2. Планирование и организация измерений

Планирование и организация измерений включает в себя комплекс вопросов, направленных на повышение эффективности измерений, и позволяет сократить время и затраты на измерительный эксперимент, повысить достоверность выводов по результатам экспериментальных исследований. Целью планирования измерений является выбор из множества возможных планов проведения измерений одного, наиболее оптимального [2]. При планировании измерений в качестве критерия оптимальности могут использоваться погрешность измерения, время измерения, аппаратные затраты и др.

Пример: пусть необходимо определить массы трех гирь X₁, X₂, X₃с помощью весов.

Искомые массы гирь можно измерить по следующей схеме: сначала определяем смещение нуля весов, а затем по очереди взвешиваем каждую из гирь. Масса каждой гири находится как

X₁= Y₁- Y₀; X₂= Y₂- Y₀; X₃= Y₃- Y₀ , (2.1)

где Y₀ - смещение нуля весов; Y₁, Y₂, Y₃- результаты взвешивания гирь.

Полагая, что случайные погрешности отдельных измерений независимы, дисперсию результатов взвешивания можно записать в виде

²[X₁] =²[X₂] =²[X₃] = 2²[Y], (2.2)

где ²[Y] - дисперсия каждого единичного измерения.

Второй путь определения массы гирь заключается в следующем: вместо определения смещения нуля весов проводим взвешивание всех трех гирь вместе. В этом случае масса гирь вычисляется по формулам

X₁ = (Y₁ - Y₂ - Y₃ + Y₄)/2; X₂ = (-Y₁ + Y₂ - Y₃ + Y₄)/2; X₃ = (-Y₁ - Y₂ +Y₃ + Y₄)/2,(2.3)

где Y₄- результат взвешивания трех гирь вместе.

Дисперсия погрешности взвешивания находится как

²[X₁] =²[(Y₁- Y₂ - Y₃+ Y₄)/2_]= 4²[Y]/4 =²[Y]. (2.4)

Аналогично находим

²[X₂] =²[X₃] =²[Y]. (2.5)

При втором способе из результата измерения также исключается погрешность нуля весов. Таким образом, при одинаковом числе опытов вторая схема проведения эксперимента позволяет уменьшить дисперсию случайной погрешности. Для того чтобы получить такую же точность по первой схеме, необходимо либо повторить дважды все опыты, либо использовать аппаратуру с большей точностью. Приведенный пример показывает необходимость планирования измерений. Эффективность планирования возрастает при увеличении числа измеряемых величин [2].

При проведении измерений необходимо учитывать всю совокупность факторов, влияющих на точность получаемых экспериментальных данных. В общем случае процесс измерения включает в себя три этапа:

1) подготовка и планирование измерений;

2) выполнение измерений;

3) обработка и анализ полученных данных.

На первом этапе необходимо решить ряд вопросов, связанных с планированием и организацией измерений. К таким вопросам относятся:

1) постановка задачи измерений (определение цели измерительного эксперимента, выяснение исходной ситуации, оценку допустимых затрат времени и средств, установление типа задачи);

2) сбор априорной информации об объекте исследования и измеряемых величинах (изучение литературы, опрос специалистов, получение результатов предварительных измерений и др.);

3) выбор способа решения и стратегия его реализации (установление модели объектов и измеряемых физических величин; установление измеряемых параметров модели, которые должны быть адекватны определяемым физическим величинам; установление зависимости между определяемой величиной и непосредственно измеряемыми величинами; выявление условий и влияющих величин; установление допустимой погрешности измерений; выбор необходимых методов измерений отдельных величин; выбор требуемых средств измерений и их метрологических характеристик и способов автоматизации измерений; выбор методов коррекции погрешности измерений; выбор формы представления результатов измерений; выбор или разработка алгоритмов и программ обработки экспериментальных данных, оценки погрешностей измерений и их достоверности; выявление экономической эффективности измерений) [2].

Исследуемый объект и цель измерений обычно задаются. В инженерной практике встречаются различные задачи по планированию и обработке измерительного эксперимента. Разнообразие задач определяется характером измеряемых величин, наличием априорных сведений, как будут использоваться результаты измерений физических величин для оценки исследуемого объекта и т. п. В литературе нет достаточно четкой классификации задач измерительного эксперимента и моделей планирования и обработки. Основой научного эксперимента и массовых измерений во всех отраслях народного хозяйства является измерение физических величин. Типовыми задачами измерения физических величин являются:

1) оценка значений скалярной величины (геометрические размеры, масса, частота и др.);

2) оценка значений векторной величины (магнитной индукции и др.);

3) воспроизведение реализации процесса в координатах "физическая величина-время";

4) воспроизведение характеристик процессов или объектов в соответствующих координатах (вольт-амперные характеристики, амлитудно-частотные характеристики, кривые намагничивания и др.).

Цели и задачи измерительного эксперимента уточняются из анализа: как будут использованы результаты измерений для оценки исследуемого объекта, эффективности его функционирования, для принятия решений по результатам исследования.

При подготовке к измерительному эксперименту на основе априорных данных и предварительных измерений определяются подлежащие измерению физические величины, характер и пределы их изменений, частотный спектр и параметры.

Требования к допускаемым погрешностям измерений устанавливаются исходя из цели измерений. При массовых измерениях требования к точности измерений устанавливаются из экономических соображений (минимизации потерь из-за неточности измерений). Нельзя завышать точность измерений. Чем выше точность измерений и приборов, тем больше ресурсов и времени требуется для проведения измерительного эксперимента, тем сложнее и менее надежны измерительные приборы.

При проведении измерений используются как математические, так и физические модели. Например, динамическая модель объекта может быть представлена в виде дифференциального уравнения или передаточной функции, модель поля механических напряжений представляется тензором и др.

Для выполнения второго этапа процесса измерений могут использоваться типовые методики выполнения измерений, разработанных и аттестованных применительно к конкретным объектам исследования и ряд государственных стандартов, определяющих методики выполнения измерений [1].

Одной из задач измерений является уменьшение их погрешностей.