2 Методы повышения точности виброакустических измерений

Анализ причин появления погрешностей измерений, выбор способов их обнаружения и уменьшения являются основными этапами процесса измерений. Погрешности измерений, принято делить на систематические и случайные. В процессе измерений систематические и случайные погрешности проявляются совместно и образуют нестационарный случайный процесс. Деление погрешностей на систематические и случайные является удобным приемом для их анализа и разработки методов уменьшения их влияния на результат измерения [3].

При подготовке и проведении высокоточных измерений в метрологической практике учитывают влияние объекта измерения, субъекта, метода измерения, средства измерения, условий измерения. Так, объект должен быть всесторонне изучен; элемент субъективизма в результатах измерения должен быть сведен к минимуму; учитывают факторы и условия, которые могут искажать результаты измерений. Поэтому необходимо соблюдать методику выполнения измерений, чтобы получить результаты с минимальной погрешностью.

2.1 Методы повышения точности измерений

На практике наиболее часто применяются следующие методы и способы для того чтобы повысить точность измерений:

1) Замена менее точного средства измерения на более точное.

При отсутствии более точного средства измерений его можно разработать.

Данный способ повышения точности измерений используется, когда преобладает инструментальная составляющая погрешности измерений.

Для измерительных каналов на более точные заменяют только те средства измерений, погрешности которых преобладают при расчете суммарной погрешности канала.

2)   Выбор верхнего предела измерений средств измерений, для которых нормированы приведенные основная и дополнительная погрешности, таким, чтобы ожидаемые значения измеряемой величины находились в последней трети предела измерений.

Таким способом можно уменьшить относительную погрешность средств измерений.

3) Ограничение условий применения средств измерений.

Этим способом пользуются в случае доминирования дополнительных погрешностей средств измерений, которые возникают, например, при значительных отклонениях от нормальных значений температуры окружающего воздуха; при влиянии электромагнитных полей, вибрации и т.д.

В этих случаях уменьшают подобные влияния путем установки кондиционеров, защитных экранов от электромагнитного воздействия, амортизаторов для снижения вибрации.

4) Индивидуальная градуировка средства измерений.

Данный способ повышения точности измерений применяется в случае преобладания систематических составляющих погрешности средств измерений. Систематические составляющие погрешности средств измерений (например, для термометров сопротивления и термопар) можно значительно уменьшить путем внесения в результаты измерений поправок, полученных при индивидуальной градуировке [4].

5) Использование метода замещения.

С помощью такого метода исключают систематические погрешности. Он заключается в том, что после измерения измеряемая величина заменяется переменной образцовой мерой, значение которой подбирается таким образом, чтобы в измерительной схеме получить одинаковое показание прибора. При этом значение измеряемой величины принимается равным значению образцовой меры.

Пример: измерение электрического сопротивления на мосте постоянного тока.

6) Внедрение способов контроля работоспособного состояния средств измерений в процессе их эксплуатации.

Это мероприятие способствует выявлению, исключению или снижению метрологических отказов в средствах измерений. Во многих случаях системы контроля работоспособности средств измерений в процессе эксплуатации эффективны без каких-либо ограничений на составляющие погрешности средств измерений и их случайный или систематический характер.

7) Автоматизация измерительных процедур.

Такое мероприятие снижает трудоемкость измерений, способствует исключению субъективных погрешностей, возникающих при обработке диаграмм, вычислении промежуточных и конечных результатов измерений, приготовлении проб для анализов и других операций, выполняемых человеком.

8) Использование метода обратного преобразования.

Метод используется для автоматической коррекции погрешности средств измерений. Подбирается такой обратный преобразователь, статическая реальная функция преобразования которого должна совпадать с функцией, обратной номинальной характеристике преобразования средства измерений. Обратный преобразователь должен быть значительно точнее прямого преобразователя [4].

На вход обратного преобразователя подается реальный выходной сигнал средства измерений. Разность двух сигналов – входной сигнал средства измерений минус выходной сигнал обратного преобразователя - соответствует погрешности средства измерений и может использоваться для выработки корректирующего сигнала в системе настройки и в системе введения поправок.

При этом методе корректируются инструментальные погрешности любого происхождения, т.к. точность коррекции определяется высокой точностью обратного преобразователя. Коррекция осуществляется в течение всего режима измерения. Метод широко используется при измерении, например, электрических величин.

9) Выполнение многократных наблюдений с последующим усреднением их результатов.

Этот метод применяется при преобладании случайной составляющей погрешности измерений. Как известно, случайная составляющая погрешности измерений среднего значения меньше случайной составляющей погрешности измерений текущих значений.

Метод используется тогда, когда в течение интервала времени усреднения не происходит заметное изменение текущих значений измеряемой величины, но погрешность измерений текущих значений в течение этого, же интервала существенно меняется.

10) Использование тестовых сигналов.

Этот метод повышения точности измерений применяется в измерительных системах для измерений электрических и неэлектрических величин. Суть метода состоит в определении параметров статической функции преобразования (СФП) с помощью дополнительных преобразований тестов, каждый из которых функционально связан с измеряемой величиной. Тестовые методы позволяют повышать точность измерений за счет уменьшения систематических и так называемых квазисистематических погрешностей.

11) Использование информационной избыточности.

Информационная избыточность – такое состояние измерительной информации, при котором она больше необходимой для реализации функций управления объектом.

Пример использования информационной избыточности для повышения точности измерений - включение в измерительную систему дополнительных средств измерений, измеряющих одну и ту же величину, и усреднение их показаний [4].

Другой пример - наличие связей между измеряемыми величинами, обусловленных свойствами объекта измерений или управления. Эти связи могут быть использованы для исключения промахов при измерении отдельных величин и для повышения точности измерений всей совокупности измеряемых величин.

12) Разработка или совершенствование методик выполнения измерений.

Если доминируют методические составляющие погрешности измерений, то этот способ повышения точности измерений является единственно эффективным. В ИИС и АСУ ТП составляющие методической погрешности измерений, обусловленные отличием алгоритма вычислений от функции, строго определяющей зависимость результатов вычислений от аргументов, измеряемых прямым методом величин, уменьшают применением более совершенного алгоритма.

При существенной методической погрешности измерений средних или интегральных значений, обусловленной ограниченным числом "точек" измерений или отклонениями действительных значений от номинальных значений не измеряемых величин, входящих в функцию в виде констант, соответствующее совершенствование методики выполнения измерений дает заметный эффект в повышении точности измерений. Методики выполнения измерений могут быть усовершенствованы изменением алгоритма обработки результатов измерений. В этом случае проводят аттестацию алгоритма в соответствии с нормативными документами.

К наиболее приемлемым методам и способам повышения точности виброакустических измерений из приведенных можно отнести следующие:

1) Замена менее точного средства измерения на более точное.

2) Выбор верхнего предела измерений средств измерений, для которых нормированы приведенные основная и дополнительная погрешности, таким, чтобы ожидаемые значения измеряемой величины находились в последней трети предела измерений.

3) Ограничение условий применения средств измерений.

4) Автоматизация измерительных процедур.

5) Выполнение многократных наблюдений с последующим усреднением их результатов.

6) Использование информационной избыточности.

7) Разработка или совершенствование методик выполнения измерений.

8) Индивидуальная градуировка средства измерения.

Далее рассмотрим на некоторых примерах возможность применения некоторых из этих методов.