Методы и средства измерений, испытаний и контроля для обеспечения качества процессов и систем 1 страница
3.1. Понятия измерений, контроля и испытаний
Метод – определенный способ, порядок или план исследования явлений объективной действительности; совокупность и система приемов исследования.
Метод измерения — это прием или совокупность приемов сравнения измеряемой ФВ с ее единицей в соответствии с реализованным принципом измерения.
Средство измерений – техническое средство, предназначенное для измерений и позволяющее решать измерительную задачу путем сравнения измеряемой величины с единицей или шкалой ФВ и имеющее нормированные метрологические свойства.
Измерение — это нахождение значения физической величины (ФВ) опытным путем с помощью специальных технических средств.
Испытания – экспериментальное определение количественных и (или) качественных характеристик свойств объекта испытаний как результата воздействия на него, при его функционировании, при моделировании объекта и (или) воздействий.
Контроль – процесс определения соответствия значения параметра изделия установленным требованиям или нормам.
В любую разновидность испытаний и контроля входят, в качестве составной части, технические экспериментальные операции, основанные на измерениях, целью которых является информация о параметрах отдельных экземпляров (проб) продукции.
Понятие измерения. Без измерений не может обойтись ни одна наука, поэтому метрология как наука об измерениях находится в тесной связи со всеми другими науками.
Основное понятие метрологии — измерение. Согласно ГОСТ 16263 измерение — это нахождение значения физической величины (ФВ) опытным путем с помощью специальных технических средств.
Значимость измерений выражается в трех аспектах: философском, научном и техническом [5].
Философский аспект состоит в том, что измерения являются важнейшим универсальным методом познания физических явлений и процессов. В этом смысле метрология как наука об измерениях занимает особое место среди остальных наук. Возможность измерения обуславливается предварительным изучением заданного свойства объекта измерений, построением абстрактных моделей как самого свойства, так и его носителя — объекта измерения в целом. Поэтому место измерения определяется не среди первичных (теоретических или эмпирических) методов познания, а среди вторичных (квантитативных), обеспечивающих достоверность измерения. С помощью вторичных познавательных процедур решаются задачи формирования данных (фиксации результатов познания). Измерение с этой точки зрения представляет собой метод кодирования сведений, получаемых с помощью различных методов познания, т.е. заключительную стадию процесса познания, связанную с регистрацией получаемой информации.
Научный аспект измерений состоит в том, что с их помощью в науке осуществляется связь теории и практики. Без измерений невозможна проверка научных гипотез и соответственно развитие науки.
Технический аспект измерений состоит в том, что измерения обеспечивают получение количественной информации об объекте управления или контроля, без которой невозможно точное воспроизведение всех заданных условий технического процесса, обеспечение высокого качества изделий, и эффективного управления объектом.
Физические величины и их свойства. Все объекты окружающего мира характеризуются присущими им свойствами. Свойство – философская категория, выражающая такую сторону объекта (явления, процесса), которая обуславливает его различие или общность с другими объектами (явлениями, процессами) и обнаруживается в его отношениях к ним. Для количественного описания различных свойств процессов и физических тел вводится понятие величины. Величина – это свойство чего-либо, которое может быть выделено среди других свойств и оценено тем или иным способом, в том числе и количественно. Величина не существует сама по себе, она выражает свойства объекта.
Физические величины
Измеряемые
Оцениваемые
количественно - в виде определенного числа установленных единиц измерения
приписываются определенные числа по установленным правилам
Измерение – познавательный процесс, заключающийся в сравнении путем физического эксперимента данной физической величиной (ФВ) с известной ФВ, принятой за единицу измерения. Измерение ФВ выполняют опытным путем с помощью технических средств. В результате измерения получают значение физической величины
Q = q * U,
где q — числовое значение физической величины в принятых единицах; U — единица физической величины.
Значение физической величины Q, найденное при измерении, называют действительным. В ряде случаев нет необходимости определять действительное значение физической величины, например при оценке соответствия физической величины установленному допуску. При этом достаточно определить принадлежность физической величины некоторой области.
Следовательно, при контроле определяют соответствие действительного значения физической величины установленным значениям. Примером контрольных средств являются калибры, шаблоны, устройства с электроконтактными преобразователями.
Метрология — наука об измерениях физических величин, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности.
Основные задачи метрологии, (ГОСТ 16263—70) — установление единиц физических величин, государственных эталонов и образцовых средств измерений, разработка теории, методов и средств измерений и контроля, обеспечение единства измерений и единообразных средств измерений, разработка методов оценки погрешностей, состояния средств измерения и контроля, а также передачи размеров единиц от эталонов или образцовых средств измерений рабочим средствам измерений.
Нормативно-правовой основой метрологического обеспечения точности измерений является государственная система обеспечения единство измерений (ГСИ). Основные нормативно-технические документы ГСИ — государственные стандарты, В соответствии с рекомендациями XI Генеральной конференции по мерам и весам в 1960 г. принята Международная система единиц (СИ), на основе которой для обязательного применения разработан ГОСТ 8.417.
Основными единицами физических величин в СИ являются: длины — метр (м), массы — килограмм (кг), времени — секунда (с), силы электрического тока — ампер (А), термодинамической температуры — Кельвин (К), силы света — Кандела (кд), количества вещества — моль (моль). Дополнительные единицы СИ: радиан (рад) и стерадиан (ср) — для измерения плоского и телесного углов соответственно.
