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Note per Studenti Compatibilità tra misure, media pesata e test uncertainty ratio

Compatibilità tra misure, media pesata e test uncertainty ratio

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Una volta che ogni misura ha la sua incertezza (Misurare - errori sistematici, scarti casuali e risultato di misuraUna misura non dà il valore vero del misurando (sconosciuto e inconoscibile) ma una stima $\hat x$ con la sua incertezza. Modello $\hat x=x+e_s+e_n(n)$: gli scostamenti sistematici $e_s$ sono costanti e correggibili solo con la taratura, gli scarti casuali $e_n$ hanno media nulla e si riducono ripetendo la misura. Il risultato è $\hat x\pm U(x)$ con unità di misura, $U=k,u$ ($k=2$: 95%, $k=3$: 99%); $U$ ha una cifra significativa (arrotondata per eccesso) e il valore ha lo stesso numero di decimali. L'incertezza utile è circa 1/10 della tolleranza da verificare.Misurare - errori sistematici, scarti casuali e risultato di misura →) si possono fare tre cose utili: decidere se uno strumento è adatto a verificare una tolleranzascostamento massimo ammesso tra valore nominale e valore effettivo, controllare se misure dello stesso misurando fatte con strumenti diversi concordano, e combinarle in un'unica stima migliore. Sono le tre fasi dell'esercitazione di laboratorio sulla misura di resistenza.

Idoneità dello strumento: test uncertainty ratio

Il valore nominalevalore dichiarato del componente, indicato dal codice a colori di un resistore è accompagnato da una tolleranza (±δ%\pm\delta\%, banda dorata =5%=5\%). Il valore effettivo è compreso in [Rnom(1−δ/100), Rnom(1+δ/100)][R_{nom}(1-\delta/100),\ R_{nom}(1+\delta/100)]: per 150 Ω150\ \Omega al 1%1\% è [148,5; 151,5] Ω[148{,}5;\ 151{,}5]\ \Omega (si può leggere ±1,5 Ω\pm1{,}5\ \Omega come δRnom\delta R_{nom}). Per verificare che il resistore sia dentro la tolleranza l'incertezza dello strumento deve essere molto più piccola della tolleranza. Si definisce il test uncertainty ratiorapporto tra l'incertezza estesa dello strumento e la tolleranza da verificare TUR=U(Rx)δ⋅Rnom\mathrm{TUR}=\frac{U(R_x)}{\delta\cdot R_{nom}} e si cerca TUR≤14\mathrm{TUR}\le\frac14, meglio ≤110\le\frac1{10}. Per un resistore al 5%5\% questo significa U(Rx)≤0,01 RxU(R_x)\le0{,}01\,R_x. Si calcola UU con le formule del manuale usando il valore nominale come lettura e il fondo scalavalore massimo del campo di misura selezionato adatto (Incertezza di tipo B - distribuzioni e specifiche degli strumentiL'incertezza di tipo B si ricava da informazioni a priori (manuale, tolleranza, risoluzione, taratura) assegnando una densità di probabilità al misurando. Estesa $U$ con fattore $k$ dato: $u=U/k$; intervallo $\pm a$ con probabilità 100% (tolleranza, risoluzione): distribuzione uniforme, $u=a/\sqrt3$; trapezoidale $u=a\sqrt{(1+\beta^2)/6}$ (triangolare $a/\sqrt6$). Le specifiche dei multimetri sono nella forma $\pm(%\text{ lettura}+%\text{ fondo scala})$ (più eventuali counts e $0{,}2\ \Omega$ a due fili), valida per fondo scala, banda di frequenza e tempo dalla taratura; l'oscilloscopio ha formule per cursori e per la risoluzione ($T_w/1000$ in orizzontale, $FS/2^8$ in verticale).Incertezza di tipo B - distribuzioni e specifiche degli strumenti →).

Esempio (dispensa). Resistore da 1010 kΩ\Omega, 5%5\%; multimetro a 5125\frac12 cifre, campo 3030 kΩ\Omega, due fili, un anno dalla taraturaconfronto con un campione di riferimento e regolazione dello strumento: U=2 ΩU=2\ \Omega (vedi nota sul tipo B). Poiché 2 Ω<0,01⋅10 000=100 Ω2\ \Omega<0{,}01\cdot10\,000=100\ \Omega lo strumento è idoneo; TUR=2/500=0,004=1/250\mathrm{TUR}=2/500=0{,}004=1/250.

