Файл: Метрология сборник задач.doc

4. Оценивание погрешностей косвенных измерений с однократными наблюдениями Примеры

4.1. Последовательно с резистором включен амперметр класса точности 0,5 с диапазоном показаний (0…5) А. Показание амперметра I = 2,000 А; существенна только основная погрешность прибора. Номинальное значение сопротивления резистора R = 1 Ом; предел допускаемого относительного отклонения реального сопротивления от номинального _R,п = 0,5 %.

Определите мощность рассеяния резистора Р_расс. Представить результат в виде доверительного интервала для доверительной вероятности P = 1.

Решение:

Р_расс = I ² R = 4,000 Вт;

0. 1-й способ

Р_расс = I ² R;

_п = Р_расс / I  _Iп + Р_расс / R _Rп ;

_Iп = _о.п (I_N / 100 %) = 0,025 А;

_Rп = _Rп (R / 100 %) = 0,005 Ом;

Р_расс / I = 2 I R = 4,000 В;

Р_расс / R = I ² = 4,000 А²;

_п = 0,12 Вт;

Ответ 1: (4,00  0,12) Вт; Р = 1.

0. 2-й способ

₂

Р_расс = (a_i x_i^bi); x₁ = I; x₂ = R; a₁ = a₂ = 1; b₁ = 2; b₂ = 1;

^{i =1}

_п = b₁_1,п + b₂_2,п = 2 _Iп + _Rп ;

_Iп = _о.п (I_N / I) = 1,25 %;

_п = 3,0 %;

_п = _п ( Р_расс / 100 %) = 0,12 Вт;

Ответ 2: (4,00  0,12) Вт; Р = 1.

4.2. Необходимое электрическое сопротивление цепи в ряде случаев приходится создавать тем или иным соединением двух и более стандартных резисторов.

Пусть имеются два резистора, R1 и R2, со следующими номинальными значениями сопротивления и пределами допускаемого относительного отклонения реального сопротивления от номинального: R₁ = 1 кОм, R₂ = 3 кОм, _R1п = 0,2 %, _R2п = 1,0 %.

Определите номинальные значения эквивалентных сопротивлений R_пос и R_пар, соответствующих последовательному и параллельному соединениям резисторов R1 и R2, и пределы допускаемых относительных отклонений реальных эквивалентных сопротивлений от R_пос и R_пар.

Решение:

последовательное соединение

R_пос = R₁ + R₂ = 4 кОм;

_п = R_пос / R₁ _R1п + R_пос / R₂ _R2п;

_п = (_R1п R₁ + _R2п R₂) / R_пос = 0,8 %.

параллельное соединение

R_пар = R₁ R₂ / (R₁ + R₂) = 0,75 кОм;

0. 1-й способ

_п = R_пар / R₁_R1п + R_пар / R₂_R2п;

_п = (R_пар / R₁_R1п R₁ + R_пар / R₂_R2п R₂) / R_пар;

R_пар / R₁ = [R₂ / (R₁ + R₂)]² = 9/16;

R_пар / R₂ = [R₁ / (R₁ + R₂)]² = 1/16;

_п = 0,4 %.

0. 2-й способ

Y_пар = Y₁ + Y₂ ; Y₁ = 1 / R₁ ; Y₂ = 1 / R₂;

_{Yi п} = _{Ri п} ; i = 1,2;

_Yпар.п = _Y1п + _Y2п;

_{Yi п} = _{Y п} Y_i = _R,п / R_i;

_п = (_Y1п + _Y2п) / Y_пар = (_R1п / R₁ + _R2п / R₂) R_пар = 0,4 %.

4.3. Угол сдвига фаз между двумя синусоидальными напряжениями измеряется с помощью электронно-лучевого осциллографа методом эллипса. При этом искомый угол рассчитывается по формуле:  = arcsin (H₁ / H₂), где H₁ — расстояние между точками пересечения эллипса с вертикальной секущей, проведенной через центр эллипса, H₂ – высота прямоугольника, в который вписывается эллипс.

Измеренные значения — H₁ = 40 мм, H₂ = 50 мм. Толщина луча осциллографа — b = 1 мм.

Полагая, что существенна только визуальная погрешность измерения (т.е. погрешность измерения расстояний, предельное значение которой _в.п = 0,4  b), представить результат измерения угла сдвига фаз в виде доверительного интервала для доверительной вероятности, равной 1.

Решение:

 = arcsin (H₁ / H₂)  0,9273 рад;

_п =  /H₁_в1п +  / H₂_в2п;

x = H₁ / H₂;

 / H₁ = ( / x) (x / H₁);

 / H₂ = ( / x) (x / H₂);

 / x = (1 – x²) ^-0,5 = 5/3 рад;

x / H₁ = 1 / H₂ = 0,02 мм ^-1;

x / H₂ = – H₁ / H₂ ² = – 0,016 мм ^-1;

_в1п = _в2п = 0,4 мм;

_п = 0,024 рад;

Ответ: (0,927  0,024) рад; Р = 1.