Производные единицы СИ получены из основных или с уже определенных производных с помощью уравнений связи между физическими величинами. Так, единицей силы является ньютон: 1Н == 1 кг*м-1*с-2, единицей давления — Паскаль 1 Па = 1 кг*м-1*с-2 и т. д. В СИ для обозначения десятичных кратных (умноженных на 10 в положительной степени) и дельных (умноженных на 10 в отрицательной степени) приняты следующие приставки: экса (Э) — Ю18, пета (П) — 1015, тера (Т) — 1012, гига (Г) – 109, мега (М) — 106, кило (к) — 103, гекто (г) — 102, дека (да) — 101, децн (д) — 10-1, санти (с) — 10-2, милли (м) — 10-3, микро (мк) — 10-6, нано (н) — 10-9, пико (п) — 10-12, фемто (ф) — 10-15, атто (а) — 10-18. Так, в соответствии с СИ тысячная доля миллиметра (микрометр) 0,001 мм == 1 мкм.
3.2. Структура процесса и методы измерений
Основное уравнение измерения Q = q [Q]. Суть измерения - в сравнении размера ФВ Q c размерами выходной величины регулируемой многозначной меры q [Q]: q [Q] < Q < (q +1)[Q].
D= F(X)- N [Q]
Результат измерения
X= F-1{q[Q]}
Q=F(X)
Сравнение с мерой
X
Рис. 3-1. Структура процесса измерения
На рис. 3-1 представлена структура процесса измерения, ниже определены назначение и состав основных блоков.
Измерительное преобразование — операция, при которой устанавливается взаимно однозначное соответствие между размерами в общем случае неоднородных преобразуемой и преобразованной ФВ. Измерительное преобразование описывается уравнением вида Q = F(X), где F — некоторая функция или функционал. Однако чаще стремятся сделать преобразование линейным: Q = КХ, где К — постоянная величина (коэффициент пропорциональности).
Основное назначение измерительного преобразования — получение и, если это необходимо, преобразование информации об измеряемой величине.
Преобразование выполняется на основе выбранных физических закономерностей. В измерительное преобразование могут входить следующие операции:
• изменение физического рода преобразуемой величины;
• масштабное линейное преобразование;
• масштабно-временное преобразование;
• нелинейное или функциональное преобразование;
• модуляция сигнала;
• дискретизация непрерывного сигнала;
• квантование.
Операция измерительного преобразования осуществляется посредством измерительного преобразователя — технического устройства, построенного на определенном физическом принципе и выполняющего одно частное измерительное преобразование.
Воспроизведение физической величины заданного размера N [ Q ] — это операция, которая заключается в создании требуемой ФВ, с заданным значением, известным с оговоренной точностью. Операцию воспроизведения величины определенного размера можно формально представить как преобразование кода N в заданную физическую величину Q, основанное на единице данной ФВ [Q]: QM= N[Q].
Степень совершенства операции воспроизведения ФВ заданного размера определяется постоянством размера каждой ступени квантования меры [Q] и степенью многозначности, т.е. числом N воспроизводимых известных значений. С наиболее высокой точностью воспроизводятся основные ФВ: длина, масса, время, частота, напряжение и ток.
Средство измерений, предназначенное для воспроизведения ФВ заданного размера, называется мерой.
Сравнение измеряемой ФВ с величиной, воспроизводимой мерой QM,— это операция, заключающаяся в установлении отношения этих двух величин: Q> QM, Q< QM или Q= QM. Точное совпадение сравниваемых величин, как правило, не встречается в практике измерений. Это обусловлено тем, что величина, воспроизводимая мерой, является квантованной и может принимать значения, кратные единице [Q]. В результате сравнения близких или одинаковых величин Q и QM может быть лишь установлено, что |Q - QM| < QM.
Методом сравнения называется совокупность приемов использования физических явлений и процессов для определения соотношения однородных величин.
Наиболее часто это соотношение устанавливается по знаку разности сравниваемых величин. Далеко не каждую ФВ можно сравнить при этом с себе подобной. Все ФВ в зависимости от возможности создания разностного сигнала делятся на три группы.
К первой группе относятся ФВ, которые можно вычитать и таким образом непосредственно сравнивать без предварительного преобразования. Это — электрические, магнитные и механические величины. Ко второй группе относятся ФВ, неудобные для вычитания, но удобные для коммутации, а именно: световые потоки, ионизирующие излучения, потоки жидкости и газа. Третью группу образуют ФВ, которые невозможно вычитать (влажность, концентрация, цвет, запах и т.д.).
Метод измерения — это прием или совокупность приемов сравнения измеряемой ФВ с ее единицей в соответствии с реализованным принципом измерения. Метод измерения должен по возможности иметь минимальную погрешность и способствовать исключению систематических погрешностей или переводу их в разряд случайных.
Методы измерения можно классифицировать по различным признакам. Известна классификация по основным измерительным операциям. Она тесно связана с элементарными СИ, реализующими эти операции. Данная классификация ориентирована на структурное описание средств измерений и поэтому важна для измерительной техники, а также метрологии информационно-измерительных систем.
Для метрологического анализа более важными являются традиционные классификации, основанные на следующих признаках. Первый из них — физический принцип, положенный в основу измерения. По нему все методы измерений делятся на электрические, магнитные, акустические, оптические, механические и т.д. В качестве второго признака классификации используется режим взаимодействия средства и объекта измерений. В этом случае все методы измерений подразделяются на статические и динамические. Третьим признаком может служить применяемый в СИ вид измерительных сигналов. В соответствии с ним методы делятся на аналоговые и цифровые.
Наиболее разработанной является классификация по совокупности приемов использования принципов и средств измерений (рис. 3-2). По этой классификации различают метод непосредственной оценки и методы сравнения. Эти устоявшиеся в литературе названия, не совсем удачны, поскольку наводят на мысль о возможности измерения без сравнения. Представляется более правильным говорить о опосредованном и непосредственном сравнении с мерой. При этом непосредственным и опосредованным сравнение может быть как во времени, так и в отношении физической природы измеряемых величин.
