ВЫБОР МЕТОДИКИ ВЫПОЛНЕНИЯ ИЗМЕРЕНИЙ

ВЫБОР МЕТОДИКИ ВЫПОЛНЕНИЯ ИЗМЕРЕНИЙ

Лабораторная работа № 6

ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ

Общие требования, предъявляемые к методике выполнения измерений:

1. Обеспечение требуемой точности измерений.
2. Обеспечение экономичности измерений.
3. Обеспечение представительности (валидности) результатов измерений.
4. Обеспечение безопасности измерений.

Точность измерений является необходимым условием для использования их результатов. Несоблюдение этого условия делает невозможным получение действительного значения измеряемой физической величины. Кроме того, для обеспечения единства измерений необходимо, чтобы результат измерений был представлен с указанием погрешностей, которые являются характеристиками достоверности результата.

При оценке экономичности измерений учитывается производительность и себестоимость измерительной операции, включая затраты на организацию условий измерения, необходимую квалификацию оператора, цену универсальных СИ и стоимость их эксплуатации, стоимость разработки и изготовления нестандартизованного СИ, возможность многоцелевого использования выбранных СИ и др. По экономическим параметрам сравнивают только те конкурирующие методики выполнения измерений, которые обеспечивают требуемую точность.

Обеспечение представительности или валидности результатов измерений подразумевает адекватность результатов исследуемому объекту (партии объектов). Очевидна необходимость разных подходов для обеспечения представительности при многократных измерениях одной и той же ФВ, при измерениях номинально одинаковых ФВ, при измерениях разных ФВ или изменяющейся ФВ. Это требование выходит за рамки разработки методики выполнения измерений в узком смысле.

Безопасность измерений зависит от свойств измеряемого объекта и применяемых средств измерений и обеспечивается неметрологическими средствами, хотя указания по безопасности включают в описание методик выполнения измерений.

Цели и задачи измерений

Общая цель измерения – получение действительного значения измеряемой физической величины. Поскольку необходимо получить значение измеряемой ФВ столь мало отличающееся от истинного, что для конкретной цели измерений или измерительной задачи этим различием можно пренебречь, при выборе МВИ необходимо:

1. Установить допустимую погрешность измерения [Δ].

2. Определить значение реализуемой в процессе измерения погрешности Δ.

3. Убедиться в том, что реализуемая погрешность Δ не превышает допустимую погрешность измерения [Δ].

Таким образом, обеспечение точности измерений заключается в установлении соотношения

Δ ≤ [Δ ],

Где [Δ] – допустимая погрешность измерений;

Δ – предельное значение погрешности, реализуемой в ходе измерений.

Назначение (выбор) допустимой погрешности измерений зависит от поставленной измерительной задачи. Конкретные задачи определяют в зависимости от предполагаемого использования результатов измерений. Можно представить, например, следующие задачи измерений: измерительный контроль, арбитраж, сортировка объектов на группы по заданному параметру, приближенная (ориентировочная) оценка физической величины и исследование физической величины. Назначение (выбор) допустимой погрешности измерения для каждой из задач имеет свои особенности и основывается на определении значения погрешности, пренебрежимо мало влияющей на результат измерения.

Рассмотрим некоторые варианты предложенных задач измерений.

Измерительный приемочный контроль объекта по заданному параметру, когда нормированы его предельные значения. Для случая приемочного контроля объекта по заданному параметру, если он ограничен двумя предельные значения, допустимая погрешность измерений не должна превышать 1/3 части допуска (Т) параметра:

[Δ] ≤ Т/3.

Такое соотношение будет удовлетворительным при случайном характере контролируемого параметра и случайной погрешности измерений.

При контроле погрешности средства измерения (поверке СИ) погрешность измерения не должна превышать 1/3 основной погрешности поверяемого средства измерений, если погрешности поверяемого СИ и погрешности поверки имеют случайный характер:

[Δ] ≤ Δси/3.

Арбитражная перепроверка результатов приемочного контроля.

При арбитражной перепроверке результатов приемочного контроля, с учетом уже приведенных допущений, допустимая погрешность измерений не должна превышать 1/3 часть погрешности измерений параметра при его приемочном контроле (Δпр):

[Δ]а ≤ Δпр/3.

Таким образом, измерения параметра при приемочном контроле, при арбитражной перепроверке результатов приемочного контроля или при поверке (приемочном контроле) средств измерений представляют собой тривиальные измерительные задачи, в ходе решения которых допустимую погрешность измерений определяют, исходя из традиционного в метрологической практике соотношения

[Δ] ≤ (1/5…1/3)⋅В/3.

где В – допуск контролируемого параметра, погрешность измерения в ходе приемочного контроля или основная погрешность поверяемого СИ.

При сортировке объектов на группы по заданному параметру допустимую погрешность назначают в зависимости от минимального группового допуска (Тгр):

[Δ] ≤ Тгр/3.

При ориентировочной (приближенной) оценке физической величины можно назначить практически любую допустимую погрешность, которая не приведет к существенному искажению результатов измерений. Обычно в таком случае измерение осуществляют с произвольной погрешностью, которую и принимают за допустимую. Затем оценивают реализуемую погрешность измерений и возможное искажение значения измеряемой физической величины. Формальное описание такой задачи выбора допустимой погрешности измерений:

[Δ] = Δ.

Исследование физической величины, включая исследование точности воспроизведения физической величины и/или исследование изменения физической величины под воздействием переменных (или неопределенных) факторов. При измерении параметра в процессе научного исследования, допустимую погрешность измерений определяют, исходя из конкретной цели исследований.

Можно исследовать точность воспроизведения физической величины на одном объекте (толщина пластины, высота цилиндра и т.д.) или на множестве номинально одинаковых объектов (э.д.с. термопар одной партии, массы деталей одного типоразмера, диаметры шариков для подшипника качения и др.). Эту задачу можно ограничить оценкой размаха R измеряемых физических величин, или расширить вплоть до выявления вида и числовых характеристик распределения исследуемой случайной величины.

Если необходимо убедиться, что рассеяние параметра исследуемого объекта при многократном воспроизведении не превышает некоторого заранее заданного или искомого значения RN, удовлетворительным решением задачи может быть соотношение

R ≤ RN при R ≤ 2Δ,

где R – оценка рассеяния параметра, включающая погрешность воспроизведения величины и погрешность ее оценки,

Δ – оценка погрешности измерения, которая в таком случае принимается за допустимое значение погрешности измерения, т.е. [Δ] = Δ.

В этом случае можно считать доказанным, что размах или поле практического рассеяния физической величины (RQ) при многократном воспроизведении не превышает значения погрешности измерения, то есть

RQ << Δ

Во втором случае обычно строят гистограмму и полигон распределения исследуемой случайной величины, для чего необходимо выявить поле практического рассеяния (RQ) многократно воспроизводимой физической величины. Чтобы погрешности измерений не оказали значительного искажающего воздействия на поле рассеяния, при необходимости выбирают все более точные МВИ, добиваясь методом последовательных приближений соотношения

Δ = (1/10…1/6)RQ,

после чего достигнутое значение Δ принимают за допустимое значение погрешности измерения, т.е.

[Δ] = Δ.

При исследовании изменения физической величины под действием нормируемых переменных аргументов или неопределенных факторов необходимо назначить такую допустимую погрешность измерений, которая была бы пренебрежимо мала по сравнению с исследуемым изменением величины (εQ):

[Δ] << εQ.

К такому значению погрешности также приходят методом последовательных приближений.

ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ РАБОТЫ

Цель работы: изучение методов выбора методик выполнения измерений.

Задачи: 1. Научиться выбирать допустимую погрешность измерений определенной (корректно заданной) физической величины.

2. Познакомиться с методами выбора допустимой погрешности измерений для оценки рассеяния неопределенной физической величины.

МАТЕРИАЛЬНОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ РАБОТЫ

Объекты измерений:

Детали типа тел вращения, пластин, призм, резисторы, источники постоянного тока.

Измеряемые параметры: линейные размеры, объем, масса, электрическое сопротивление, напряжение, сила тока.

Средства измерений:

Меры длины, угла, объема и массы (линейка измерительная, набор плоскопараллельных концевых мер длины, транспортир, сосуды измерительные, набор разновесов).

Накладные и станковые приборы для измерений длины (штангенциркуль, микрометр гладкий, микрометр рычажный или скоба рычажная, измерительные головки со штативом или стойкой и др.).

Весы для измерения массы взвешиванием.

Мультиметр (авометр) для измерений электрических величин.

ПОРЯДОК ВЫПОЛНЕНИЯ РАБОТЫ

Задание

1. Выбрать допустимую погрешность измерительного приемочного контроля заданной физической величины и методику выполнения ее измерения. Измерить физическую величину и проанализировать результаты измерений.
2. Выбрать допустимую погрешность и методику выполнения измерений для арбитражной перепроверки результатов приемочного контроля по п.1. Повторно измерить физическую величину и проанализировать результаты измерений.
3. Выбрать допустимую погрешность и методику выполнения измерений детерминированной неизвестной физической величины/величин. Выполнить измерения и идентифицировать измеренные величины.
4. Выбрать допустимую погрешность и методику выполнения измерений для исследования неопределенности заданной физической величины (номинально одинаковых величин одного объекта). Выполнить измерения и проанализировать их результаты.
5. Выбрать допустимую погрешность и методику выполнения измерений для исследования неопределенности заданных физических величин (однотипных величин номинально одинаковых объектов). Выполнить измерения и проанализировать их результаты.

Выполнение измерений

Выбор допустимой погрешности измерения при приемочном контроле детерминированной физической величины, если известен ее допуск, представляет собой тривиальную задачу. После назначения допустимой погрешности следует выбрать МВИ, которая обладает погрешностью, не превышающей допустимую. Затем проводят необходимые измерения с использованием выбранной МВИ. Для измерительного контроля линейных размеров до 500 мм и для арбитражной перепроверки его результатов допустимые погрешности измерений нормированы ГОСТ 8.051-81, а МВИ можно выбрать по РД 50-98-86.

Для идентификации неизвестной детерминированной физической величины, например если необходимо определить номинальное значение параметра и известна закономерность построения ряда номинальных значений (внутренние диаметры подшипников качения, диаметры метрических резьб и т.д.), можно назначить допустимую погрешность измерения как некоторую долю (1/5…1/3) градации параметрического ряда на рассматриваемом интервале. Так для определения номинального размера посадочного отверстия подшипника качения диаметром от 20 мм (градация ряда размеров 5 мм), допустимая погрешность измерений может составлять (1…2) мм.

Измерения "однотипных величин" (номинально одинаковых физических величин на одном объекте или на ряде номинально одинаковых объектов), следует начинать с оценки рассеяния однотипных величин одного объекта, а затем переходить к исследованию нескольких объектов. Если предварительно выбранная МВИ не позволила обнаружить значимое рассеяние (R) однотипных величин в пределах одного объекта и размах однотипных величин нескольких объектов (Rn), значит 2Δ > R или 2Δ > Rn, и погрешность измерения слишком велика для уточненной оценки рассеяния.

Если выбранная МВИ позволила обнаружить рассеяние однотипных величин нескольких объектов (Rn), а в пределах одного объекта (R) различия между однотипными величинами не обнаружены, очевидно, что Rn > R и погрешность измерения слишком велика для оценки R, хотя (с некоторыми ограничениями) может быть признана допустимой для выявления Rn.

Если предварительно выбранная МВИ позволила обнаружить рассеяние R однотипных величин в пределах одного объекта и различия между объектами (Rn), причем R > Δ , а Rn > R, можно считать, что погрешность измерения выбрана удовлетворительно. При выборе значения [Δ] используют соотношение [Δ] ≤ Δ. Назначение допустимой погрешности меньшей, чем у предварительно выбранной МВИ, может быть обусловлено необходимостью получить более достоверные значения параметров и характеристик рассеяния однотипных величин одного и/или нескольких объектов.

Оформление результатов работы

Результаты работы оформляют в виде таблиц, графиков и текстовых описаний. При оформлении можно использовать таблицы 1…3 (таблицы приведены с некоторыми примерами заполнения). Краткие описания используемых МВИ при необходимости сопровождают схемами измерений с указанием контрольных точек (сечений).

При измерениях физической величины с целью приемочного контроля группы объектов результаты измерений каждого заданного параметра оформляют в виде отдельной строки таблицы (табл.1).

Таблица 1

Результаты ПРИЕМОЧНОГО КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ

Продолжение таблицы 1

Если поставлена измерительная задача арбитражной перепроверки данных приемочного контроля, результаты измерений каждого заданного параметра оформляют в виде отдельной строки таблицы (табл.2). В "Заключении" приводят вывод по результатам арбитражных измерений, особо отмечая число забракованных годных объектов (ложный брак) и неправильно принятых объектов (пропуск брака).

Таблица 2

арбитражная перепроверка Результатов ПРИЕМОЧНОГО КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ

Продолжение таблицы 2

Заключение. Обнаружен пропуск брака (деталь №2)

При идентификации параметра (определении конкретного номинального значения из ряда близких нормированых значений) результаты измерений параметра каждого объекта используют для оценки его номинального значения. В таблице 3 результаты измерений указывают под соответствующим номинальным значением параметра.

Таблица 3

ОПРЕДЕЛЕНИЕ НОМИНАЛЬНЫХ ЗНАЧЕНИЙ ПАРАМЕТРОВ

Результаты измерений номинально одинаковых физических величин на одном объекте и на ряде номинально одинаковых объектов (однотипных величин) можно оформлять в виде таблиц и точечных диаграмм с пояснительными схемами или эскизами.

Таблица 4

измерения номинально одинаковых физических величин ГРУППЫ ОБЪЕКТОВ

Анализ результатов измерений включает оценки размахов по результатам измерений ФВ на каждом из объектов Rinи на ряде номинально одинаковых объектов RN, а также их сопоставление. Например, при Rn max << RN можно утверждать, что исследуемый параметр незначительно колеблется в пределах одного объекта, при этом он может значительно различаться у двух однотипных объектов.

При возможности проводят анализ и оценку наличия систематических тенденций. При наличии явно выраженных тенденций у отдельных объектов приводят их качественную оценку (например: "Твердость поверхности уменьшается от середины к периферии"). При наличии тенденций у группы объектов на диаграмму наносят аппроксимирующую линию и оценивают качественно и количественно сами тенденции. Результаты анализа записывают под точечными диаграммами, например:

Результаты измерений толщины на одном диске и ряде номинально одинаковых дисков (МВИ 6, Δ = 6 мкм, P= 0,95):

Поскольку Rср n = 10 мкм, RN = 11 мкм, а 2Δ = 12 мкм, можно утверждать, что рассеяние результатов обусловлено погрешностью измерений. Фактическое рассеяние измеряемых параметров и закономерности их изменений не обнаружены, так как они не выходят за пределы погрешностей измерительного эксперимента.

Кафедра СТАНДАРТИЗАЦИЯ, МЕТРОЛОГИЯ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ

Группа        

Дисциплина:        МЕТРОЛОГИЯ

ВЫБОР МЕТОДИКИ ВЫПОЛНЕНИЯ ИЗМЕРЕНИЙ

Отчет о лабораторной работе N 6

Исполнитель

"       "                                2002 г.

Руководитель

"       "                                2002 г.

ЦЕЛИ И ЗАДАЧИ РАБОТЫ

Цель работы: изучение методов выбора методик выполнения измерений.

Задачи: 1. Научиться выбирать допустимую погрешность измерений определенной (корректно заданной) физической величины.

2. Познакомиться с методами выбора допустимой погрешности измерений для оценки рассеяния неопределенной физической величины.

Методики выполнения измерений:

МВИ 1

Таблица 1

Результаты ПРИЕМОЧНОГО КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ

Продолжение таблицы 1

Таблица 2

арбитражная перепроверка Результатов ПРИЕМОЧНОГО КОНТРОЛЯ ПАРАМЕТРОВ

Продолжение таблицы 2

Заключение.

Таблица 3

ОПРЕДЕЛЕНИЕ НОМИНАЛЬНЫХ ЗНАЧЕНИЙ ПАРАМЕТРОВ

Таблица 4

измерения номинально одинаковых физических величин ГРУППЫ ОБЪЕКТОВ