Muratov_V_G_Metrologia_tekhnol_izmer_i_pribor

1 — характеристики, призначені для визначення результатів вимірювань (без уведення виправлення): функція перетворення, ціна поділки шкали ВиП, вид вхідного коду, число розрядів коду, номінальне значення ОМР цифрових ЗВТ;

2 — характеристики основної похибки ЗВТ:

а) — характеристики систематичної складової похибки ЗВТ:

межа припустимих значень систематичної складової, її математичного очікування, середньоквадратичного відхилення;

б) — характеристики випадкової складової похибки ЗВТ: межа припустимих значень середньоквадратичного відхилення, номінальна нормалізована автокореляційна функція або функція спектральної густини, межі припустимих значень випадкової складової від гістерезису — варіація вихідного сигналу із установленою довірчою ймовірністю;

3 — характеристики чутливості ЗВТ до впливових величин:

функції впливу ψ(ξ), межі зміни метрологічних характеристик через зміну впливових величин ξi у їхньому робочому діапазоні;

4 — динамічні характеристики аналогових і цифрових ЗВТ:

перехіднайімпульснаперехіднахарактеристики, АЧХ, ФЧХ, АФЧХ, передатні функції, постійна часу Т, час реакції ТС та ін.;

5 — характеристики, що відбивають здатність ЗВТ впливати на інструментальну складову похибки при його взаємодії з іншими елементами вимірювальних систем. Прикладами характеристик цієї групи є вхідні й вихідні повні опори (імпенданси) лінійного вимірювального перетворювача;

6 — неінформативні параметри вихідного сигналу ЗВТ.

3.4. Нормування характеристик похибок

Нормування полягає в раціональному виборі й законодавчому регламентуванні теоретично обґрунтованої номенклатури, складу й норм значень характеристик похибок як метрологічних характеристик ЗВТ.

Нормування всіх інших МХ ЗВТ підлегле нормуванню характеристик їхніх похибок.

Метою нормування характеристик похибок ЗВТ є забезпечення можливості визначення таких оцінок похибок результатів вимірю-

92 В. Г. Муратов. Метрологія, технологічні вимірювання та прилади

вання, які достатньо близькі до їхніх дійсних значень. Заниження оцінок приводить до браку продукції, перевитрат ресурсів і до аварійних ситуацій. Завищення оцінок, перестраховка понад норму приводять до непродуктивних витрат на розробку, виготовлення, експлуатацію ЗВТ, а також до ускладнення їхньої структури і, тим самим, до зниження їхньої надійності й довговічності.

Діючі НТД [24] регламентують нормування характеристик похибок ЗВТ цього типу з поділом на основну й додаткову, а також з поді-

ється як випадкова похибка, для якої нормують межі (позитивну й негативну) її припустимих значень або ці ж межі, математичне очі-

кування М( ) і середньоквадратичне відхилення σ( ).

Для центрованоїS складової 0 похибки ЗВТ даного Sтипу нормують межі припустимого значення середньоквадратичного відхилення σ( 0 ) або цю ж межу й номінальну автокореляційну функцію K 0 H(t) або номінальну спектральну густину S 0 (ω), а також межі відхилень цих функцій від номінальних.

В НТД на ЗВТ конкретних видів і типів допускається нормувати функції або густину розподілу ймовірностей систематичної й центрованої складових похибки.

Похибку, викликану гістерезисом, нормують межею припустимих значень модуля варіації Н, який установлюють у вигляді дольного (кратного) значення межі припустимої основної похибки або в

інтервалах змін впливових величин ξ. Залежність характеристик ЗВТ від ξ нормується також номінальними функціями впливу ψН(ξ) і межами припустимих відхилень від них або граничними функціями впливу.

Нормовані характеристики абсолютної , відносної ε і приведеної γ похибки виражають числом або функцією (формулою, таблицею, графіком) інформативного вхідного або вихідного сигналів.

Характеристики динамічних похибок не нормують, а визначають нормами значень інших динамічних характеристик.

Динамічні характеристики аналогових ЗВТ нормують шляхом установлення номінальних (повних або окремих) динамічних характеристик і меж (позитивного й негативного) припустимих відхилень від них.

Часткові динамічні характеристики АЦП, ЦВП і ЦАП, час реакції ТС яких не перевищує інтервалу часу між двома вимірюваннями, відповідного до максимальної частоти (швидкості) вимірювань, нормують шляхом установлення номінальних часткових динамічних характеристик і меж (позитивного й негативного) відхилень від них.

Похибка датування відліку tD нормують шляхом установлення припустимої межі математичного очікування похибки датування й припустимої межі середньоквадратичного відхилення або припустимогорозмахувипадковоїскладовоїпохибкидатування. Аналогічно нормують час перетворення, час затримки й ін. параметри.

Для ЗВТ, у яких великий розкид динамічних характеристик (повних або часткових) по безлічі екземплярів, в НТД установлюють необхідність використання індивідуальних динамічних характеристик кожного екземпляра ЗВТ і нормують граничні динамічні характеристики із числа перерахованих у цьому НТД.

3.5. Вимірювальний експеримент і методики виконання вимірювань

3.5.1. Планування вимірювального експерименту

За розробки нових ЗВТ та інших об’єктів часто потрібно досліджувати їхню поведінку в різних умовах функціонування. Якість складних об’єктів при цьому оцінюють у результаті випробування (вимірювального експерименту) за отриманими значенням функціональних і економічних показників.

Широкодіапазонне натурне дослідження пов’язане зі значними витратами часу, небезпекою невідновних відмов (поломок і аварій) об’єкта й з іншими труднощами. Широко використовується для дослідження об’єктів імітаційне моделювання на ЕОМ, вільне від зазначених недоліків. Тому проводять вимірювальний експеримент, ціль якого змінюється залежно від стадії життєвого циклу об’єкта дослідження.

На стадії випуску з виробництва (пуску в експлуатацію) об’єкт випробовують для визначення дійсних значень його характеристик і параметрів. На стадії розробки метою вимірювального експерименту є одержання інформації про об’єкт дослідження, необхідної для:

—побудови моделі об’єкта, яка виражає залежність вихідних величин, названих відгуками, від вхідних, називаних факторами;

—або оцінки параметрів заздалегідь обраної моделі. Експеримент при цьому проводять відповідно до програми й

методики, вибираючи заздалегідь істотні незалежні фактори. План експерименту — це програма або схема, що представляє

собою сукупність даних, що визначають кількість, умови й порядок проведення дослідів. Експерименти діляться на пасивні, планування яких полягає в оптимізації збору й обробки інформації про об’єкт дослідження без впливу експериментатора на факторний простір і активні, у яких експериментатор задає рівні факторів.

Воднофакторному активному експерименті змінюють рівні одного фактора при фіксованих рівнях інших. У багатофакторному експерименті змінюють рівні двох або більшої кількості факторів при різних комбінаціях рівнів інших факторів. У випадку об’єкта невідомої структури одночасно змінюють більше число факторів, щоб рандомизувати їхню дію.

Метод рандомизації, застосовуваний для варіювання умов вимірювань, полягає в тому, що номінальне значення ФВ визначають методом багатофакторних спостережень, а самі спостереження виконують за таким спеціальним алгоритмом, за якого саме той фактор, який приблизно приводить до систематичної похибки, змінюється випадковим чином.

Векспериментах використовують дисперсійний, регресійний, коваріаційний та ін. методи статистичного аналізу, за назвами яких відрізняють види моделей і експериментів.

Вибір моделі при цьому визначається властивостями об’єкта,

вимогами адекватності, простоти й компактності.

Поняття адекватності математичної моделі її оригіналу відносне, оскільки кожна модель є тільки наближеним зображенням оригіналу. Адекватність моделі означає її інформативну адекватність оригіналу з погляду досягнення поставленої мети. На практиці застосовують відповідні статистичні й детерміновані критерії адек-

ватності, причому за одними критеріями модель може бути адекватною, за іншими — ні. Загальний критерій — модель адекватна оригіналу, якщо вона не суперечить експериментальним даним.

Простота моделі полягає в тому, що зміст аналітичного виразу, яким вона описується, відносно легко піддається фізичній інтерпретації. Завдяки цьому окремі істотні властивості об’єкта виражаються значеннями параметрів моделі.

Компактність моделі визначається формою запису аналітичного виразу. Поряд з побудовою математичних моделей реальних досліджуваних об’єктів безпосередньо за результатами вимірювальних експериментів, на ЕОМ проводять імітаційне моделювання складних об’єктів і систем, які надалі підлягають проектуванню. Таке імітаційне моделювання дозволяє прогнозувати поведінку об’єкта при різних комбінаціях рівнів факторів і оптимізувати його параметри.

В експериментах імітаційного моделювання за аналогією з вимірювальнимиекспериментамиточністьустановленнязначеньрівнівфакторів повинна бути на порядок вищою, ніж необхідна точність відгуку. Завдяки цьому вважається, що похибки рівнів факторів дорівнюють нулю й це спрощує процедуру обробки результатів спостережень.

Планування вимірювальних експериментів реалізують зазвичай на основі регресійного методу аналізу з оцінкою параметрів методом найменших квадратів.

Детальніше методи статистичного аналізу вивчаються в курсах вищої математики, а також моделювання об’єктів і систем керування галузі.

3.5.2. Технічна й правова сутність методики виконання вимірювання

Вимірювальний експеримент виконують, слідуючи відповідній методиці виконання вимірювань.

Під методикою виконання вимірювань умовно розуміють

сукупність методу, засобів, процедури й умов підготовки й проведення вимірювань, а також правил обробки результатів спосте-

режень, необхідних для виконання даного вимірювання. Досвід одержання вимірювальної інформації в промисловості показує, що основна частка втрати точності при вимірюванні має місце не за рахунок збільшення похибок ЗВТ, що застосовуються, а в першу

чергу, за рахунок недосконалості методів і методик виконання вимірювань.

Відповідно до цього, щоб гарантувати знаходження результату вимірювання з певною точністю, необхідно:

—застосувати належні методи й засоби вимірювальної техніки;

—обґрунтувати й регламентувати вимоги до компонентів вимірювання;

—обґрунтуватийрегламентувативимогидопідготовкивимірювання. Сукупністьзазначенихвимогстановитьтехнічнусутністьмето-

дики виконання вимірювання. При цьому оцінювання похибки або алгоритму такого оцінювання як найвідповідальніша й найскладніша частина вимірювання є продуктом праці професіоналівметрологів, а спостерігач знаходить результат вимірювання, тільки слідуючи методиці виконання вимірювання.

Слідування методиці виконання вимірювання дозволяє офіційно визнати правильним отриманий у такий спосіб результат вимірювання.

Уцьому полягає правова сутність методики виконання вимірювання.

Методикою виконання вимірювання називається не тільки сукуп-

ність вимог до методів, ЗВТ, умов і алгоритму вимірювань, але й сам НТД, у якому ці вимоги сформульовані.

Методики виконання вимірювання стандартизують або атестують відповідно до ГОСТ 8.010-72, де регламентовані порядок атестації й оформлення її результату, а також до змісту стандартів і атестатів методик проведення вимірювань.

3.5.3. Типові і часткові методики виконання вимірювань

Типові методики проведення вимірювань є найбільш загальними, їх класифікуютьзаширотоюпоширеннявимірюванняданоїФВ, точності вимірювання, значимості отриманих результатів вимірювання і т. д.

Стандарти на методики проведення вимірювань підрозділяють на державні (ДСТУ), галузеві (ГСТУ) і підприємств (СТП). Усі методики підлягають атестації.

Атестація методики проведення вимірювання за цілями і змістом виконуваних робіт подібна атестації ЗВТ. Це дослідження, результати якого фіксують у НТД: стандарті, атестаті або відповідному розділі стандарту на технологічний процес (ТП), методи й засоби повірки ЗВТ або проведення випробувань і контролю продукції.

Методики проведення особливо точних і відповідальних вимірювань, що виконуються в організаціях Держстандарту, атестують його метрологічні інститути й територіальні органи. Атестацію методик проведення вимірювань для технологічних процесів, контролю й випробувань продукції та технічного обслуговування об’єктів проводять органи відомчих метрологічних служб.

Утиповуметодикувключаютьнайбільшзагальнійважливівимоги до компонентів вимірювань, що звичайно відбивається в назві, наприклад, «Методикапроведеннявимірюваннязадопомогоюмостових схем». Менш істотні, але конкретні вимоги містяться в частковій методиці, що має відповідну назву, наприклад, «Методика проведення вимірювань за допомогою автоматичного моста типу КСМ-2».

Утиповій містять лише алгоритм оцінювання похибки вимірювання й деякі дані для розрахунку з урахуванням того, що в частковій методиці будуть відомі інші необхідні дані.

Типові методики проведення вимірювань — це НТД, які є керівним технічним матеріалом (РТМ) для служб, що розробляють часткові методики проведення вимірювань. Тому результати вимірювань

утипових методиках, як правило, регламентують у повних формах представлення.

Часткові методики призначені для використання на робочих місцях операторами, що виконують вимірювання, й інженерами-техно- логами. У них зазвичай регламентують вимоги до всіх компонентів вимірювань і інтервальну оцінку похибки вимірювання. При цьому похибку не розділяють на випадкову й систематичну, тому що в частковій методиці визначене число спостережень та інші фактори.

4. ОРГАНІЗАЦІЯ НАГЛЯДУ ЗА ВИМІРЮВАЛЬНОЮ ТЕХНІКОЮ НА ПІДПРИЄМСТВІ

4.1. Метрологічна атестація ЗВТ

Кожне ЗВТ повинно відповідати вимогам єдності вимірювань. Контроль за виконанням цих вимог на різних етапах існування ЗВТ виконується по-різному.

Перш, ніж почати виробництво нового типу ЗВТ, його всебічно досліджують, вирішуючи питання про доцільність такого кроку шляхом проходження стадій постановки ЗВТ на виробництво [14]. На першій стадії три зразки розробленого ЗВТ у комплекті із НТД піддають експертизі й випробуванням — спочатку організацієюрозроблювачем (стендові випробування), потім заводом-виготовлю-

вачем (заводськівипробування) і приймальною комісією(приймальні випробування). При позитивних результатах Держстандарт затверджує тип нового ЗВТ, що вноситься в Державний Реєстр ЗВТ, і дозволяє випуск настановної серії (10 зразків ЗВТ). На другій стадії ці зразки знову піддають експертизі й випробуванням у тому ж обсязі. При позитивних результатах Держстандарт дає дозвіл заводувиготовлювачеві на серійний випуск нового типу ЗВТ.

При всіх зазначених випробуваннях ЗВТ проводять наступні дослідження:

—здійснюють метрологічну експертизу комплекту НТД (Паспорта, ТУ, Інструкції по експлуатації, Програми й методики випробувань) розробленого ЗВТ;

—оцінюють систему метрологічних характеристик і спосіб їх регламентації;

—установлюють їхні значення й розрахункові вирази;

—оцінюють методи й засоби експериментальних досліджень розробленого ЗВТ;

—установлюють номенклатуру методів і засобів повірки;

—проводять огляд і контроль зразків ЗВТ на відповідність кресленням, ТУ і Технічному завданню (ТЗ) на розробку ЗВТ;

—проводять експериментальне дослідження ЗВТ відповідно до представленої Програми й методики випробувань;

—оформляють результати проведених досліджень.

Такі дослідження в комбінації з документальним оформленням його результатів називається метрологічною атестацією ЗВТ. В одних випадках документом є «Свідчення про метрологічну атестацію» ЗВТ, в інших — акт і протоколи приймальних випробувань організації-розроблювача (так званих, стендових випробувань ЗВТ).

Якщо ЗВТ уже випускається, то технічному контролю піддають його вузли й деталі на відповідність до креслень і ТУ. Після технічного контролю або разом з ним проводять повірку ЗВТ.

4.2. Державні випробування ЗВТ

Державні випробування ЗВТ проводять із метою:

—забезпечення єдності вимірювань в Україні;

—при постановці на виробництво нових типів ЗВТ;

—при ввозі в Україну партій імпортних ЗВТ;

—для захисту інтересів споживачів засобів вимірювань. Основними завданнями Державних випробувань ЗВТ є:

—установлення відповідності розроблених ЗВТ до вимог НТД;

—перевірка правильності вибору методів і засобів повірки,

—забезпечення ЗВТ методами й засобами повірки при випуску з виробництва й в експлуатації;

—перевірка відповідності ЗВТ, що серійно випускаються, до вимог НТД їх затвердженим типам.

Відповідно до ДСТУ 3400-96 установлено два види державних випробувань: приймальні й контрольні.

Державним приймальним випробуванням підлягають: дослідні зразки нових ЗВТ (на стадіях затвердження типу й серій при постановці ЗВТ на виробництво в Україні) і зразки імпортних ЗВТ, що підлягають ввозу в Україну партіями.

Припозитивномурезультатідержавнихприймальнихвипробувань Держстандарт:

—дає підприємству-виробнику дозвіл на випуск настановної серії ЗВТ;

—затверджує тип ЗВТ (визнає затвердженим тип ЗВТ, що підлягає ввозу в Україну) ;

—видає дозвіл на серійне виробництво й застосування в Україні нових ЗВТ.

Затверджені типи нових ЗВТ вносять до Державного реєстру ЗВТ, допущених до застосування в Україні.

Державні приймальні випробування проводять метрологічні організації й територіальні органи Держстандарту, акредитовані Держстандартом на право проведення цих робіт. Випробування ЗВТ, призначених для застосування в сферах, на які не поширюється Державний метрологічний контроль і нагляд, можуть проводити відомчіметрологічніслужбизаумовиїхакредитаціїДержстандартом на право проведення цих робіт. Поряд з органами Держстандарту

державні приймальні випробування можуть проводити державні приймальні комісії, до складу яких входять представники Держстандарту, організації-замовника, організації-розроблювача, підприємства виготовлювача та ін. Випробування проводять за програмою, затвердженою організацією, що проводить випробування або органами Держстандарту у випадку проведення випробувань комісією.

При проведенні державних приймальних випробувань ЗВТ, призначених для ввозу в Україну партіями, програму випробувань розробляє територіальний орган Держстандарту.

Державні контрольні випробування ЗВТ проводять:

—на зразках ЗВТ з настановної серії;

—у порядку державного метрологічного нагляду за тими, що серійно випускаються в Україні, ЗВТ і ввезеними на територію України партіями;

—при постановці на серійне виробництво ЗВТ затверджених типів і при внесенні в конструкцію (технологію виготовлення) затверджених типів ЗВТ змін, що впливають на їх МХ;

—після тривалої (понад 3 роки) перерви серійного виробництва ЗВТ затверджених типів.

Державні контрольні випробування ЗВТ проводять територіальні органи Держстандарту за місцем перебування підприємствавиготовлювача або комісії — у випадку проведення випробувань ЗВТ, ввезених в Україну партіями.

При позитивному результаті контрольних випробувань після реєстрації в Державному реєстрі Держстандарт дає підприємствувиготовлювачеві сертифікат відповідності ЗВТ затвердженого типу. Цей сертифікат дійсний протягом трьох років. Продовження терміну дії сертифіката проводиться Держстандартом на підставі результатів наступних державних контрольних випробувань.

4.3. Організація й завдання метрологічної служби підприємства

Забезпечення єдності вимірювань, а також захисту громадян і економіки України від наслідків недостовірних результатів вимірювань реалізується завдяки Державному й відомчому метрологічному нагляду й контролю [12]. Об’єктами Державного нагляду й контро-