Часть 2 техника измерений электрических величин в электронике глава 7 общие требования к измерениям

Как уже отмечалось выше, измерения — наиболее верный, доступный, а часто и единственный источник объективной информации об окружающем нас мире, о свойствах физических объектов, процессов и явлений. Они широко используются при решении производственных, научных, социально−экономических и других задач. Каждый измерительный процесс, независимо от цели его проведения и конечного результата, состоит из следующих основных этапов: подготовки к измерениям, выполнения измерений, обработки результатов измерений. Для того чтобы обеспечить надлежащее качество измерений, каждый этап измерительного процесса необходимо выполнить в соответствии с установленными правилами.

Подготовка к измерениям

В каждом измерении можно выделить следующие элементы: объект измерений, средство измерений, метод измерений и условия измерений. Измерения проводит оператор. Оператор и все элементы измерения могут влиять на результат измерения. При этом возникает погрешность, являющаяся одной из важнейших характеристик качества измерений. Чтобы обеспечить высокую точность измерений, их проведение необходимо тщательно подготовить. Это особенно важно при автоматизации измерений, которая позволяет исключить погрешность оператора, снизить погрешность из−за колебания влияющих величин, уменьшить случайную погрешность, а следовательно, повысить точность результата измерений. Широкое использование автоматизации при сборе и обработке результатов измерений дает возможность избежать ошибок при ручном вводе информации в компьютер, при расчетах, выбрать наиболее рациональный алгоритм обработки экспериментальных данных.

Подготовка измерительного процесса включает: анализ постановки измерительной задачи; создание условий для измерений, выбор средств и метода измерений, выбор числа измерений.

Анализ постановки измерительной задачи

Анализ правильности постановки измерительной задачи создает предпосылки для получения измерений высокого качества, так как позволяет исключить проведение некорректных измерительных экспериментов. При таком анализе необходимо прежде всего выяснить: какие физические величины или параметры объекта подлежат измерению, какой точности должен быть результат измерения и в какой форме его следует представить, чтобы это соответствовало цели измерительной задачи?

При ответе на первый вопрос выбирают модель объекта (процесса, явления), параметры которой являются величинами, подлежащими измерению. Выбранная модель должна удовлетворять двум требованиям.

Первое требование — четкая характеристика измеряемой физической величины (параметра). Например, следует измерить электрическое напряжение сигнала. При этом должно быть указано, какое напряжение имеется ввиду – действующее напряжение, среднее напряжение, амплитудное напряжение, средневыпрямленное напряжение, размах сигнала. При измерении мощности источника сигнала необходимо указать, какая мощность имеется ввиду – полная мощность, активная мощность, реактивная мощность, кажущая мощность, средняя мощность для радиоимпульсных сигналов и т.п.

Второе требование — нестабильность измеряемых параметров в течение времени измерения не должна превышать 10 % от заданной погрешности измерений.

Для дальнейших расчетов, целесообразно представлять результат измерений, оценки случайных и неисключенных систематических погрешностей по отдельности. При этом случайную погрешность следует характеризовать средним квадратическим отклонением с указанием числа измерений, выполненных для ее определения. Если результаты измерений окончательны, суммарную погрешность результата представляют как интервальную характеристику суммарной погрешности. Методики ее оценки изложены в главе 5.

Характеристики погрешности измерений указывают в единицах измеряемой величины или в процентах относительно результата измерения либо номинальных значений измеряемой величины. Характеристики погрешности выражают числом, содержащим не более двух значащих цифр.

При анализе постановки измерительной задачи необходимо выявить требования к быстроте получения измерительной информации, ее дискретности, уровню автоматизации, определить оптимальность (с точки зрения цели измерительной задачи) измеряемых параметров и др. От этого зависят выбор тех или иных средств измерений, метода и условий измерений, затраты труда оператора. Организация измерительных работ должна отвечать требованиям современных технологических процессов, в том числе автоматизированных.

