Студопедия Главная Случайная страница Обратная связь

Разделы: Автомобили Астрономия Биология География Дом и сад Другие языки Другое Информатика История Культура Литература Логика Математика Медицина Металлургия Механика Образование Охрана труда Педагогика Политика Право Психология Религия Риторика Социология Спорт Строительство Технология Туризм Физика Философия Финансы Химия Черчение Экология Экономика Электроника

ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА ТОЧНОСТЬ ИЗМЕРЕНИЙ




Стремление к повышению точности измерений — одно из направлений постоянных метрологических работ. Наряду с этим следует особо подчеркнуть, что в повседневной практи­ке, в обиходе, в технических и технологических измерениях нужно стремиться не к наивысшей точности, цена которой, как правило, велика, а к целесообразной, оптимальной в смысле технико-экономических показателей.Основной целью метрологического обеспечения является не достиже­ние высокой точности, а гарантия единства и достоверности результатов измерений.

Научно-технический прогресс всегда обеспечивался адек­ватной точностью измерений. История науки содержит немало примеров того, как повышение точности измерений приводи­ло к фундаментальным научным открытиям. Многие техно­логические процессы в промышленности стали возможны только потому, что точность технических измерений достиг­ла соответствующего уровня. Под углом зрения обеспечения высоких темпов научно-технического прогресса и должен рассматриваться вопрос о точности измерений.

На рис. 160 приведены результаты анализа точности об­работки линейных размеров механических деталей электрон­ных изделий и оптических устройств за большой истори­ческий отрезок времени с прогнозом на обозримое буду­щее. Заштрихованная область относится к производству интегральных микросхем. Обобщение данных об их тополо­гических размерах и требованиях к допускам по совме­щению при литографических операциях показывает, что создание интегральных схем основывается на высокоточной обработке и прецизионных измерениях, точность которых примерно на порядок выше точности обработки обычных изделий, В перспективе ожидается создание нанотехнологии, представляющей комплексную технологию промышленной обработки изделий с точностью около 1 нм. При этом имеет­ся в виду объединение в единую взаимосогласованную систему многочисленных обрабатывающих инструментов, конт­рольно-измерительных и управляющих устройств с использо­ванием ЦЭВМ.

В режиме формообразования точность обработки традицион­ными способами принципиально ограничена областью 0,3 ... 1 нм, соответствующей размерам отдельных молекул и расстояни­ем в кристаллической решетке. Более отдаленная перспектива связана, поэтому с развитием молекулярной электроники. Приборы молекулярной элект­роники опираются на техноло­гию, использующую процессы само сборки. Подобная принципи­ально новая технология с атомной детализацией не может сравниваться с традиционной технологией формообразования и потребует развития нового подхода к оценке точности на молекулярном уровне.

Выход на уровни точности, близкие к предельно достижи­мой, ставит вопрос о потенци­альной точности измерений. Ответ на него зависит от уров­ня развития науки и техники.

Наиболее просто ответ на вопрос о потенциальной точ­ности измерений формулируется следующим образом: точ­ностьизмерений не может быть выше точности воспроиз­ведения единицы государственным первичным или специаль­нымэталоном (по определению). Никакое техническое уст­ройство не может рассматриваться в качестве измеритель­ного прибора, если ему установленным порядком не переда­на информация о размере единицы. А передача этой инфор­мации от государственного эталона всегда сопровождается потерей точности. Кроме того, точность измерений зависит от множества других факторов.

Не в последнюю очередь она зависит от количества апри­орной информации об объекте измерения. Чем ее больше, тем выше точность измерений. Априорная информация об объекте измерения позволяет сконструировать адекватную его модель, синтезировать оптимальную измерительную про­цедуру, правильно выбрать или синтезировать средство из­мерений. Важное значение для синтеза имеет априорная ин­формация о свойствах полезного сигнала и помех на входе средства измерений. Дефицит априорной информации огра­ничивает точность измерений и любые меры, направленные на его преодоление, приближают точность к потенциально возможной.

В свою очередь, как бы удачно не было синтезировано средство измерений оно не будет совершенным из-за недос­татков при изготовлении: конструктивных, технологических, дефектов комплектующих изделий, неточности настройки и регулировки, поддержания режимов работы и т.д. и т.п., а также вследствие нестабильности элементов и материалов, обусловленной старением, износом и другими причинами. Невозможно создать измерительный прибор, метрологи­ческие характеристики которого абсолютно точно соответ­ствовали бы проектным, а определение их эксперименталь­ным путем имеет ограниченную точность. Таким образом, несовершенство средств измерений и некоторая неопреде­ленность их реальных метрологических характеристик вно­сят свой вклад в ограничение точности результатов измере­ний.

