Технология измерительного эксперимента. Учебное пособие для студентов направления 12.04.01

Стабильность средства измерения является качественным показателем, отражающим неизменность во времени его метрологических свойств.

Надёжностью средства измерения называется свойство выполнять свою функцию, сохраняя установленные эксплуатационные характеристики в определённых пределах в течение заданного времени, в заданных условиях. Надёжность характеризуется средним временем безотказной работы при установленной доверительной вероятности.

Помехоустойчивость – свойство прибора правильно воспроизводить значение измеряемой величины при наличии внутренних (флуктуации, фон) и внешних помех.

Диапазон рабочих частот – полоса частот, в пределах которой погрешность прибора нормирована.

Метрологические характеристики средств измерений

Метрологическими называются характеристики средств измерений, оказывающие влияние на результаты и погрешности измерений. Метрологические характеристики нормируются, т. е. им предписываются определённые числовые значения для данного типа средств измерений, работающих в определённых условиях.

К нормируемым метрологическим характеристикам относятся: пределы измерений (диапазон); цена деления равномерной шкалы (при неравномерной шкале – минимальная цена деления); выходной код, число разрядов, цена единицы наименьшего разряда кода приборов с цифровым отсчётом; вариация показаний; погрешность прибора (систематическая и случайная составляющие, суммарная погрешность); входное и выходное сопротивления; время установления показаний и др.

Погрешности средств измерений

Погрешности средств измерений можно классифицировать по различным признакам: по размерности, по характеру связи между

21

21

значением погрешности и уровнем сигнала, по закономерности появления при многократных испытаниях средств измерений, по условиям и причинам появления.

Классификация погрешностей по размерности. В зависимости от размерности различают: абсолютные погрешности; относительные погрешности; относительные приведённые погрешности.

Абсолютные погрешности средств измерений могут быть выражены или в единицах измеряемой величины X (см. уравнения 2.1-2.2), или в единицах выходного сигнала У. Такой способ выражения погрешности удобен для случаев, когда в результат измерения вводится поправка, или результат измерения выражается в логарифмической форме в децибелах.

Относительные погрешности также могут рассматриваться по отношению к Х (см. уравнение 2.3) или к выходному сигналу У, %:

координат, то y = .

Для электроизмерительных приборов относительную погреш-

Здесь ХN – нормирующее значение величины, равное верхнему пределу измерения, диапазону измерения, длине шкалы и т. д.

Классификация погрешностей по характеру связи между значением погрешности и уровнем сигнала. По данному признаку различают:

–аддитивные ( y = a);

–мультипликативные ( y = b X);

–степенные ( y = C Xm);

–периодические [ y = A Sin(kX)] погрешности.

Здесь a, b, C, m, A, k – const.

Погрешность может быть комбинированной.

22

22

Динамические погрешности имеют место при неустановившемся режиме измерения. Под динамической понимают ту часть погрешности, которая добавляется к статической погрешности в неустановившемся режиме измерения.

Классификация погрешностей по условиям применения средств измерений. По условиям применения средств измерений различают основную и дополнительную погрешности. Основная погрешность имеет место при нормальных условиях, которым отвечают нормальные климатические условия (давление воздуха 760 мм рт. ст., температура 20 5oС, влажность 20÷60%), нормальное положение прибора (горизонтальное или вертикальное), отсутствие переносных линейных и угловых ускорений, номинальный режим питания и т. п. Она возникает под влиянием многих факторов, формируется на всех этапах проектирования и изготовления измерительного устройства.

Дополнительной называется та часть погрешности, которая добавляется к основной погрешности при отклонении условий работы измерительного устройства от нормальных.

Способы выражения пределов допускаемых погрешностей средств измерений, классы точности

Предел допускаемой погрешности средства измерения, соответ-

ствует наибольшей (по модулю) его погрешности, при которой средство измерения может быть признано годным. Это относится к основной и к дополнительной погрешностям. Например, пределы допускаемой приведённой погрешности вольтметра класса 1.0 равны ±1% верхнего предела измерения. Пределы допускаемой абсолютной

24

24

Пределы допускаемой относительной основной погрешности

Здесь c и d – положительные числа; Xk – конечная отметка предела измерения.