Метод непосредственной оценки
МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЙ
Методы сравнения
Дифференциальный Замещения Совпадений
Нулевой
Рис. 3-2. Классификация методов измерения
Сущность метода непосредственной оценки состоит в том, что о значении измеряемой величины судят по показанию одного (прямые измерения) или нескольких (косвенные измерения) средств измерений, которые заранее проградуированы в единицах измеряемой величины или единицах других величин, от которых она зависит. Это наиболее распространенный метод измерения. Его реализуют большинство средств измерений.
Простейшими примерами метода непосредственной оценки могут служить измерения напряжения электромеханическим вольтметром магнитоэлектрической системы или частоты импульсной последовательности методом дискретного счета, реализованным в электронно-счетном частотомере.
Другую группу образуют методы сравнения: дифференциальный, нулевой, совпадений, замещения. К ним относятся все те методы, при которых измеряемая величина сравнивается с величиной, воспроизводимой мерой. Следовательно, отличительной особенностью этих методов сравнения является непосредственное участие мер в процессе измерения.
При дифференциальном методе измеряемая величина Х сравнивается непосредственно или косвенно с величиной Хм, воспроизводимой мерой. О значении величины Х судят по измеряемой прибором разности ах = Х — Хм и по известной величине Хм, воспроизводимой мерой. Следовательно, Х=Хм + аХ. При дифференциальном методе производится неполное уравновешивание измеряемой величины. Он сочетает в себе часть признаков метода непосредственной оценки и может дать весьма точный результат измерения, если только измеряемая величина и величина, воспроизводимая мерой, мало отличаются друг от друга. Например, если разность этих двух величин составляет 1% и измеряется с погрешностью до 1%, то тем самым погрешность измерения искомой величины уменьшается до 0,01% (если не учитывать погрешность меры).Примером дифференциального метода может служить измерение вольтметром разности двух напряжений, из которых одно известно с большой точностью, а другое представляет собой искомую величину.
Нулевой метод является разновидностью дифференциального метода. Его отличие состоит в том, что результирующий эффект сравнения двух величин доводится до нуля. Это контролируется специальным измерительным прибором высокой точности — нуль-индикатором. В данном случае значение измеряемой величины равно значению, которое воспроизводит мера. Высокая чувствительность нуль-индикаторов, а также выполнение меры с высокой точностью позволяют получить малую погрешность измерения.
Пример нулевого метола — взвешивание на весах, когда на одном плече находится взвешиваемый груз, а на другом — набор эталонных грузов. Другой пример — измерение сопротивления с помощью уравновешенного моста.
Метод замещения заключается в поочередном измерении прибором искомой величины и выходного сигнала меры, однородного с измеряемой величиной. По результатам этих измерений вычисляется искомая величина. Поскольку оба измерения производятся одним и тем же прибором в одинаковых внешних условиях, а искомая величина определяется по отношению показаний прибора, погрешность результата измерения уменьшается в значительной мере. Так как погрешность прибора неодинакова в различных точках шкалы, наибольшая точность измерения получается при одинаковых показаниях прибора. Пример метода замещения — измерение большого электрического активного сопротивления путем поочередного измерения силы тока, протекающего через контролируемый и образцовый резисторы- Питание цепи при измерениях должно осуществляться от одного и того же источника постоянного тока. Выходное сопротивление источника тока и измерительного прибора — амперметра должно быть очень мало по сравнению с измеряемыми сопротивлениями.
При методе совпадений разность между измеряемой величиной и величиной, воспроизводимой мерой, определяют, используя совпадение отметок шкал или периодических сигналов. Этот метод широко используется в практике неэлектрических измерений. Примером может служить измерение длины при помощи штангенциркуля с нониусом. Примером использования данного метода в электрических измерениях является измерение частоты вращения тела посредством стробоскопа.
3.3. Показатели качества, поверка и калибровка средств измерений Показатели качества средств измерений, испытаний и контроля включают основные параметры и специально выделенные погрешности средств измерений.
Длина деления шкалы — расстояние между осями (центрами) двух соседних отметок шкалы, измеренное вдоль воображаемой линии, проходящей через середины самых коротких отметок шкалы.
Цена деления шкалы — разность значений величины, соответствующих двум соседним отметкам шкалы (1 мкм для оптиметра, длиномера и т. п.).
Градуировочная характеристика — зависимость между значениями величин на выходе и входе средства измерений. Градуировочную характеристику снимают для уточнения результатов измерений.
Диапазон показаний — область значений шкалы, ограниченная конечным и начальным значениями шкалы, т. е. Наибольшим и наименьшим значениями измеряемой величины. Например, для оптиметра типа ИКВ-3 диапазон показаний составляет ±0,1 мм.
Диапазон измерений — область значений измеряемой величины с нормированными допускаемыми погрешностями средства измерений. Для того же оптиметра типа ИКВ-3 диапазон измерений длин составляет 0—200 мм.
Отсчет показаний измерительного средства выполняют в соответствии с уравнением
где А — значение отсчета; М — размер меры, по которому отсчетное устройство установлено на ноль; п — число целых делений, отсчитываемое по шкалам отсчетного устройства; i — цена деления шкалы; k — номер шкалы, т — доля деления шкалы с наименьшей ценой деления, оцененная визуально.
Влияющая физическая величина — физическая величина, не измеряемая данным средством, но оказывающая влияние на результаты измеряемой величины (например, температура, оказывающая влияние на результат измерения линейного размера).
Нормальные (рабочие) условия применения средств измерений — условия их применения, при которых влияющие величины имеют нормальные значения или находятся в пределах нормальной (рабочей) области значений. Так, нормальная температура равна 20 °С, при этом рабочая область температур составляет 20 °С +- 1°. Нормальные условия регламентированы для выполнения линейных и угловых измерений..