На точности измерений сказываются также внешние и внутренние влияющие факторы. К внутренним относятся взаимные электромагнитные влияния элементов и их соеди­нений друг на друга, паразитные ТЭДС, тепловыделение, трение, акустическая эмиссия и т. д. Внешние влияющие фак­торы включают в себя изменение параметров окружающей среды (температуры, влажности, давления), напряжения в сети питания, наводки от расположенных поблизости электри­ческих машин и механизмов, всевозможные вибрации и сотря­сения, влияние электрических, магнитных, электромагнитных и гравитационных полей, ускорений и т. п. Их исключение, компенсация и учет в рабочих условиях измерений с помощью функций влияния далеки еще от совершенства.

В процессе измерения объект и средство измерений всту­пают во взаимодействие. В процессе этого взаимодействия средство измерений оказывает влияние на объект, прояв­ляющееся в изменении измеряемой величины. Результат измерения оказывается искаженным по сравнению с тем, каким он должен был бы быть, если бы средство изме­рений не влияло на объект. Как бы ни учитывалось это обстоятельство (а во многих случаях им просто пренебре­гают), оно снижает точность результата измерения.

Нельзя, наконец, не отметить и несовершенство самой измерительной процедуры (неточность установки прибора и снятия показаний, конечное время выполнения измере­ния, в течение которого происходит изменение внешних условий и ряда влияющих факторов, зависимость качест­ва измерения от квалификации оператора и многое другое). Это также обусловливает недостижимость потенциальной точности измерений.

Все вышеперечисленные факторы, влияющие на точность измерений, учитываются при разработке, стандартизации и аттестации методик выполнения измерений. В стандартах на методики (или в соответствующих разделах стандартов тех­нологических процессов, методов испытаний и контроля, методов и средств поверки) согласно ГОСТ 8.010—72 ука­зываются:

назначение и область применения стандартизованной методики выполнения измерений;

требования к средствам измерений и вспомогательным устройствам, необходимым для выполнения измерений (в том числе к уровню их автоматизации);

метод измерений;

порядок подготовки и выполнения измерений;

нормы на показатели точности измерений и зависимости, выражающие связи между этими показателями и всеми фак­торами, существенно влияющими на них при выполнении измерений, а также диапазоны значений влияющих величин, для которых эти зависимости справедливы. Указанные зави­симости могут быть представлены в виде таблиц,графиков, уравнений;

способы обработки результатов измерений и оценки по­казателей точности измерений;

требования к квалификации операторов;

требования к. технике безопасности.

В аттестатах на методики выполнения измерений указы­вают:

назначение и область применения методики;

типы и номера экземпляров средств измерений, используемых для проведения измерений. Номер экземпляра сред­ства измерений в аттестате не указывается, если значения показателей точности измерений, указанные в аттестате, оп­ределены с учетом возможности применения любого экземп­ляра средства измерений данного типа;

технические характеристики вспомогательных устройств, необходимых для выполнения измерений;

метод измерений;

порядок подготовки и выполнения измерений;

численные значения показателей точности измерений;

межповерочные интервалы для средств измерений и но­менклатуру нормативных документов, согласно которым должна проводиться их поверка;

требования к квалификации операторов;

требования техники безопасности.

Точность измерений во многом зависит также от алго­ритма обработки экспериментальных данных. Этим обуслов­лено требование аттестации алгоритмов.

В отдельных областях и видах измерении при совре­менной эталонной базе достигнута точность, обеспечивающая возможность выполнения измерений намолекулярном уровне. Формальным отражением этого служит появление пос­тоянной Больцмана k = 1,38 • 10 -23 Дж/К в выражениях, опи­сывающих влияющие факторы, с которыми нужно считаться. Частицы вещества — атомы, молекулы, а также электричес­кие заряды совершают непрерывные хаотические движения, интегральная интенсивность которых характеризуется тер­модинамической температурой Т. Чем интенсивнее движе­ния, называемые флюктуациями, тем выше абсолютная температура Т. Флюктуации создают шумовой эффект, ог­раничивающий точность измерения физических величин. Мощность шума РШ определяется уравнением Найквиста:

,

где f — ширина полосы пропускания прибора. Иногда это выражение дополняется спектральным коэффициентом N, учитывающим дробовый эффект в электронных приборах и другие явления.Тогда

.

Вместо мощности РШ можно рассмотреть энергию шума GШ , причем

GШ = 4 k N Т.

Если исходить из того, что энергия полезного сигнала Р × t, где Р — мощность, a t — время измерения, должна быть боль­ше энергии шума, то возможность выполнения измерений на молекулярном уровне будет ограничиваться требованием выполнения неравенства

Р × t GШ .

 

Используя различия в статистической природе шумов и полезных сигналов, во многих случаях удается преодолеть ограничения, обусловленные законами термодинамики. В частности, не когерентность шума позволяет при многократ­ном измерении, накоплении, оптимальной фильтрации и пу­тем использования других приемов обеспечить выполнение

измерений при отношении .

 

Принциальные ограничения следующего уровня обуслов­лены дискретностью измеряемых величин (нельзя, например, измерить заряд, меньший заряда электрона) или флюктуация­ми, определяемыми дискретностью вещества и энергии. Точ­ность измерений на этом уровне ограничивается законами квантовой механики.

Формальным отражением выхода на квантовомеханический уровень точности измерений служит появление в ма­тематическом описании факторов, которыми нельзя пренеб­регать, постоянной Планка h = 6,63ּ10 - 34 Дж/Гц. Одним из таких факторов является принцип неопределенности Гейзенберга, связывающий (через постоянную Планка) точность измерения координаты и импульса частицы, времени и энер­гии, а также других пар физических величин. Точность измерений в таких условиях становится предметом разум­ного компромисса.

8.2. ОПРЕДЕЛЕНИЕ ТОЧНОСТИ ИЗМЕРЕНИЙ РАСЧЕТНЬМ ПУТЕМ

Потенциальная точность измерений, определяемая на любом уровне развития науки и техники точностью госу­дарственных эталонов, в обиходе недостижима. Поэтому естественно встает вопрос о реально достижимой точности измерений. При решении этого вопроса всегда исходят из анализа конкретной измерительной задачи и стараются, как можно полнее учесть всевозможные ограничения.

Пусть, предположим, apriori известно, что сигнал X(t) на выходе линейного измерительного преобразователя с ко­эффициентом преобразования, равным 1, будет представлять собою смесь полезного сигнала X(t) = Q = const и шумовой помехи N(t) в виде нормального стационарного случайного процесса со средним значением, равным нулю, обусловлен­ной внешними и внутренними влияющими факторами. Воз­можны следующие способы измерения неизвестного значе­ния Q:

усреднение Х (t) по времени (в течение одной реализа­ции);

усреднение Х (t) по множеству значений, относящихся в каждой реализации к одному и тому же моменту вре­мени;

усреднение Х (t) и по множеству, и по времени. Наряду с этим метрологическое обеспечение измерений мо­жет быть организовано по-разному. В одном из вариантов (см. рис. 161, а) информация о размере единицы передает­ся только измерительному преобразователю. В этом слу­чае в сигнал на выходе измерительного преобразователя

может вноситься поправка. Точное значение ее обычно не­известно, что учитывается ситуационной моделью поправ­ки. Усредняющее устройство затем выполняет необходимые математические операции.

Во втором варианте информация о размере единицы пе­редается измерительному прибору в целом, включающему в себя и измерительный преобразователь и усредняющее устройство. Поправка в таком случае вносится при необ­ходимости в показание прибора— рис. 161, б.

Показателем точности служит аналог стандартного откло­нения результата измерения . Выражения для него при­ведены в табл. 50, где — дисперсия шумовой помехи;

аналог среднего квадратического отклонения в ситуа­ционной модели поправки; — интервал корреляции нор­мального стационарного случайного процесса Х (t) ; ТP — дли­тельность реализации того же процесса; п — число реализа­ции. При составлении табл. 50 учтено, что в первом ва­рианте поправка вносится в мгновенные значения X(t) с последующим цифровым усреднением полученного массива. Поправка на неточность дискретного усреднения имеет дисперсию .

Табл. 50 позволяет проанализировать зависимость точ­ности измерений от множества факторов. Так, например, очевидна зависимость точности от объема экспериментальных данных (п, Тр). Ограничение объема экспериментальных дан­ных ограничивает точность измерений. Видна зависимость точности от конструктивных и схемотехнических решений (способа усреднения, значения ). Есть возможность аль­тернативного выбора, а в случае ограничений на выбор — непосредственного расчета точности измерений. Двумя вариантами представлены подходы к метрологическому обеспечению, качество которого определяется значениями и . Весьма наглядна зависимость точности от априорной

ной информации о влияющих факторах ( , ). Если точ­ной информации о параметрах помехи нет, а известен лишь закон распределения их вероятности, то

При р( , ) = р( ) р( ) этот двойной интеграл в каж­дом конкретном случае вычисляется просто.

По табл. 50 в каждом конкретном случае легко найти минимальное значение , т.е. определить максимально воз­можную точность при выбранных условиях и ограничениях.

Подобным образом рассчитывается и анализируется точ­ность измерений и в более сложных случаях, отличающих­ся тем, что приходится учитывать большее количество фак­торов.







Дата добавления: 2015-03-11; просмотров: 1698. Нарушение авторских прав

codlug.info - Студопедия - 2014-2017 год . (0.006 сек.) русская версия | украинская версия