plik


ÿþ Politechnika WrocBawska WydziaB Podstawowych Problemów Techniki Analiza niepewno[ci pomiarowych wspomagana komputerowo Praca in|ynierska Autor: Grzegorz Zy[ko Kierunek: Fizyka Techniczna Specjalno[: Fizyka Komputerowa w Nauce i Technice Promotor: Dr hab. in|. WBodzimierz Salejda prof. nadzw. PWr WrocBaw, luty 2002 ChciaBbym zBo|y serdeczne podzikowania mojemu promotorowi dr hab. in|. WBodzimierzowi Salejdzie prof. PWr za po[wicony czas mojej pracy in|ynierskiej. 2 Spis tre[ci Cz[ pierwsza  Wprowadzenie 1.1 Wprowadzenie 4 1.2 Cel pracy 4 Cz[ druga  Podstawy analizy niepewno[ci pomiarowych 2.1 Wstp 6 2.2 Statystyczna analiza niepewno[ci i wyników niepewno[ci pomiarów bezpo[rednich 6 2.3 Statystyczna analiza niepewno[ci i wyników niepewno[ci pomiarów po[rednich 7 2.4 Zasady zapisywania i zaokrglania wyników i niepewno[ci pomiarowych 9 Cze[ trzecia  Opis programu 3 Uruchomienie programu 10 3.1 Panel  Ró|ne 11 3.1.1 Niepewno[ przypadkowa 12 3.1.2 Zrednia arytmetyczna 12 3.1.3 Zaokrglanie wyników 12 3.2 Panel  Statystyczna analiza niepewno[ci i wyników niepewno[ci pomiarów bezpo[rednich 12 3.2.1 Panel  Niepewno[ standardowa 12 3.2.1.1 Niepewno[ standardowa 13 3.2.1.2 Niepewno[ standardowa dla pojedynczego pomiaru 13 3.2.1.3 CaBkowita niepewno[ standardowa 14 3.2.2 Panel  Niepewno[ wzgldna 14 3.2.2.1 Niepewno[ wzgldna pojedynczego pomiaru 15 3.2.2.2 Niepewno[ wzgldna warto[ci [redniej 15 3.2.3 Panel  Niepewno[ caBkowita 15 3.2.3.1 Maksymalna warto[ niepewno[ci caBkowitej miernika analogowego 15 3.2.3.2 Maksymalna warto[ niepewno[ci caBkowitej miernika cyfrowego 15 3.3 Panel  Statystyczna analiza niepewno[ci i wyników niepewno[ci pomiarów po[rednich 16 3.3.1 WspóBczynnik korelacji 16 3.3.2 Niepewno[ standardowa niepewno[ci nieskorelowanych 17 3.3.3 Niepewno[ standardowa niepewno[ci skorelowanych 18 Cz[ czwarta  Podsumowanie 4 Podsumowanie 19 Cz[ pita  Literatura 5 Literatura 20 3 1.1 Wprowadzenie Wynik nawet najstaranniej wykonanego pomiaru lub obserwacji obarczony jest niepewno[ci odzwierciedlajc niedokBadno[ warto[ci wielko[ci zmierzonej. Dlatego te| analiza niepewno[ci pomia- rowych jest istotnym elementem ka|dego eksperymentu w fazie jego projektowania, realizacji i opraco- wania otrzymanych wyników [1,2]. Podstawowym pojciem przyjtej w 1995 roku midzynarodowej normy dotyczcej technologii i zasad wyznaczania niepewno[ci pomiarowych jest niepewno[ pomiaru bdca miar niedokBadno[ci, z jak zmierzono dan wielko[ fizyczn [1,2]. Do najwa|niejszych zródeB niepewno[ci pomiaru zaliczamy [1-4]: a) niepeBn definicj wielko[ci mierzonej (okre[lenie danej wielko[ci fizycznej jest tymczasowe w tym sensie, |e mo|e ulec zmianie wraz z rozwojem nauki), b) niedokBadn realizacj tej definicji (przyrzd, miernik, wzorzec nie jest idealn realizacj definicji wielko[ci fizycznej), c) niereprezentatywno[ serii wyników pomiarów (np. zbyt maBa liczba pomiarów), d) niedokBadn znajomo[ czynników zewntrznych (np. wpByw otoczenia na przebieg pomiarów) lub ich niedokBadny pomiar, e) bBdy obserwatora podczas odczytów przyrzdów pomiarowych, f) skoDczon zdolno[ rozdzielcz stosowanych w pomiarach przyrzdów, g) niedokBadno[ stosowanych wzorców i materiaBów odniesienia, h) niedokBadne warto[ci staBych lub parametrów pochodzcych z innych zródeB, i) przybli|enia i zaBo|enia upraszczajce przyjte w pomiarach lub procedurze pomiarowej, j) zmiany kolejnych wyników pomiarów wielko[ci mierzonej w pozornie identycznych warunkach. Dokonujc pomiaru wielko[ci fizycznej X przypisujemy jej liczb mianowan