Часть 1. Обработка эксплуатационных данных о надежности и представление результатов измерений. Содержание
Введение
Измерения и погрешности измерений.
Точечная оценка измеряемого параметра по ограниченному числу измерений, включая вопросы оценки нормальности распределения и устранения промахов.
Интервальная оценка измеряемого параметра по ограниченному числу измерений.
Введение
Для анализа надежности техники в процессе ее эксплуатации получается и обрабатывается большое количество эксплуатационных данных. Эти данные (наблюдения) можно разделить на два типа: исчисления и измерения.
Исчисление – это средство регистрации явлений и величин дискретного вида. Например, факт отказа машины в какой-то момент времени в процессе эксплуатации. Или - количество отказов техники в единицу времени, наблюдаемое в процессе ее эксплуатации.
Измерение – это количественная характеристика при регистрации непрерывно изменяющихся физических величин в процессе эксплуатации техники. Например, изменение скорости вращения электродвигателя в процессе эксплуатации и т.д.. Измерения встречаются в человеческой жизни и в инженерной практике гораздо чаще, чем исчисления. Поэтому мы рассмотрим их более подробно.
Измерения являются основой научных знаний, обеспечения требуемого качества продукции, взаимозаменяемости деталей и узлов, стандартизации и многих других областей человеческой деятельности. В том числе, во время проведения испытаний необходимо осуществлять большое число разнообразных измерений.
Можно привести два высказывания о важности измерений. Первое, высказанное Д.И.Менделеевым: «Наука начинается с тех пор, как начинают измерять». Второе, высказанное лордом Томсоном: «Каждая вещь известна лишь в той степени, в какой ее можно измерить».
Вопросами теории и практики обеспечения единства измерений в стране и в мире занимается метрология. Она представляет собой науку об измерениях, о методах и средствах обеспечения единства измерений, о способах достижения требуемой точности. Метрология является теоретической основой измерительной техники и измерительных приборов [1]. Она естественным образом будет использоваться в изложении дальнейшего материала.
1.1. Измерения и их классификация
Измерение – это процесс, заключающийся в определении значения физической величины опытным путем с помощью технических средств. В соответствии с целью, для которой они проводятся, измерения бывают диагностические, контрольно-испытательные, управленческие, социально-экономические.
По связи с объектом можно разделить измерения на контактные, при которых датчики физических величин имеют непосредственный (механический) контакт с исследуемым объектом или средой, и бесконтактные, в ходе которых измерительные приборы не соприкасаются с объектом (средой). Следует отметить, что приборы для осуществления контактных измерений, будучи, как правило, более простыми с технической точки зрения, в тоже время могут оказывать влияние на исследуемый объект и тем самым вносить ошибку в результаты измерения. Так достаточно тяжелый датчик вибрации, закрепленный на некоторой конструкции, может изменить собственную частоту ее колебаний, для измерения которой он и был установлен.
По способу
получения результатов все измерения
делят на четыре основных вида: прямые,
косвенные, совокупные и совместные
[1,2]. Прямыми называют измерения,
при которых искомое значение величины
находят непосредственно из опытных
данных (например, измерение длины
проградуированной линейкой). Косвенными
называются измерения, результат которых
определяют на основании прямых измерений
величин, связанных с измеряемой величиной
известной зависимостью. Примером может
служить определение электрического
сопротивления по закону Ома с применением
источника питания, амперметра (прибора
для измерения тока) и вольтметра,
измеряющего падение напряжения на
сопротивлении (см. рис. 1.1).
Рис.
1. 1.
Схема косвенного измерения сопротивления.
В настоящее время в технике наиболее широко распространены именно косвенные измерения. Их доля в общем обьеме измерений доходит до 80 – 90%.
Совокупные измерения заключаются в измерении нескольких однородных величин в различных сочетаниях с последующим решением системы уравнений. Например, совокупными являются измерения, при которых массы отдельных гирь набора находят по известной массе одного из них, и по результатам сравнений масс различных сочетаний гирь. Целью совместных измерений является установление зависимостей между одновременно измеряемыми разнородными величинами (например, температурная зависимость электрического сопротивления, измеренная по результатам измерения тока и напряжения, и применения закона Ома).
