błędy pomiarów i opracowywanie wyników dla pomiarów.doc

(1762 KB) Pobierz
Andrzej Witkowski

PRZEWODNIK DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH Z AGROFIZYKI

 

I.     Wiadomości wstępne

1.        Błędy pomiarów.

2.        Opracowanie wyników pomiarów.

3.        Podstawowe przyrządy pomiarowe.

II. Opisy ćwiczeń

1.  Pomiar i obliczanie cech biometrycznych występujących w układach agrofizycznych.

2.  Pomiary współczynników tarcia płodów rolnych.

3.  Statyczne i dynamiczne metody wyznaczania współczynników sprężystości.

4.  Potencjał wodny i przepływ wody w układach agrofizycznych.

5.  Pomiar przewodnictwa cieplnego, ciepła parowania i napięcia powierzchniowego.

6.  Określanie bilansu energii w roślinie i glebie.

7.  Pomiar potencjału elektrokinetycznego i przewodnictwa elektrycznego gleby.

8.  Wyznaczanie parametrów impedancji elektrycznej tkanki.

9.       Pomiar natężenia pola magnetycznego.

10.   Pomiar siły termoelektrycznej i siły elektromotorycznej indukcji.

11.   Wytwarzanie fal akustycznych i pomiar prędkości dźwięku.

12.   Wyznaczanie stężenia substancji za pomocą refraktometru.

13.   Pomiar współczynnika załamania światła metodą mikroskopową.

14.   Emisyjna i absorpcyjna analiza spektroskopowa.

15.   Analiza widma mocy sygnału.

III. Materiały źródłowe.

 

 

 

Rozdział I

1.      BŁĘDY POMIARÓW

 

1.1.   Źródła i podział błędów

Mierząc kilkakrotnie jakąś wielkość fizyczną otrzymujemy w każdym przypadku nie­co inny wynik, ponieważ pomiary obarczone są błędami. Odchylenie od wartości rzeczy­wistej zwane błędem rzeczywistym i-tego pomiaru wynosi:

(I.1)

di = Xi  - X

gdzie X1 - wynik otrzymany w i-tym pomiarze. Prawdziwa wartość mierzonej wielkości X jest oczywiście nieznana. Zamiast niej stosuje się najczęściej wartość najbar­dziej prawdopodobną, tj. średnią arytmetyczną XŚ, dużej liczby pomiarów

(I.2)

(I.3)

Odchylenie od wartości średniej wyniesie:

ei = Xi - XŚ

 

Ze względu na sposób zapisu rozróżnia się:

·         błąd bezwzględny - bezwzględna wartość odchylenia wyniku pomiaru od wartości rzeczywistej lub wartości średniej. Błąd bezwzględny nie oddaje w pełni wartości wykonanego pomiaru. Jeśli np. długość tablicy i długość kredy mie­rzone są z jednakowym błędem bezwzględnym DX = l mm, to w przypadku tablicy pomiar będzie znacznie dokładniejszy niż dla kredy,

·         błąd względny - definiuje się jako:

Błąd ten dokładniej decyduje o wartości pomiaru.

(I.4)

,

·         błąd procentowy - błąd względny wyrażony w procentach 

(I.5)

 

Błędy dzieli się ponadto na błędy systematyczne, przypadkowe i grube.

Błędy systematyczne - zawsze w ten sam sposób wpływają na wyniki pomiarów wy­konywanych za pomocą tej samej metody, tej samej aparatury pomiarowej i przez tego samego obserwatora.

Źródła błędu systematycznego:

·         przyrządy pomiarowe, ich wadliwe wy­konanie, niedokładne wycechowanie itp. Wartość błędu systematycznego określona jest dokładnością stosowanego przyrządu lub jego klasą w przypadku mierników elektrycz­nych.

·         wadliwe posługiwanie się przyrzą­dem, np. złe ustawienie, niewłaściwa temperatura otoczenia, wilgotność itp.

·         przybliżony charakter wzorów  stosowanych do obliczenia wielkości złożonej. Np. obliczając,  przyspieszenie ziemskie ze wzoru:

  wtedy, gdy pomiar okresu wykonali­śmy przy dużej amplitudzie wahań (wzór ten jest bowiem słuszny dla wahadła matema­tycznego przy założeniu małych kątów wychylenia).

·         obserwator, np.  błąd paralaksy.

Błędy systematyczne można zmniejszyć przez udoskonalanie metody pomiaru lub sto­sowanych przyrządów, przez zastosowanie dokładniejszych wzorów oraz w wyniku na­bycia dużego doświadczenia przez eksperymentatora. Sposób określenia niektórych błę­dów systematycznych omówiony zostanie
w paragrafie 1.3.

Błędy przypadkowe. Załóżmy, że pomiar wykonujemy wielokrotnie za pomocą przy­rządu, którego dokładność jest bardzo duża, a więc błąd systematyczny mały. W takim  przypadku może się zdarzyć, że różnice między wynikami kolejnych pomiarów będą znacznie przewyższać błąd systematyczny. Błąd, którym obarczony jest w takim przy­padku każdy z pomiarów, nazywamy błędem przypadkowym.

Błędy przypadkowe mogą wynikać z właściwości mierzonego przedmiotu, np. przy  pomiarze średnicy kulki mogą wynikać z różnic wartości średnicy spowodowanych od­stępstwem od idealnej kulistości. Innym ich źródłem są właściwości samego przyrządu pomiarowego, którego wskazania zależą od przypadkowych drgań budynku, ruchów powietrza, tarcia w łożyskach itp. Błędy przypadkowe mogą mieć za przyczynę również  podłoże fizjologiczne, np. niemożność włączenia stopera równocześnie z początkiem obserwacji, niemożność dokładnego określenia równości oświetlenia porównywanych pól  widzenia itp.

Błędów przypadkowych nie można wyeliminować, lecz ich wpływ na ostateczny wy­nik ściśle określić. Będzie to treścią paragrafu 1.2.

Błędy grube powstają w wyniku fałszywego odczytania wskazań przyrządów lub nie­prawidłowego zapisania wyniku. Jaskrawym przykładem takiego błędu jest np. omyłkowe zapisanie odczytu długości w centymetrach, zamiast w milimetrach. Błędy grube prze­wyższają zwykle kilkakrotnie błędy reszty pomiarów i można je dzięki temu łatwo za­uważyć. Przyjęto odrzucać wyniki pomiarów obarczone grubymi błędami, i jeśli to jest możliwe, powtarzać pomiary.

 

1.2.   Błędy przypadkowe

W rozważaniach tych ograniczamy się do przypadku pomiarów, w których błąd sys­tematyczny możemy pominąć w porównaniu z błędem przypadkowym.

 

1.2.1.        Błędy dużej serii pomiarów

Błędy przypadkowe mogą być ustalone na podstawie pomiarów, przez przeprowadze­nie analizy wyników serii pomiarów wielkości mierzonej bezpośrednio.

Przypuśćmy, że wykonaliśmy dużą liczbę, np. n = 100 pomiarów pewnej wielkości, której wartość rzeczywista wynosi X. Wyniki uzyskane podczas tej serii pomiarów ujęto w tabeli 1.1. Przez nk oznaczono liczbę pomiarów, w których uzyskano ten sam wynik Xk; nk/n - będzie więc częstotliwo­ścią występowania wartości Xk i jednocześnie prawdopodobieństwem występowania tej  wartości, p(Xk). nk/n- jest również częstością oraz prawdopodobieństwem p(ek), wystę­powania błędu ek

 

Jak wynika z tabeli 1.1. wartość średnia wielkości mierzonej wynosi:

 

k

nk

nk/n

χk

χkXk

εk

nk εk

nk

1

1

0,01

8,5

8,5

-0,7

0,7

0,49

0,49

2

1

0,01

8,6

8,6

-0,6

0,6

0,36

0,36

3

2

0,02

...
Zgłoś jeśli naruszono regulamin