postaci x = (rX ± ´ )J , (1) X X gdzie rX -liczba jednostek (w takim zapisie rX jest warto[ci niemianowan),´ -niepewno[ pomiaru X (w takim zapisie ´ jest warto[ci niemianowan), J -jednostk wielko[ci X . X X O ile nie jest to wielko[ bezwymiarowa to podanie warto[ci wielko[ci fizycznej w postaci liczby nie ma sensu. Warto[ niepewno[ci ´ oceniamy [1 - 4]: X a) metod A, czyli za pomoc analizy statystycznej serii pomiarów, b) metod B, czyli wykorzystujc dodatkowe niestatystyczne informacje np. wielko[ dziaBki elemen- tarnej lub klas przyrzdu. 1.2 Cel pracy dyplomowej Studenci odbywajcy zajcia w Laboratorium Podstaw Fizyki Instytutu Fizyki musz niejednokro- tnie wykonywa do[ zBo|one i czasochBonne obliczenia niepewno[ci pomiarowych [1,2]. Ponadto w osta- tnich latach XX wieku ustalona zostaBa nowa midzynarodowa terminologia z zakresu analizy niepe- wno[ci pomiarowych oraz zasad szacowania niepewno[ci pomiarowych [1-8]. Z uwagi na powy|sze jako cel pracy wybrano zaprojektowanie i zaprogramowanie [rodowiska komputerowego do obliczania niepewno[ci pomiarowych zgodnie z midzynarodowymi zasadami. 4 Cz[ druga  Podstawy analizy niepewno[ci pomiarowych jest po[wicona analizie statystycznej serii pomiarów (tzw. metoda A), a tak|e zasadom zapisywania i zaokrglania wyników pomiarów. Cz[ trzecia  Opis programu jak nazwa sugeruje jest po[wicona opisowi dziaBania programu  Analiza niepewno[ci pomiarowych wspomagana komputerowo". 5 2.1 Wstp Podstawowym pojciem analizy niepewno[ci pomiarowych jest niepewno[ przypadkowa ´ = ´ = x - x . (2) x gdzie x jest [redni arytmetyczn serii n pomiarów x + x2 + ... + xn 1 n x = = xi . (3) " n n i=1 2.2 Statystyczna analiza niepewno[ci i wyników niepewno[ci pomiarów bezpo[rednich ZaBó|my, |e n-krotnie powtórzono bezpo[redni pomiar wielko[ci X w jednakowych stabilnych warunkach. Otrzyman seri wyników oznaczmy symbolicznie jako (x1, x2 ,..., xn ) . W charakterze najlepszej oceny warto[ci rzeczywistej przyjmuje si [redni arytmetyczn, a za miar niepewno[ci pojedynczego pomiaru z próby (x1, x2 ,..., xn ) przyjmujemy odchylenie standardowe pojedynczego pomiaru n 1 1 sx = [(x1 - x)2 + (x2 - x)2 + ... + (xn - x)2 ] = - x)2 . (4) "(xi n -1 n -1 i=1 Niepewno[ci pomiarow sx zwan niepewno[ci standardow, obarczona jest równie| warto[ [rednia x . Ocen tej niepewno[ci jest n sx 1 sx = = - x)2 . (5) "(xi n(n -1) n i=1 Je|eli dostpny jest tylko jeden wynik pomiaru lub wyniki pomiarów nie wykazuj rozrzutu, to w charakterze niepewno[ci warto[ci [redniej przyjmujemy "d .e. sx = , (6) 3 gdzie "d .e. jest wielko[ci dziaBki elementarnej. W przypadku, gdy w pomiarach uwzgldniamy niepewno[ statystyczn i niepewno[ przyrzdu ( pomiarowego, nale|y wyznaczy caBkowit niepewno[ standardow sxc) warto[ci [redniej z wzoru 1 ( sxc) = (sx )2 + ("d .e. )2 3 Oprócz wprowadzonych wielko[ci w analizie niepewno[ci pomiarowych posBugujemy si tak|e nastpujcymi wielko[ciami bezwymiarowymi: a) Niepewno[ wzgldna pojedynczego pomiaru sx •(i) = , (8) x xi gdzie sx definiuje wzór (4). 6 b) Niepewno[ wzgldna warto[ci wzgldnej sx • = , (9) x x gdzie sx definiuje wzór (5). Znajc klas Ca przyrzdu analogowego u|ytego w pomiarach wyznaczymy maksymaln warto[ (c) niepewno[ci caBkowitej ´ korzystajc z zale|no[ci Ca Z (c) ´ = , (10) 100 gdzie Z oznacza u|ywany zakres pomiarowy przyrzdu. Je|eli stosujemy w pomiarach miernik cyfrowy, to Cd X (d ) ´ = + ´ , (11) r 100 gdzie Cd - klasa (w procentach) miernika cyfrowego, ´ - rozdzielczo[ miernika (niepewno[ dyskre- r tyzacji). 