Методы и способы повышения точности измерений. Часть первая
ведущий специалист — начальник группы метрологической экспертизы отдела главного метролога ФГУП «ОКБ «Факел», г. Калининград
Ужесточение требований к качеству продукции во многих случаях проявляется в виде ужесточения требований к допускам на контролируемые параметры сырья и продукции, а, следовательно, и в виде ужесточения (повышения) требований к точности измерений параметров и характеристик сырья и продукции. В связи с этим сотрудники метрологических служб промышленных предприятий должны достаточно уверенно разбираться в современных методах и способах повышения точности измерений.
Читатели журнала «Главный метролог» неоднократно высказывали пожелания о публикации материалов, посвященных вопросам повышения точности измерений. С учетом этих пожеланий редакция приняла решение о публикации в рубрике «В ПОМОЩЬ НАЧИНАЮЩИМ МЕТРОЛОГАМ» цикла статей, посвященных тому важному разделу прикладной метрологии, о котором идет речь. Над подготовкой этого цикла статей любезно согласилась поработать Ольга Владимировна Полякова, «серебряный» призер Первой Всероссийской метрологической олимпиады, ведущий специалист — начальник группы метрологической экспертизы отдела главного метролога широко известного в стране предприятия — ФГУП «ОКБ «Факел» (г. Калининград). О.В.Полякова уже знакома читателям нашего журнала по циклу её статей, посвященных метрологической экспертизе технической документации и публиковавшихся ранее в рубрике «В помощь начинающим метрологам». Ниже вниманию читателей предлагается первая часть задуманного материала
Одна из главных задач метрологических служб предприятий — обеспечение требуемой точности измерений, выполняемых на различных стадиях производства продукции. В условиях острой конкурентной борьбы за первенство на российском и международном рынках возрастают требования, предъявляемые к качеству выпускаемых изделий, и появляется очередная задача — повышение точности измерений.
Повышение точности измерений всегда способствовало развитию не только отдельной отрасли народного хозяйства, но и мирового научно-технического прогресса, улучшению жизни и здоровья людей. Достаточно вспомнить, что значительное повышение точности измерений неоднократно являлось основной предпосылкой фундаментальных научных открытий.
Так, повышение точности измерения плотности воды в 1932 году привело к открытию тяжелого изотопа водорода — дейтерия, определившего бурное развитие атомной энергетики.
Благодаря гениальному осмыслению результатов экспериментальных исследований по интерференции света, выполненных с высокой точностью и опровергнувших существовавшее до того мнение о взаимном движении источника и приемника света, Альберт Эйнштейн создал свою всемирно известную теорию относительности.
Основные методы повышения точности измерений, применяемые сегодня на практике, изложены в рекомендациях по межгосударственной стандартизации РМГ 64-2003 «ГСИ. Обеспечение эффективности при управлении технологическими процессами. Методы и способы повышения точности измерений».
Данные рекомендации являются моей настольной книгой, думаю, что и для большинства моих коллег тоже. Тех, кто знаком с этим документом, возможно, так же, как и меня, мог заинтересовать вопрос: в чём заключается разница между методом и способом повышения точности измерений?
Метрология, как известно, наука точная и требует однозначного понимания. В названии РМГ 64-2003 между указанными словами стоит союз «и», а в тексте встречается союз «или». Эти союзы могут соединять как два похожих по значению понятия, так и отличающихся.
За разъяснением значений слов «метод» и «способ» я обратилась сразу к нескольким словарям и нашла в них следующие определения:
Метод (от греческого methodos) — способ достижения какой-либо цели, решения конкретной задачи; совокупность приемов или операций практического или теоретического освоения (познания) действительности (Большой энциклопедический словарь).
Метод — способ теоретического исследования или практического осуществления чего-нибудь (словарь С.И.Ожегова)
Способ — действие или система действий, применяемые при исполнении какой-нибудь работы, при исполнении чего-нибудь (словарь С.И.Ожегова)
Способ — тот или иной порядок, образ действий, метод в исполнении какой-нибудь работы, в достижении какой-нибудь цели (словарь Д.Н.Ушакова)
После сравнения данных определений вывод становится очевиден — слова «метод» и «способ» являются синонимами и имеют одно и то же значение, следовательно, для нас, метрологов, не важно, как мы назовем применяемые нами действия по повышению точности измерений — способом или методом, важна их суть.
Затрагивая эту актуальную тему, я хочу осветить те вопросы, которые, на мой взгляд, помогут начинающим метрологам научиться последовательно и правильно решать задачи по повышению точности измерений.