Metodo round-robin. Nell'esercitazione di laboratorio un singolo resistore passa da un gruppo all'altro e ognuno lo misura con il proprio multimetro: è il round-robin, il metodo con cui si confrontano strumenti e laboratori diversi sullo stesso campione. Serve a caratterizzare la riproducibilità e a individuare strumenti con taratura sospetta.

Compatibilità

Si misura lo stesso resistore con due strumenti (o due operatori, o due metodi) e si ottengono x1±U1x_1\pm U_1 e x2±U2x_2\pm U_2, con lo stesso fattore di coperturanumero k che lega incertezza estesa e standard kk. Le misure sono compatibiliche non si contraddicono entro le incertezze: gli intervalli di incertezza estesa si sovrappongono se gli intervalli [x1−U1, x1+U1][x_1-U_1,\,x_1+U_1] e [x2−U2, x2+U2][x_2-U_2,\,x_2+U_2] hanno intersezione non vuota, cioè ∣x1−x2∣≤U1+U2.|x_1-x_2|\le U_1+U_2. Se I1∩I2=∅I_1\cap I_2=\varnothing le due misure non sono compatibili: almeno una ha un'incertezza sottostimata o c'è un errore sistematico non corretto (strumento da ritarare, resistore scambiato, errori di collegamento). La riproducibilitàaccordo tra misure dello stesso misurando fatte con strumenti, operatori o condizioni diverse del risultato si controlla proprio così.

(Un criterio più stringente, usato quando si vuole tenere conto che le due stime sono indipendenti, confronta la differenza con ku12+u22k\sqrt{u_1^2+u_2^2} anziché con U1+U2U_1+U_2; il corso usa la sovrapposizione degli intervalli.)

Media pesata

Se NN misure dello stesso misurando sono compatibili (si individua il sottoinsieme più numeroso di valori compatibili tra loro e si scartano i fuori gruppovalori incompatibili con la maggior parte degli altri), la miglior stima non è la media aritmetica, perché le misure più incerte devono contare meno. Si usa la media pesatamedia in cui ogni valore conta in proporzione all'inverso del quadrato della sua incertezza x^=∑n=1Nwnxn,wn=1/u2(xn)∑i=1N1/u2(xi),∑wn=1,\hat x=\sum_{n=1}^Nw_nx_n,\qquad w_n=\frac{1/u^2(x_n)}{\sum_{i=1}^N1/u^2(x_i)},\qquad\sum w_n=1, con incertezza standarddeviazione standard associata alla misura u(x^)=1∑i=1N1u2(xi).\boxed{u(\hat x)=\frac1{\sqrt{\sum_{i=1}^N\dfrac1{u^2(x_i)}}}.}

Perché questa formula (dimostrazione per due misure). Si modellano le due misure come gaussiane indipendenti centrate sul valore vero xx con deviazioni standard u1u_1, u2u_2. La probabilità congiunta delle due letture è proporzionale a exp⁡ ⁣[−12((x−x1)2u12+(x−x2)2u22)]\exp\!\big[-\tfrac12\big(\frac{(x-x_1)^2}{u_1^2}+\frac{(x-x_2)^2}{u_2^2}\big)\big] (stima di massima verosimiglianzacriterio che sceglie il valore del parametro che rende più probabili i dati osservati): è massima dove si minimizza l'esponente. Derivando rispetto a xx e ponendo la derivata uguale a zero: x−x1u12+x−x2u22=0 ⟹ x^=x1/u12+x2/u221/u12+1/u22.\frac{x-x_1}{u_1^2}+\frac{x-x_2}{u_2^2}=0\ \Longrightarrow\ \hat x=\frac{x_1/u_1^2+x_2/u_2^2}{1/u_1^2+1/u_2^2}. Applicando la legge di propagazione (Propagazione dell'incertezza e bilancio di incertezzaSe $y=f(x_1,\dots,x_K)$ con ingressi indipendenti, l'incertezza standard combinata è $u_C(y)=\sqrt{\sum_i c_i^2u^2(x_i)}$ con coefficienti di sensibilità $c_i=\partial f/\partial x_i$ (Taylor al primo ordine). Casi tipici: somma/differenza $u=\sqrt{u_1^2+u_2^2}$ (la differenza di due misure con lo stesso cursore dà $\sqrt2,u$); prodotti e quozienti $\frac{u_y}{y}=\sqrt{\sum(\frac{a_iu_i}{x_i})^2}$. Il bilancio di incertezza confronta i contributi $|c_i|u_i$ e indica quale ottimizzare. Con ingressi correlati si aggiunge $2\sum c_ic_j,u(x_i,x_j)$. Il metodo Monte Carlo propaga le distribuzioni senza derivate.Propagazione dell'incertezza e bilancio di incertezza →) a questa combinazione lineare: u2(x^)=(1u12+1u22)−1u^2(\hat x)=\big(\frac1{u_1^2}+\frac1{u_2^2}\big)^{-1}.