По характеру зависимости измеряемой величины от времени, измерения разделяются на:
статические, при которых измеряемая величина остается постоянной во времени,
динамические, в процессе которых измеряемая величина изменяется и является непостоянной во времени.
Статическими измерениями являются, например, измерения размеров тел, постоянного давления и т.д., динамическими – измерения пульсирующих давлений, вибраций, давление пороховых газов, положение и скорость снаряда в процессе выстрела.
По точности измерения можно разделить на равноточные, которые обеспечиваются применением приборов одинаковой точности в одинаковых условиях, и неравноточные. Примером неравноточных измерений могут служить радиолокационные траекторные измерения, в ходе которых часть времени летящий объект проходит сквозь дождевое облако, что влечет за собой ухудшение условий радиолокационного наблюдения и увеличение ошибок в определении текущего положения.
По числу измерений выделяют однократные и многократные измерения. При многократных измерениях результат получается путем усреднения результатов нескольких однократных измерений.
По способу представления результатов измерения делят на абсолютные и относительные. Абсолютные измерения выражены в соотвествующих размерных единицах (килограммах, метрах, градусах). В относительных измерениях результатом обычно является отношение значения измеряемой величины к одноименной величине, принимаемой за исходную или отношение изменения физической величины к исходному значению.
Существует классификация измерений по видам измерений, а именно:
измерения времени и частоты. В этом виде измерений достигнута наивысшая точность, например, погрешность определения времени достигает 10-13с (цезиевый стандарт частоты).
Линейно-угловые измерения, включающие в себя статические и динамические измерения таких величин, как линейный размер, двух и трехмерные размеры обьектов, включая нанообьекты, углы, линейные и угловые скорости и ускорения, и др.. Наиболее точными измерениями в этой области являются линейные измерения, а также измерения в нанообласти.
Измерения механических величин, такие как масса, сила, давление, и др..
Измерения тепловых величин, таких как температура, калориметрия, расходометрия, тепловой поток, теплофизические характеристики веществ (температуропроводность, теплопроводность, теплоемкость).
Измерения электрических и магнитных величин, например, Эл. Напряжения, тока, сопротивления, магнитных величин.
Оптические измерения, включая волоконно-оптические.
Ионизирующие измерения.
Электромагнитные измерения
Гравитационные и гравиметрические.
1.2. Метрология, основные задачи.
Метрология – это система, обеспечивающая единство измерений как в национальном, так и в международном масштабе. Эта система состоит не только из научных изысканий, но и включает в себя систему метрологических институтов, занимающихся обеспечением измерений. Прежде всего, это национальные метрологические институты, такие как НИСТ в США, ПТБ в Германии, МБМВ во Франции, ВНИИМ – в России. Кроме того, существуют международные метрологические институты, такие как МБМВ, а также международные комитеты по метрологии, которые координируют и вырабатывают общую международную метрологическую политику. Так, в последние годы выработана международная метрологическая система ИСО – 9000, которая регламентирует многие правила и отношения в этой области. Россия тоже интегрируется в эту систему, поэтому некоторые термины и правила будем описывать в терминах российской системы и ИСО-9000.
Одна из основных проблем метрологии – это создание системы эталонов различных физических величин, которые воспроизводят эти физические величины с наивысшей точностью для данного момента времени. Эти эталоны существуют для различных физических величин, таких как эталоны длины, угла, единый эталон частоты и времени, эталоны температуры, массы, силы, давления, эталоны электрических величин – тока и напряжения, и др..
Для реализации этих эталонов используются самые совершенные достижения современной науки и техники. Поэтому создание системы эталонов и поддержании их в действии, - это очень дорогая задача для страны. В России основные эталоны сосредоточены во ВНИИМе (С.-Петербург), и некоторые – во ВНИИФТРИ (Москва).