2.3 Statystyczna analiza niepewno[ci i wyników niepewno[ci pomiarów po[rednich Mierzymy wielko[ci fizyczne (X1, X ,..., X ) , z którymi wielko[Y mierzona po[rednio jest zwi- 2 k zana relacj postaci Y = g(X1, X ,..., X ) . (12) 2 k Dokonujc serii pomiarów wyznaczamy warto[ci [rednie (x1, x2 ,..., xk ) i na tej podstawie zna- jdujemy jako ocen po[rednio wielko[ci Y warto[ci y = g(x1, x2 ,..., xk ) . (13) Przy obliczaniu niepewno[ci standardowych wielko[ci po[rednich uy , nale|y rozró|ni nieskore- lowane i skorelowane pomiary wielko[ci mierzonych bezpo[rednio. Pojcie to przedstawi na przykBadzie dwóch wielko[ci X i Z . Niech {(x1, z1),(x2 , z2 ),...,(xn , zn )}bd wynikami serii pomiarów X i Z . WspóBczynnikiem kore- lacji rx,z (korelacja z próby) nazywamy wielko[ci n "(x - x)(zi - z) i i=1 rx,z = . (14) n n - x)2 - z)2 "(xi "(zi i=1 i=1 Warto[ci wspóBczynnika korelacji nale| do przedziaBu [-1,1]. Je|eli rx,z = ±1, to punkty (xi , zi ) le| na prostej. Mówimy wtedy, |e wielko[ci X i Z s skorelowane. Je|eli rx,z = )#)#1, to wielko[ci te nie s skorelowane. 7 Je|eli wielko[ci wystpujce w poprzednim wzorze s parami nieskorelowane, to niepewno[ sta- ndardowa uy oceny y wielko[ciY wynosi 2 2 2 2 k ëø öø ëø öø ëø öø ëø öø "g "g "g 2 2 2 2 ìø ÷ø ìø ÷ø ìø ÷ø u = (sx ) + (sx ) + ... + (sx ) = (sx ) , (15) y "ìø "g ÷ø ìø ÷ø 1 ìø ÷ø 2 ìø ÷ø k j ìø ÷ø "x1 "x2 "xk "x x j=1 íø øøx íø øø íø øøx j íø øøx ëø öø "g ìø ÷ø gdzie sx definiuje wzór (5), jest warto[ci pochodnej czstkowej funkcji y = g(x1, x2 ,..., xk ) ìø ÷ø "xk íø øøx w punkcie x = (x1, x2 ,..., xk ) . W wielu przypadkach zale|no[ funkcyjna Y = g(X1, X ,..., X ) ma posta iloczynu 2 k 1 2 k Y = A(X1)± (X )± ...(X )± , (16) 2 k gdzie A -staBa wielko[ lub bezwymiarowy wspóBczynnik, ± -znane wykBadniki (liczby rzeczywiste). j W takim przypadku ocena niepewno[ci zBo|onej warto[ci [redniej (zakBadamy, |e A > 0 , x > 0 ) j 1 2 k y = A(x1)± (x2 )± ...(xk )± . (17) Pomiary wielko[ci fizycznych nale|y uzna za skorelowane wtedy, gdy s mierzone wielokrotnie za pomoc jednego zestawu do[wiadczalnego. Oznacza to, |e praktycznie wszystkie pomiary elektryczne w pracowniach studenckich s pomiarami skorelowanymi. W takim przypadku nale|y uwzgldni korelacje zachodzce pomidzy poszczególnymi wielko- [ciami mierzonymi bezpo[rednio i zBo|ona niepewno[ standardowa u wielko[ciY mierzonej po[rednio y wyra| si wzorem 2 k k k ëø öø ëø öø ëø öø u = , (18) y "ìø "g ÷ø (sx )2 + ""ìø "g ÷ø ìø "g ÷ø sx sx rx ,xi j ìø ÷ø j i j ìø ÷ø ìø ÷ø "x "x j=1 j=1 i= j+1 j j íø øøx íø øøx íø "xi øøx gdzie rx ,xi - definiuje wzór (14). j Ocen niepewno[ci pomiarowych wielko[ci nieskorelowanych mo|na tak|e wyznaczy za pomoc metody ró|niczki zupeBnej. Niech (x1, x2 ,..., xk ) bd ocenami zmierzonych bezpo[rednio wielko[ci (X1, X ,..., X ) , 2 k a (s1, s2 ,..., sk ) niepewno[ciami tych ocen. Je|eli zachodzi zwizekY = g(X1, X ,..., X ) to niepewno[ u wielko[ciY wynosi 2 k y ´g ´g ´g uy = s1 + s2 + ... + sk , (19) ´x1 x ´x2 x ´xk x gdzie warto[ci pochodnych czstkowych obliczamy w punkcie x = (x1, x2 ,..., xk ) . 