Прежде чем рассматривать конкретные методы или способы повышения точности измерений, следует вспомнить:
Источник
Качество измерений и способы его достижения
ОСНОВЫ МЕТРОЛОГИИ И ИЗМЕРЕНИЙ
Понятие, предмет и задачи метрологии
Метрология – наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства к требуемой точности.
Современная метрология включает три составляющие: законодательную метрологию, фундаментальную (научную) и практическую (прикладную) метрологию. Из прикладной метрологии для нужд машиностроения выделяют технические измерения. В настоящее время к техническим измерениям, рассматриваемым во взаимной связи с точностью и взаимозаменяемостью в машиностроении, относят измерения линейных, угловых и радиусных величин. Результаты измерений выражают в узаконенных величинах.
Главная задача метрологии – обеспечение единства измерений, которая может быть решена при соблюдении двух условий:
1) выражение результатов измерений в единых узаконенных единицах;
2) установление допускаемых погрешностей результатов измерений и пределов, за которые они не должны выходить при заданной вероятности.
Основные задачи метрологии:
1) установление единиц физических величин, государственных эталонов и образцовых средств измерений, контроля и испытаний;
2) обеспечение единства измерений и единообразных средств измерений;
3) разработка методов оценки погрешностей состояния средств измерения, контроля и испытаний;
4) передача размеров единиц от эталонов или образцовых средств измерений рабочим средством измерений.
Нормативно-правовой основой метрологического обеспечения точности измерений является Государственная служба обеспечения единства измерений (ГСИ). Основные нормативные документы ГСИ − государственные стандарты. Принята Международная система единиц (СИ), на основе которой для обязательного применения разработан ГОСТ 8.417-2002.
Главными единицами физических величин в СИ являются семь основных единиц и свыше 50 производных, имеющих специальные названия.
Основные единицы: метр − м (длина), килограмм − кг (масса), секунда − с (время), ампер − А (сила тока), кельвин − К (термодинамическая температура), моль (количество вещества) и кандела − кд (сила света).
Кратные и дольные единицы образуются умножением на степень числа 10. Им присвоены определенные названия и обозначения; мега – М (10 6 ), кило– к (10 3 ), милли – м (10 –3 ), микро – мк (10 –6 ) и др. Единство измерений поддерживают путем передачи единиц величин от элемента к рабочим средствам измерений, осуществляемой по ступенькам образцовых мер и измерительных приборов. Точность указанных мер понижается от ступеньки к ступеньке в 2–4 раза.
Средства измерений (СИ) в соответствии с поверочной схемой периодически подвергаются поверке, которая заключается в определении метрологическим органом погрешности средств измерений и установлении его пригодности к применению. Сеть метрологических органов называетсяметрологической службой. Деятельность этих органов направлена на обеспечение единства измерений и единообразия средств измерений путем проведения поверки, ревизии и экспертизы средств измерений.
Единообразие средств измерений – их состояние, характеризующееся тем, что они проградуированы в узаконенных единицах, а их метрологические свойства соответствуют нормам.
Качество измерений и способы его достижения
Качество измерений– совокупность свойств, обусловливающих получение результатов с требуемыми точностными характеристиками, в необходимом виде и в установленные сроки.
Качество измерений характеризуется такими показателями, как точность, правильность и достоверность. Эти показатели должны определяться по оценкам, к которым предъявляются требования состоятельности, несмещенности и эффективности.
Истинное значение измеряемой величины отличается от среднего значения на величину систематической погрешности. Оценку х‘ числовой характеристики закона распределения х, изображаемую точкой на числовой оси, называют точечной оценкой. В отличие от числовых характеристик оценки являются случайными величинами, причем их значение зависит от числа наблюдений.
Состоятельная оценка– оценка, которая сводится по вероятности к оцениваемой величине.
Несмещенная оценка – оценка, математическое ожидание которой равно оцениваемой величине.
Эффективная оценка – оценка, которая имеет наименьшую дисперсию.
Перечисленным требованиям удовлетворяет среднее арифметическое x результатов n наблюдений. Таким образом, результат отдельного измерения является случайной величиной.
Точность измерений – близость результатов измерений к истинному значению измеряемой величины. Если систематические составляющие погрешности исключены, то точность результата измерений х характеризуется степенью рассеяния его значения, т. е. дисперсией.
Правильность измеренияопределяется близостью к нулю систематической погрешности.
Достоверность измеренийзависит от степени доверия к результату и характеризуется вероятностью того, что истинное значение измеряемой величины лежит в указанных окрестностях действительного. Эти вероятности называют доверительными вероятностями, а границы (окрестности) – доверительными границами, т. е. достоверность измерения – это близость к нулю случайной (или неисключенной) систематической погрешности.