4.4. Измерение коэффициента усиления усилителя напряжения K_U выполняется с помощью цифрового милливольтметра; при этом измеряются напряжения на входе и выходе усилителя — U_вх1, U_вых1, U_вх2, U_вых2, а значение K_U вычисляется по формуле: K_U = (U_вых1 – U_вых2) / (U_вх1 – U_вх2).

Измеренные значения напряжений:

U_вх1 = 200,0 мВ, U_вых1 = 605,3 мВ, U_вх2 = 100,0 мВ, U_вых2 = 305,3 мВ.

Полагая, что существенна только погрешность квантования цифрового вольтметра (значение которой по абсолютной величине не превышает половины ступени квантования), представить результат измерения коэффициента усиления в виде двух доверительных интервалов для доверительных вероятностей, равных 1 и 0,95.

Решение:

K_U = 3;

P = 1

_п = K_U / U_вх1_Uвх1п + K_U / U_вх2_Uвх2п +

+K_U / U_вых1_Uвых1п + K_U / U_вых2_Uвых2п;

_Uвх1п = _Uвх2п = _Uвых1п = _Uвых1п = 0,05 мВ;

K_U / U_вх1 = – K_U / (U_вх1 – U_вх2) = – 0,03000 мВ ^-1;

K_U / U_вх2 = K_U / (U_вх1 – U_вх2) = 0,03000 мВ ^-1;

K_U / U_вых1 = K_U / (U_вых1 – U_вых2) = 0,01000 мВ ^-1;

K_U / U_вых2 = – K_U / (U_вых1 – U_вых2) = – 0,01000 мВ ^-1;

_п = 0,0040.

Ответ 1: (3,0000  0,0040); Р = 1.

P = 0,95

 _гр(Р) = K_P  {[(K_U / U_вх1) _Uвх1п] ² +

+ [(K_U / U_вх2) _Uвх2п] ² +

+ [(K_U/U_вых1) _Uвых1п] ²+

+ [(K_U/U_вых2) _Uвых2п] ²} ^0,5;

 _гр(Р)  0,0025;

Ответ 2: (3,0000  0,0025); Р = 0,95.

Задачи для самостоятельного решения

4.5. Милливольтметром класса точности 0,5 с диапазоном измерений (0…150) мВ, со шкалой, содержащей 150 делений, в нормальных условиях измеряется u = U₁ – U₂ — изменение напряжения на выходе источника, выходное сопротивление которого пренебрежимо мало. С округлением до 1 дел. по шкале сделаны отсчеты: a₁ = 50 дел., a₂ = 40 дел.

Представьте результат измерения с указанием погрешности для доверительной вероятности, равной 0,95.

4.6. Определите значение взаимной индуктивности двух катушек индуктивности M, границы доверительного интервала допускаемой погрешности измерения для доверительной вероятности, равной 1, и представьте результат измерения в установленном виде. Измерены значения суммарной индуктивности катушек при согласном и встречном их включении: L_с = 0,365 Гн; L_в = 0,305 Гн. Взаимная индуктивность вычисляется по формуле M = (L_с  L_в) / 4. Предел допускаемой относительной погрешности измерения индуктивности равен 1,0 %.

4.7. Определите значение круговой частоты  синусоидального напряжения, границы доверительного интервала допускаемой погрешности измерения  для доверительной вероятности, равной 1, и представьте результат измерения в установленном виде. Измерение выполняется при помощи электронно-лучевого осциллографа. Длина отрезка, соответствующего периоду напряжения, L = 40 мм; толщина луча равна b = 1мм; коэффициент развертки k_р = 20 мс/см; предел допускаемой относительной погрешности k_р равен 5,0 %. Предельное значение визуальной погрешности _в.п = 0,4  b.

4.8. Определите значение коэффициента усиления K_U усилителя напряжения, границы доверительного интервала допускаемой погрешности измерения K_U для доверительной вероятности, равной 0,99, и представьте результат измерения в установленном виде. Формула для расчета коэффициента усиления: K_U = (U_вых1  U_вых0) / U_вх1.

Напряжения измеряются вольтметром класса точности 0,1/0,05; диапазоны измерений: для U_вых0 и U_вх1 — (0…100) мВ, для U_вых1 — (0...10) В. Измеренные значения: U_вх1 = 50,00 мВ; U_вых0 = 64,00 мВ; U_вых1 = 6,464 В. Существенна только основная погрешность вольтметра.