8 2.4 Zasady zapisywania i zaokrglania wyników i niepewno[ci pomiarowych Wyniki pomiarów zapisujemy w postaci liczbowej mianowanej x ± ´ , gdzie x = rx Å" J jest teraz wielko[ci mianowan. x Posta ta zawiera informacje o ocenie warto[ci zmierzonej x , jednostkach w jakich jest ona poda- na, oraz o niepewno[ci pomiaru, której miar jest mianowana wielko[ ´ = ´ Å" J . x x Wyznaczajc warto[ [redni lub niepewno[ pomiaru otrzymujemy liczby wielocyfrowe, w których wiarygodne s cyfry zwane cyframi znaczcymi. Cyfry znaczce w [redniej ustalamy na podstawie cyfr okre[lajcych ocen niepewno[ci pomiarowej ´ . Wyznaczajc niepewno[ pomiarow ´ otrzymujemy tak|e liczb wielocyfrow, w której co najwy|ej dwie s cyfry znaczce. Ich znajomo[ pozwala okre[li sensownie ocen warto[ci [redniej i jej cyfry znaczce. Kierujemy si przy tym nastpujc reguB zaokrglania wyników: Wyniki pomiarów podajemy z dokBadno[ci do miejsca, na którym wystpuje ostatnia cyfra zna- czca niepewno[ci pomiaru. ReguBa ta pozwala zapisa [redni za pomoc tylko cyfr znaczcych. Przy wyznaczaniu warto[ci liczbowej niepewno[ci pomiarowej oraz jej cyfr znaczcych posBugu- jemy si nastpujcymi reguBami zaokrglenia: a) Warto[ci niepewno[ci zawsze zaokrglamy w gór. b) Wstpnie niepewno[ zaokrglamy do jednej cyfry znaczcej. c) Je|eli wstpne zaokrglenie warto[ci niepewno[ci powoduje wzrost jej warto[ci o wicej ni| 10%, to niepewno[ zaokrglamy z dokBadno[ci do dwóch cyfr znaczcych. Zera wystpujce w liczbie mog by lub nie by cyframi znaczcymi. Zera, które okre[laj w zapisie dziesitnym liczby poBo|enie przecinka nie s cyframi znaczcymi, jak w liczbach 0,02 lub 0,0056. Liczby te maj odpowiednio jedn i dwie cyfry znaczce. Warto[ci takie zapisujemy w postaci wykBadniczej, czyli 2Å"10-2 i 5,6Å"10-4. W pozostaBych przypadkach pod cyframi znaczcymi rozumiemy cyfry rzeczywi[cie znane. Przy podawaniu wyników zaleca si: a) Opisa jednoznacznie metod obliczeD wyników i niepewno[ci. b) Poda skBadniki niepewno[ci i sposoby ich obliczania c) Przedstawi w taki sposób, by ich u|ytkownik miaB mo|liwo[ powtórzenia obliczeD, a nawet po- miarów. d) Poda wszystkie wniesione poprawki i staBe oraz zródBa, z których je zaczerpnito. W sprawozdaniach studenckich nale|y podawa: a) PeBn definicj wielko[ci mierzonej. b) Wynik koDcowy i niepewno[ wraz z jednostkami. c) Poziom ufno[ci zwany przedziaBem ufno[ci. d) Wszystkie poprawki oraz ich zródBa. Przedstawione i opisane w tym rozdziale metody wyznaczania niepewno[ci pomiarowych oraz zaokrglenie wyników i niepewno[ci pomiarowych zostaBy uwzgldnione przy projektowaniu programu komputerowego pt.  Analiza niepewno[ci pomiarowych wspomagana komputerowo". W nastpnym rozdziale przedstawimy jego opis. 9 3 Uruchomienie programu Aby uruchomi program nale|y: a) przegra pliki  analiza_pomiarow.exe i  snpmk.dll do stworzonego wcze[niej katalogu, b) wpisa  analiza_pomiarow lub wybra plik  analiza_pomiarow.exe i nacisn na klawiaturze przycisk  Enter . Wymagania: a) Komputer klasy Pentium PC lub nowszy. b) System operacyjny Microsoft Windows 95 lub nowszy. Zalecana minimalna rozdzielczo[ 800x600 i standardowe ustawienia kolorów. Rys.1 Okno wstpne. Stworzony program pozwala wyznaczy nastpujce wielko[ci: 1) Niepewno[ci przypadkowe (wzór (2))(rozdziaB 3.1.1). 2) Zrednie arytmetyczne (wzór (3))(rozdziaB 3.1.2). 3) Zaokrglenia liczb (wedBug zasad z rozdziaBu 2.4)(rozdziaB 3.1.2). 4) Niepewno[ci standardowe pomiarów bezpo[rednich (wzór (5))(rozdziaB 3.2.1.1). 5) Niepewno[ci standardowe pojedynczych wyników pomiarów bezpo[rednich (wzór (6))(rozdziaB 3.2.1.2). 6) CaBkowite niepewno[ci standardowe pomiarów bezpo[rednich (wzór (7))(rozdziaB 3.2.1.3). 7) Niepewno[ci wzgldne pomiarów bezpo[rednich (wzór (8))(rozdziaB 3.2.2.1). 8) Niepewno[ci wzgldne warto[ci [rednich pomiarów bezpo[rednich (wzór (9))(rozdziaB 3.2.2.2). 9) Maksymalne warto[ci niepewno[ci caBkowitych mierników analogowych (wzór (10))(rozdziaB 3.2.3.1). 10) Maksymalne warto[ci niepewno[ci caBkowitych mierników cyfrowych (wzór (11))(rozdziaB 3.2.3.2). 