Выбор методов и средств измерений

          4  Выбор методов и средств измерений

         4.1 Порядок проведения эксперимента

         4.1.1 Планирование измерений

                   Процесс решения любой измерительной задачи разбивается на три этапа:

         - подготовка измерений - планирование измерительного эксперимента и создание всех необходимых предпосылок для эксперимента, направленного на получение измерительной информации;

         - проведение измерений - экспериментальное определение результатов наблюдений;

         - обработка измерительной информации с целью получения результата измерения.

         ЦЕЛЬ ИЗМЕРЕНИЯ состоит в получении информации о количественных характеристиках или параметрах устройства для оценки его состояния или поведения при проектировании, производстве, испытаниях и эксплуатации. Иными словами, цель эксперимента - определение размера физической величины.

         Несмотря на большое разнообразие измерительных задач, их решение обычно складывается из определенной последовательности операций, начиная с постановки задачи и кончая получением результатов измерений.

Рекомендуемые материалы

         Задача формулируется с учетом конечной цели измерений, определяющей назначение, условия получения и способы использования измерительной информации, и только после этого планируется процедура измерений, включающая

         - построение или выбор модели объекта измерения;

         - определение наилучшего плана проведения эксперимента;

         - выбор вида измерения (прямое, косвенное и т.д.);

         - выбор средств измерения;

         - учет условий, в которых выполняются измерения;

         - учет взаимодействия объекта измерения со средствами измерения.

         Измерения всегда базируются на априорной (известной до опыта) информации. На основе априорных данных строят или выбирают физическую или математическую модель объекта измерения. Это важный этап, т.к. ошибки, допущенные на этом этапе, в дальнейшем невозможно исправить. В ходе измерений модель объекта можно лишь уточнить, например, путем предварительных измерений. Несоответствие реального объекта приписываемой ему модели служит источником методической погрешности.

         Одной из основных задач планирования измерений является выявление взаимосвязей между входными и выходными параметрами объекта и представление их в количественной форме в виде математической модели (рис. 4.1).

          Рис. 4.1. Структурная схема объекта измерений.

          Х - внешнее воздействие; У - реакция системы; w - возмущающие воздействия (случайные).

         Математическая модель представляет собой совокупность уравнений, условий и алгоритмических правил и позволяет анализировать и проектировать объекты, а также управлять ими.

         Входные параметры, которые влияют на объект и могут быть измерены, называются ФАКТОРАМИ.

         При ПАССИВНОМ эксперименте исследователь не имеет возможности воздействовать на объект, поэтому задача определения наилучшего плана эксперимента сводится к оптимальной организации пассивного сбора информации и включает в себя такие вопросы, как выбор интервалов времени между моментами измерений, задание  числа выполняемых измерений, определение метода обработки результатов и т.д. Для решения указанных вопросов используют известные методы обработки результатов измерений.

         В отличие от пассивного эксперимента АКТИВНЫЙ связан с воздействием на ход процессов в изучаемом объекте и с возможностью выбора в каждом опыте тех уровней факторов, которые представляют интерес. Если какой-либо существенный фактор окажется неучтенным, то это может привести к значительному повышению погрешности эксперимента. С другой стороны, увеличение числа рассматриваемых факторов приводит к значительному возрастанию числа опытов, поэтому следует воспользоваться методами отсеивания несущественных факторов.

         Методы планирования многофакторного эксперимента, в котором необходимо учитывать влияние многих независимых переменных, предполагают изменение всех факторов сразу, а не изучение влияния каждого из них в отдельности, как при традиционных способах составления планов. Такое многофакторное планирование более эффективно и позволяет значительно уменьшить погрешности определения интересующих экспериментатора величин.

         Построение плана эксперимента сводится к выбору экспериментальных точек, симметричных относительно основного (нулевого) уровня, которым является исходная точка в многомерном факторном пространстве. Для этого для каждого фактора выбирают два крайних уровня, между которыми они будут варьироваться в ходе эксперимента.

         После выделения параметров и характеристик объекта выбирают виды их измерений в зависимости от возможности реализации, а также от требуемой  точности. При проведении измерений средства измерений взаимодействуют с объектом измерений. При этом объект и средства измерений влияют друг на друга, что может привести к некоторому изменению свойств объекта и показаний измерительного прибора. Так, входное сопростивление подключаемого средства измерения может существенно влиять на режим работы объекта и привести к погрешности в результатах измерений. При измерениях в цепях переменного тока следует учитывать влияние на объект не только активной составляющей входного сопротивления средства измерений, но и реактивной. На режим работы объекта и, следовательно, на результат измерений особенно сильно воздействуют емкостные составляющие входного сопротивления электронных осциллографов и вольтметров. Подключение вольтметра к колебательному контуру приводит к снижению частоты резонанса контура за счет входной емкости вольтметра  к снижению добротности контура за счет шунтирующего действия активной составляющей входного сопротивления этого прибора.

         Стандартные методики измерений учитывают всевозможные источники погрешностей измерений, регламентируют последовательность действий, обеспечивающих наименьшую погрешность измерений. При отсутствии стандартной методики производят аттестацию методики измерений, в ходе которой определяют сначала составляющие погрешности измерений, а затем и суммарную погрешность, значение которой и приписывают данной методике.

         4.1.2 Выбор средств измерений

           Правильный выбор средств измерений является необходимым условием получения достоверной измерительной информации. Поэтому основное внимание при выборе средств измерений для решения данной измерительной задачи уделяют обеспечению необходимой точности измерений в динамическом и частотном диапазонах изменения измеряемых параметров технических устройств. Одновременно учитывают и условия, в которых планируется использовать средства измерения, а также допустимую продолжительность измерения.

         При анализе условий определяются

         - уровни механических воздействий на средства измерения (вибрации, удары, линейные ускорения);

         - значения климатических факторов (температура, влажность, атмосферное давление);

         - наличие активной разрушающей среды, к воздействию которой не приспособлен прибор (агрессивные газы и жидкости, грибки);

         - наличие сильных магнитных и электрических полей и защиты от них у выбираемых средств измерений.

         В простых измерительных задачах, заключающихся в  определении значений параметров несложных устройств, вопросы выбора и применения средств измерений решают, как правило, эвристически, на основе практического опыта. В этом случае рекомендации носят общий характер и сводятся к необходимости проверки следующих условий:

         - средство измерений должно обеспечивать измерение параметров устройств с необходимой точностью, быстродействием, в заданном диапазоне значений измеряемой физической величины, в определенных условиях окружающей среды (при фиксированном уровне внешних факторов);

         - средства измерений должны быть приемлемыми по стоимости, эргономическим, массогабаритным и другим характеристикам.

         Первоначально определяют типы средств измерений, пригодные по своему функциональному назначению, диапазонам измеряемых физических величин, стойкости к внешним воздействующим факторам, массогабаритным характеристикам.

         После того, как выбраны измерительные приборы, пригодные для указанных в измерительной задаче условий, необходимо правильно оценить, какой из них обладает наименьшей избыточностью по точностным характеристикам. Стремление произвести измерения с большей, чем это необходимо, точностью приводит к удорожанию измерений. В то же время снижение требований к точности ухудшает достоверность результатов измерений и обесценивает их.

         Известные подходы к выбору средств измерений по точности основаны на рассмотрении двух различных случаев их использования:

         1) для измерения параметров устройств;

         2) для контроля параметров устройств.

         В первом случае достигается значение предела допускаемой погрешности измерения меньшего, чем требуется. Во втором случае средства измерений выбираются из условия, что вероятности ложного и (или) необнаруженного отказа контролируемого параметра не должны превышать допустимых значений. Таким образом, задача выбора измерительного прибора сводится к определению соотношения между требуемым пределом допускаемой погрешности измерения и допуском на контролируемый параметр.

         Исходными данными, необходимыми при выборе средства измерения по точности, являются

         - состав измеряемых и контролируемых параметров устройств;

         - значения допусков на отклонения контролируемых параметров и допустимые значения суммарной погрешности определения измеряемых параметров;

         - допускаемые значения условных вероятностей ложного и необнаруженного отказов для каждого из контролируемых параметров;

         - законы расределения отклонений контролируемых параметров от своих номинальных значений.

        

4.1.3 Основные правила измерений

         Об основных подходах к выбору средств измерений уже говорилось  выше. К  сказанному  следует добавить следующее. Измерительные приборы выбираются на основании их технических характеристик в соответствии с измеряемой величиной, заданной точностью и диапазоном частот. Приборы должны оказывать малое влияние на работу исследуемых устройств. Наиболее часто значительные ошибки возникают из-за неправильного подбора приборов. Приборы должны быть исправны, поверены. Запрещается применение для измерений приборов с истекшим сроком поверки.

         4.1.3.1 Составление схемы измерительной установки

         При составлении схемы измерительной установки необходимо учитывать следующее:

         - все приборы должны устанавливаться в правильное и устойчивое положение;

         - соединительные провода должны иметь надежные контакты и хорошую изоляцию;

         - приборы следует располагать так, чтобы удобно было производить отсчеты и манипулировать их органами настройки и управления;

         - шкалы должны хорошо освещаться, должны быть приняты меры к устранению параллакса;

         - при работе с высоковольтными установками необходимо установить ограждение;

         - проводники должны быть как можно короче;

         - располагать приборы следует так, чтобы исключить или свести к минимуму их влияние друг на друга.

         4.1.3.2 Порядок проведения эксперимента

         Необходимо заранее наметить порядок манипуляций и снятия отсчетов и строго его придерживаться во время измерений. Беспорядочные наблюдения имеют малую ценность. Излишняя торопливость также вредит делу. Следует избегать перерыва начатой серии наблюдений, особенно когда от их регулярности зависит исключение систематической погрешности. Если возникли сомнения в правильности полученных результатов, измерения необходимо произвести несколько раз.

         4.2  Оформление результатов эксперимента

         Достоверность измерений во многом зависит от качества ведения протокола. В протоколе должно быть отмечено следующее:

         - род измерений и применный метод;

         - время измерений;

         - наименование и номера приборов;

         - результаты экперимента.

         Отсчеты со шкал следует записывать в виде соответствующих таблиц и в такой форме, как они получены в процессе измерений. В протоколах должны быть отмечены все обстоятельства, которые могут оказать влияние на точность измерений.

         Окончательные вычисления не следует накапливать или откладывать  на долгий срок. Полезно часть их производить в процессе измерений. Бессистемные вычисления и измерения часто приводят к ошибкам результата, что затрудняет определение характера изменения изучаемого процесса, определение точности проведенных измерений и т.д.

         В конечном счете качество измерений зависит от опыта экспериментатора, однако правила могут предохранить от грубых ошибок.

         4.2.1 Правила округления результата измерений и погрешности            

         Исходными данными для расчета являются нормируемые значения погрешности средства измерения, которые указываются всего с одной или двумя значащими цифрами. Следовательно, в окончательном значении рассчитанной погрешности должны быть оставлены одна-две значащие цифры. Например, если число 1,2 округляется  до одной значащей цифры, то отбрасывание второго знака приводит к ошибке порядка 30-50%. И наоборот, если число 0,94 округлить до 0,9, то получается дезинформация, т.к. исходные данные не обеспечивают такой точности. В связи с этим приняты следующие правила округления значений:

         1) погрешность результата измерения указывается двумя значащими цифрами, если первая из них равна 1 или 2, и одной, если 3 и более;

         2) результат измерения округляется до того же десятичного разряда, которым оканчиваетя округленное значение погрешности;

         3) округление производится лишь в конечном ответе, а все предварительные вычисления проводятся с одним-двумя лишними знаками.

         Недостатком этих правил является тот факт, что относительная погрешность от округления изменяется скачком при переходе, например, от числа 0,29 [(0,30-0,29)/0,30 = 3%] к числу 0,3 [(0,4-0,3)/0,3 = 30%]. Следовательно, для устранения скачка относительной погрешности предлагается каждую декаду возможных значений округляемой погрешности делить на три части: от 0,1 до 0,2; от 0,2 до 0,5 и от 0,5 до 1,0 - и в каждой использовать свой шаг округления: 0,02; 0,05 и 0,1. Тогда ряд разрешенных к употреблению округленных значений погрешности получает вид 0,10-0,12-0,14-0,16-0,18-0,20-0,25-0,30-0,35-0,40-0,45-0,5-0,6-0,7-0,8-0,9-1,0. Преимущество этого способа округления состоит в том, что погрешность от округления на границах участков изменяется лишь от 5 до 10%. Следовательно, последние цифры результат должны соответствовать приведенному ряду.

          4.2.2  Правила построения графиков

         Нетрудно видеть, что определенному классу точности прибора соответствует определенный размер графика. Например, если прибор имеет класс точности 1,0, то наибольшая погрешность прибора составляет не более 0,01 от предела измерения. Следовательно, размер графика должен быть не более 2´100/1,0= 200 мм (или, в крайнем случае, 160 мм).

         Если же прибор имеет класс точности 2,5, то желательный размер графика будет 2´100/2,5=80 мм (но не менее 64 мм).

В лекции "Умение слушать и вести беседу" также много полезной информации.

         Если прибор имеет класс точности 0,5, то график должен иметь следующий размер: 2´100/0,5=400 мм (не менее 320 мм).

                   Если график имеет большой размер, то пользоваться им неудобно. Если же уменьшить размер графика, то будет вноситься дополнительная погрешность. В данном случае рациональным будет график с перенесенным масштабом, когда сетка переносится с осей непосредственно на график.  Этим достигается определенная компактность и удобство использования без внесения дополнительной погрешности.

         Для многопредельных приборов строят несколько кривых в разных масштабах.

         Для  приборов с высоким классом точности (0,01 и выше) существует два способа обеспечения удобства пользования не в ущерб точности. Первый - это замена графика числовой таблицей.  Промежуточные значения величин при этом находят с помощью интерполяции.

Второй - это разбиение кривой на несколько отрезков и расположение их в одном месте. Значения величин на концах каждого отрезка определяются на основании сверки с эталоном.

         Протокол измерений должен содержать следующую информацию: сведения об используемых измерительных приборах, сведенные в таблицу, содержащую наименование прибора, его тип, заводской номер и основные технические характеристики; таблицы результатов измерений и расчетов, основные расчетные формулы, а также выводы и рекомендации по анализу результатов измерений.