Due proprietà:

  • u(x^)=u11+(u1/u2)2≤u1u(\hat x)=\dfrac{u_1}{\sqrt{1+(u_1/u_2)^2}}\le u_1 se u1<u2u_1<u_2: l'incertezza finale è sempre migliore di quella della misura migliore;
  • se u1≪u2u_1\ll u_2, allora x^≃x1\hat x\simeq x_1 e u(x^)≃u1u(\hat x)\simeq u_1: una misura molto più incerta non aggiunge praticamente nulla.

Esempio numerico. Tre multimetri danno per lo stesso resistore: 10,002±0,00210{,}002\pm0{,}002, 10,005±0,00610{,}005\pm0{,}006, 10,010±0,00810{,}010\pm0{,}008 kΩ\Omega (tutti con k=2k=2). Le differenze (0,0030{,}003, 0,0080{,}008, 0,0050{,}005) sono minori delle somme delle estese (0,0080{,}008, 0,0100{,}010, 0,0140{,}014): sono compatibili a due a due. Le incertezze standard sono 0,0010{,}001, 0,0030{,}003, 0,0040{,}004 kΩ\Omega, i pesi 1/u2=106; 1,11⋅105; 6,25⋅1041/u^2=10^6;\ 1{,}11\cdot10^5;\ 6{,}25\cdot10^4 danno w=(0,852; 0,095; 0,053)w=(0{,}852;\ 0{,}095;\ 0{,}053) e x^=0,852⋅10,002+0,095⋅10,005+0,053⋅10,010=10,0027 kΩ,u=11,1736⋅106=0,00092 kΩ.\hat x=0{,}852\cdot10{,}002+0{,}095\cdot10{,}005+0{,}053\cdot10{,}010=10{,}0027\ \text{k}\Omega,\quad u=\frac1{\sqrt{1{,}1736\cdot10^6}}=0{,}00092\ \text{k}\Omega. Con k=2k=2: U=0,0018→0,002U=0{,}0018\to0{,}002 kΩ\Omega, R^=10,003±0,002\hat R=10{,}003\pm0{,}002 kΩ\Omega. Il valore è praticamente quello dello strumento migliore.

Se una quarta misura desse 10,100±0,00410{,}100\pm0{,}004 kΩ\Omega non sarebbe compatibile con la prima (∣Δ∣=0,098>0,006|\Delta|=0{,}098>0{,}006): si indaga su quello strumento invece di mediare.

Quando usare media aritmetica e quando media pesata

  • Ripetizioni con lo stesso strumento (tipo A): media aritmetica e u=s/Nu=s/\sqrt N.
  • Misure con strumenti o metodi diversi e quindi con incertezze diverse: media pesata dopo aver verificato la compatibilità.

Errori comuni

  • Confrontare intervalli ottenuti con kk diversi o dire "compatibili" solo perché i valori sono "vicini".
  • Calcolare la media aritmetica di misure con incertezze molto diverse.
  • Mediare misure incompatibili invece di cercare la causa della discrepanza.
  • Dimenticare di convertire le UU in uu prima di calcolare i pesi (anche se con lo stesso kk i pesi non cambiano, l'incertezza finale sì).
  • Cercare TUR\mathrm{TUR} piccolissimo anche quando la tolleranza è larga: oltre 1/101/10 non serve.

Versione ripasso

Idoneità dello strumento (TUR). Con δ\delta la tolleranza in percentuale, il test uncertainty ratiorapporto tra l'incertezza estesa dello strumento e la tolleranza da verificare è TUR=U(Rx)δ⋅Rnom,\mathrm{TUR}=\frac{U(R_x)}{\delta\cdot R_{nom}}, e si cerca TUR≤14\mathrm{TUR}\le\frac14, meglio ≤110\le\frac1{10}. Per un resistore al 5%5\% significa U(Rx)≤0,01 RxU(R_x)\le0{,}01\,R_x. Esempio: 1010 kΩ\Omega al 5%5\%, multimetro con campo 3030 kΩ\Omega e un anno dalla taratura: U=2 ΩU=2\ \Omega (Incertezza di tipo B - distribuzioni e specifiche degli strumentiL'incertezza di tipo B si ricava da informazioni a priori (manuale, tolleranza, risoluzione, taratura) assegnando una densità di probabilità al misurando. Estesa $U$ con fattore $k$ dato: $u=U/k$; intervallo $\pm a$ con probabilità 100% (tolleranza, risoluzione): distribuzione uniforme, $u=a/\sqrt3$; trapezoidale $u=a\sqrt{(1+\beta^2)/6}$ (triangolare $a/\sqrt6$). Le specifiche dei multimetri sono nella forma $\pm(%\text{ lettura}+%\text{ fondo scala})$ (più eventuali counts e $0{,}2\ \Omega$ a due fili), valida per fondo scala, banda di frequenza e tempo dalla taratura; l'oscilloscopio ha formule per cursori e per la risoluzione ($T_w/1000$ in orizzontale, $FS/2^8$ in verticale).Incertezza di tipo B - distribuzioni e specifiche degli strumenti →). Poiché 2 Ω<100 Ω2\ \Omega<100\ \Omega lo strumento è idoneo; TUR=2/500=0,004=1/250\mathrm{TUR}=2/500=0{,}004=1/250.

Compatibilità. Con lo stesso fattore di coperturanumero k che lega incertezza estesa e standard kk, due misure x1±U1x_1\pm U_1 e x2±U2x_2\pm U_2 sono compatibiliche non si contraddicono entro le incertezze: gli intervalli di incertezza estesa si sovrappongono se ∣x1−x2∣≤U1+U2.|x_1-x_2|\le U_1+U_2. Se non lo sono, almeno una ha un'incertezza sottostimata o c'è un errore sistematico non corretto: si cerca la causa, non si media.

Media pesata. Per NN misure compatibili dello stesso misurando la media pesatamedia in cui ogni valore conta in proporzione all'inverso del quadrato della sua incertezza è x^=∑n=1Nwnxn,wn=1/u2(xn)∑i=1N1/u2(xi),∑wn=1,\hat x=\sum_{n=1}^Nw_nx_n,\qquad w_n=\frac{1/u^2(x_n)}{\sum_{i=1}^N1/u^2(x_i)},\qquad\sum w_n=1, u(x^)=1∑i=1N1u2(xi).\boxed{u(\hat x)=\frac1{\sqrt{\sum_{i=1}^N\dfrac1{u^2(x_i)}}}.} Deriva dalla massima verosimiglianzacriterio che sceglie il valore del parametro che rende più probabili i dati osservati di misure gaussiane indipendenti. Due proprietà: u(x^)=u11+(u1/u2)2≤u1u(\hat x)=\dfrac{u_1}{\sqrt{1+(u_1/u_2)^2}}\le u_1 se u1<u2u_1<u_2, e se u1≪u2u_1\ll u_2 allora x^≃x1\hat x\simeq x_1.

Esempio numerico. Tre multimetri danno 10,002±0,00210{,}002\pm0{,}002, 10,005±0,00610{,}005\pm0{,}006, 10,010±0,00810{,}010\pm0{,}008 kΩ\Omega (k=2k=2): sono compatibili a due a due. Le incertezze standard sono 0,0010{,}001, 0,0030{,}003, 0,0040{,}004 kΩ\Omega; i pesi w=(0,852; 0,095; 0,053)w=(0{,}852;\ 0{,}095;\ 0{,}053) danno x^=10,0027 kΩ,u=0,00092 kΩ,\hat x=10{,}0027\ \text{k}\Omega,\quad u=0{,}00092\ \text{k}\Omega, e con k=2k=2: R^=10,003±0,002\hat R=10{,}003\pm0{,}002 kΩ\Omega. Una quarta misura 10,100±0,00410{,}100\pm0{,}004 kΩ\Omega non sarebbe compatibile con la prima (∣Δ∣=0,098>0,006|\Delta|=0{,}098>0{,}006): si indaga sullo strumento invece di mediare.

Round-robin. Lo stesso resistore passa tra più gruppi, ognuno con il proprio multimetro: serve a controllare la riproducibilità e a trovare strumenti con taratura sospetta.

Errori tipici:

  • Confrontare intervalli con kk diversi, o dire "compatibili" solo perché i valori sono vicini.
  • Calcolare la media aritmetica di misure con incertezze molto diverse.
  • Mediare misure incompatibili invece di cercarne la causa.
  • Cercare un TUR\mathrm{TUR} piccolissimo: oltre 1/101/10 non serve.

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