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: 2015-02-05; просмотров: 6394;