Технология измерительного эксперимента. Учебное пособие для студентов направления 12.04.01

P03 Понятна ли формулировка задачи измерения? P04 Заново сформулировать задачу измерения P05 Можно ли получить искомую информацию

только из результатов измерений?

P06 Является ли измерение более экономичным,

чем поиск результата в литературных источниках?

P07 Заменить измерение изучением литературных источников P08 Известен ли носитель информации?

P09 Решение задачи P10 Стоп

P11 Направленный опрос источников информации P12 Коллеги по работе, по специальности

P13 Библиотека работника или организации P14 Систематические каталоги:

1) библиотек организаций;

2) библиотек вузов;

3) городской технической библиотеки;

4) Государственной библиотеки в Москве

P15 Годовые подшивки технических журналов за последние 5 лет P16 Реферативные источники:

1) реферативные журналы России;

2) Engineering Index USA

P17 Информационная служба центрального института информации, использование возможностей запроса сведений через соответствующие органы

P18 Каталоги фирм, проспекты

P19 Известен ли источник информации?

P20 Оптимизирован ли источник измерительной информации?

41

41

Метод симметричных наблюдений можно использовать для устранения других видов погрешностей, например систематических погрешностей от влияющих величин, изменяющихся по периодическому закону. В этом случае симметричные (периодические) наблюдения проводят через половину периода, когда погрешность имеет разные знаки, но одинаковые значения.

Таким путём можно, например, исключить погрешность от наличия чётных гармоник при измерении амплитудного значения напряжения и искажённой форме кривой.

Все рассмотренные методы направлены на выявление и уменьшение погрешностей измерений. Эта цель достигается за счёт усложнения эксперимента, применения более сложных и дорогостоящих средств измерений, например, микропроцессорных приборов или измерительно-вычислительных комплексов.

5.ПРОВЕДЕНИЕ ИЗМЕРЕНИЙ

Вобщем случае трудно выделить чёткую последовательность выполнения измерительного эксперимента, поскольку объекты и средства измерений весьма разнообразны и процессы их взаимодействия очень сложные. Однако можно выделить основные операции, из ко-

торых состоит конкретная измерительная процедура, а именно: а) измерительные преобразования, включая первичное и промежуточные преобразования; б) воспроизведение физической величины заданного размера; в) сравнение величин.

При проведении измерительного эксперимента может быть учтена часть априорной информации, не использованная при подготовке.

Эксперимент связан с целевой установкой измерения опосредованно, через формулировку измерительной задачи.

Результат эксперимента (опытные данные) отделён от результата измерения этапом обработки.

43

43

Вследствие промежуточного положения измерительного эксперимента среди других этапов измерений в его рамках отсутствуют объективные критерии правильности его проведения. Последствия ошибок, допущенных при проведении измерительного эксперимента, обычно выявляют лишь при анализе результата измерения или при обработке данных наблюдений.

Например, неконтролируемое изменение условий может привести к увеличению разброса результатов наблюдений сверх ожидаемого уровня, что выявляется при обработке, а может стать причиной систематического сдвига результатов, который невозможно обнаружить в рамках данного метода измерения.

Измерение представляет собой сложную процедуру, содержание которой не сводится только к получению экспериментальных данных. Тем не менее, измерительный эксперимент является центральным (по времени и по значению) этапом измерения. Измерительный эксперимент распадается на однородные части, каждая из которых характеризуется получением одного значения измеряемой величины. Важность этой «элементарной» измерительной процедуры подчеркивается тем, что за ней закреплён отдельный термин «наблюдение при измерениях», или просто «наблюдение».

Практические советы экспериментаторам

Измерительные средства обязательно должны быть поверены. Необходимо проверить вспомогательные средства: источники тока, переменные резисторы, выключатели, соединительные провода и др.

Существует общее правило: «Измерять так точно, насколько это возможно, но не точнее, чем это необходимо». Не рекомендует-

ся производить измерения в проходных помещениях. Колебания напряжения питания приборов могут существенно исказить результаты измерений. При отсчёте показаний прибора необходимо избегать погрешностей от параллакса. Чтобы избежать погрешности вариации,

44

44

показания снимают дважды: один раз при увеличении и второй – при их уменьшении; из двух показаний находят среднее арифметическое.

Некоторый опыт необходим при уравновешивании измерительных мостов, особенно когда минимум слабо выражен. В этом случае рекомендуется поступать так, как и в случае исключения вариаций. Исходя из предполагаемого минимума, подходят к состоянию равновесия по очереди с обеих сторон. Обе точки фиксируются, а середина между ними соответствует искомому минимуму.

Если нужно установить зависимость одной величины от другой, то измеренные значения заносятся в протокол в виде таблиц. Практика показывает, что значительно рациональней непосредственно изображать искомую функциональную зависимость, сразу нанося на график полученные измеренные значения. Это даёт возможность немедленно обнаружить грубые погрешности и исключить их.

Чтобы определить необходимое число измеренных значений и их расположение, следует предварительно бегло просмотреть весь диапазон, обеспечиваемый регулировкой независимых переменных исследуемого процесса. Одновременно это даёт возможность установить масштаб графика.

Проверочные измерения должны обязательно проводиться в более широком интервале переменных, чем будут выполняться исследования.

Для построения графиков рекомендуется применять миллиметровую бумагу, или бумагу с логарифмическим масштабом, если интервалы между измеренными значениями различаются более чем в 10 раз. Для миллиметровой бумаги масштаб выбирается такой, чтобы пересчётные коэффициенты были равны 1, 2 или 5.

Измерения, нормы точности которых регламентированы стандартами или нормативными документами, должны выполняться по стандартным или аттестованным методикам выполнения измерений.

45

45

Примечание: *) – для измерения напряжения переменного тока.

47

47

6. ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ

Содержание и объём обработки данных

Обработка данных представляет собой заключительный этап измерительной процедуры, на котором по экспериментальным данным, полученным на предыдущем этапе, с помощью математических методов получают искомый результат измерения и показатели его погрешности. Содержание и объём обработки данных зависят от вида измерения, объёма и свойств экспериментальных данных, наличия априорной информации и требований к точности измерения.

Измерение можно рассматривать как процесс преобразования информации. Его содержание описывается алгоритмом измерения, в котором можно выделить две части, различающиеся по методам и средствам реализации. Одна часть – преобразование измерительного сигнала, представляющего измеряемую физическую величину, в совокупность экспериментальных данных (данных наблюдений). Эта часть реализуется с помощью средств измерений.

Вторая часть – преобразование совокупных данных (априорных и данных наблюдений) в совокупность результата измерения и оценки его погрешности. Эта часть реализуется путём обработки данных, (например, с помощью средств вычислительной техники).

Точность преобразований числовых данных при обработке существенно выше точности «аппаратурных» преобразований измерительных сигналов. Поэтому стремление к повышению точности измерения обусловливает тенденцию сужения аппаратурной и расширения вычислительной частей алгоритма.

Противоположную тенденцию вызывает стремление к упрощению процедуры измерения, которое чаще всего достигается за счёт сужения области применения средств измерений: уменьшения диапазона измерения; повышения требований к условиям измерений; увеличения требуемой априорной информации об объекте.

48

48

Противоречие между указанными тенденциями снимается за счёт включения в состав средств измерений вычислительных устройств.

Задача обработки данных подчинена цели измерения и после выбора средства измерения однозначно вытекает из измерительной задачи. Таким образом, задача обработки является вторичной. Она тесно связана с планированием измерения.

При планировании могут быть решены некоторые вопросы обработки, связанные с преобразованием априорных данных об объекте и условиях измерений, а также со свойствами средств измерений.

Пример частичного решения задачи обработки при планировании и подготовке измерения представляет априорная оценка погрешности измерения или одной из её составляющих – инструментальной погрешности.

Часть алгоритма измерения, остающаяся за рамками аппаратурной реализации, выполняется на этапе обработки. Важной особенностью его содержания является то, что он включает корректирующие процедуры, направленные на учёт отклонений реальных свойств средств и условий измерений от свойств моделей.

Необходимые сведения для коррекции должны быть получены в ходе измерительного эксперимента. Возможности повышения точности с помощью корректирующих процедур ограничены достижимой точностью описания структурных элементов измерения их моделями.

При планировании можно предусмотреть коррекцию отдельных составляющих погрешности. Так, за счёт многократных наблюдений можно скорректировать случайную погрешность средства измерения.

Неточность постановки измерительной задачи принципиально не может быть скорректирована путём обработки данных.

Корректирующие процедуры могут охватывать как результат, так и оценку его погрешности. Коррекцию результата осуществляют путём введения в него поправки на систематическую погрешность

49

49

или пересчёта статистики, служащей в качестве результата при измерениях с многократными наблюдениями.

Обработка данных осуществляется в такой последовательности, отражающей логику решения измерительной задачи.

1). Выделяют и анализируют всю информацию, которая является исходной для обработки (как априорную, так и полученную на предыдущих этапах измерения), в первую очередь:

а) соотношения между искомой (измеряемой) величиной Q и

принятые за исходные при постановке измерительной задачи и планировании измерения;

б) метрологические характеристики используемых средств измерений, в частности градуировочные характеристики, показатели погрешности или их нормы, динамические характеристики и т. п., а также сведения о погрешностях градуировочных и динамических характеристик;

в) результаты наблюдений Хi, Уi, i = 1, ..., m, т. е. отдельные значения непосредственно измеряемых величин, которые получены при выполнении экспериментальных операций и подлежат обработке для получения конечного результата измерения;

г) результаты дополнительных измерений, которые выполняются с целью контроля или уточнения условий измерения: U, V, ... , а также сведения об их погрешностях;

д) сведения о свойствах алгоритмов обработки данных, пригодных для решения задач данного типа, а также о вычислительных устройствах, имеющихся в распоряжении исследователя;

е) априорные оценки погрешностей, если таковые получены на этапе планирования измерения; если такая оценка ранее не выполнена, то её целесообразно выполнить на начальном этапе обработки.

50

50