Метрология делит следующим образом все средства измерений по точности. На самом верхнем уровне находятся эталоны единиц различных физических величин. Следующий уровень – это образцовые средства измерений, имеющие очень высокую точность измерений, но меньшую чем эталоны. На следующем уровне точности находятся рабочие средства измерений, которые имеют меньший уровень точности, чем образцовые.
Именно с этими измерительными приборами и системами мы и имеем дело на практике для решения различных измерительных задач.
Средства измерения (СИ) включают в себя:
меры,
первичные измерительные преобразователи (ПП),
измерительные приборы,
информационно-измерительные системы.
Меры – это СИ, предназначенные для воспроизведения физических величин заданного размера. Например, платино-иридиевый метр – это мера длины. Миллиметровая линейка с делениями – тоже мера длины. Понятно, что платино-иридиевый метр – это образцовая мера длины (высокой точности), а линейка – рабочая мера длины (с меньшей точностью.
Широко используются в практике образцовые меры электрического сопротивления – наборы или магазины образцовых сопротивлений.
В практике тепловых измерений используются образцовые меры температуры, которые называются реперными температурными точками. Они, точно воспроизводят температуру плавления чистого металла - например, олова, галлия, висмута, золота, серебра и др.. Кроме того, основной реперной температурной точкой является тройная точка превращения воды (таяние льда). Также широко используются образцовые и рабочие термостаты, в которых поддерживается определенная температура.
Для определения механических или химических свойств материалов используются соответствующие меры, которые называются стандартными образцами и образцовыми веществами. К ним относятся образцы твердости, шерховатости, белой поверхности, а также стандартные образцы для определения механических свойств материала.
Первичные измерительные преобразователи (ПП) – это СИ, служащее для выработки электрических сигналов измерительной информации от преобразуемой физической величины. Также ПП называются датчиками или сенсорами. ПП бывают разного назначения и разного принципа действия. ПП – это основная часть измерительного прибора, и измерительной системы. Существует огромное количество ПП разного применения и принципов действия. Изучение ПП разного назначения является основной частью нашего курса.
К измерительным приборам относятся СИ, предназначенные для получения измерительной информации об измеряемой величине в удобной форме. Обычно, измерительные приборы относятся к рабочим СИ, и именно с ними приходится иметь дело на практике.
Информационно-измерительные системы – это набор измерительных приборов в одной конструкции.
Передача размера единиц (traceability) – это одна из основных задач метрологии. Она происходит от эталона к образцовым СИ, в качестве которых могут быть или меры, или образцовые измерительные преобразователи, или образцовые измерительные приборы. Образцовые СИ хранят и применяют институты и органы Госстандарта России, или институты и органы отраслевых метрологических служб.
От образцовых средств измерений размер передается к рабочим мерам или измерительным приборам посредством поверки (первичной, или периодической). Поверка СИ – это определение метрологическим институтом погрешностей СИ и установление их пригодности к применению. Первичная поверка также называется аттестацией. Кроме того, в соответствие с ИСО-9000 вместо поверки применяется равнозначный термин «калибровка».
Поверка измерительных приборов осуществляется одним из двух методов:
Методом измерения величин, воспроизводимых соответствующими образцовыми мерами. Наибольшая разность между результатами измерения и соответствующим размером меры является основной погрешностью поверяемого прибора.
методом сличения поверяемого и некоторого образцового прибора при измерении одной и той же величины. Разность их показаний при измерении различных значений измеряемой величины определяет погрешность калибруемого (поверяемого) прибора.
Важным при поверке является соотношения между погрешностями поверяемого и образцового приборов. Погрешность образцовых СИ обычно выбираются из соотношения 1 : 5, в крайнем случае, это соотношение может быть 1 : 3.
После поверки выдается свидетельство или аттестат о поверке. После межповерочного интервала (который устанавливается обычно органом Госстандарта при первичной поверке) происходит повторная поверка.