Меню

Средства измерений при проведении экспериментов



Подготовка и выполнение измерительного эксперимента

Умение проводить научные исследования становится для инженера необходимостью, так как часто лишь с их помощью удается учесть особенности конкретных условий производства и выявить резервы повышения его эффективности.

Эксперимент является главным орудием научного метода познания, на котором основывается наука. Лишь эксперимент, дающий повторяющиеся результаты и поддающийся воспроизведению разными исследователями, позволяет установить или подтвердить научную истину. Эксперимент включает в себя ряд опытов, в процессе каждого из которых происходит воспроизведение исследуемого явления в определенных условиях проведения эксперимента при возможности регистрации его результатов.

Для проведения метрологического эксперимента необходимо:

· определиться с методикой выполнения измерений;

· выбрать метод измерения, средство измерения и вспомогательные устройства;

· подготовиться к измерению и опробованию средства измерений;

· осуществить контроль условий выполнения измерений;

· установить число наблюдений при измерении;

· учесть систематические погрешности и уменьшить их;

· обработать результаты наблюдений и оценить погрешность измерений;

· интерпретировать и представить результаты измерений;

· округлить результаты наблюдений и измерений.

Методика выполнения измерений (МВИ) – нормативно-технический документ, в котором установлена совокупность операций и правил, выполнение которых обеспечивает получение необходимых результатов измерений. В МВИ должны устанавливаться:

· ее назначение, нормы точности и область применения;

· метод (методы) измерений;

· требования к средствам измерений и вспомогательным устройствам, необходимым для выполнения измерений;

· требования к безопасности, включая экологическую безопасность;

· требования к квалификации операторов;

· условия выполнения измерений;

· операции подготовки к выполнению измерений;

· экспериментальные операции, выполняемые для получения результатов наблюдений при измерении;

· способы обработки результатов наблюдений и оценки показателей точности измерений;

· требования к оформлению результатов измерений.

Разработку или выбор МВИ начинают с анализа объекта, условий и цели измерений и установления соответствующей модели объекта измерений. Под моделью объекта измерений (ОИ) понимают формализованное описание ОИ, основанное на совокупности уже имеющихся знаний об ОИ. В качестве измеряемых величин следует выбирать такие параметры или характеристики модели ОИ, которые наиболее близко соответствуют цели измерений.

Погрешностями модели можно пренебрегать, если они не превышают 10 % от допускаемой погрешности измерений.

Выбор метода измерений определяется принятой моделью ОИ и доступными СИ. Под методом измерений понимают прием или совокупность приемов сравнения измеряемой величины с ее единицей (или шкалой) в соответствии с реализованным принципом измерений.

При выборе метода измерений добиваются того, чтобы погрешность метода измерений, то есть составляющая систематической погрешности измерений, обусловленная несовершенством принятых модели и метода измерений, не сказывалось заметно на результирующей погрешности измерения, то есть не превышала 30 % от нее. Изменения измеряемых параметров модели в течение цикла наблюдений не должны превышать 10 % от заданной погрешности измерения. Если возможны альтернативы, учитывают и экономические соображения: ненужное завышение точности модели и метода измерения приводят к необоснованным затратам. То же относится и к выбору СИ.

Выбор средств измерений и вспомогательных устройств определяется измеряемой величиной, принятым методом измерений и требуемой точностью результата измерений. Измерения с применением СИ недостаточной точности малоценны, так как могут быть причиной неправильных выводов. Применение излишне точных СИ экономически невыгодно. Учитывают также диапазон изменений измеряемой величины, условия измерений, эксплуатационные качества СИ, их стоимость.

Основное внимание уделяют погрешностям СИ. При этом добиваются выполнения условия:

где ∆Д – предельно допускаемая погрешность результатов измерений; ∆мод – предельная погрешность модели измерений; ∆м – предельная погрешность метода измерений; ∆СИ – предельная погрешность средства измерений; ∆усл – дополнительные погрешности, обусловленные воздействием влияющих факторов условий измерений; ∆о – предельная погрешность оператора.

Этот критерий выбора СИ достаточно надежен, но дает завышенную на 20-30 % оценку суммарной погрешности измерения ∆. Если такой запас по точности не допустим, суммирование составляющих ∆ следует произвести по формулам для случайных погрешностей.

Подготовка к измерениям и опробование средств измерений. При подготовке к измерениям оператор должен:

1. Подготовить ОИ и создать необходимые условия измерений – установить в рабочее положение, включить питание, охлаждение, прогреть его необходимое время и т. п.

Читайте также:  Для измерения мышечной силы рук используются

2. Опробовать СИ. Проверить действие органов управления, регулировки, настройки и коррекции. Если СИ снабжены средствами самокалибровки, выполнить соответствующие операции.