11) WspóBczynniki korelacji pomiarów po[rednich (wzór (14)) (rozdziaB 3.3.1). 12) Niepewno[ci standardowe nieskorelowanych pomiarów po[rednich (wzór (15))(rozdziaB 3.3.2). 10 13) ZBo|one niepewno[ci standardowe skorelowanych pomiarów po[rednich (wzór (18))(rozdziaB 3.3.3). Po uruchomieniu programu pojawia si okno wstpne programu (rys.1), które gasimy poprzez kliknicie lewym przyciskiem myszy przycisku  x w prawym górnym rogu panelu lub z jego boku. Za- wiera ono informacje o autorze i nazwie programu. Mo|na je tak|e wy[wietli naciskajc przycisk  o pro- gramie w prawym dolnym rogu panelu. Po wygaszeniu okna wy[wietlony zostaje panel gBówny programu. W jego górnej cz[ci widzimy przyciski o nastpujcych nazwach: 1)  Ró|ne , 2)  Statystyczna analiza wyników i niepewno[ci pomiarów bezpo[rednich , 3)  Statystyczna analiza wyników i niepewno[ci pomiarów po[rednich . W dolnej cz[ci widzimy panel przedziaBu ufno[ci. Aby go okre[li nale|y nacisn kóBeczko przy przedziale w którym chcemy oblicza niepewno[ci. 3.1 Panel  Ró|ne Obecnie zajmiemy si omówieniem panelu znajdujcego si pod przyciskiem  Ró|ne (Rys.2). Rys 2; 1 - przycisk  Ró|ne , 2 - panel niepewno[ci przypadkowej, 3 - panel [redniej arytmetycznej, 4 - panel zaokrglania wyników, 5 - panel przedziaBu ufno[ci. 11 3.1.1 Obliczanie niepewno[ci przypadkowej Pierwszy panel z prawej strony od góry panelu  Ró|ne sBu|y do obliczania niepewno[ci przypa- dkowej ´ zmierzonej wielko[ci fizycznej X (wzór (2)). Aby j obliczy nale|y: x a) wpisa w tabeli znajdujcej si po lewej stronie w rubryce  Zmienna warto[ci poszczególnych pomiarów, b) poda, dla których wpisanych warto[ci program ma obliczy niepewno[, c) nacisn przycisk  Oblicz . Wyniki pojawi si w tabeli w rubryce  Wynik , a zaokrglone wyniki do liczb znaczcych w rubryce  Zaokrglony . 3.1.2 Obliczanie [redniej arytmetycznej Zrodkowy panel kontrolny sBu|y do obliczania [redniej arytmetycznej (wzór (3)). Aby j obliczy nale|y: a) wpisa w tabeli znajdujcej si po lewej stronie tego panelu warto[ci poszczególnych pomiarów, b) poda, dla których wpisanych warto[ci chcemy obliczy niepewno[, c) nacisn przycisk  Oblicz . Wyniki pojawi si pod przyciskiem  Oblicz . 3.1.3 Zaokrglanie wyników Trzeci dolny panel kontrolny sBu|y do zaokrglania pojedynczych wyników zgodnie z zasadami przyjtymi w rozdziale 2.4. Aby j obliczy nale|y: a) wpisa liczb pod napisem  Wpisz liczb&  , b) nacisn przycisk  Wykonaj . Wyniki pojawi si pod przyciskiem  Wykonaj . 3.2 Panel  Statystyczna analiza wyników i niepewno[ci pomiarów bezpo[rednich Teraz zajmiemy si omówieniem panelu znajdujcego si pod przyciskiem drugim nazwanym  Statystyczna analiza wyników i niepewno[ci pomiarów bezpo[rednich (Rys.3). Obok tabeli z prawej strony widzimy trzy przyciski: a)  Niepewno[ standardowa , b)  Niepewno[ wzgldna , c)  Niepewno[ caBkowita . 3.2.1 Niepewno[ standardowa Gdy wci[nity jest przycisk  Niepewno[ standardowa , to ukazuje si nam kolejny panel (Rys.3). 12 Rys.3 Panel  Niepewno[ standardowa ; 1 - przycisk  Statystyczna analiza wyników i niepewno[ci po- miarów bezpo[rednich , 2 - przycisk  Niepewno[ standardowa , 3 - panel niepewno[ci standardowej 4 - panel niepewno[ci warto[ci [redniej, 5 - panel caBkowitej niepewno[ci standardowej. 3.2.1.1 Obliczanie niepewno[ci standardowej Mamy mo|liwo[ obliczania niepewno[ci standardowej (wzór (5)). Aby tego dokona nale|y: a) wpisa w tabeli znajdujcej si po lewej stronie warto[ci poszczególnych pomiarów, b) poda, dla których wpisanych warto[ci chcemy obliczy niepewno[, c) nacisn przycisk  Oblicz . Wyniki pojawi si pod napisem  Wynik , a zaokrglony wynik do liczb znaczcych pod napisem  Po zaokrgleniu . 