Создание условий для измерений

Каждое измерение выполняется в определенных условиях, которые характеризуются одной или несколькими физическими величинами, часто оказывающими заметное влияние на измеряемую величину и используемые средства измерений (их называют внешними влияющими величинами). Например, условия измерений электрического напряжения сигналов электронным вольтметром характеризуются такими внешними влияющими ФВ как температура окружающего воздуха, напряженность внешнего электромагнитного поля (создаваемого сотовыми телефонами, источниками освещения, компьютерами, генераторами), колебания напряжения питающей сети.

Влияющие величины можно разделить на четыре группы:

− климатические (температура окружающей среды, относительная влажность воздуха, атмосферное давление);

− электрические и магнитные (колебания силы электрического тока, напряжения и частоты переменного электрического тока в электрической сети, постоянные и переменные магнитные и электромагнитные поля и др.);

− внешние нагрузки (вибрации, ударные нагрузки, внешние касания деталей прибора);

− ионизирующие излучения, газовый состав атмосферы и т. д.

При точных измерениях для создания требуемых условий применяют специальные меры защиты от воздействия влияющих величин. Так, влияние температуры уменьшают кондиционированием помещения, влияние электромагнитных полей исключают устранением источников излучений или экранированием рабочего места, с целью уменьшения влияния колебаний питающей сети применяют стабилизаторы напряжения сети и т.п.

Выбор средств измерений

Свойства средств измерений в НТД отображаются определенным числом технических характеристик: метрологических, конструктивных, эксплуатационных и др. Некоторые из них могут быть приняты за основные (за критерии выбора средств измерений), а другие характеристики должны учитываться как ограничительные. В качестве основных целесообразно принять метрологические характеристики, определяющие погрешность (и, следовательно, достоверность) результатов измерений параметров технических устройств. А в качестве ограничительных – такие характеристики, которые отражают рабочие условия применения (диапазон измеряемых значений, диапазон частот или уровней, диапазон температур, время на измерение, массогабаритные или ценовые характеристики).

Для технически обоснованного выбора средств измерений важное значение имеет определение следующих исходных данных:

состав измеряемых и контролируемых параметров технического устройства;

значения допусков на отклонения для контролируемых параметров или допустимые значения суммарной погрешности измерений для измеряемых параметров;

допускаемые значения вероятностей ложного и необнаруженного отказов для каждого из контролируемых параметров и значения доверительных вероятностей для измеряемых параметров;

законы распределения отклонений контролируемых параметров как случайных величин.

Наряду с исходными данными на основе анализа технического устройства, характеристик измеряемого (контролируемого) параметра и условий, в которых будут проводиться измерения, определяются требования к ограничительным техническим характеристикам выбираемого средства измерений. При анализе параметра технического устройства, для измерения (контроля) которого выбирается средство измерений, определяются его минимальное, номинальное, максимальное значения, частотный диапазон и допустимое время на измерение (контроль).

При анализе условий, в которых будут проводиться измерения, определяются:

уровни механических нагрузок (вибраций, ударов, линейных ускорений);

значения климатических условий (температуры, влажности, атмосферного давления);

− наличие электрических и магнитных помех (полей).

После определения исходных данных и требований к ограничительным характеристикам, которым должно удовлетворять выбираемое средство измерений, необходимо рассчитать требуемые значения точностных характеристик.

При выборе средств измерений по точности необходимо установить, в каких целях применяются указанные средства: для измерения или для контроля. При измерении ограничиваются получением количественного значения физической величины с требуемой погрешностью. При контроле полученный результат дополнительно сравнивается со значением допуска на отклонение контролируемого параметра и формируется решение, находится ли измеренное значение физической величины в пределах допуска или вне его.

При измерениях параметра требование к достоверности можно сформулировать следующим образом: с заданной вероятностью Р значение суммарной погрешности измерений выбранным средством не должно превышать допускаемого значения погрешности результата измерений , то есть

.

(7.1)

При контроле параметра требования к достоверности следующие: вероятности ложного и необнаруженного отказов по результатам контроля параметра выбранным средством измерений не должны быть выше допустимых значений.

Вероятность ложного отказа Р_ЛО − это условная вероятность получения решения "не годен" при контроле параметра, значение которого в действительности соответствует требованиям технической документации.

Вероятность необнаруженного отказа Р_НО − это условная вероятность получения решения "годен" при контроле параметра, значение которого в действительности не соответствует требованиям технической документации.

Следовательно, задаваясь допускаемыми значениями вероятностей ложного и необнаруженного отказов, можно устанавливать требования к погрешностям выбираемых средств измерений.

В большинстве случаев отсутствует информация как о законе распределения контролируемого параметра в поле допуска, так и о законе распределения погрешности измерений выбираемыми средствами измерений, а имеется информация только о значении допуска на отклонение контролируемого параметра. В этих случаях в качестве критерия целесообразно принять отношение _R суммарной погрешности измерений к допуску. Значение _R определяется по табл. 7.1 для равновероятного закона распределений отклонений контролируемых параметров. Необходимо заметить, что такой вариант выбора средств измерений соответствует предельным параметрам разбраковки и приводит к завышенным требованиям по точности выбираемых средств измерений.

При выборе средства измерений дня контроля параметра технического устройства рассчитывается допускаемое значение суммарной погрешности результатов измерений

.

(7.2)

где _R − допускаемое соотношение между погрешностью измерений и допустимым отклонением контролируемого параметра.

Значение _R определяется раздельно по заданным допускаемым значениям вероятностей ложного Р_ЛО и необнаруженного Р_НО отказов.

Таблица 7.1

Отношение суммарной погрешности измерений к допуску, R	Вероятность ложного отказа РЛО для равновероятного закона распределения контролируемого параметра в поле допуска, %	Вероятность необнаруженного отказа РНО для равновероятного закона распределения отклонений контролируемого параметра в поле допуска, %
0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0	1,2 2,6 3,9 5,2 6,6 7,9 9,3 10,6 12,0 13,0	1,1 2,1 3,2 4,0 4,9 5,6 6,3 7,0 7,6 8,2

Если принять, что экономически приемлемыми являются параметры разбраковки Р_ЛО и Р_НО порядка 3 %, допускаемое соотношение между погрешностью измерений и допустимым отклонением контролируемого параметра _{R = 0,3 и, следовательно, погрешность средства измерений должна быть примерно в три раза меньше поля допуска контролируемого параметра:}

.

Выбор метода измерений

Как отмечалось в главе 4, при измерениях можно использовать либо метод непосредственной оценки, либо один из методов сравнения с мерой.

Наибольшее распростанение получил метод непосредственной оценки. Метод прост, не требует особых действий оператора и дополнительных вычислений, поскольку значение измеряемой ФВ считывают непосредственно с отсчетного устройства измерительного прибора. Однако, при измерениях этим методом погрешность измерений обусловлена метрологическими характеристиками измерительного прибора и рабочими условиями выполнения измерений и часто может превышать требуемое значение.

Для достижения более высокой точности измерений обычно применяют один из методов сравнения с мерой (замещения, уравновешивания, нониуса).

Выбор числа измерений

Путем увеличения числа измерений можно уменьшитьслучайную погрешность измерений и обнаружить и учесть изменяющуюся систематическую погрешность. Однако, в погрешности результата измерений часто присутсвует неисключенная систематическая погрешность. Поэтому случайную погрешность имеет смысл уменьшать путем увеличения числа измерений только до тех пор, пока она не станет меньше неисключенной систематической погрешности.

Из выражения (5.20)

,

следует, что если S(Q_i) = 1/8 Δ_сист, то n_макс = 1 и проводить многократные измерения для уменьшения случайной погрешности нет смысла.

Исключение из этого правила делают лишь тогда, когда объектом измерений является сама нестабильность измеряемого или воспроизводимого параметра (например, измерение нестабильности частоты генератора сигналов).