Лекция 7. Измерительный эксперимент: подготовка и проведение
Как и любой другой эксперимент, измерения должны осуществляться с наибольшей эффективностью при минимальных затратах материальных средств и времени. Этого можно добиться только при условии внимательного подхода к подготовке и организации проведения измерительного эксперимента. Предопределяющее влияние на решение возникающих при этом вопросов оказывает цель измерений, которая, в свою очередь, определяется целями и задачами исследований, испытаний и пр., важной составной частью которых являются измерения физических величин. В процессе подготовки должны быть определены требования к точности измерений, составу и характеристикам привлекаемых технических средств, а также методы, общие и частные методики измерений. Все эти вопросы прорабатываются с точки зрения наибольшей эффективности измерений с привлечением теории планирования эксперимента. Результаты проработки составляют содержание программы измерений.
7.1. Основные этапы подготовки измерительного эксперимента
Первым прорабатывается вопрос о предварительной модели объекта. При этом должна привлекаться вся имеющаяся в распоряжении информация. Если, например, объектом измерения является сигнал в виде изменения физической величины во времени, то нужно учитывать сведения не только о диапазоне возможных значений величины, но и о форме кривой, частоте, о других неинформативных параметрах. Должна использоваться имеющаяся априорная информация о статистических характеристиках объекта измерения. В случае, если возникает сомнение в адекватности выбранной модели, то следует провести предварительно дополнительные измерения и уточнить модель либо выбрать средство измерения, не реагирующее на отклонения одного или нескольких неинформативных параметров объекта измерения.
При определении модели объекта возможны варианты. Выбор того или другого из них определяется целью, задачами и условиями измерений. Если, например, измеряется высокочастотный сигнал, то следует принимать во внимание поверхностный эффект, собственную индуктивность и емкость элементов и пр. Правильный выбор модели позволит адекватно оценить результаты измерений и получить необходимую точность.
Следующий этап подготовки - обоснование необходимой точности эксперимента. Проработка этого вопроса должна вестись с учетом поставленной цели измерений при ряде ограничений, связанных с техническими возможностями, материальными и временными затратами и пр. Не следует стремиться к получению результата с максимальной возможной точностью, к получению "запаса" по точности. Точность измерений должна соответствовать их основной цели. Избыточность по точности ведет к необоснованному усложнению и удорожанию эксперимента.
Точность эксперимента во многом определяется выбором метода, средств и условиями измерений. Задача решается перебором возможных вариантов состава и степени влияния составляющих суммарной погрешности, которая должна не превышать заданного значения. Принимается вариант, в наибольшей степени удовлетворяющий требованиям удобства, простоты при соблюдении необходимой точности.
Важным этапом подготовки измерительного эксперимента является разработка методики проведения эксперимента, под которой понимается совокупность действий с использованием различных способов и средств, обеспечивающих измерения с необходимой точностью. В число средств, задействуемых согласно методике, входят не только средства измерений, но и вычислительные и различные вспомогательные средства. Особое место при разработке методики занимает выбор вида измерений: прямых, косвенных, совместных или совокупных, а также метода измерений: непосредственной оценки, сравнения с мерой и т.д. Решается также вопрос, производится ли одно- или многократные измерения.
В результате данного этапа подготовки эксперимента разрабатывается схема измерений, план проведения эксперимента (вопрос составления оптимального плана на основе теории планирования эксперимента рассматривается в 7.2), подготавливается методика обработки результатов наблюдений и оценки влияния условия измерений на их результаты.
Необходимым этапом подготовки измерительного эксперимента является выбор средств измерений. Используемые в эксперименте средства измерений должны соответствовать принятым моделям, измеряемым величинам, целям и условиям проведения эксперимента. Возможны варианты, связанные с необходимостью автоматической регистрации результатов наблюдений, представления результатов в аналоговой или цифровой форме, ввода полученной измерительной информации в ЭВМ и пр. Однако каждый из вариантов должен прорабатываться на соответствие метрологических характеристик используемого средства измерений установленным требованиями по точности и их влиянию на результаты измерений. Среди факторов, учитываемых при выборе СИ, назовем следующие: воздействие средства измерений на объект; неполная адекватность принятой модели объекта измерения; погрешности, вносимые средствами измерений (пределы измерений); частотный диапазон.
