределенность + 0.01 мм соответствует

точности микрометра.

Рис. Какое значение показывает микрометр?

 

Измерения в разных сечениях не выявили выхода этой величины за пределы доверительного интервала.

 

Общая формула для расчета погрешности косвенных измерений такова[..]

Δρ = , (.3)

где – абсолютные погрешности измерения соответствующих величин.

 

Оценим неизвестные пока величины в скобках по сравнению с легко вычисляемой величиной

Имеем:

= .

Видно, что неопределенностью в значении диаметра пренебрегать нельзя!

Далее:

=- - эта величина меньше остальных слагаемых на порядок даже без возведения в квадрат. Поэтому заключаем, что в данном случае (как и во всех подобных) погрешностью в измерении длины можно пренебречь.

Тогда, подставляя имеющиеся оценки в (3), получим для Δρ значение 0.0064.

Величина определиться как

= = 0.1716 ом·мм2/м

и окончательно (с учетом правил округления) для удельного сопротивления ответ разумно записать так:

= 0.172 + 0.001 Ом·

Но почему у буквы ρ появился индекс «экв», то есть удельное сопротивление какое-то не настоящее, а эквивалентное?

Дело вот в чем. Само понятие удельного электрического сопротивления и приведенные формулы относятся к тонкому однородному проводнику постоянного сечения, через который пропускается постоянный ток. В нашем же случае однородность образца ни в сечении, ни по длине никак не проверялась. Поэтому, строго говоря, относить полученное значение к электропроводности материала образца неправомерно; можно говорить лишь о некотором эквивалентном параметре, измеренным при определенных предположениях. Если все же считать материал однородным, то по значениям удельного электрического сопротивления он находится между свинцом и железом (см. табличку):

Отличие результатов при измерении сопротивления на постоянном и переменном токе могло бы возникнуть вследствие уже упоминавшегося скин-эффекта. Его роль тем больше, чем больше удельное сопротивление вещества ρ и чем меньше магнитная проницаемость:

Здесь все величины в системе СИ:

f – частота, Гц

μ = - абсолютная магнитная проницаемость, Г/м

Подставляя сюда частоту 100 кГц= Гц и ρ= 0.17· Ом/м, и считая материал немагнитным, получим м. то есть @ 0.7мм. А это больше радиуса нашего образца. Поэтому данные для ρ, полученные на постоянном токе и частоте 100кГц не должны заметно отличаться. Это и подтвердили проведенные измерения.

Полезно посмотреть на данные в таблице (вспомнить, что сталь – ферромагнетик, относительная магнитная проницаемость на низких частотах порядка 1000):

Но не всегда все бывает так просто. Что могло бы осложнить нашу задачу?

1. Обнаружение заметной неравномерности диаметра вдоль образца, пусть даже монотонной, линейной.

2. Заметное влияние усилия прижима в контактах образца со щупами прибора

3. Несовпадение значений сопротивления образца про постоянном токе и на частоте 100 кГц.



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: 2021-12-08 Нарушение авторских прав и Нарушение персональных данных


Поиск по сайту: