Когда следует осуществлять планирование измерительного эксперимента метрология

Обновлено: 02.07.2024

Метрологический эксперимент является основным источником сведений о свойствах погрешностей результатов измерений и о значениях или виде характеристик средств измерений. Расчетное оценивание и оценивание с использованием ИМ всегда предполагает выполнение предварительных экспериментальных исследований, на основе которых строятся математические модели объектов, условий и средств измерений. Кроме того, степень отличия реальных характеристик средств измерений от идеальных ( такое отличие всегда имеет место в силу объективной невоспроизводимости идеальной технологии их изготовления) может быть установлена только экспериментально. Таким образом, МЭ составляет основу метрологического анализа, чем и объясняется фундаментальное требование системы обеспечения единства измерений об экспериментальной верификации либо характеристик погрешностей результатов измерений, либо алгоритмов расчетного оценивания или оценивания с помощью ИМ этих характеристик. [1]

Теория оптимального планирования метрологического эксперимента , элементы которой мы рассмотрим в этом разделе, является чрезвычайно эффективным инструментом повышения точности и достоверности результатов аттестации методик и средств измерений, исследований новых приборных разработок, определение предпочтительных областей их применения. [2]

В данном случае усложнение метрологического эксперимента заключается в использовании двух эталонных АЦП - АЦП. [3]

Вообще говоря, с помощью метрологического эксперимента можно оценивать и компоненты полной погрешности, порожденные отличием реализуемого i - ro элементарного измерительного преобразования от гипотетического. Однако при этом, учитывая (2.1.5), необходимо внедряться в поверяемое устройство для использования реальных звеньев измерительной цепи при формировании требуемой оценки. Сказанное относится к оцениванию компонентов полной погрешности, обусловленных отличием от гипотетических аналоговых преобразований. Оценивание компонентов полной погрешности, порожденных программными измерительными модулями, принципиальных трудностей не вызывает. [4]

В основе же анализа свойств инструментальных погрешностей лежит метрологический эксперимент , так как иным способом определить значения инструментальных погрешностей, а следовательно, и их свойства невозможно. Именно поэтому метрологическая аттестация измерительных средств - отдельного экземпляра или типа - выполняется экспериментально с использованием эталонных средств, точность которых, в свою очередь, удостоверена на основе действующей системы обеспечения единства измерений. Формально, зная вид конкретного уравнения реализуемой процедуры измерений, можно определить и характеристики инструментальной погрешности. Однако полученные результаты при этом носят условный характер, так как любое уравнение и любые модели средств измерений характеризуются каким-либо несоответствием реальным объектам. [5]

Набор данных, полученных для одной пробы реальной воды при метрологическом эксперименте , представлен в таблице. [6]

Основным источником информации о погрешностях и характеристиках погрешностей результатов измерения является метрологический эксперимент . [7]

Исследованы три метода оценивания: расчетный ( на аналитической основе), с помощью имитационного моделирования ( ИМ) и с помощью метрологического эксперимента ( МЭ), а также комбинированные методы, сочетающие в разных вариантах три основных. Кроме того, на точность оценивания влияют наложенные на процедуру оценивания ограничения и условия. [8]

Предваряя более подробное рассмотрение методов определения погрешностей, которое будет проведено в последующих главах, обратим внимание на то, чтэ в основе их изучения лежит метрологический эксперимент , когда результат измерения сопоставляется с известным значением измеряемой величины. [9]

Уравнение реализуемой процедуры позволяет, во-первых, проводить анализ характеристик полных погрешностей и компонентов полных погрешностей в условном варианте, когда заданы отличия реальных характеристик от номинальных, и, во-вторых, отразить наличие априорной неопределенности, снятие которой ( частичное) возможно только с помощью специального метрологического эксперимента . [10]

Непосредственное определение погрешностей проводится экспериментально, и только так может быть установлена реальная точность измерений. Процедура установления погрешностей опытным путем ( метрологический эксперимент - МЭ) выполняется с помощью специальных измерительных средств, называемых эталонными. Аттестация эталонных измерительных средств выполняется в соответствии с разработанными в теории метрологического обеспечения методами и предполагает использование новейших научно-технических достижений как в области метрологии, так и в смежных областях. В определенном смысле создание и применение эталонных измерительных средств могут быть определены понятием метаметрология, достижения которой обусловливают текущий уровень измерительной техники. [11]

Из изложенного следует, что с помощью поверки оценивается полная погрешность результата измерений. Для выделения из полной погрешности методической и инструментальной составляющей требуется существенное усложнение метрологического эксперимента . [12]

Это означает, что погрешность конкретного результата измерения может быть определена только с помощью специального метрологического эксперимента . Очевидно, что на практике определение погрешности каждого отдельного результата измерения не производится. Однако проводя измерения, необходимо быть уверенным, что они удовлетворяют предъявленным требованиям пс точности полученных результа-тэв. [13]

Необходимое математическое обеспечение работ по созданию и эксплуатации измерительных устройств данного поколения сводится к началам формальной теории погрешностей, позволяющей количественно оценивать точность измерений с помощью определения характеристик погрешностей по результатам метрологического эксперимента . [14]

Во всех случаях анализ погрешностей производится с использованием априорных знаний ( A3) об объекте, условиях, процедуре и средствах измерений. Степень адекватности используемых априорных знаний реальным объектам, условиям, процедурам и средствам измерений в значительной степени определяет достоверность результатов анализа. В данной главе последовательно рассматриваются возможные методы анализа погрешностей: расчетный на аналитической основе, с помощью ИМ, с помощью метрологического эксперимента ( МЭ) и их комбинаций. [15]

Получение необходимой измерительной информации с минимальными (или ограниченными) материальными и временными затратами требует внимательного подхода к подготовке и проведению эксперимента при измерении физических величин. Особую значимость это приобретает при постановке сложных дорогостоящих экспериментов. Важным в понимании места измерительного эксперимента является то обстоятельство, что измерения проводят не ради измерений, а для достижения цели, поставленной в том или ином исследовании или испытании. В связи с этим при подготовке измерительного эксперимента прежде всего решается вопрос: для чего измерять? Решение этого вопроса оказывает существенное влияние на всю процедуру измерения, включающую подготовку, проведение и обработку результатов измерений. В зависимости от цели измерения решаются такие задачи, как что измерять, с какой точностью измерять, как измерять и чем измерять. Ответы на эти вопросы определяют содержание подготовки эксперимента при измерении физических величин.

Перед проведением эксперимента в первую очередь необходимо составить возможно полную предварительную (доопытную) модель объекта (см. § 2-1). Если, например, производится измерение напряжения переменного тока, то необходимо знать форму кривой этого напряжения, его частоту и диапазон возможных значений. Предварительные сведения об измеряемой величине могут быть известны при постановке задачи измерений. Так, измеряя напряжение питающей сети переменного тока, мы знаем, что кривая напряжения должна иметь синусоидальную форму, частоту 50 Гц и возможное значение примерно 220 В. Отклонение параметров сигнала от заранее установленной модели (в частности, отклонение кривой напряжения питающей сети от синусоидальной формы) может привести к неправильным результатам

измерений. Если нет уверенности в правильности (адекватности) модели, то следует уточнить ее, проведя ряд дополнительных измерений, или выбрать средство измерений (см. далее), показания которого не зависят от одного или нескольких неинформативных параметров модели.

Модели одного и того же объекта измерений могут быть различными. Выбор той или иной модели диктуется задачами и условиями измерений. Так, измеряя сопротивление резистора, необходимо пользоваться различными его моделями в зависимости от частотного диапазона тока, протекающего через данный резистор. На высоких частотах следует учитывать влияние собственных емкостей и индуктивностей, а на СВЧ — влияние поверхностного эффекта.

Правильный выбор модели позволяет верно трактовать результаты измерений и обеспечивает при прочих условиях необходимую точность измерений.

Для обеспечения требуемой точности результатов измерения необходимо учитывать влияние на точность результатов метода измерения, средства измерений, а также внешних факторов. При этом возникает трудная задача: какими должны быть составляющие погрешности, чтобы суммарная погрешность не превышала требуемую. Решается она обычно просмотром вариантов измерений, с подсчетом каждый раз суммарной погрешности (см. § 14-3), и выбором наиболее удобного, простого и, естественно, удовлетворяющего требуемой точности.

При подготовке измерительного эксперимента должна быть выработана методика проведения эксперимента, определяющая совокупность приемов и способов использования средств измерений, средств вычислений и вспомогательных средств, обеспечивающих получение результата измерений с необходимой точностью. Разработка методики выполнения измерений неразрывно связана с обеспечением требуемой точности. При этом необходимо учитывать, проводятся ли прямые, косвенные, совместные или

совокупные измерения, используется ли метод непосредственной оценки или методы сравнения с мерой, производятся ли однократные или многократные измерения и др. В результате этого этапа подготовки эксперимента должна быть разработана схема измерений, процедура (план) проведения эксперимента, подготовлена методика обработки результатов наблюдений и оценки влияния условий прозедения эксперимента на полученные результаты измерений. Оценка погрешностей для этих случаев приведена в § 14-2.

В настоящее время при проведении сложных измерительных экспериментов начинают применять теорию планирования эксперимента, позволяющую выработать наиболее оптимальный план проведения эксперимента.

Важным этапом подготовки эксперимента является выбор средств измерений, соответствующих принятым моделям и измеряемым величинам. Критерии, по которым зыбирают средства измерений, определяются целями и условиями проведения эксперимента. Это могут быть показывающие или регистрирующие приборы, лабораторные или переносные, аналоговые или цифровые, позволяющие вводить информацию в ЭВМ, и т. д. Однако во всех случаях необходимо правильно оценивать влияние метрологических характеристик приборов на результаты измерений. Рассмотрим некоторые основные факторы, которые следует учитывать при выборе средств измерений.

А. Воздействие средства измерений на объект. Средство измерений, подключенное к объекту измерения, может существенно исказить измеряемую величину, что приведет к неверному результату измерения. Так, включая амперметр в измеряемую цепь, мы уменьшаем ток в этой цепи за счет сопротивления самого амперметра или, измеряя температуру некоторого тела с помощью термопары, подключением термопары мы изменяем температурный режим этого тела. Для уменьшения этого влияния необходимо, чтобы мощность, потребляемая от объекта (или выделяемая на объекте) средством измерений, была относительно небольшой. Ориентировочно относительную погрешность, вызванную потреблением мощности от измеряемого объекта, можно оценить формулой где Р — мощность, выделяемая на объекте измерения. В тех случаях, когда средство измерений выделяет на объекте некоторую мощность (при измерении параметров электрических цепей), также следует оценить влияние средства на измеряемую величину. Например, при измерении малых сопротивлений двойными мостами постоянного тока через измеряемый объект протекает большой ток (5 А и более), что может вызвать нагрев объекта и изменение его сопротивления.

Б. Неполная адекватность принятой модели объекту измерений. Измерительные приборы следует по возможности выбирать

такими, показания которых не зависят (или минимально зависят) от неинформативных параметров принятой модели измеряемой величины. В этом случае эксперимент может быть проведен меньшим числом приборов и с большей точностью.

Так, при необходимости измерить действующее значение переменного напряжения лучше выбрать, например, электронный вольтметр действующего значения, а не электронный вольтметр среднего значения, градуированный в действующих значениях. Последний при отличии формы кривой напряжения от синусоидальной дает неверные результаты измерений, для коррекции которых требуются дополнительные измерения для уточнения модели объекта. Хотя такой подход также возможен, однако следует иметь в виду, что результат измерения будет иметь большую погрешность, зависящую, в частности, от неточности оценки модели измеряемой величины.

В. Погрешности, вносимые средствами измерений. Составляющими погрешности результата измерений (иногда основными) являются погрешности, вносимые используемыми средствами измерений. Эти погрешности оцениваются по метрологическим характеристикам выбранных средств измерений. Не следует необоснованно применять средства измерений высокой точности, что обычно приводит к усложнению и удорожанию эксперимента. Кроме того, при выборе средства измерений следует учитывать влияние внешних факторов (температуры, электромагнитных и электростатических полей и др.) на используемые средства.

Г. Пределы измерений. Для многих измерительных приборов погрешность измерения минимальна на верхнем пределе измерений. Руководствуясь этим, следует выбирать такие пределы измерения, при которых ожидаемые показания прибора будут находиться ближе к верхнему пределу. Например, измеряя напряжение 10 В двумя вольтметрами, имеющими одинаковые классы точности , но разные верхние пределы (15 и 150 В), получим относительные погрешности измерения, соответственно, ±1,5 и ±

Частотный диапазон. Выбирая частотный диапазон средства измерений, необходимо прежде всего обеспечить неискаженное прохождение сигналов измерительной информации. Для этого частотный диапазон средства измерений должен быть шире частотного спектра входных сигналов. С другой стороны, среди прочих причин появление погрешности измерения вызывают помехи, влияние которых растет с увеличением частотного диапазона. Поэтому не следует стремиться использовать средства измерений с необоснованно широким частотным диапазоном. При заметном влиянии помех наилучшими будут средства, которые

при минимальном искажении сигналов измерительной информации максимально отфильтровывают помеху.

Рассмотренный перечень факторов, который необходимо учитывать при выборе средства измерений, не язляется исчерпывающим. Он может быть дополнен требованиями быстродействия, исключения влияния внешних факторов, оптимального конструктивного исполнения и т. д. Важно отметить, что при подготовке эксперимента необходимо учитывать влияние на результаты измерения характеристик средства измерений, указанных в соответствующих нормативно-технических документах этих средств.

Таким образом, правильное понимание цели измерений, предварительная (доопытная) оценка модели объекта измерений, обоснованный выбор методики проведения эксперимента и соответствующих средств измерений, обеспечивающих в совокупности необходимую точность, являются основными задачами подготовки эксперимента при измерении физических величин.

III этап. Обработка экспериментальных данных. Алгоритм этапа: преобразование априорных данных и данных наблюдений в совокупность результата измерения и оценка его погрешности. Данное преобразование осуществляется путем обработки данных с помощью математических методов (при необходимости с помощью средств вычислительной техники). Планирование измерений составляет существенную часть разработки… Читать ещё >

Основные этапы измерений ( реферат , курсовая , диплом , контрольная )

Основные этапы измерений следующие (рис. 1.2).

I этап. Организация и планирование измерительного эксперимента включает два подэтапа.

1.1. Постановка измерительной задачи, осуществляемая в последовательности:
- • формирование модели объекта и определение измеряемой физической величины (ФВ);
- • уточнение данных об условиях измерений и измеряемой ФВ;
- • постановка измерительной задачи на основе принятой модели объекта;
- • выбор конкретных величин, на основе которых будет находиться значение измеряемой ФВ (например, при косвенных измерениях — выбор измеряемых прямым образом аргументов);
- • формирование уравнения измерения.
Рис. 1.2. Основные этапы измерений
- 1.2. Планирование измерительного эксперимента, осуществляемое в последовательности:
  - • выбор методов измерений;
  - • априорная оценка погрешности измерения;
  - • формулирование требований к метрологическим характеристикам средств измерений (СИ) и условиям измерений;
  - • выбор СИ в соответствии с указанными требованиями;
  - • выбор параметров измерительной процедуры: числа наблюдений для каждого аргумента, моментов времени и точек выполнения наблюдений;
  - • подготовка СИ к выполнению экспериментальной операции;
  - • обеспечение требуемых условий или создание возможности их контроля.
  На этом этапе для многих видов массовых измерений заранее разрабатываются в виде специального документа методики выполнения измерений (МВИ), которые должны включать:
  - • цель измерительного эксперимента;
  - • исходные данные (указываются в техническом задании);
  - • объем и последовательность проведения измерений;
  - • выбор СИ, оборудования;
  - • алгоритмы проведения измерительного эксперимента;
  - • алгоритмы обработки результатов измерений.
  Планирование измерений составляет существенную часть разработки такой методики. Теория планирования является разделом теории измерений. Ошибки, допущенные на этапе планирования, трудно исправимы и обнаруживаются лишь при использовании результатов измерений.
  
  II этап. Измерительный эксперимент. Необходимо выделить основные измерительные операции, свойственные процессу измерений:
  - • измерительные преобразования (первичные, промежуточные);
  - • воспроизведение ФВ заданного размера;
  - • сравнение величин.
  В соответствии с этим можно определить метод измерения как алгоритм использования основных операций с целью нахождения значения измеряемой ФВ [23, "https://referat.bookap.info"].
  
  III этап. Обработка экспериментальных данных. Алгоритм этапа: преобразование априорных данных и данных наблюдений в совокупность результата измерения и оценка его погрешности. Данное преобразование осуществляется путем обработки данных с помощью математических методов (при необходимости с помощью средств вычислительной техники).
  
  Алгоритм обработки данных во многих случаях бывает задан. Но при измерениях высшей точности часто необходимо построение нового алгоритма.
  
  Последовательность обработки данных такова:
  - 1) предварительный анализ информации, полученной на предыдущих этапах измерения;
  - 2) вычисление и внесение возможных поправок на систематические погрешности;
  - 3) формулирование и анализ математической задачи обработки данных;
  - 4) построение и уточнение возможных алгоритмов обработки данных, т. е. алгоритма вычисления результата измерения и показателей его погрешности;
  - 5) вычисление, согласно принятому алгоритму (получают значение измеряемой ФВ и показатели погрешности);
  - 6) анализ и содержательная интерпретация полученных результатов;
  - 7) запись результата измерений и показателей погрешностей в соответствии с установленной формой представления.
  Метрологический эксперимент является основным источником сведений о свойствах погрешностей результатов измерений и о значениях или виде характеристик средств измерений. Расчетное оценивание и оценивание с использованием ИМ всегда предполагает выполнение предварительных экспериментальных исследований, на основе которых строятся математические модели объектов, условий и средств измерений. Кроме того, степень отличия реальных характеристик средств измерений от идеальных ( такое отличие всегда имеет место в силу объективной невоспроизводимости идеальной технологии их изготовления) может быть установлена только экспериментально. Таким образом, МЭ составляет основу метрологического анализа, чем и объясняется фундаментальное требование системы обеспечения единства измерений об экспериментальной верификации либо характеристик погрешностей результатов измерений, либо алгоритмов расчетного оценивания или оценивания с помощью ИМ этих характеристик. [1]
  
  Теория оптимального планирования метрологического эксперимента , элементы которой мы рассмотрим в этом разделе, является чрезвычайно эффективным инструментом повышения точности и достоверности результатов аттестации методик и средств измерений, исследований новых приборных разработок, определение предпочтительных областей их применения. [2]
  
  В данном случае усложнение метрологического эксперимента заключается в использовании двух эталонных АЦП - АЦП. [3]
  
  Вообще говоря, с помощью метрологического эксперимента можно оценивать и компоненты полной погрешности, порожденные отличием реализуемого i - ro элементарного измерительного преобразования от гипотетического. Однако при этом, учитывая (2.1.5), необходимо внедряться в поверяемое устройство для использования реальных звеньев измерительной цепи при формировании требуемой оценки. Сказанное относится к оцениванию компонентов полной погрешности, обусловленных отличием от гипотетических аналоговых преобразований. Оценивание компонентов полной погрешности, порожденных программными измерительными модулями, принципиальных трудностей не вызывает. [4]
  