Воздействие СИ на объект проявляется в большей степени в тех случаях, когда отсутствует согласование между ними по мощности. Измеряемая величина вследствие влияния средства измерений может претерпеть заметные искажения, что приведет к неверному результату эксперимента. Чем меньше мощность, потребляемая средством измерений от объекта (или выделяемая на объекте), тем меньше искажения. Относительная погрешность, вызванная влиянием средства измерений на объект измерения, приблизительно оценивается по формуле
,
(9.1)
где Рси - мощность, потребляемая средством измерений, Р - мощность объекта измерения.
Аналогичным образом можно оценить влияние мощности, выделяемой средством измерения на объекте измерения (например, искажения вследствие нагрева измерительным током).
Неполная адекватность принятой модели объекту измерения проявляется в том, что показания средства измерений зависят от неинформативных параметров принятой модели измеряемой величины. Типичный пример - влияние на результат измерения отклонений формы кривой сигнала от синусоидальной. Естественно, во избежание такого влияния следует из возможных вариантов средств измерений предпочесть такой, который не реагирует на форму кривой сигнала. При отсутствии такового следует учитывать наличие погрешности измерения от неадекватности модели.
Погрешности, вносимые средствами измерений, часто являются основными составляющими погрешности результата измерений. Для оценки погрешности средства измерений используются их нормированные метрологические характеристики. Следует, однако, помнить что не всегда та или иная метрологическая характеристика достаточно полно отражает точностные свойства данного экземпляра средства измерений. Например, такая обобщенная характеристика точности средства измерений, как класс точности, дающая возможность судить о том, в каких пределах находится погрешность СИ этого класса, не является непосредственным показателем точности измерений, выполняемых с помощью каждого этих средств. Для выявления действительных точностных средств данного экземпляра СИ можно провести его предварительную поверку с целью выявления систематической погрешности и определения поправок для его различных показаний. Введением поправок в процессе измерения исключаются систематические погрешности, что равносильно повышению точности средства измерений, уменьшается потребность использования более дорогостоящих высокоточных измерителей. При выборе средства измерений следует учитывать влияние внешних факторов. Этот вопрос может решаться либо использованием одного из методов адаптации (см. главу 8), либо организацией контроля значений одного или нескольких внешних влияющих факторов и соответствующей коррекцией результатов измерений. И в том, и другом случае должно быть предусмотрено расширение состава используемых средств измерений.
Пределы измерений используемых СИ следует выбирать такими, чтобы ожидаемые показания находились ближе к верхнему пределу. Это связано с тем, что у многих средств измерений погрешность минимальна на верхнем пределе измерений.
Частотный диапазон выбираемых СИ должен быть шире частотного спектра входных сигналов, чтобы обеспечивать их неискаженное прохождение. Вместе с тем, расширения частотного диапазона увеличивает возможность прохождения помехи и, как следствие, появления связанной с этим погрешности измерения. При наличии возможности влияния помех при эксперименте частотный диапазон выбираемых средств измерений должен быть возможно более узким, но без ущерба для прохождения сигнала. Кроме рассмотренных возможны и другие критерии выбора средств измерений, например, требования к быстродействию, к конструкции и др.
Одним из основных разделов методики проведения измерительного эксперимента должен быть раздел, посвященный обработке результатов измерений (наблюдений) с целью установления значений измеряемой величины и оценки погрешности полученного результата измерения.
Применяются различные методы обработки результатов наблюдений; некоторые из них рассмотрены подробно в главе 6. Применение того или другого метода определяется наличием предварительной информации, которой располагает экспериментатор об источниках и характере проявления погрешностей, условиях эксперимента, свойствах используемых средств и вида измерений, числа выполненных наблюдений и пр.