Обобщенная модель поверки

Обобщенная модель поверки

 Поскольку суть поверки составляет передача единицы физической величины от иерархически вышестоящих средств измерений нижестоящим с помощью измерений, поверку можно представить несколько трансформированной моделью процесса измерения.

 Поскольку частной целью поверки является определения значения погрешности поверяемого средства измерений (на схеме ∆пов), то можно представить следующее обобщенное уравнение погрешностей:

∆ = ∆ос + ∆пов +∆м + ∆у + ∆оп ,                                (9)

где ∆ – погрешность измерения при поверке,

∆ос – погрешность образцового сигнала,

∆пов – погрешность поверяемого средства измерений,

∆м – методическая составляющая погрешности измерения при поверке,

∆у – погрешность условий измерения при поверке,

∆оп – погрешность оператора.

 

Для того, чтобы оценить погрешность поверяемого средства измерений, исходное уравнение 9 следует привести к виду

∆пов ≈ ∆ ,                                        (10)

для чего необходимо обеспечить общее для любой поверки условие

∆ос ≈ ∆м ≈ ∆у ≈ ∆оп ≈ 0,                                        (11)

или ∆ос ≈ ∆м ≈ ∆у ≈ ∆оп « ∆пов.                                        (12)

Погрешность образцового сигнала ограничивается применением средств измерений, занимающих более высокую ступень в иерархической (поверочной) схеме. Методическую составляющую погрешности поверки минимизируют за счет правильности методики выполнения измерений и применения объектов измерений с "практически идеальными свойствами". "Погрешность условий" очевидно должна быть пренебрежимо малой, поскольку (кроме редких исключений) при поверке обеспечиваются нормальные условия измерения. Субъективная погрешность не превышает заданной, что гарантирует высокая квалификация оператора, имеющего право поверки.

Сложности при моделировании процесса поверки и возникающих погрешностей заключаются в наличии как минимум двух средств измерений, одно из которых может играть роль измеряемого объекта. Например, при поверке меры по прибору генератором образцового сигнала является тот же прибор, который используется для измерения фактического значения величины, воспроизводимой мерой. Предельно редуцированная модель такой поверки представлена на рис. 11.

Модель получена из обобщенной и содержит минимально необходимую информацию: отдельный результат наблюдений при измерении практически соответствует значению измеряемой физической величины, что позволяет оценить погрешность ее воспроизведения поверяемой мерой. В случае многократного воспроизведения мерой номинально одинаковых значений измеряемой физической величины методика поверки включает необходимую схему контрольных точек (контрольных сечений) поверяемой меры.

 

На базе предложенной обобщенной модели поверки можно построить и все остальные модели, которые необходимы для проектирования и анализа методик поверки нестандартизованных средств измерений.

Особенности моделирования процессов измерений в ходе экспериментальных исследований

Измерения в ходе экспериментальных исследований осуществляются для получения такой модели исследуемого объекта, которая описывает его адекватно поставленной исследовательской задаче. Например, форма Земли для описания климатических явлений может быть представлена сферической моделью, хотя повышение точности измерений позволило предложить более строгую модель (не сферу, а геоид).

Сложность построения метрологической модели объекта, которую можно положить в основу разработки методики выполнения измерений, описана выше. Недостаточно высокая квалификация исследователя, непонимание свойств исследуемых объектов и проблем их измерений, могут привести к следующим типовым ошибкам:

  • некорректная или неправильная постановка задачи исследования;
  • неправильный выбор или разработка методик выполнения измерений;
  • неправильная обработка результатов исследований;
  • неправильные выводы (в том числе и из-за неверной интерпретации правильных результатов).

Рассмотрим эти ошибки и возможности их обнаружения и устранения за счет использования метрологического моделирования процессов измерений. Очевидно, что для успешного проведения экспериментального исследования необходимо разработать правильные методики выполнения измерений, предназначенные для решения корректно поставленной исследовательской задачи.

Неправильная постановка задачи исследования рассмотрению не подлежит, поскольку создает тупиковую ситуацию, в которой метрологические модели бесполезны. Некорректная постановка задачи исследования приводит к ошибкам в разработке метрологических моделей объектов и методик выполнения измерений их параметров или к ошибочному применению добротных, но не подходящих для конкретного случая методик. Так при исследовании точности нового технологического процесса обработки длинных цилиндрических поверхностей, прежде чем ставить задачу определения различий между последовательно обрабатываемыми деталями в партии, необходимо убедиться в "одинаковости" геометрических характеристик в пределах обрабатываемой поверхности каждой детали или однотипности искажения этих характеристик. Стабильность качественных характеристик объектов измерений позволит разработать адекватные исследуемым объектам метрологическую модель и методику выполнения измерений. Например, если все детали получаются конусообразными (реалистическая модель объекта измерений), то для характеристики партии деталей можно измерять и сравнивать соответственно минимальные, средние и максимальные диаметры деталей в каждой партии. Сопоставление обезличенных размеров, полученных при измерениях деталей партии в крайних сечениях, может существенно исказить исследуемую картину.

Неправильный выбор методики выполнения измерений может выражаться в неправильном выборе допустимой погрешности измерений и/ или неправильной оценке реализуемой погрешности. Неграмотность в разработке методик выполнения измерений часто приводит к появлению настолько больших погрешностей (методических, субъективных, "погрешностей условий"), что они маскируют или существенно искажают исследуемый эффект. Правильному решению задач выбора и разработки методик выполнения измерений способствует разработка и анализ метрологических моделей процессов измерений.

Интересующие нас ошибки при обработке результатов исследований в первую очередь касаются неправомерного объединения рассеяния измеряемых физических величин при многократном их воспроизведении и погрешностей измерений этих величин, на что далеко не всегда обращают внимание исследователи. Необходимо всегда помнить, что во всяком экспериментальном исследовании точность результатов обеспечивается как точностью повторно проводимых экспериментов, так и точностью фиксации результатов (погрешностями измерений). Если нет ошибок в выборе и применении методик выполнения измерений, то известные оценки реализуемой погрешности легко сопоставить с изменениями результатов при активных экспериментах (с управляемыми аргументами) или пассивных (с фиксируемыми аргументами). Сама точность управления и/или фиксации значений аргументов как всякие результаты измерений тоже подлежит метрологической оценке.

Неправильные выводы из результатов эксперимента часто делаются из-за недостаточной метрологической грамотности исследователя (искаженные результаты исследований приводят к неправильным выводам), но даже совершенно правильные метрологические модели правильность выводов не гарантируют. Например, можно сколь угодно точно измерять высоту и время падения "тяжелых" и "легких" тел, но в зависимости от особенностей постановки эксперимента и первоначальной гипотезы делать разные выводы (как Аристотель, что Земля сильнее притягивает тяжелые тела, либо как Галилей, что земное притяжение для всех материальных тел одинаково).

Задачи исследований, которые в значительной мере определяют выбор не только методики исследований, но и методик выполнения измерений параметров объектов исследований, могут включать:

  • изучение постоянства свойств объектов (объекта) исследований при многократном воспроизведении, длительной работе или хранении;
  • исследование изменения объекта исследования при изменении контролируемых аргументов эксперимента.

"Постоянство объекта" может характеризоваться неразличимостью соответствующих физических величин или же их стохастическим рассеянием. Изменения свойств объектов могут быть плавными (континуальными) или скачкообразными (дискретными). При этом характер изменений может изменяться от простейшего (монотонного) до весьма сложного, раскладываемого на монотонные и периодические составляющие, аппроксимируемые полиномами, рядами Фурье и т.д.

Предложенные выше модели вместе с описанием выбора погрешностей измерений при экспериментальных исследованиях (см. соответствующий модуль) позволяют не только разрабатывать конкретные модели, но и проводить метрологическую экспертизу результатов экспериментальных исследований.

Анализ проблем метрологического моделирования позволяет сделать следующие выводы:

  • Необходимость моделирования для метрологической экспертизы подтверждается тем, что модели в метрологии используют так же часто как в любой другой области исследований, хотя без достаточного критического осмысления. Метрологические модели не исчерпываются только моделями измеряемых объектов, они включают в себя модели средств измерений и модели измерительных операций, процессов и других измерительных процедур.
  • Осознанное проектирование метрологических моделей объектов, средств и процессов измерений позволяет рассмотреть типовые задачи измерений в новом ракурсе.
  • При решении любой задачи измерений необходима экспериментальная метрологическая модель объекта, вне зависимости от того, существует ли нормативная модель (типично для задач измерительного контроля деталей, процессов, технологического оборудования и средств измерений, идентификации объектов и др.) или ее нет (задачи измерений при различных экспериментальных исследованиях).
  • Построение метрологических моделей является обязательным условием корректного решения поставленных измерительных задач. Для построения моделей можно использовать приведенные выше типовые и обобщенные модели и приемы их анализа.
  • Обобщенная метрологическая модель поверки позволяет строить конкретные модели, которые необходимы для проектирования и экспертизы методик поверки вновь разработанных средств измерений.
  • Метрологические модели могут быть полезны для выявления и оценки методических составляющих погрешности измерений, что представляет собой одну из наиболее сложных задач метрологии.
  • Моделирование процессов измерений, проводимых в ходе экспериментальных исследований должно опираться на корректные модели исследований, причем квалифицированная метрологическая экспертиза в ряде случаев позволяет обеспечить требуемую точность исследований, а также повысить объективность и достоверность их результатов.