3.2.1.2 Obliczanie niepewno[ci warto[ci [redniej maBej liczby pomiarów Panel kontrolny w prawym górnym rogu panelu z rysunku 3 sBu|y do wyznaczania niepewno[ci warto[ci [redniej je|eli dostpny jest tylko jeden pomiar lub wyniki nie wykazuj rozrzutu (wzór (6)). Aby rozpocz obliczenia nale|y: a) poda warto[ dziaBki elementarnej, 13 b) nacisn przycisk  Oblicz . Wyniki pojawi si pod napisem  Wynik , a zaokrglony wynik do liczb znaczcych pod napisem  Po zaokrgleniu . 3.2.1.3 Obliczanie caBkowitej niepewno[ci standardowej Aby obliczy caBkowit niepewno[ standardow (wzór (7)) nale|y: a) wpisa w tabeli znajdujcej si po lewej stronie warto[ci poszczególnych pomiarów, b) poda, dla których wpisanych warto[ci chcemy obliczy niepewno[, c) wprowadzi warto[ dziaBki elementarnej, d) nacisn przycisk  Oblicz . Rezultat pojawi si pod napisem  Wynik , a zaokrglony wynik do liczb znaczcych pod napisem  Po zaokrgleniu . 3.2.2 Niepewno[ci wzgldna Po wci[niciu przycisku  Niepewno[ wzgldna panelu  Statystyczna analiza wyników i niepe- wno[ci pomiarów bezpo[rednich widzimy: Rys.4 Panel  Niepewno[ wzgldna ; 1 - przycisk  Niepewno[ wzgldna , 2 - panel niepewno[ci wzgldnej pojedynczego pomiaru, 3 - panel niepewno[ci wzgldnej warto[ci [redniej. 14 3.2.2.1 Obliczanie niepewno[ci wzgldnej pojedynczego pomiaru Za pomoc tego panelu mo|emy policzy niepewno[ wzgldn pojedynczego pomiaru (wzór (8)) W tym celu nale|y: a) wpisa w tabeli znajdujcej si po lewej stronie warto[ci poszczególnych pomiarów, b) poda, dla których wpisanych warto[ci zmierzonych chcemy obliczy niepewno[, c) poda, dla której z podanych poprzednio warto[ci chcemy obliczy niepewno[, d) nacisn przycisk  Oblicz . Wynik pojawi si pod napisem  Wynik , a zaokrglony wynik do liczb znaczcych pod napisem  Po zaokrgleniu . 3.2.2.2 Obliczanie niepewno[ci wzgldnej warto[ci [redniej Aby obliczy niepewno[ wzgldn warto[ci [redniej (wzór (9)) nale|y: a) wpisa w tabeli znajdujcej si po lewej stronie warto[ci poszczególnych pomiarów, b) poda, dla których wpisanych warto[ci chcemy obliczy niepewno[, c) nacisn przycisk  Oblicz . Wynik pojawi si pod napisem  Wynik , a zaokrglony wynik do liczb znaczcych pod napisem  Po zaokrgleniu . 3.2.3 Niepewno[ci caBkowita Po wci[niciu przycisku  Niepewno[ caBkowita panelu  Statystyczna analiza wyników i niepe- wno[ci pomiarów bezpo[rednich widzimy rysunek 6. 3.2.3.1 Obliczanie maksymalnej warto[ci niepewno[ci caBkowitej miernika analogo- wego W celu obliczenia maksymalnej warto[ci niepewno[ci caBkowitej miernika analogowego (wzór (10)) nale|y: a) poda klas przyrzdu w procentach, b) poda zakres przyrzdu, c) nacisn przycisk  Oblicz . Wynik pojawi si pod napisem  Wynik , a zaokrglony wynik do liczb znaczcych pod napisem  Po zaokrgleniu . 3.2.3.2 Obliczanie maksymalnej warto[ci niepewno[ci caBkowitej miernika cyfrowego Aby obliczy maksymaln warto[ niepewno[ci caBkowitej miernika analogowego (wzór (11)) nale|y: a) poda klas przyrzdu w procentach, b) poda zakres przyrzdu, c) poda warto[ zmierzonej zmiennej, d) nacisn przycisk  Oblicz . Wynik pojawi si pod napisem  Wynik , a zaokrglony wynik do liczb znaczcych pod napisem  Po zaokrgleniu . 15 Rys.5 Panel  Niepewno[ caBkowita ; 1 - przycisk  Niepewno[ caBkowita ,2 - panel maksymalnej war- to[ci niepewno[ci caBkowitej miernika analogowego, 3 - panel maksymalnej warto[ci niepewno[ci caBko- witej miernika cyfrowego. 3.3 Panel  Statystyczna analiza wyników i niepewno[ci pomiarów po[rednich Teraz zajmiemy si omówieniem panelu znajdujcego si pod przyciskiem trzecim  Statystyczna analiza wyników i niepewno[ci pomiarów po[rednich (Rys.6). 3.3.1 Obliczanie wspóBczynnika korelacji W celu obliczenia wspóBczynnika korelacji (wzór (14)) nale|y: a) wpisa w tabeli znajdujcej si po lewej stronie warto[ci poszczególnych pomiarów, b) poda, dla których wpisanych warto[ci chcemy obliczy niepewno[, pamitajc aby wielko[ci korelujce znajdowaBy si na tych samych Y, c) nacisn przycisk  Oblicz . Wynik pojawi si pod napisem  Wynik , a zaokrglony wynik do liczb znaczcych pod napisem  Po zaokrgleniu . 16 Rys.6 Panel  Statystyczna analiza wyników i niepewno[ci pomiarów po[rednich ; 1 - przycisk  Statystyczna analiza wyników i niepewno[ci pomiarów po[rednich , 2 - panel wspóBczynnika korelacji, 3 - zakBadka  Nieskorelowane , 4 - panel niepewno[ci standardowej wielko[ci nieskorelowanych. 3.3.2 Obliczanie niepewno[ci standardowej wielko[ci nieskorelowanych Kiedy jest wci[nita zakBadka  Nieskorelowane (Rys.6), mamy mo|liwo[ obliczania niepewno- [ci standardowych wielko[ci nieskorelowanych (wzór (15)). W tym celu nale|y: a) wpisa w tabeli znajdujcej si po lewej stronie warto[ci poszczególnych pomiarów, b) poda zakres pierwszej zmiennej i nacisn przycisk  Nastpna , c) poda zakres kolejnej zmiennej i nacisn przycisk  Nastpna w celu wprowadzenia kolejnej zmiennej (maksymalna dopuszczalna liczba zmiennych wynosi 100), lub przycisk  Oblicz w celu obliczenia warto[ci niepewno[ci standardowej. Wynik pojawi si pod napisem  Wynik , a zaokrglony wynik do liczb znaczcych pod napisem  Po zaokrgleniu . Je|eli popeBniono bBd podczas wprowadzania danych to nale|y wcisn przycisk  BBd i zacz wprowadza dane od pocztku. 17 Rys.7 Panel  Statystyczna analiza wyników i niepewno[ci pomiarów po[rednich ; 1 - zakBadka  Skorelo- wane , 2 - panel niepewno[ci standardowej wielko[ci skorelowanych. 3.3.2 Obliczanie niepewno[ci standardowej wielko[ci skorelowanych Przy wci[nitej zakBadce  Skorelowane (Rys.7), mamy mo|liwo[ obliczania niepewno[ci standardowych wielko[ci skorelowanych (wzór (18)). W tym celu nale|y: a) wpisa w tabeli znajdujcej si po lewej stronie warto[ci poszczególnych pomiarów, b) poda zakres pierwszej zmiennej i nacisn przycisk  Nastpna , c) poda zakres kolejnej zmiennej i nacisn przycisk  Nastpna w celu wprowadzenia kolejnej zmiennej (maksymalna dopuszczalna liczba zmiennych wynosi 100), lub przycisk  Oblicz w celu obliczenia warto[ci niepewno[ci standardowej. Wynik pojawi si pod napisem  Wynik , a zaokrglony wynik do liczb znaczcych pod napisem  Po zaokrgleniu . Je|eli popeBniono bBd podczas wprowadzania danych to nale|y wcisn przycisk  BBd i zacz wprowadza dane od pocztku. 18 4 Podsumowanie GBównym osigniciem pracy jest zaprojektowany i przetestowany program nazwany  Analiza niepewno[ci pomiarowych wspomagana komputerowo (ANPWK). Jest on wygodnym i efektywnym narzdziem sBu|cym do prowadzenia podstawowych obliczeD z zakresu analizy niepewno[ci pomiaro- wych. Uwzgldnione zostaBy w nim wszystkie zalecenia midzynarodowych organizacji dotyczce nowej i adekwatnej terminologii [1  8] oraz sposobów prowadzenia analizy niepewno[ci za pomoc metody A polegajcej na statystycznej analizie skoDczonej serii pomiarów bezpo[rednich i po[rednich. Omawiany pakiet zostaB zaprogramowany za pomoc obiektowo-zorientowanego jzyka DELPHI 5.0 [9]. Dziki temu u|ytkownik ma mo|liwo[ korzystania z przyjaznego mu interfejsu graficznego, który umo|liwia sterowanie prac programu i wykonywanymi obliczeniami. Stworzone narzdzie komputerowe pozwala wyznacza warto[ci nastpujcych podstawowych, dla analizy niepewno[ci wielko[ci: 1) Niepewno[ci przypadkowe (wzór (2)). 2) Zrednie arytmetyczne (wzór (3)). 3) Zaokrglenia liczb (wedBug zasad z rozdziaBu 2.4). 4) Niepewno[ci standardowe pomiarów bezpo[rednich (wzór (5)). 5) Niepewno[ci standardowe pojedynczych wyników pomiarów bezpo[rednich (wzór (6)). 6) CaBkowite niepewno[ci standardowe pomiarów bezpo[rednich (wzór (7)). 7) Niepewno[ci wzgldne pomiarów bezpo[rednich (wzór (8)). 8) Niepewno[ci wzgldne warto[ci [rednich pomiarów bezpo[rednich (wzór (9)). 9) Maksymalne warto[ci niepewno[ci caBkowitych mierników analogowych (wzór (10)). 10) Maksymalne warto[ci niepewno[ci caBkowitych mierników cyfrowych (wzór (11)). 11) WspóBczynniki korelacji pomiarów po[rednich (wzór (14)) (rozdziaB 3.3.1). 12) Niepewno[ci standardowe nieskorelowanych pomiarów po[rednich (wzór (15)). 13) ZBo|one niepewno[ci standardowe skorelowanych pomiarów po[rednich (wzór (18)). Uwa|am, |e pakiet ANPWK mo|e by wykorzystywany w Laboratorium Podstaw Fizyki Instytutu Fizyki Politechniki WrocBawskiej jako po|yteczne narzdzie uBatwiajce sporzdzanie sprawozdaD przez studentów oraz ich weryfikacj przez nauczycieli akademickich. Niewygórowane wymagania sprztowe umo|liwiaj jego u|ywanie, bez konieczno[ci instalowania, w innych laboratoriach i pracowniach fizycznych. Do pracy doBczona jest pByta CD-ROM, na której znajduj si: 1. Tre[ pracy zredagowany za pomoc MS WORD XP. 2. Kod zródBowy programu ANPWK. 3. Skompilowany program ANPWK. 19 5 Literatura [1] Ryszard Poprawski, WBodzimierz Salejda, wiczenia laboratoryjne z fizyki. Cz[ I. Zasady opracowania wyników pomiarów, Wydanie II poprawione i uzupeBnione, Oficyna wydawnicza PWr, WrocBaw 1999. [2] WBodzimierz Salejda, Ryszard Poprawski, Podstawy analizy niepewno[ci pomiarowych w studenckim laboratorium podstaw fizyki, dokument elektroniczny http://www.if.pwr.wroc.pl/`dydaktyka/LPF/index.html, WrocBaw 2001 [3] Andrzej Ziba, Natura niepewno[ci pomiaru a jego nowa kodyfikacja, Postpy fizyki 52, Zeszyt 5 (2001). [4] Henryk SzydBowski, Midzynarodowe normy oceny niepewno[ci pomiarów, Postpy fizyki 51, Zeszyt 2 (2000). [5] B.N.Taylor and Ch.E.Kuyatt, Guidelines for Evaluation and Expressing the Uncertainty of NITS Measurement Results. The National Institute of Standards and Technology (NITS) Technical Note 1297 (1994), dokument elektroniczny http://physics.nits.gov/Pubs/guidelines. [6] Guide to Expression of Uncertainty in Measurement, opracowanie International Organization for Standardization (ISO), Genewa 1995. [7] Essential of expressing measurement uncertainty. The National Institute of Standards and Technology (NITS) Reference on Constants, Units and Uncertainty, dokument elektroniczny http://physics.nits.gov/cuu/Uncertainty. [8] Wiktor Konecki, Statystyka dla In|ynierów, PWN, Warszawa 1999. [9] Andrzej Marciniak, Borland Delhi 5 Professional. Object Pascal, Nakom PoznaD 2000. 20

Wyszukiwarka

Podobne podstrony:
14 Analiza niepewności pomiarowych i Pracownia Techniki Pomiarów
Analiza wyników pomiarów i ich niepewności
Rachunek niepewnosci pomiarowych
rachunek niepewnosci pomiaru
Ruch falowy lekcja ze wspomaganiem komputerowym
analiza sz i pomiar pw
03 Wspomaganie komputerowe działań logistycznychidE33
niepewnosci pomiarowe
B Metody wykonywania pomiarow i szacowanie niepewnosci pomiaru
jak analizować wyniki pomiarów fizyka
Niepewności pomiaru wersja rozszerzona

więcej podobnych podstron