3. Провести 2-3 пробных наблюдения и сравнить результаты с ожидаемыми. При непредвиденно большом расхождении результатов проанализировать причины и устранить их.

Контроль условий выполнения измерений. Сохранение метрологических характеристик СИ гарантируется для нормальных условий измерений (табл. 2.1). Однако реальное проведение измерений в этих нормальных условиях маловероятно. Поэтому в эксплуатационной документации (ЭД) на СИ указывают пределы нормальной области значений влияющих величин, выходить за которые при выполнении измерений не допускается из-за возникновения дополнительной погрешности СИ. Рекомендуется выделить рабочее пространство, действием влияющих величин внутри которого можно пренебречь.

По ГОСТ 8.050-73 «Нормальные условия выполнения линейных и угловых измерений» и ГОСТ 8.395-80 «Нормальные условия измерений при поверке» предусмотрены пределы нормальной области значений влияющих величин, которые устанавливаются в зависимости от допусков и диапазона измеряемых размеров.

СИ влияющих величин выбирают такими, чтобы их погрешность не превышала 30 % от допустимых изменений влияющих величин.

Источник

Тема 2. Измерительный эксперимент

Цель:Ознакомить с содержанием измерительного эксперимента

План:

2.1. Понятие эксперимента

2.2. Методика проведения измерительного эксперимента

Основные понятия: измерительный эксперимент, прямые, косвенные, совокупные и совместные измерения

Эксперимент (от лат. experimentum — «проба», «опыт») — метод познания, с помощью которого исследуются реальные явления действительности, реальные функциональные связи между параметрами, характеризующими состояние изучаемого объекта.

В технике и точных науках эксперимент связан с измерениями. Поэтому его называют измерительным экспериментом.

Измерительный эксперимент включает в себя подготовку, проведение измерений и обработку полученных экспериментальных данных.

Проведение измерительного эксперимента должно быть основано на применении известной (типовой) или специально разработанной (частной) методике выполнения измерений.

Методика выполнения измерений (методика измерений) — это совокупность метода, средств, процедур и условий подготовки и проведения измерений,а также правил обработки результатов измерений.Методики выполнения измерений разрабатываются метрологическими службами.

Различают прямые, косвенные, совокупные и совместные измерения.

Прямыми называют измерения, при которых искомое значение величины находят непосредственно из опытных данных. Математически прямое измерениеописывается следующим уравнением:

X = A[X] , (1)

где X — измеряемая физическая величина;

А — числовое значение физической величины;

[X] — единица физической величины.

Косвенными называют измерения, при которых искомое значение величины находят на основании известной зависимости между этой величиной и величинами, подвергаемыми прямым измерениям. При косвенных измеренияхпутем прямых измеренийнаходят значения величин-аргументов, а значение измеряемой величины Y определяют путем вычислений по формуле:

Y = f(X1, X2, . , Xj, . Xm) , (2)

Совокупными называют проводимые одновременно измерениянескольких одноименных величин, при которых искомое значение величины находят решением системы уравнений, получаемых при прямыхизмерениях различных сочетаний этих величин или ряда других величин, функционально связанных с искомыми.

Совместными называют проводимые одновременно измерения двух или нескольких неодноименных величин для нахождения зависимости между ними. Получение результатов совместных измерений также связано с необходимостью составления и решения системы уравнений.

Все перечисленные виды измерений (прямые, косвенные, совокупные и совместные) по числу измерений, проводимых для получения результата, могут быть однократными (обыкновенными) и многократными (статистическими).

При постановке измерительного эксперимента прежде всего требуется определить, какие (однократные или многократные) измерения следует осуществлять для определения значения измеряемой физической величины.

Общим здесь является следующий подход:

— если систематическая погрешность(понятия систематической и случайной погрешностей является определяющей, т.е. ее значение существенно больше значения случайной погрешности, то целесообразно использовать однократные измерениядля получения значения измеряемой величины;

— если случайная погрешностьявляется определяющей, то необходимо использовать многократные измерения.

Чрезвычайно важным при выборе многократных и однократных измерений является представление о диффузионности физической величины, под которой понимают невоспроизводимость значений величины от опыта к опыту.

Разброс результатов измеренийв общем случае описывается выражением:

Dр = , (3)

где — диффузионность физической величины;

— абсолютная погрешность средства измерений.

Абсолютную погрешностьсредства измерений можно принять равной половине цены деления шкалы аналогового прибора или единице младшего разряда цифрового прибора.

Из выражения (3) можно количественно определить соотношение между и , при котором следует проводить однократные и многократные измерения, а именно:

Читайте также:  Приборы при измерения земельного участка

— если >> , то необходимо использовать многократные измерения(как правило, целесообразно исходить из соотношения >3 );

— если о , 2008. — 244с.

3. Основы научных исследований: учебник для технических вузов / Крутов В.И., Грушко И.М., Попов В.В. – М.: Высшая школа, 1989. — 400с.

4. Шкляр М.Ф. Основы научных исследований. – М.: Центр, 2006. – 397с.

5. Рузавин Г.И. Логика и методология научного поиска. – М.: ЮНИТИ-ДАНА, 1996. – 328 с.

Источник

МЕТОДЫ ОЦЕНКИ ИЗМЕРЕНИЙ. СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ

Рис. 7.1. Классификация экспериментов

Всложном экспериментеизучаются явления или объекты с разветвлённой структурой (можно выделить иерархические уровни с большим количеством взаимодействующих элементов, выполняющих сложные функции).

Информационный эксперимент используется для изучения воздействия определённой информации на объект исследования (чаще всего используется в биологии, психологии, социологии и т.п.). При этом изучается изменение состояния объекта под влиянием сообщаемой ему информации.

Вещественный эксперимент используется для изучения влияния различных вещественных факторов на состояние объекта исследования.

Энергетический эксперимент предполагает изучение воздействия различных видов энергии на объект исследования.

Обычный (классический) эксперимент включает экспериментатора как познающего субъекта; объект исследования и средства (инструменты, приборы, установки), при помощи которых осуществляется эксперимент. При этом экспериментальные средства непосредственно взаимодействуют с объектом исследования, являясь посредниками между экспериментатором и объектом.

Модельный эксперимент в отличие от обычного имеет дело с моделью исследуемого объекта. Модель входит в состав экспериментальной установки, замещая не только объект исследования, но часто и условия, в которых изучается некоторый объект. Модельный эксперимент расширяет возможности исследования, но и имеет ряд недостатков, связанных с тем, что различие между моделью и реальным объектом может привести к ошибкам.

Различие между орудиями эксперимента при моделировании позволяет выделить мысленный и материальный эксперимент. Орудиями мысленного эксперимента являются мысленные модели исследуемых объектов (чувственные образы, образно-знаковые, знаковые модели). Структура мысленного эксперимента включает: построение мысленной модели объекта исследования, идеализированных условий эксперимента и воздействий на объект; сознательное и планомерное изменение, комбинирование условий эксперимента и воздействий на объект; применение на всех стадиях эксперимента объективных законов науки. В результате такого эксперимента формируются выводы.

Материальный эксперимент имеет аналогичную структуру. Однако здесь используют материальные объекты исследования. Сходство мысленного эксперимента с реальным определяется тем, что всякий реальный эксперимент, прежде чем быть осуществлённым на практике, сначала проводится человеком мысленно. Поэтому мысленный эксперимент часто выступает в роли плана реального эксперимента. Мысленный эксперимент имеет более широкую сферу применения, так как используется не только при подготовке реального эксперимента, но и тогда, когда проведение реальных опытов невозможно.

Пассивный эксперимент предусматривает измерение только вы­бранных показателей в результате наблюдения за объектом без искусствен­ного вмешательства при нормальной его эксплуатации, без внесения ка­ких-либо искусственных возмущений. Пассивный эксперимент, по существу, является наблюдением, кото­рое сопровождается измерением выбранных показателей.

Приактивном эксперименте информацию о параметрах процесса получают путем искусственного внесения возмущений, т.е. изменяют входные параметры в соответствии с заранее спланированной программой. Активный эксперимент связан с выбором входных параметров и контролирует вход и выход исследуемой системы.

Однофакторный эксперимент предполагает выделение нужных факторов; стабилизацию мешающих факторов; поочередное варьирование интересующих исследователя факторов.

Стратегия многофакторного эксперимента состоит в том, что варь­ируются все переменные сразу и каждый эффект оценивается по результа­там всех опытов, проведенных в данной серии экспериментов.

Технологический эксперимент направлен на изучение элементов технологического процесса или процесса в целом.

Социометрический эксперимент используется для измерения существующих межличностных социально-психологических отношений в малых группах с целью их последующего изменения.

Приведённая классификация экспериментальных исследований не может быть признана полной, поскольку с расширением научных знаний рас­ширяется и область применения экспериментов. Кроме того, различные его типы могут объединяться, образуя комплексные или комбинированные эксперименты.

Проведение экспериментов связано с большими затратами вре­мени и средств. Поэтому прежде чем приступить к исследованию, необхо­димо разработать методологию эксперимента.

Методология эксперимента — это общая структура эксперимента, т.е. постановка и последовательность выполнения экспериментальных иссле­дований. Она включает в себя следующие основные этапы:

выбор средств для проведения эксперимента;

Читайте также:  102 фз область обеспечения единства измерений

обработка и анализ экспериментальных данных.

В случае применения математической теории планирования методология эксперимента включает такие этапы:

выбор средств для проведения эксперимента;

математическое планирование эксперимента;

обработка и анализ данных.

План-программа эксперимента включает: цель и задачи эксперимента; выбор варьируемых факторов; обоснование объёма эксперимента, числа опытов; порядок реализации опытов, определение последовательности изменения факторов, задание интервалов между будущими экспериментальными точками; обоснование средств измерений; описание проведения эксперимента; обоснование способов обработки и анализа результатов эксперимента.

МЕТОДЫ ОЦЕНКИ ИЗМЕРЕНИЙ. СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ

Классификация измерений

Измерения являются основной составной частью любого экспе­римента. От тщательностиизмерений ипоследующихвычислений зависят результаты эксперимента. Поэтому каждый экспериментатор должен знатьзакономерности измерительных процессов: уметь правильно измерить изучаемые величины; оценитьпогрешность при измерениях; правильно, с требуемой точностью вычислитьзначениявеличин и их минимальноеко­личество, определить наилучшие условия измерений, при которых ошибки будут наименьшими, и произвести общий анализ результатов измерений.

Измерение — это процесс нахождения какой- либо физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств, это познава­тельный процесс сравнения величины чего-либо с известной величиной, при­нятой за единицу (эталон).

Теорией и практикой измерений занимается метрология – наука об измерениях, методах и средствах обеспечения их единства и способах достижения требуемой точности.

Измерения можно подразделить на статические, когда измеряемая величина не изменяется, (масса, толщина) и динамические, когда измеряемая величина меняется (например, измерение пульсирующих процессов).

Различают также прямыеи косвенныеизмерения.

При прямых измерениях искомую величину устанавливают не­посредственно из опыта, при косвенных — функционально от других величин, определённых прямыми измерениями b = f(a), где b -величина, найденная с помощью косвенных измерений; a — то же, но с помощью прямых измерений.

Кроме того измерения разделяются на абсолютные и относительные. Абсолютные— это прямые измерения в единицах измеряемой величины. На­пример, абсолютная влажность (в %), абсолютное удлинение (в мм.).

Относительные — измерения, представленные отношением измеряемой вели­чины к одноименной величине, принимаемой за сравнимую. Например, отно­сительная влажность (в %), относительное удлинение (в %).

В исследованиях применяются совокупные и совместные измерения. Совокупные — производимые одновременно измерения нескольких одно­именных величин, при которых искомую величину находят решением сис­темы уравнений, получаемых при различных сочетаниях этих величин. Например, измерения, при которых массы отдельных гирь находят по из­вестной массе одной из них и по результатам прямых сравнений масс различ­ных сочетаний гирь.

Совместные— производимые одновременно измерения нескольких неодно­родных величин для нахождения зависимости между ними.

В зависимости от точности различают три класса измерений:

1. Особо точные — эталонные измерения с максимально возможной точно­стью. Этот класс почти не применяется в экспериментальных исследованиях.

2. Высокоточные — измерения, погрешность которых не превышает за­данных значений. Этот класс измерений используется при некоторых наибо­лее ответственных экспериментах, а также для контрольно-поверочных из­мерений приборов.

3. Технические измерения, в которых погрешность определяется особенно­стями средств измерения.

В экспериментальных методах используется несколько основных методов измерения.

Метод непосредственной оценки – значение величины определяют непосредственно по отсчётному устройству измерительного прибора прямого действия (например, измерение массы на циферблатных весах). Измерение этим методом обычно требует меньше времени, но даёт сравнительно невысокую точность.

Значительно более точным является метод сравнения, при котором измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой. Метод сравнения может быть нулевым, дифференциальным или замещения.

Нулевой метод – на измерительный прибор одновременно действуют две величины (измеряемая и воспроизводимая меры), измерение производится в момент, когда суммарное действие этих величин равно нулю.

Дифференциальный метод отличается от нулевого только тем, что мера не полностью компенсирует измеряемую величину и эта нескомпенсированная разность фиксируется индикатором.

Наиболее точным методом сравнения является метод замещения, при котором измеряемая величина заменяется в измерительной схеме мерой. Мера после установки настраивается таким образом, чтобы измерительная схема пришла в состояние, идентичное состоянию до замены. При этом никаких изменений в состоянии и действии измерительной схемы не происходит, вследствие чего погрешность измерительных приборов мало влияет на точность измерения.

Метод совпадения – разность между измеряемой величиной и величиной воспроизводимой мерой измеряется с использованием совпадения отметок шкал или периодических сигналов.

Источник