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
Пути повышения точности измерительных приборов
Страницы работы
Содержание работы
Пути повышения точности измерительных приборов
Подход к созданию средств измерения, обеспечивающих более высокую точность, но значительно более простых в изготовлении, заключается в учете суммарного воздействия доминирующих систематических погрешностей для каждой точки измерительного пространства прибора, для каждой из измеряемых им величин. Это может быть достигнуто за счет учета действительных отклонений погрешностей изготовления деталей, узлов и их систем, обеспечивающих какую либо функцию средства измерения, например, погрешность шкал. Такая поправка на все основные функции СИ определяется при его калибровке, запоминается ЭВМ и используется при определении результатов измерений. Данный метод может быть реализован только при использовании компьютера, хранящего в памяти необходимый набор конкретных поправок данного СИ и использующего их при обработке и выдаче результатов измерений. Учет конкретных значений поправок в отдельных точках диапазона измерений некоторых приборов в метрологической практике уже давно находит применение при поверке и аттестации образцовых средств измерений, например, весов, силоизмерительных приборов и многих других. Это позволяет значительно повысить точность передачи единиц измерений. При дальнейшем использовании таких ОСИ учет поправок на их показания производится специальными корректирующими системами.
Получение кривых поправок для каждого вида СИ является сложной метрологической задачей. Ее сложность связана с необходимостью обеспечения высокой точности определения кривых поправок , то есть максимально возможной точности применяемого для этого измерительного оборудования и методов измерения, специальных условий проведения измерений.
Определение значений поправок производится в дискретных точках диапазона измерений. Уровень дискретизации при этом определяется в каждом конкретном случае отдельно с учетом характера кривой поправок, стабильности во времени, степени влияния на них условий, в которых производятся измерения в соответствии с теоремой Котельникова.
[Гафанович Г.Я. Один из возможных путей повышения точности измерительных приборов при эксплуатации//УМЖ, 1996,вып.1,с.31]
Вопросы метрологического обеспечения и повышения точности СИТ приобретают особое значение. Это связано с усложнением средств измерений и измерительных систем (ИС). Законы функционирования сложных технических систем сопоставляются с законами функционирования биологических систем. Но устойчивость технических систем снижается, а биологических – возрастает с ростом их сложности. Существует предположение [], что биологические системы, пройдя многотысячелетний путь развития, выработали определенное «системное качество», суть которого заключается в совершенствовании устойчивости как основной цели их существования. Созданные человеком технические системы насчитывают лишь несколько десятков лет своей истории, они создавались лишь с учетом выполнения функциональных задач под общим контролем человека. Поэтому сравнивать свойства биологических и технических систем на данной стадии развития не корректно, но необходимо обеспечивать повышение устойчивости технических систем функциями самоконтроля и адаптации.
Самоконтроль метрологических характеристик СИ должен стать одной из основных задач проектирования. Подсистему самоконтроля предложено в [] назвать «метрологическим наблюдателем», которому присущи следующие функции:
– формирование некоторого «метрологического образа» на основе системного организованных измеряемых величин;
– контроль метрологического качества функционирования СИ;
– восстановление характеристики и функций СИ и прогноз их поведения.
Подсистема метрологического наблюдателя должна обеспечивать необходимую жизнеспособность средства измерения. Она должна выполнять функции контроля и управления для обеспечения должного метрологического качества выполняемых измерений. Таким образом, решается метрологическая задача обеспечения достоверности информации.
[Диденко К.И., Кондрашов С.И., Терентьев С.Н. Интеллектуальные системы контроля и управления. Концепция развития метрологического обеспечения.//УМЖ 1997 вып.1].
В работе [] производится анализ основных функций метрологического наблюдателя. На первом (измерительном) уровне иерархической структуры системы, который решает задачи получения информации, контроля и стабилизации основных параметров объекта, метрологический наблюдатель реализуется с помощью программируемого контроллера. Он является программой, выполняющие следующие операции: измерение физической величины, сравнение величины погрешности с соответствующим допуском, хранящимся в памяти контроллера и заключение соответствия измеренной физической величины ее реальному значению. Метрологический наблюдатель выполняет две задачи:
1) количественный контроль измерительных цепей и внесение необходимых коррекций в текущее значение погрешности, одновременно оценивая надежность действующих средств измерения;
2) с учетом дрейфа погрешностей технических средств оценка значений отклонений.
[Диденко К.И., Кондрашев С.И. Метрологический наблюдатель в системах контроля и управления// УМЖ вып.2 1997 с.44].
Проблемы метрологического обеспечения современных СИ
Существующая система метрологического обеспечения в каждом виде измерений развивается относительно независимо с ориентацией на автономные средства измерений. Когда речь идет о метрологическом обеспечении СИТ и ИИС, выделяют три группы проблем: теоретические (научно-методические), организационно-технические, создание средств метрологического обеспечения.
В данный момент наиболее сложными есть теоретические проблемы, а также проблемы создания специальных технических средств.
Теоретические проблемы МО.
Современные ИИС и СИ характеризуются гибкостью. Структуры, увеличением количества информации, которая измеряется и обрабатывается, усложнением и увеличением интеллектуальных функций. Элементы искусственного интеллекта входят в состав средств измерений и обеспечивают возможность перестройки алгоритма функционирования и формирования измерительных процессов в зависимости от свойств и состояния объекта измерения, а также условия эксплуатации.
Ранее метрология охватывала процессы измерений, результат которых – числовое значение ФВ.
На современном этапе развития измерительной техники все большее значение приобретает этап обработки результатов измерений, на котором с помощью математических методов, что реализованы в программных средствах, получают необходимые характеристики объекта.
Основные теоретические проблемы метрологии заключаются в следующем:
1) развитие терминологической основы с учетом качественных изменений процессов измерений, которые производятся с помощью сложных измерительных средств. При дальнейшем развитии терминологическая система должна отражать процесс измерений как взаимодействия сложного объекта, который описывается многопараметрической моделью с средством измерений, которое обрабатывает массивы экспериментальных данных.
2) Развитие теории динамических измерений. Эта проблема имеет два аспекта: учет динамических преобразований сигналов вследствие инерционных свойств их компонентов и оценивание погрешности датирования отсчетов, что возникает в подсистеме синхронизации работы измерительных каналов.
Адекватное описание динамических свойств измерительных каналов можно получить на основании динамической модели канала, и в общем случае он должен включать совокупность традиционных для линейных СИ полных динамических характеристик (импульсной, переходной, АЧХ) с погрешностью датирования отсчета.
Методы нормирования динамических характеристик разработаны, но методы их определения и методы оценки погрешности динамических измерений развиты недостаточно.
3) Усовершенствование расчетных методов оценивания МХ. Существующие методы расчета МХ измерительного канала по МХ компонентов относятся к линейным измерительным каналам. Развитию и внедрению расчетных методов препятствует отсутствие достаточно полных данных по метрологических свойствах конкретных типов компонентов. Учитывая важность расчетных методов при МО эти исследования необходимо проводить с целью создания методик, которые учитывают не только линейные, но и нелинейные и дискретные свойства компонентов, а также условий эксплуатации СИ.
4) Создание теоретических основ интеллектуализации МО с целью оптимизации процедур метрологического надзора. Использование искусственного интеллекта предполагает наличие базы данных, методов и средств МО.
5) Оценка влияния программных средств на результаты измерений и качества функционирования системы.
6) Оптимизация метрологического обслуживания с учетом метрологических критериев.
Следует заметить, что эффективность метрологического обслуживания СИ закладывается на этапе его разработки. Все это приводит к необходимости автоматизации процесса МО.
Основной проблемой есть поиск наиболее рационального, экономически выгодного способа передачи размеров разных физических величин средствам измерениям. Основными средствами МО являются:
1) Эталонные объекты или их имитаторы. Их использование позволяет реализовать комплектный метод определения МХ СИ. В этом случае сам эталонный объект должен быть аттестован независимым способом, а его элементам переданы размеры физических величин через соответствующие поверочные схемы. Такими объектами являются стандартные образцы.
2) Программно управляемые калибраторы, которые могут использоваться как встроенные меры для метрологического контроля и как автономные приборы, выполненные в стационарном и переносном вариантах. Для контроля цифровой части СИ могут использоваться цифровые имитаторы и системы имитационного моделирования.
3) Измерительные стенды и передвижные лаборатории. Их целесообразно использовать в тех случаях, когда объем измеренных значений большой, а демонтаж компонентов невозможен.
[Брагин О.О., Семенюк А.Л., Удовиченко Е.Т. Метрологическое обеспечение измерительных информационных систем: проблемы теории и создания технических средств// УМЖ 1995, вып.1 с.61].
Источник