Чувствительность измерительного прибора — отношение изменения сигнала на выходе измерительного прибора к вызывающему его изменению измеряемой величины. Так, если при измерении диаметра вала с номинальным размером х = 100 мм изменение измеряемой величины Δ X = 0,01 мм вызвало перемещение стрелки показывающего устройства на Δ l = 10 мм, абсолютная чувствительность прибора составляет S0 = Δ l /Δ x =1000, относительная чувствительность S0 = Δ l (Δ x / x) =10000.
Для шкальных измерительных приборов абсолютная чувствительность численно равна передаточному отношению. С изменением цены деления шкалы чувствительность прибора остается неизменной. На разных участках шкалы часто чувствительность может быть различной. Стабильность средства измерений — свойство, выражающее неизменность во времени его метрологических характеристик (показаний).
Измерительные приборы бывают контактные (существует механический контакт с поверхностью контролируемого изделия) и бес контактные (непосредственного соприкосновения измерительного наконечника с поверхностью контролируемого изделия нет). К последним, например, относятся оптические, радиоизотопные, индуктивные. Важной характеристикой контактных приборов является измерительное усилие, создаваемое в месте контакта измерительного наконечника с поверхностью контролируемого изделия и направленное по линии измерения.
Под погрешностью измерения подразумевают отклонение результата измерения от истинного значения измеряемой величины. Точность измерений — качество измерения, отражающее близость их результатов к истинному значению измеряемой величины. Количественно точность измерения может быть выражена обратной величиной модуля относительной погрешности. Абсолютная погрешность измерения — разность между значением величины, полученным при измерении, и ее истинным значением, выражаемая в единицах измеряемой величины. Относительная погрешность измерения — отношение абсолютной погрешности, измерения к истинному значению измеряемой величины. Систематическая погрешность измерения — составляющая погрешности измерения, остающаяся постоянной или изменяющаяся по определенному закону при повторных измерениях одной и той же величины; случайная погрешность — составляющая погрешности измерения, изменяющаяся при этих условиях случайным образом. Следует выделять также грубую погрешность измерения, существенно превышающую ожидаемую погрешность.
Систематические погрешности принято классифицировать по двум признакам. По характеру изменения во времени они делятся на постоянные и переменные. Постоянными называются такие погрешности измерения, которые остаются неизменными в течение всей серии измерений. Например, погрешность от того, что неправильно установлен ноль стрелочного электроизмерительного прибора, погрешность от постоянного дополнительного веса на чашке весов и т.д. Переменными называются погрешности, изменяющиеся в процессе измерения. Они делятся на монотонно изменяющиеся, периодические и изменяющиеся по сложному закону. Если в процессе измерения систематическая погрешность монотонно возрастает или убывает, ее называют монотонно изменяющейся. Например, она имеет место при постепенном разряде батареи, питающей средство измерений. Периодической называется погрешность, значение которой является периодической функцией времени. Примером может служить погрешность, обусловленная суточными колебаниями напряжения силовой питающей сети, температуры окружающей среды и др. Систематические погрешности могут изменяться и по более сложному закону, обусловленному какими-либо внешними причинами.
Случайная погрешность — составляющая погрешности измерения, изменяющаяся случайным образом (по знаку и значению) в серии повторных измерений одного и того же размера ФВ, проведенных с одинаковой тщательностью в одних и тех же условиях. В появлении таких погрешностей (рис. 4.1) не наблюдается какой-либо закономерности, они обнаруживаются при повторных измерениях одной и той же величины в виде некоторого разброса получаемых результатов. Случайные погрешности неизбежны, неустранимы и всегда присутствуют в результате измерения. Описание случайных погрешностей возможно только на основе теории случайных процессов и математической статистики.
В зависимости от последовательности причины возникновения различают следующие виды погрешностей.
По причинам возникновения погрешности делятся на методические, инструментальные и личные (субъективные).
Методическая погрешность измерения обусловлена:
• отличием принятой модели объекта измерения от модели, адекватно описывающей его свойство, которое определяется путем измерения;
• влиянием способов применения СИ. Это имеет место, например, при измерении напряжения вольтметром с конечным значением внутреннего сопротивления. В данном случае вольтметр шунтирует участок цепи, на котором измеряется напряжение, и оно оказывается меньше, чем было до присоединения вольтметра;
• влиянием алгоритмов (формул), по которым производятся вычисления результатов измерений;
• влиянием других факторов, не связанных со свойствами используемых средств измерения.
Отличительной особенностью методических погрешностей является то, что они не могут быть указаны в нормативно-технической документации на используемое СИ, поскольку от него не зависят, а должны определяться оператором в каждом конкретном случае. В связи с этим оператор должен четко различать фактически измеряемую им величину и величину, подлежащую измерению.
Инструментальная погрешность обусловлена погрешностью применяемого СИ. Иногда эту погрешность называют аппаратурной.
Субъективная (личная) погрешность измерения обусловлена погрешностью отсчета оператором показаний по шкалам СИ, диаграммам регистрирующих приборов. Они вызываются состоянием оператора, его положением во время работы, несовершенством органов чувств, эргономическими свойствами СИ. Характеристики личной погрешности определяют на основе нормированной номинальной цены деления шкалы измерительного прибора (или диаграммной бумаги регистрирующего прибора) с учетом способности "среднего оператора" к интерполяции в пределах деления шкалы.
Результат наблюдения — значение величины, полученное при отдельном наблюдении; результат измерения — значение величины, найденное путем ее измерения, т. е. После обработки результатов наблюдения.
Поправка — значение величины, одноименной с измеряемой, прибавляемое к полученному при измерении значению величины с целью исключения систематической погрешности. Сходимость — качество измерений, отражающих близость результатов измерений, выполняемых в одинаковых условиях, воспроизводимость — то же, в различных условиях (в разное время, в различных местах, различными методами и средствами). Точность отражает близость к нулю случайных и систематических погрешностей средства измерения, правильность — систематических, сходимость — случайных. Для средств измерения различают статическую погрешность как отклонение постоянного значения измеряемой величины на выходе средства измерения от истинного ее значения в установившемся состоянии и динамическую погрешность как разность между погрешностью средства измерения в динамическом режиме (в неустановившемся состоянии) и его статической погрешностью, соответствующей значению величины в данный момент времени.