Пределы допускаемой приведённой погрешности устанавливаются по формуле (3.13). Можно пределы допускаемой относительной

20 – при измерении напряжения, силы тока.

Для средств измерений часто устанавливается класс точности, которым называется обобщённая характеристика, определяемая пределами допускаемых основной и дополнительной погрешностей, а также другими свойствами, влияющими на точность, значения которых установлены в стандартах на отдельные виды средств измерений.

При этом класс точности характеризует точность средства измерения, но не является непосредственным показателем точности измерения, выполняемого с помощью этого средства.

4. ПОДГОТОВКА ИЗМЕРЕНИЙ

Измерения проводятся с целью получения измерительной информации об объекте исследования. Несмотря на большое разнообразие задач измерений, можно предположить, что процедуры их решения в своей основе имеют нечто общее. Решение любой задачи измерения складывается из последовательности операций и выборов решений, начиная с постановки задачи и кончая получением результата измерения. В современной технической литературе нельзя найти единого толкования терминов «задача измерения» и «результат измерения». При постановке задачи измерения должны быть учтены все данные,

25

25

имеющие значение для её решения. Такое положение дел встречается на практике очень редко. Обычно экспериментатору приходится сначала уточнять задачу измерения, что предъявляет дополнительные требования к уровню его квалификации.

Результат измерения получается по известным зависимостям из результатов отдельных наблюдений с учётом известных свойств измерительных систем, а также воздействия влияющих величин и помех. Особо высокие требования к экспериментатору вытекают из необходимости учёта влияющих величин и помех.

Процесс решения задачи измерения разбивается на три этапа:

–подготовка (создание всех необходимых предпосылок для эксперимента, направленного на получение измерительной информации);

–проведение измерений (экспериментальное определение результатов наблюдений);

–обработка этих наблюдений с целью получения результата измерения.

Процесс решения задачи можно упростить, если экспериментатору заранее задать последовательность действий и выбора решений по подготовке, проведению измерений и обработке их результатов.

В первую очередь необходимо выяснить, какие данные, требующиеся для решения задач измерений, можно извлечь из существующих руководств, описаний и инструкций по эксплуатации средств измерений. Инструкции по эксплуатации содержат все необходимые сведения по использованию, обслуживанию и ремонту приборов. Они должны помочь потребителю освоить приёмы измерений за кратчайшее время с необходимой точностью.

Однако инструкции по эксплуатации не могут быть использованы в качестве методических указаний по проведению измерений, поскольку:

26

26

–правила проведения измерений не сгруппированы по задачам измерений;

–указания по эксплуатации прибора иногда прерываются описанием прибора;

–последовательность действий лишь в редких случаях, да и то не полностью, приводится в удобной для потребителя форме таблиц или планов выполнения программ измерений;

–в ряде случаев затруднён поиск указаний, необходимых экспериментатору для решения задач измерений.

Существует ряд типовых методик выполнения измерений, разработанных и аттестованных применительно к конкретным объектам исследования. Кроме того, имеется ряд государственных стандартов, определяющих методики выполнения измерений.

Классификация процессов решения задач измерений

Технические описания к средствам измерений, инструкции и стандарты не содержат в себе полного, завершённого описания процессов решения задач измерений. То же относится и к специальной литературе по измерительной технике.

Различные авторы, рассматривая подготовку, проведение и обработку измерений как отдельные, частные этапы процесса решения задачи измерения и придерживаясь единых мнений в отношении их начальных и конечных целей, расходятся во взглядах на необходимую последовательность действий и решений. Даже в отношении таких простых вопросов, как, например, выбор средств измерений, имеются противоречивые мнения.

Для успешного решения задачи измерения оказываются недостаточными такие классификационные признаки, как вид измеряемой величины, преобразование измерительного сигнала, методы измерений, измерительная система, точность измерений, условия проведения измерений, обработка результатов измерений.

27

27

Измерение – это процесс решения задачи. Для гарантии единооб-

разия и правильности решения необходимо уметь регламентировать, управлять и поэтапно контролировать сам процесс решения задачи измерения. При этом необходимо:

–выявить конечную цель измерения путём анализа системы более высокого иерархического уровня, что позволит правильно выбрать пути решения задачи;

–создать классы задач измерений с учётом их конечных целей;

–разработать инструкции по решению задач измерений, соответствующих различным классам;

–собрать примеры решения задач измерений, соответствующих различным конечным целям.

Измерения, в зависимости от конечных целей, можно разделить на научные и технические. Научные измерения являются составной частью научных экспериментов. Они необходимы для установления качественных и количественных соотношений для ранее неизвестных ситуаций, для сопоставления и построения новых гипотез и теорий.

Задача измерения в этом случае формулируется неполно. Гарантия решения задачи отсутствует. Исследователь получает интересующую его измерительную информацию путём поиска на этапах подготовки, проведения и обработки результатов. От исследователя требуется большой объём специальных знаний и знаний в области измерительной техники, а также большой опыт и мастерство.

К научным следует отнести и такие измерения, когда известны и объём измерения, и измеряемая величина, и измерительная система, но неизвестны условия проведения измерений. Поэтому для анализа погрешностей измерений экспериментатор должен позаботиться о получении дополнительной информации.

При технических измерениях задача формулируется полно и однозначно, возможность её решения гарантируется. Экспериментатор

28

28

получает интересующую его измерительную информацию путём выполнения определённой последовательности действий и принятия решений на этапах подготовки, проведения и обработки результатов измерений. Требования к квалификации экспериментатора существенно ниже.

Решение задачи научного измерения – это поисковая проблема. Напротив, решение задач технических измерений – это часто повторяющиеся процедуры, и соответственно этому должны быть организованы процессы измерений в производственных условиях.

Подготовка алгоритмов решения задач измерений

Целенаправленная деятельность экспериментатора по решению задачи измерения основывается на установлении цели измерения и некоторых особенностей результата измерения, определяющих необходимую для его достижения последовательность действий.

Поэтому важно определить конкретные цели измерений и использовать их для промежуточного контроля процесса решения задачи.

Сначала необходимо разработать предварительный план процесса решения, который вытекает непосредственно из сформулированной цели измерения. Все последующие действия и порядок их выполнения устанавливаются в уточнённом плане.

Опытный экспериментатор заранее и относительно самостоятельно разрабатывает план решения задачи измерения, который включает цель измерения, последовательность операций по её достижению, а также контрольных операций для предупреждения возможных ошибок. Недостаточно опытный экспериментатор работает независимо от характера решения задачи, исходя из сложившейся в данный момент ситуации, часто методом проб и ошибок. Следствием этого является принятие ложных решений и большие потери времени. Поэтому необходимо стремиться к тому, чтобы экспериментаторы привыкали заранее планировать свои действия.

29

29

Для овладения рациональными последовательностями действий, необходимыми для решения той или иной задачи измерения, экспериментатора нужно снабжать соответствующими инструкциями.

Лучшим видом таких инструкций являются методики, в которых чётко определяются процессы принятия логических решений, вследствие чего различные экспериментаторы оказываются вынужденными действовать одинаково и приходят к одинаковым решениям.

Если методика описывает оптимальный путь решения задачи, то одновременно достигается оптимизация и, следовательно, рационализация самого процесса решения. Строгость принципов построения алгоритмов ограничивает их применение для процессов решения задач в измерительной технике. Однако возможна разработка алгоритмических инструкций (программ измерений), которые, сохраняя некоторые важные черты алгоритмов (определённость, конечность, массовость, результативность), отвечали бы менее строгим требованиям к ним. Для этого имеются следующие предпосылки.

1). Операции, выполняемые при решении задач измерений, подчиняются определённым закономерностям. Несмотря на то, что некоторые частности остаются до конца невыясненными и часть операций не может быть представлена подробно, повторяемость процессов решения одинаковых задач позволяет формализовать их описание.

2). Последовательность операций при решении задачи измерения определяется не видом измеряемой величины и не объектом измерения, а общей характеристикой задачи, соответствующей конечной цели измерения. Этим открывается возможность классификации задач измерений в соответствии с особенностями цели измерения.

3). Множество задач, возникающих при такой классификации, является конечным. Поэтому конечным должно быть и множество программ измерений. В рамках одного класса задач могут существовать разнообразные варианты постановки задачи измерения.

30

30