Элементы измерительной системы

1. Технические измерения являются неотъемлемой и очень важной состав­ляющей любого производственного процесса. Адекватная оценка качества продукции и состояния производственного процесса возможна только при условии устойчивого функционирования измерительных и контрольных процессов, позволяющих делать выводы и принимать решения на основе фактов. Любой измерительный процесс с функциональной точки зрения заключается в сравнении какой-либо из характеристик измеряемого объекта с некоторым эталонным значением, принятым за единицу (мерой), и присвоении измеряемому объекту численного значения, полученного в результате такого сравнения. Однако сравнение осуществляется не напрямую, а при помощи измерительной системы, включающей в себя измерительное устройство, методику измерения и, как правило, человека (оператора).

Кроме того на функционирование измерительного процесса оказывает воздействие окружающая среда, изменение параметров которой (температура, влажность, запыленность, вибрации и т.д.) приводит к ошибке (погрешности) измерений.

При рассмотрении погрешностей измерений следует начать с декомпозиции процесса их образования и, по возможности, классифицировать для более де­тального изучения. Ошибки при измерении линейных размеров, имеющих наи­большую совокупную трудоемкость среди контрольных операций в машино­строительном производстве, принято подразделять на следующие составляю­щие:

– погрешность показаний средства измерения;

– погрешность мер, по которым устанавливается средство измерения;

– погрешность, вызываемая отклонениями температуры измерений от нормальной температуры («температурная» погрешность);

– погрешность, вызываемая деформацией объекта под действием измерительного усилия и собственного веса;

– погрешности макро- и микрогеометрической формы объекта, связанные с измеряемым его размером.

При составлении нормативов на предельные погрешности измерения длин в машиностроении практически учитывают лишь первые три «слагаемых».

Погрешность всякого метода или средства измерения и любого их «слагаемого», кроме того, подразделяется на две «составляющие»: систематическую и случайную.

Систематическая составляющая будет оставаться постоянной при измерениях, либо изменяться определенным образом в зависимости от изменения определенного, неслучайного фактора. В последнем случае систематическую ошибку можно было бы отнести к категории «функциональных» ошибок. Систематическая составляющая может получиться, например, за счет погрешностей мер, при установке в исходное положение данного средства измерения и за счет отклонений температуры измеряемого объекта и средства измерения при различных коэффициентах их линейного расширения от нормальной температуры при данной серии измерений. Ошибка, получающаяся от первой причины, будет постоянной, а ошибка от второй причины будет изменяться с изменением отклонений от нормальной температуры.

Случайная составляющая будет меняться от измерения к измерению случайным образом; она будет вызываться многочисленными факторами, действие которых по-разному складывается в повторных измерениях.

Наличие случайных ошибок приводит к тому, что результат каждого отдельного измерения представляет собой некоторую случайную величину. При нормальном законе распределения случайных ошибок с параметром рассеивания  и при наличии систематической ошибки (смещения)  результат измерения объекта, истинное значение которого равно а, будет случайной величиной Х_а, распределенной по за-кону:

.                    (3.3.1)

Трудность в определении погрешности измерений заключается в том, что оценка «истинного» значения величины на практике добывается из тех же или из других аналогичных измерений, не свободных от некоторых погрешностей в силу несовершенства измерительных инструментов и органов чувств наблюдателя. Поэтому «истинные» значения измеряемых объектов представляется возможным рассматривать лишь теоретически, как некоторую научную абстракцию, и затем производить их оценку надлежащими методами.

2. С понятием точности измерительной системы неразрывно связано другое фундаментальное понятие – разрешающая способность, характеризующее минимальное различие в величине параметра двух измеримых объектов, которое может быть обнаружено данной изме-рительной системой. Точность и разрешающая способность измерительной системы являются понятиями хотя и близкими, но не тождественными. Например, наличие систематической ошибки (смещения), постоянной в пределах некоторого диапазона, не ухудшает разре­шающей способности системы. Однако точность при значительной величине такой ошибки может оказаться неприемлемой. Таким образом, разрешающая способность является необходимым (но еще недостаточным) условием обеспечения точности или, другими словами, разрешающая способность характеризует максимальную (принципиально достижимую) точность измерительной системы. В свою очередь, разрешающая способность чаще всего определяется ценой деления, являющейся одной из основных характеристик любого измери­тельного устройства.

При считывании показаний с измерительного устройства, имеющего градуированную шкалу, результат единичного измерения всегда будет представлять собой целое число, кратное цене деления шкалы. Это происходит вследствие того, что «фактические» показания округляются до ближайшего деления шкалы. При этом, очевидно, что если показания индикатора различаются на величину, меньшую половины минимального деления шкалы, то они становятся неразличимы. Таким образом, величина, равная половине цены деления шкалы, может рассматриваться в качестве предельной разрешающей способности из- мерительной системы. Для измерительных устройств с цифровой индикацией предельная разрешающая способность будет определяться ценой последнего фиксируемого знака. Если измерения являются «грубыми», о чем будет свидетельствовать незначительное рассеивание результатов повторных измерений одного объекта (образца) при постоянных условиях или же полное отсутствие рассеивания, то вывод о приемлемости или неприемлемости измерительной системы можно сделать только на основе анализа предельной разрешающей способности. Для «точных» измерений, когда результаты серии повторных из­мерений одного образца обнаруживают рассеивание, значительно превосходящее величину цены деления, вывод о пригодности можно сделать только по результатам статистического анализа измерительного процесса. Однако в любом случае детальный анализ имеет смысл только при условии, что предельная разрешающая способность измерительной системы позволяет получить не менее 10 градаций измеряемого параметра внутри установленного по техническим условиям поля допуска. Еще лучше, если разрешающая способность позволяет получить 10 и более градаций внутри фактического рабочего диапазона варьирования измеряемого параметра, если этот диапазон сколько-нибудь значительно меньше ширины поля допуска.