Погрешность средства измерения, возникающая при использовании его в нормальных условиях, когда влияющие величины находятся в пределах нормальной области значений, называют основной. Если значение влияющей величины выходит за пределы нормальной области значений, появляется дополнительная погрешность.
Обобщенной характеристикой средства измерений, определяемой пределами основных и дополнительных погрешностей, а также другими свойствами, влияющими на точность, значения которых устанавливаются в стандартах на отдельные виды средств измерения, является класс точности средства измерений. Класс точности характеризует свойства средства измерения, но не является показателем точности выполненных измерений, поскольку при определении погрешности измерения необходимо учитывать погрешности метода, настройки и др.
Для нормирования метрологических свойств средства измерений подвергаются поверке и калибровке.
Поверка средства измерения – совокупность операций, выполняемых органами государственной метрологической службы с целью определения и подтверждения соответствия средства измерения установленным техническим требованиям.
Калибровка средства измерения – совокупность операций, выполняемых с целью определения и подтверждения действительных значений метрологических характеристик и (или) пригодности к применению средства измерения, не подлежащего государственному метрологическому контролю и надзору.
Для средств испытаний выполняется аттестация.
Испытательное оборудование – средство испытаний, представляющее собой техническое устройство для воспроизведения условий испытания.
Аттестация испытательного оборудования – подтверждение возможности воспроизведения условий испытаний в пределах допускаемых отклонений и установления пригодности использования испытательного оборудования в соответствии с его назначением.
3.4. Классификация средств измерений
Средство измерений является обобщенным понятием, объединяющим самые разнообразные конструктивно законченные устройства, которые обладают одним из двух признаков:
• вырабатывают сигнал (показание), несущий информацию о размере (значении) измеряемой величины;
Объединение технических средств по этим двум признакам сделано только из соображений целесообразности общего метрологического анализа, удобства изложения и регламентации метрологических требований и правил, единых для всех видов СИ.
При использовании СИ весьма важно знать степень соответствия выходной измерительной информации истинному значению определяемой величины. Для ее установления введено правило, по которому требуется нормировать метрологические характеристики всех средств измерений. Метрологические характеристики — это характеристики свойств СИ, которые оказывают влияние на результат измерений и его погрешности и предназначены для оценки технического уровня и качества СИ, а также определения результатов измерений и расчетной оценки характеристик инструментальной составляющей погрешности измерений.
Средство измерений входит в обе ветви структуры измерения. В реальности оно взаимодействует с объектом измерений, в результате чего появляется входной (для СИ) сигнал и отклик на него — выходной сигнал, подлежащий обработке с целью нахождения результата измерения и оценки его погрешности. В области отражений СИ описывается моделью, необходимой для эффективной обработки опытных данных. Эта модель представлена совокупностью его метрологических характеристик.
Средства измерений могут быть элементарными (меры, устройства сравнения и измерительные преобразователи) и комплексными (регистрирующие и показывающие измерительные приборы, системы, измерительно-вычислительные комплексы).
Классификация по роли в процессе измерения и выполняемым функциям является основной и представлена на рис. 3-4.
Рис. 3-4. Классификация средств измерений по их роли в процессе измерения и выполняемым функциям.
Элементарные средства измерений предназначены для реализации отдельных операций прямого измерения. К ним относятся меры, устройства сравнения и измерительные преобразователи. Каждое из них, взятое по отдельности, не может осуществить операцию измерения.
Мера – это средство измерений, предназначенное для воспроизведения и (или) хранения ФВ одного или нескольких размеров, значения которых выражены в установленных единицах и известны с необходимой точностью.
Операцию воспроизведения величины заданного размера можно формально представить как преобразование цифрового кода N в заданную величину Хм, основанное на единице данной физической величины [Q]. Поэтому уравнение преобразования меры запишется в виде XM=N[Q].
Выходом меры является квантованная аналоговая величина ХМ заданного размера, а входом следует считать числовое значение величины N (рис.3-5).
XM
N2[Q]
a) N1[Q]
N1 N2 Nn
б)
Рис.3-5. Обозначение меры в структурных схемах (а) и функция преобразования многозначной меры (б).
Меры подразделяются на следующие типы:
· однозначные, воспроизводящие физическую величину одного размера, например: гиря 1 кг, плоскопараллельная кольцевая мера 100 мм, конденсатор постоянной емкости, нормальный элемент;
Кроме этого, различают наборы мер, магазины мер, установочные, встроенные и ввозимые меры.
Степень совершенства меры определяется постоянством размера каждой ступени квантования [Q] и степенью многозначности, т.е. числом N воспроизводимых известных значений ее выходной величины. С наиболее высокой точностью посредством мер воспроизводятся основные физические величины: длина, масса, частота, напряжение и ток.
Устройство сравнения (компаратор) – это средство измерений, дающее возможность сравнивать друг с другом меры однородных величин или же показания измерительных приборов. Примерами могут служить: рычажные весы, на одну чашку которых устанавливается образцовая гиря, а на другую – поверяемая; градуировочная жидкость для сличения показаний образцового и рабочего ареометров; тепловое поле, создаваемое термостатом для сравнения показаний термометров. Во многих относительно простых СИ роль компаратора выполняют органы чувств человека, главным образом зрение, например при сравнении отклонения указателя прибора и числа делений, нанесенных на его шкале.
Особенно широкое распространение компараторы получили в современной электронной технике, где они используются для сравнения напряжений и токов. Для этой цели был разработан специальный тип интегральных микросхем. Сравнение, выполняемое компаратором, может быть одно- и разновременным. Первое из них используется гораздо чаще. В электронных компараторах оно реализуется (рис. 3) путем последовательного соединения вычитающего устройства (ВУ), формирующего разность входных сигналов (Х1-Х2), и усилителя переменного напряжения с большим коэффициентом усиления (усилителя-ограничителя УО), выполняющего функции индикатора знака разности. Выходной сигнал УО равен его положительному напряжению питания (принимаемого за логическую единицу), если разность (Х1-Х2)>0, и отрицательному напряжению питания (принимаемого за логический нуль), если (Х1-Х2)<0.
Y 1
+UП
Х1
0 Х2 Х1
Y -UП
Х2
а) б)
Рис.3-6. Структурная схема компаратора (а) и его функция преобразования (б).
Функция преобразования идеального компаратора, показанная на рис.3-6,б), описывается уравнением:
Степень совершенства компаратора определяется минимально возможным порогом чувствительности DП, а также его быстродействием – временем переключения из одного состояния в другое. У идеального компаратора порог DП и время переключения равны нулю. В идеальном компараторе наличие порога приводит к возникновению аддитивной погрешности.
Измерительный преобразователь (ИП) предназначен для выполнения одного измерительного преобразования. Его работа протекает в условиях, когда помимо основного сигнала Х, связанного с измеряемой величиной, на него воздействуют множество других сигналов Zi, рассматриваемых в данном случае как помехи (рис.3-7).
Y
Идеальная
X Y=f(X,Zi)
Х
а)
б)
Рис.3-7. Структурная схема измерительного преобразователя (а) и его функции преобразования (б).
На вход ИП поступают непрерывные или дискретизированные сигналы.
Сигналы, непрерывные по времени и размеру, — наиболее распространенные (см. рис. 3-8, кривая 1). Они чаще всего встречаются в практике измерений, поскольку все первичные природные сигналы макромира непрерывны по времени и размеру. Такие сигналы определены в любой момент времени существования сигнала и могут принимать любые значения в диапазоне его изменения.
Рис. 3-8. Исходный непрерывный (1) и непрерывный по времени и квантованный по размеру (2) сигналы
Сигналы, непрерывные по времени и квантованные по размеру получаются из сигнала, непрерывного по времени и размеру, посредством его квантования. Квантование — измерительное преобразование непрерывно изменяющейся величины в ступенчато изменяющуюся с заданным размером ступени q — квантом. В результате проведения этой операции непрерывное множество значений сигнала Y(t) в диапазоне от Y„^ до Y„ax преобразуется в дискретное множество значений Y„„(t) (см. рис. 10.13). Квантование широко применяется в измерительной технике. Существует большая группа естественно квантованных физических величин. К ним относятся электрический заряд» квантом которого является заряд электрона, масса тела, квантом которой является масса молекулы или атома, составляющих данное тело, и др.
Сигналы, дискретизированные по времени и квантованные по размеру (рис. 3-9,6), согласно приведенной классификации являются цифровым сигналами. На практике они формируются цифроаналоговыми преобразователями. Последние фактически являются управляемыми цифровым кодом мерами, выходной сигнал которых подвергнут дискретизации. Следовательно, в этих устройствах параллельно осуществляются два процесса преобразования измерительной информации: дискретизация и квантование. Их совместное действие описывается математическим выражением
Рис. 3-9. Сигналы: исходный непрерывный (1), дискретизированный по времени и квантованный по уровню (2) и восстановленный непрерывный (3). Значения сигнала, дискретизированного по времени и квантованного по уровню, определены только в моменты, кратные периоду дискретизации Д1.
Важнейшей характеристикой ИП является Функция (уравнение) преобразования (рис.3-7,б), которая описывает статические свойства преобразователя и в общем случае записывается в виде Y=F(X,Zi).
В подавляющем большинстве случаев стремятся иметь линейную функцию преобразования. Функция Y(X) идеального ИП при отсутствии помех описывается уравнением Y=kX. Она линейна, безынерционна, стабильна и проходит через начало координат. Реальная передаточная функция в статическом режиме имеет вид Y=k(1+g)X+D0+D[F(X)] и может отличаться от идеальной смещением нуля D0, наклоном g и нелинейной составляющей D[F(X)]. Такие отклонения реальной передаточной функции ИП приводят к возникновению аддитивной, мультипликативной и нелинейной составляющих погрешности.
Измерительные преобразователи классифицируются по ряду признаков.
По местоположению в измерительной цепи преобразователи делятся на первичные и промежуточные. Первичный преобразователь – это такой ИП, на который непосредственно воздействует измеряемая физическая величина, т.е. он является первым в измерительной цепи средством измерений. Промежуточные преобразователи располагаются в измерительной цепи после первичного. Зачастую конструктивно обособленные первичные измерительные преобразователи называют датчиками. Например, резистивный датчик перемещения – это первичный преобразователь, в котором перемещение преобразуется в изменение активного сопротивления. Детально первичные измерительные преобразователи рассмотрены в специальной научной литературе.
По характеру преобразования входной величины ИП делятся на линейные и нелинейные. Линейный преобразователь – это ИП, имеющий линейную связь между входной и выходной величинами. Их важной разновидностью является масштабный ИП, предназначенный для изменения размера или измерительного сигнала в заданное число раз. Его уравнение преобразования имеет вид Y=kX, где X,Y – однородные входная и выходная величины; k – постоянный коэффициент передачи. Примерами масштабный преобразователей могут служить усилители, делители напряжения, измерительные трансформаторы напряжения. У нелинейных ИП связь между входной и выходными величинами нелинейная.
По виду входных и выходных величин ИП делятся на:
· аналоговые, преобразующие одну аналоговую величину в другую аналоговую величину;
· аналого-цифровые (АЦП), предназначенные для преобразования аналогового измерительного сигнала в цифровой код;
· цифроаналоговые (ЦАП), предназначенные для преобразования цифрового кода в аналоговую величину.
Обозначения в структурных схемах и передаточные функции АЦП и ЦАП показаны на рис.3-10. В качестве входных (для ЦАП) и выходных (для АЦП) кодов, как правило, используется параллельные двоичные коды. Входной (для АЦП) и выходной (для ЦАП) величиной чаще всего является напряжение u.
где R – разрядность ЦАП; Um – максимальное выходное напряжение ЦАП; N10 – значение выходного кода в десятичной системе исчисления; ai – коэффициенты, которые могут принимать значения равные нулю или единице. Из уравнения видно, что квант напряжения на выходе ЦАП, называемый единицей младшего разряда (ЕМР), равен U m /(2 R -1).
N=kX N
X
X
N q
Y=kN
Y
N
N0 N0+1 N0+2
б)
а)
Рис. 3-10. Обозначения в структурных схемах (а), части передаточных функций (б) АЦП, ЦАП в увеличенном масштабе.
Уравнение преобразования идеального однополярного АЦП записывается в виде:
где int[X] – функция, выделяющая целую часть числа Х. Минимальное значение напряжения на входе АЦП, которое приводит к изменению выходного кода, называемое разрешающей способностью, равно U m /(2 R -1).
Система метрологических параметров преобразователей, отражающая особенности их построения и функционирования, объединяет несколько десятков параметров, важнейшими из которых являются:
· число разрядов R – количество разрядов кода, связанного с аналоговой величиной, которое может воспринимать ЦАП или вырабатывать АЦП;
· абсолютная погрешность преобразования в конечной точке шкалы – отклонение значения входного для АЦП и выходного для ЦАП напряжения от номинального значения, соответствующего конечной точке функции преобразования (часто эта погрешность называется мультипликативной);
· дифференциальная нелинейность – отклонение разности двух аналоговых сигналов, соответствующих двум соседним кодам, от значения ЕМР;
· время установления выходного напряжения – интервал времени от момента заданного изменения кода на входе ЦАП до момента, при котором выходное аналоговое напряжение войдет в зону шириной в одну ЕМР, симметрично расположенную относительно установившегося значения;
· время преобразования – интервал времени о момента заданного изменения сигнала на входе АЦП до появления на его выходе соответствующего устойчивого кода.
Существуют и ряд других параметров преобразователей, определяемых способом построения и областью применения.
3.5. Задачи и классификация видов контроля
Контроль — это процесс определения соответствия значения параметра изделия установленным требованиям или нормам. Сущность всякого контроля состоит в проведении двух основных этапов. На первом из них получают информацию о фактическом состоянии некоторого объекта, о признаках и показателях его свойств. Эта информация называется первичной. На втором — первичная информация сопоставляется с заранее установленными требованиями, нормами, критериями. При этом выявляется соответствие или несоответствие фактических данных требуемым. Информация об их расхождении называется вторичной. Она используется для выработки соответствующих решений по поводу объекта контроля. В ряде случаев граница между этапами контроля неразличима. При этом первый этап может быть выражен нечетко или практически не наблюдаться. Характерным примером такого рода является контроль размера детали калибром, сводящийся к операции сопоставления фактического и предельно допустимого значений параметра.
Контроль состоит из ряда элементарных действий: измерительного преобразования контролируемой величины; операции воспроизведения уставок контроля; операции сравнения; определения результата контроля.
Измерения и контроль тесно связаны друг с другом, близки по своей информационной сущности и содержат ряд общих операций (например, сравнение, измерительное преобразование). В то же время их процедуры во многом различаются:
• результатом измерения является количественная характеристика, а контроля — качественная;
• измерение осуществляется в широком диапазоне значений измеряемой величины, а контроль — обычно в пределах небольшого числа возможных состояний;
• контрольные приборы, в отличие от измерительных, применяются для проверки состояния изделий, параметры которых заданы и изменяются в узких пределах;
• основной характеристикой качества процедуры измерения является точность, а процедуры контроля — достоверность.
Контроль может быть классифицирован по ряду признаков.
Различают три вида контроля образцов по событию, сопровождающему контроль:
1) определение (путем измерения или испытания) значения контролируемого параметра образца и сравнение полученного результата с заданными граничными допустимыми значениями (допусковый контроль);
2) фиксация наличия или отсутствия некоторого события (состояния образца) при определенных условиях (качественный, функциональный контроль);
3) контроль органолептическими и экспериментальными методами (запахи, дегустация вин, экспертный контроль эстетических, эргономических и др. свойств).
Пример второго вида контроля – фиксация разрушения агрегатов автомобиля в результате столкновения с определенным препятствием при движении с заданной скоростью.
В зависимости от числа контролируемых параметров он подразделяется на однопараметровый, при котором состояние объекта определяется по размеру одного параметра, и многопараметровый, при котором состояние объекта определяется размерами многих параметров.
По форме сравниваемых сигналов контроль подразделяется на аналоговый, при котором сравнению подвергаются аналоговые сигналы, и цифровой, при котором сравниваются цифровые сигналы.
В зависимости от вида воздействияна объект контроль подразделяется на пассивный, при котором воздействие на объект не производится, и активный, при котором воздействие на объект осуществляется посредством специального генератора тестовых сигналов.
3.6. Допусковый контроль. Ошибки первого и второго рода.
В практике большое распространение получил так называемый доп усковый контроль, суть которого состоит в определении путем измерения или испытания значения контролируемого параметра объекта и сравнение полученного результата с заданными граничными допустимыми значениями. Частным случаем допускового контроля является поверка средств измерений, в процессе которой исследуется попадание погрешностей средства измерений в допустимые пределы. По расположению зоны контролируемого состояния различают допусковый контроль состояний:
• ниже допускаемого значения Х < Хдн;
• выше допускаемого значения Х > Хдв;
• между верхним и нижним допускаемыми значениями Хдн< Х < Хдв.