  В основе же анализа свойств инструментальных погрешностей лежит метрологический эксперимент , так как иным способом определить значения инструментальных погрешностей, а следовательно, и их свойства невозможно. Именно поэтому метрологическая аттестация измерительных средств - отдельного экземпляра или типа - выполняется экспериментально с использованием эталонных средств, точность которых, в свою очередь, удостоверена на основе действующей системы обеспечения единства измерений. Формально, зная вид конкретного уравнения реализуемой процедуры измерений, можно определить и характеристики инструментальной погрешности. Однако полученные результаты при этом носят условный характер, так как любое уравнение и любые модели средств измерений характеризуются каким-либо несоответствием реальным объектам. [5]
  
  Набор данных, полученных для одной пробы реальной воды при метрологическом эксперименте , представлен в таблице. [6]
  
  Основным источником информации о погрешностях и характеристиках погрешностей результатов измерения является метрологический эксперимент . [7]
  
  Исследованы три метода оценивания: расчетный ( на аналитической основе), с помощью имитационного моделирования ( ИМ) и с помощью метрологического эксперимента ( МЭ), а также комбинированные методы, сочетающие в разных вариантах три основных. Кроме того, на точность оценивания влияют наложенные на процедуру оценивания ограничения и условия. [8]
  
  Предваряя более подробное рассмотрение методов определения погрешностей, которое будет проведено в последующих главах, обратим внимание на то, чтэ в основе их изучения лежит метрологический эксперимент , когда результат измерения сопоставляется с известным значением измеряемой величины. [9]
  
  Уравнение реализуемой процедуры позволяет, во-первых, проводить анализ характеристик полных погрешностей и компонентов полных погрешностей в условном варианте, когда заданы отличия реальных характеристик от номинальных, и, во-вторых, отразить наличие априорной неопределенности, снятие которой ( частичное) возможно только с помощью специального метрологического эксперимента . [10]
  
  Непосредственное определение погрешностей проводится экспериментально, и только так может быть установлена реальная точность измерений. Процедура установления погрешностей опытным путем ( метрологический эксперимент - МЭ) выполняется с помощью специальных измерительных средств, называемых эталонными. Аттестация эталонных измерительных средств выполняется в соответствии с разработанными в теории метрологического обеспечения методами и предполагает использование новейших научно-технических достижений как в области метрологии, так и в смежных областях. В определенном смысле создание и применение эталонных измерительных средств могут быть определены понятием метаметрология, достижения которой обусловливают текущий уровень измерительной техники. [11]
  
  Из изложенного следует, что с помощью поверки оценивается полная погрешность результата измерений. Для выделения из полной погрешности методической и инструментальной составляющей требуется существенное усложнение метрологического эксперимента . [12]
  
  Это означает, что погрешность конкретного результата измерения может быть определена только с помощью специального метрологического эксперимента . Очевидно, что на практике определение погрешности каждого отдельного результата измерения не производится. Однако проводя измерения, необходимо быть уверенным, что они удовлетворяют предъявленным требованиям пс точности полученных результа-тэв. [13]
  
  Необходимое математическое обеспечение работ по созданию и эксплуатации измерительных устройств данного поколения сводится к началам формальной теории погрешностей, позволяющей количественно оценивать точность измерений с помощью определения характеристик погрешностей по результатам метрологического эксперимента . [14]
  
  Во всех случаях анализ погрешностей производится с использованием априорных знаний ( A3) об объекте, условиях, процедуре и средствах измерений. Степень адекватности используемых априорных знаний реальным объектам, условиям, процедурам и средствам измерений в значительной степени определяет достоверность результатов анализа. В данной главе последовательно рассматриваются возможные методы анализа погрешностей: расчетный на аналитической основе, с помощью ИМ, с помощью метрологического эксперимента ( МЭ) и их комбинаций. [15]
  
  Читайте также: