Вибір засобів вимірювання

Метод стабілізації параметрів статичних характеристик зводиться до підвищення стабільності па­раметрів статичних характеристик засобів вимірювання або ж до зведення до мінімуму часткових похибок. Такі методи підвищення точності результатів вимірю­вань називаються конструктивними або технологічними.

Методи зменшення похибок засобів вимірювання

У виробничих умовах первинні вимірювальні перетво­рювачі (датчики), системи дистанційних передач, вимірю­вальні прилади, регулятори та інші засоби експлуатуються у складних умовах, які змінюються в часі. Це обумовлено тим, що контрольований виробничий процес, як і сам тех­нологічний процес, змінюється в широких межах. Зміни технологічних параметрів та умов зовнішнього середовища (температури, тиску, вологості, вібрації) значно впливають на точномірні характеристики засобів вимірювальної тех­ніки, а також на їхні статичні та динамічні характеристики. Кож­ний із факторів впливу, зазвичай, може бути виміря­ний окремо і врахований при одержанні результатів вимірювань, проте у виробничих умовах експлуатації всі їх врахувати майже неможливо. Тому кожний засіб вимі­рювання поряд з нормованою чутливістю до вимірюваної величини певним чином реагує на різні фактори, які обу­мовлюють підвищення похибки засобів вимірювання.

Для зменшення похибок засобів вимірювання використовуються різні методи, найпоширеніші з яких охарактеризовано нижче..

Стабілізація статичних характеристик на основі конст­руктивних методів полягає у виготовленні засобів вимірю­вань та їх елементів із сучасних високотехнологічних мате­ріалів, характеристики яких майже не залежать від зміни параметрів зовнішнього середовища. Відмінною рисою конструктивних методів є включення в засоби вимірювань тільки тих елементів і вимірювальних перетворювачів, без яких процес вимірювання взагалі неможливий.

Конструктивні методи підвищення точності широко використовувалися в приладобудівній промисловості. Їх ще називають класичними методами. Проте класичні мето­ди майже вичерпали свої можливості, бо серед сучасних за­собів вимірювань широкого розповсюдження набули мікро­процесорні обчислювальні системи, за допомогою яких опра­цьовується інформація, вводяться температурні компенсації, здій­снюється лінеаризація характеристик тощо.

Метод структурної надмірності полягає у введенні в процес вимірювань структурної або ж тимчасової надмірності. Це дає можливість одержати додатко­ву інформацію про вимірювану величину та про завади, що виникають у процесі вимірювань. Опрацювання таких даних вимірювань за спеціальними алгоритмами дозволяє підвищити точність вимірювань. Ці способи одержали назву структурних методівпідвищення точності вимірювань.

Відмінною особливістю структурних методів є забезпе­чення високоточних результатів вимірювань на звичайних засобах вимірювань, без зміни вимог щодо поліпшення їхніх метрологічних показників. Необхідна точність вимірювань досягається за рахунок опрацювання додаткової інформації за спеціальними алгоритмами. При сучасному рівні розвитку обчис­лювальної техніки виконання допоміжних перетворень та обчислювальних операцій у багатьох випадках ефективніше й економічніше, ніж удосконалення конструкції та тех­нології виробництва засобів вимірювання з метою одержан­ня точніших метрологічних характеристик.

Метод зменшення випадкової складової похибки ґрунтується на математичному опрацюванні ре­зультатів багаторазових та багатоканальних вимірювань величини х.

Результат багаторазових вимірювань матиме в n^-1 раз меншу середню квадратичну похибку σ порівняно з резуль­татом одноразового вимірювання.

Збільшенням кількості вимірювань п мож­на зменшити випадкову складову похибки вимірювально­го засобу, хоч у реальних виробничих умовах кількість ви­мірювань обмежена. Це обмеження зумовлене змінами ви­мірюваної величини в часі (динамікою об’єкта), система­тичної складової похибки за час багаторазових вимірювань та характеристик (властивостей) самого об’єкта.

Метод зменшення систематичної складової похибки.Для зменшення систематичної похибки вимірювань ши­роко використовується метод, який ґрунтується на паралельних вимірюваннях величини х за допомогою зразкових засобів вимірювання або мір. Вимірювання величини х здійснюється в декілька етапів. Спочатку величина х вимі­рюється за допомогою звичайного засобу вимі­рювання, а потім – за допомогою зразкового засобу. Засоби вимірювання підключаються по черзі за до­помогою перемикача. Результати вимірювань після пе­ремикача подаються в обчислювальний засіб, де вони опрацьовуються і визначається систематична складова по­хибки як різниця вимірюваних величин за допомо­гою звичайного та зразкового засобів вимірювань.

Систематична похибка вимірювання визначається як різниця між математичними сподіваннями, одержаними за результатами вимірювань із застосуванням зразкових та зви­чайних технічних засобів вимірювальної техніки.

При виборі засобів вимірювань (ЗВ) враховують сукупність метрологічних (ціна поділки, похибка, межі вимірювань, вимірювальне зусилля), експлуатаційних та економічних показників, до яких відносяться: масовість (повторюваність вимірюваних розмірів) і доступність їх для контролю; вартість і надійність ЗВ; метод вимірювання; час, що витрачається на настроювання й процес вимірювання; маса, габаритні розміри, робоче навантаження; твердість об’єкта контролю, жорсткість його поверхні; режим роботи тощо. Головна проблема техніко-економічного підходу при виборі ЗВ полягає в тому, що сам процес вимірювання не супроводжується безпосереднім створенням матеріальних цінностей. Також з огляду на різні цілі контрольно-вимірювальних операцій і їхню належність до різних етапів життєвого циклу технічних засобів (ТЗ) (виробництво, експлуатація, ремонт), мабуть, неможливо запропонувати єдину методику вибору ЗВ. Однак деякі загальні принципи вибору на підставі накопиченого досвіду зводяться до таких положень:

1. Для гарантування заданої або розрахункової відносної похибки вимірювання відносна похибка ЗВ повинна бути на 25–30% нижче, ніж розрахункова відносна похибка (тобто δ_ЗВ = 0,7δ_і).

2. Вибір ЗВ залежить від масштабу виробництва або кількості в експлуатації однотипних (однойменних) ТЗ.

Наприклад, у масовому виробництві з відпрацьованим технологічним процесом, включаючи контрольні операції, використовують високопродуктивні механізовані та автоматизовані засоби вимірювання й контролю. Універсальні ЗВ застосовуються переважно для налагодження устаткування.

У серійному виробництві основними засобами контролю повинні бути тверді граничні калібри, шаблони, спеціальні контрольні пристрої. Можливе застосування універсальних ЗВ. У дрібносерійному та індивідуальному виробництві основними є універсальні ЗВ, оскільки застосування інших організаційно й економічно невигідно: будуть неефективно використовуватися спеціальні контрольні пристрої або буде потрібна велика кількість калібрів різних типорозмірів.

3. Метод вимірювання, обумовлений метою контролю, висуває вимоги до ЗВ з базування: якщо контролюється точність технологічного процесу, то вибирають ЗВ для технологічних баз; якщо ТЗ контролюється з погляду експлуатації, то ЗВ вибирається під експлуатаційні бази.

4. При виборі ЗВ за метрологічними характеристиками необхідно враховувати такі обставини:

- якщо технологічний процес нестійкий, тобто можливий істотний вихід вимірюваного параметра за межі поля допуску, то потрібно, щоб межі шкали ЗВ перевищували діапазон розсіювання значень параметра;

- ціна поділки шкали повинна вибиратися з урахуванням заданої точності вимірювання. Наприклад, якщо розмір необхідно контролювати з точністю до 0,01 мм, то й ЗВ варто вибирати з ціною поділки 0,01 мм, тому що ЗВ з більш грубою шкалою призведе до додаткових суб'єктивних похибок, а з більш точною – вибирати немає сенсу через вищу вартість такого ЗВ. Під час контролю технологічних процесів повинні використовуватися ЗВ із ціною поділки не більш, ніж 1/6 допуску на виготовлення;

- оскільки якість вимірювання зумовлюється розміром відносної похибки

δ = ±(Δ/х)·100%, то зі зменшенням х значення δ збільшується (якість вимірювання погіршується). Отже, якість вимірювань на різних ділянках шкали неоднакова.

Тому при вимірюваннях робоча ділянка шкали ЗВ повинна вибиратися за правилом: відносна похибка в межах робочої ділянки шкали ЗВ не повинна перевищувати зведену похибку більш ніж у 3 рази. У межах робочої ділянки шкали найбільша можлива абсолютна похибка рівноймовірна на всіх оцінках. Таким чином, при виборі ЗВ важливо визначити робочу ділянку шкали та ціну її поділки. Остання залежить від класу точності ЗВ й кількості поділокшкали.

Якщо клас точності ЗВ обумовлює найбільшу допустиму похибку із заданою варіацією, то ціна поділки повинна враховувати цю варіацію, а саме – повинна дорівнювати подвоєному значенню зведеної похибки. Виходячи з вимог зручності зчитування показів, допускається використання більших поділок шкали, але обов’язково кратних загальній кількості поділок шкали(у межах 2 − 10). Крім того, ціна поділки повинна становити ціле число одиниць вимірюваної величини (1, 2, 5, 10 і т.д.).

5. До реєструвальної апаратури ставлять такі основні вимоги:

- сигнал, що проходить через ЗВ, повинен зберігати необхідну інформацію, не піддаватися зміні й відокремлюватися від завад;

- первинні перетворювачі (датчики) повинні споживати мінімум енергії від об’єкта вимірювання, і їхнє підключення не повинне порушувати його нормальної роботи. Особливі вимоги ставлять до точності й чутливості датчиків, тому що ці низькі показники зведуть нанівець усі зусилля з підвищення точності вимірювань;

- носій інформації повинен мати достатній об’єм для реєстрації всіх необхідних відомостей;

- реєструвальна апаратура повинна забезпечувати одержання інформації в максимально стислий термін.

Якщо апаратура не може одночасно відповідати всім пропонованим вимогам, то вибираються найбільш важливі з них, що дозволяють якнайкраще впоратися з виконанням поставленого завдання.

Оцінка похибки вимірювань і вибір ЗВ залежать також від мети вимірювань. При цьому поняття вимірювання є загальним для таких специфічних операцій, як випробування, контроль, діагностування й прогнозування технічного стану об’єкта (продукції).

Діагностування – процес розпізнавання стану системи в даний момент.

Прогнозування – це визначення ознак технічного стану об’єкта на майбутній момент або інтервал часу.

Вивчення принципів діагностування й прогнозування є предметом спеціальних дисциплін. Тому зупинимося лише на співвідношенні понять випробування, контролю й вимірювання.

Випробуваннямназивається експериментальне визначення кількісних і (або) якісних характеристик властивостей об’єкта випробувань як результату впливу на нього при його функціонуванні, а також моделюванні об’єкта й (або) впливів. Експериментальне визначення характеристик властивостей об’єкта при випробуваннях може здійснюватися шляхом використання вимірювань, оцінювання й контролю.

Об’єктом випробуваньє продукція або процеси її виробництва й функціонування. Залежно від виду продукції та програми випробувань об’єктом може бути як одиничний виріб, так і партія виробів. Об’єктом випробування може також бути макет або модель виробу.

Під час проведення будь-яких випробувань найважливіше задати необхідні реальні або модельовані умови випробувань. Під умовами випробуваньрозуміють сукупність впливових факторів і (або) режимів функціонування об’єкта при випробуваннях. У нормативно-технічних документах на випробування конкретних об’єктів повинні бути визначені нормовані умови випробувань.

Існує велика кількість різновидів випробувань. Вони класифікуються за різними ознаками. За призначеннямвипробування поділяють на дослідницькі, контрольні, порівняльні й означальні. За рівнем проведеннярозрізняють такі категорії випробувань: державні, міжвідомчі й відомчі. За видом етапів розробки випробуваної продукції розрізняють попередні й приймальні випробування. Залежно від виду випробувань готової продукції їх поділяють на кваліфікаційні, приймально-здавальні, періодичні й типові.

Результатом випробуваньназивається оцінка характеристик властивостей об’єкта, установлення відповідності об’єкта заданим вимогам, дані аналізу якості функціонування об’єкта в процесі випробувань. Результат випробувань характеризується точністю–властивістю випробувань, що показує близькість їхніх результатів до дійсних значень характеристик об’єкта в певних умовах випробувань.

Між вимірюванням і випробуванням існує велика подібність: по-перше, результати обох операцій виражаються у вигляді чисел; по-друге, похибки й у тому, і в іншому випадку можуть бути виражені як різниці між результатами вимірювань (випробувань) та дійсними значеннями вимірюваної величини (або обумовленої характеристики при номінальних умовах експлуатації).

Однак з погляду метрології між цими операціями є значна різниця: похибка вимірювання є тільки однією зі складових похибки випробування. Тому можна сказати, що випробування – це більш об’ємна операція, ніж вимірювання. Вимірювання можна вважати окремим випадком випробування, при якому умови випробувань не мають значення.

Контроль–це процес визначення відповідності значення параметра виробу встановленим вимогам або нормам. Будь-який контроль складається з двох основних етапів. На першому етапі одержують інформацію про фактичний стан деякого об’єкта, про ознаки й показники його властивостей. Ця інформація називається первинною. На другому етапі первинна інформація зіставляється із заздалегідь установленими вимогами, нормами та критеріями. При цьому виявляється відповідність або невідповідність фактичних даних необхідним. Інформація про їхню розбіжність називається вторинною. Вона використовується для ухвалення відповідних рішень з приводу об’єкта контролю. У ряді випадків межа між етапами контролю непомітна. При цьому перший етап може бути виражений нечітко або практично не проводитися. Характерним прикладом такого роду є контроль розміру деталі калібром, що зводиться до операції зіставлення фактичного й гранично допустимого значень параметра.

Контроль складається з ряду елементарних дій: вимірювального перетворення контрольованої величини; відтворення установок контролю; порівняння й одержання результату контролю.

Вимірювання та контроль тісно пов’язані один з одним, близькі за своєю інформаційною сутністю й містять ряд загальних операцій (наприклад, порівняння, вимірювальне перетворення). У той же час процедури багато в чому відрізняються:

- результатом вимірювання є кількісна характеристика, а контролю –якісна;

- вимірювання здійснюється в широкому діапазоні значень вимірюваної величини, а контроль – зазвичай у межах невеликої кількості можливих станів;

- контрольні прилади, на відміну від вимірювальних, застосовують для перевірки стану виробів, параметри яких задані й змінюються у вузьких межах;

- основною характеристикою якості процедури вимірювання є точність, а процедури контролю – вірогідність.

Контроль може бути класифікований за рядом ознак.

Залежно від кількості контрольованих параметріввін поділяється на однопараметричний, при якому стан об’єкта визначається за розміром одного параметра, і багатопараметричний, при якому стан об’єкта визначається за розмірами багатьох параметрів.

За формою порівнюваних сигналівконтроль поділяється на аналоговий,при якому порівнянню піддаються аналогові сигнали, і цифровий,при якому порівнюються цифрові сигнали. Залежно від виду впливу на об’єкт контроль поділяється на пасивний, при якому вплив на об’єкт виробляється, і активний, при якому вплив на об’єкт здійснюється за допомогою спеціального генератора тестових сигналів.

На практиці велике поширення одержав так званий допусковийконтроль, сутність якого полягає у визначенні шляхом вимірювання або випробування значення контрольованого параметра об’єкта й порівнянні отриманого результату із заданими гранично допустимими значеннями. Окремим випадком допустового контролю є перевірка ЗВ, під час якої досліджується потрапляння похибки засобу вимірювань у допустимі межі.

За розташуванням зони контрольованого стану розрізняють допустковий контроль станів:

- значення, що нижче допустимого (X < Хн);

- значення, що вище допустимого, (X > Хв);

- між гранично допустимими значеннями.

Результатом контролю є не число, а одне із взаємовиключних тверджень:

- контрольована характеристика (параметр) перебуває в межах допустимих значень, тобто результат контролю – „придатний”;

- контрольована характеристика (параметр) перебуває за межами допустимих значень, тобто результат контролю – „непридатний” або „брак”.