Результатом контроля является не число, а одно из взаимоисключающих утверждений:
• "контролируемая характеристика (параметр) находится в пределах допускаемых значений", результат контроля — "годен";
• "контролируемая характеристика (параметр) находится за пределами допускаемых значений", результат контроля —"не годен " или "брак".
Для определенности примем, что решение "годен" должно приниматься, если выполняется условие Хдн£ Х£ Xвд, где X, Хдн, Xдв — истинное значение и допускаемые верхнее и нижнее значения контролируемого параметра. На самом же деле с допускаемыми значениями Хд и Хд сравнивается не истинное значение Х (поскольку оно неизвестно), а его оценка Хо, полученная в результате измерений. Значение Х отличается от Х на величину погрешности измерения: Хо = Хо+ А. Решение "годен" при проведении контроля принимается в случае выполнения неравенства Хдн£Хо£Хдв. Отсюда следует, что при допусковом контроле возможны четыре исхода.
1. Принято решение "годен", когда значение контролируемого параметра находится в допускаемых пределах, т.е. имели место события Хдн£Х£Хдв, Хдн£Хо£Хдв. Если известны плотности вероятностей законов распределения f(X) контролируемого параметра Х и погрешности его измерения f(А), то при взаимной независимости тих законов и заданных допустимых верхнем и нижнем значениях параметра вероятность события "годен".
2. Принято решение "брак", когда значение контролируемого параметра находится вне пределов допускаемых значений, т.е. имели место события Х < Хдн или Х > Хдв и Хо< Хдн или Хо> Хдв. При оговоренных допущениях вероятность события "негоден" или "брак"
3. Принято решение "брак", когда истинное значение контролируемого параметра лежит в пределах допускаемых значений, т.е. Хо<Хдн или Хо>Хдв и Хдн£ Х £Хдв и забракован исправный объект. В этом случае принято говорить, что имеет место ошибка I рода. Ее вероятность
4. Принято решение "годен", когда истинное значение контролируемого параметра лежит вне пределов допускаемых значений, т.е. имели место события Х < Хдн или Х>Хдв и Хдн£Хо<Хдв и неисправный объект признан годным. В этом случае говорят, что произошла ошибка II рода, вероятность которой
Очевидно, что ошибки I и II родов имеют разное значение для изготовителей и потребителей (заказчиков) контролируемой продукции [26]. Ошибки I рода ведут к прямым потерям изготовителя, так как ошибочное признание негодным в действительности годного изделия приводит к дополнительным затратам на исследование, доработку и регулировку изделия. Ошибки II рода непосредственно сказываются на потребителе, который получает некачественное изделие. При нормальной организации отношений между потребителем и производителем брак, обнаруженный первым из них, приводит к рекламациям и ущербу для изготовителя.
Рассмотренные вероятности Рг, Рнг, Р1, и Р2 при массовом контроле партии изделий характеризуют средние доли годных, негодных, неправильно забракованных и неправильно пропущенных изделий среди всей контролируемой их совокупности. Очевидно, что Рг+Ргн+Р1+Р2= 1.
Достоверность результатов допускового контроля описывается различными показателями, среди которых наибольшее распространение получили вероятности ошибок I (Р1) и II (Р2) родов и риски изготовителя и заказчика (потребителя):
Одна из важнейших задач планирования контроля — выбор оптимальной точности измерения контролируемых параметров. При завышении допускаемых погрешностей измерения уменьшается стоимость средств измерений, но увеличиваются вероятности ошибок при контроле, что в конечном итоге приводит к потерям. При занижении допускаемых погрешностей стоимость средств измерений возрастает, вероятность ошибок контроля уменьшается, увеличивает себестоимости выпускаемой продукции. Очевидно, что существует некоторая оптимальная точность, соответствующая минимуму суммы потерь от брака и стоимости контроля.
Приведенные формулы позволяют осуществить целенаправленный поиск таких значений погрешности измерения, которые бы при заданных верхнем и нижнем значениях контролируемого параметра обеспечили бы допускаемые значения вероятностей ошибок I и II родов (Р1д и Р2д) или соответствующих рисков. Этот поиск производится путем численного или графического интегрирования. Следовательно, для рационального выбора точностных характеристик средств измерений, используемых при проведении контроля, каждом конкретном случае должны быть заданы допускаемые значения Р1д и Р2д.
3.7. Задачи и классификация видов испытаний
В процессе измерения важную роль играют условия измерения — совокупность влияющих величин, описывающих состояние окружающей среды и средства измерений. Влияющая величина — это физическая величина, не измеряемая данным СИ, но оказывающая влияние на его результаты.
Изменение условий измерения приводит к изменению состояния объекта измерения. Это в свою очередь определяет влияние условий измерения на выделенную ФВ и через нее — на измеряемую величину и отклонение значения действительной величины от той, что была определена при формировании измерительной задачи.
Экспериментальное определение характеристик свойств объекта при испытаниях может проводиться путем использования измерений, оценивания и контроля.
Объектом испытаний является продукция или процессы ее производства и функционирования. В зависимости от вида продукции и программы испытаний объектом может быть как единичное изделие, так и их партия. Объектом испытания может также быть макет или модель изделия.
Важнейшими признаками любых испытаний являются:
• принятие на основе их результатов определенных решений по объекту испытаний, например о его годности или забраковке, о возможности предъявления на следующие испытания и т.д.;
• задание требуемых реальных или моделируемых условий испытаний. Под условиями испытаний понимается совокупность воздействующих факторов и (или) режимов функционирования объекта при испытаниях. В нормативно-технических документах на испытания конкретных объектов должны быть определены нормальные условия испытаний.
Существует большое число разновидностей испытаний. Они классифицируются по различным признакам. По назначению испытания делятся на исследовательские, контрольные, сравнительные и опреде
Y 1
Y