Для количественной оценки качества измеренийрассматривают влияние параметров измерений на погрешность их результатов. При планировании измерений и оценке их результатов задаются определенной моделью погрешностей: предполагают наличие тех или иных составляющих погрешности, закон их распределения, корреляционные связи и др.
Наряду с такими показателями, как точность, достоверность и правильность, качество измерительных операций характеризуется также сходимостью ивоспроизводимостью результатов. Эти показатели наиболее распространены при оценке качества испытаний и характеризуют точность испытаний.
Два испытания одного и того же объекта одинаковым методом не дают идентичных результатов. Объективной мерой их могут служить статистически обоснованные оценки ожидаемой близости двух или более числа результатов, полученных при строгом соблюдении методики испытаний.
Сходимость – это близость результатов двух испытаний, полученных одним методом, на идентичных установках, в одной лаборатории.
Воспроизводимость отличается от сходимости тем, что оба результата должны быть получены в разных лабораториях.
Источник
Методы повышения точности измерений
Анализ причин появления погрешностей измерений, выбор способов их обнаружения и уменьшения являются основными этапами процесса измерений. Погрешности измерений, принято делить на систематические и случайные. В процессе измерений систематические и случайные погрешности проявляются совместно и образуют нестационарный случайный процесс. Деление погрешностей на систематические и случайные является удобным приемом для их анализа и разработки методов уменьшения их влияния на результат измерения.
Рассмотрим способы обнаружения и исключения систематических погрешностей, поскольку они зависят от выбора метода измерений и его осуществелния.
По характеру изменения систематические погрешности делятся:
- постоянные – погрешности, связанные с неточной градуировкой шкалы прибора, отклонением размера меры от номинального значения, неточным выбором моделей объектов.
- переменные
– периодические – погрешность изменяющаяся по периодическому закону, например погрешность отсчета при определении времени по башенным часам, если смотреть на стрелку снизу, температурная погрешность от изменения температуры в течение суток и т.п.
– прогрессирующие – погрешности монотонно изменяющиеся (увеличивающиеся или уменьшающиеся) в общем случае по сложному, обычно неизвестному закону. Прогрессирующие погрешности во многих случаях обусловлены старением элементов средств измерений и могут быть скорректированы при его периодической поверке.
По причине возникновения погрешности измерений разделяются на три основные группы:
- методические – погрешности обусловленные неадекватностью принимаемых моделей реальным объектам, несовершенством методов измерений, упрощением зависимостей, положенных в основу измерений, неопределенностью объекта измерения;
- инструментальные – погрешности обусловленные прежде всего особенностями используемых в средствах измерений принципов и методов измерений, а также схемным, конструктивным и технологическим несовершенством средств измерений.
- взаимодейтствия – обусловлены взаимным влиянием средства измерений, объекта исследования и экспериментатора. Погрешности из-за взаимного влияния средства и объекта измерений обычно принято относить к методическим погрешностям, а погрешности, связанные с действиями экспериментатора, называются личными погрешностями. Однако такая классификация недостаточно полно отражает суть рассматриваемых погрешностей.
Выявление и устранение причин возникновения погрешностей – наиболее распространенный способ уменьшения всех видов систематических погрешностей. Примерами такого способа являются: термостатирование отдельных узлов или прибора в целом, а также проведение измерений в термостатированных помещениях для исключения температурной погрешности, применение экранов, фильтров и специальных цепей (например, эквипотенциальных цепей) для устранения погрешностей из-за влияния электромагнитных полей, наводок и токов утечек, применение стабилизированных источников питания.
Для уменьшения прогрессирующей погрешности из-за старения элементов средств измерений, параметры таких элементов стабилизируют путем искусственного и естественного старения. Кроме этого систематические погрешности можно уменьшить рациональным расположением средств измерений по отношению друг к другу, к источнику влияющих воздействий и к объекту исследования. Например магнитоэлектрические приборы должны быть удалены друг от друга, оси катушек индуктивности, должны быть расположены под углом 90°, выводы термопары должны располагаться по изотермическим линиям объекта.
Многие систематические погрешности, являющиеся не изменяющимися во времени функциями влияющих величин или обусловленные стабильными физическими эффектами, могут быть теоретически рассчитаны и устранены введением поправок или использованием специальных корректирующих цепей.
Другим радикальным способом устранения систематических погрешностей является поверки средств измерений в рабочих условиях с целью определения поправок к результатам измерения. Это дает возможность учесть все систематические погрешности без выяснения причин их возникновения. Степень коррекции систематических погрешностей в этом случае, естественно, зависит от метрологических характеристик используемых эталонных приборов и случайных погрешностей поверяемых приборов.
Фактически поверка средств измерений перед их использованием и введение поправок адекватна применению средств измерений более высоких классов точности при условии, что случайные погрешности средств измерений малы по сравнению с систематическими, а сами систематические погрешности медленно изменяются во времени.
Метод инвертирования широко используется для устранения ряда постоянных и медленно изменяющихся систематических погрешностей. Этот метод и ряд его разновидностей (метод исключения погрешности по знаку, коммутационного инвертирования, структурной модуляции, двукратных измерений, инвертирования функции преобразования и др.) основаны на выделении алгебраической суммы чесного числа сигналов измерительной информации, которые вследствие инвертирования отличаются направлением информативного сигнала, опорного сигнала или знаком погрешности.
Метод модуляции – метод близкий к методу инвертирования, в котором производится периодическое инвертирование входного сигнала и подавление помехи, имеющей однонаправленное действие.
Метод исключения погрешности по знаку — вариант метода инвертирования, который часто применяется для исключения известных по природе погрешностей, источники которых имеют направленное действие, например погрешностей из-за влияния постоянных магнитных полей, ТЭДС и др.
Метод замещения (метод разновременного сравнения) является наиболее универсальным методом, который дает возможность устранить большинство систематических погрешностей. Измерения осуществляются в два приема. Сначала по отсчетному устройству прибора делают отсчет измеряемой величины, затем, сохраняя все условия эксперимента неизменными, вместо измеряемой величины на вход прибора подают известную величину, значение которой с помощью регулируемой меры (калибратором) устанавливают таким образом, чтобы показание прибора было таким же, как при включении измеряемой величины.
Метод равномерного компарирования является разновидностью метода замещения, он используется при измерениях таких величин, которые нельзя с высокой точностью воспроизводить с помощью регулируемых мер или других технических средств. Обычно это величины, изменяющиеся с высокой частотой или по сложному закону. В качестве известных регулируемых величин при этом используются величины такого же рода, как измеряемые, но отличаютщиеся от них спектральным составом (обычно постоянные во времени и в пространстве) и создающие такой же, как и измеряемая величина, сигнал на выходе компарирующего преобразователя.
Метод эталонных сигналов заключается в том, что на вход средств измерений периодически вместо измеряемой величины подаются эталонные сигналы такого же рода, что и измеряемая величина. Разность между реальной градуировочной характеристикой используется для коррекции чувствительности или для автоматического введения поправки в результат измерения. При этом, как и при методе замещения, устраняются все систематические погрешности, но только в тех точках диапазона измерений, которые соответствуют эталонным сигналам. Метод широко используется в современных точных цифровых приборах и в информационно-измерительных системах. Примером использования этого метода является периодическая подстройка рабочего тока в компенсаторах и цифровых вольтметрах постоянного тока при помощи нормального элемента.
Тестовый метод – при использовании данного метода значение измеряемой величины определяется по результатам нескольких наблюдений, при которых в одном случае входным сигналом средства измерений является сама измеряемая величина Х, а в других – так называемые тесты, являющиеся функциями измеряемой величины.
Метод вспомагательных измерений используется для исключения погрешностей из-за влияющих величин и неинформативных параметров входного сигнала. Для реальзации этого метода одновременно с измеряемой величиной Х с помощью вспомогательных измерительных устройств производится измерение каждой из влияющих величин и вычисление с помощью вычислительного устройства, а также формул и алгоритмов поправок к результатам измерения.
Метод симметричных наблюдений заключается в проведении многократных наблюдений через равные промежутки времени и усреднении результатов наблюдений, симметрично расположенных относительно среднего наблюдения. Обычно этот метод применяется для исключения прогрессирующих погрешностей, изменяющихся по линейному закону. Так, при измерении сопротивления резистора путем сравнения напряжения на измеряемом и эталонном резисторах, включенных последовательно и питаемых от общего аккумулятора, может возникнуть погрешность вследствие разряда источника питания.
Для исключения этой погрешности проводят три измерения падения напряжения:
- на эталонном резисторе U01 = I·R0;
- через равные промежутки времени на измеряемом резисторе UX = (I — ΔI1)·RX;
- снова на эталонном резисторе U02 = (I — ΔI2)·R0.
- Если ток изменяется во времени по линейному закону, то ΔI2 = 2ΔI1; I — ΔI1 = (U01 + U02) / (2R0) и RX = R0·2·UX / (U01 + U02).
Метод симметричных наблюдений можно также использовать для устранения других видов погрешностей, например систематических погрешностей из-за влияющих величин, изменяющихся по периодическому закону. В этом случае симметричные наблюдения проводят через половину периода, когда погрешность имеет разные знаки, но одинаковые значения. Таким образом, например, можно исключить погрешность из-за наличия четных гармоник при измерении амплитудного значения напряжения при искаженной форме кривой.
Источник
