Основные метрологические характеристики средств измерений

При испытании сооружений и их моделей получение информации о работе изучаемой системы основано на измерении физических величин с помощью технических средств. Достоверность полученных эксперимен­тальных данных зависит от выбранных параметров средств измерений, от того, в какой мере метрологические характеристики средств измерений от­вечают требованиям проводимого эксперимента.

К основным параметрам, характеризующим средства измерения, относятся: статическая градуировочная характеристика, чувствительность измерительного прибора (преобразователя), коэффициент преобразования, порог чувствительности, диапазон измерений, информативность, динами­ческие характеристики - амплитудно- и фазочастотная, переходная, а также время установления показаний.

Вид функции преобразования средства измерений определяет его градуировочная характеристика, устанавливающая зависимость между зна­чениями величины на входе и выходе.

Отношение изменения сигнала на выходе измерительного прибо­ра к вызывающему его изменению на входе - называется чувстви­тельностью прибора.

При динамической градуировке измерительных преобразователей регистрируется их реакция на эталонные сигналы в виде гармонических колебаний различной частоты или импульсных воздействий. В условиях установившихся гармонических колебаний получают амплитудно-частотную характеристику и устанавливают степень нелинейности ампли­тудной характеристики.

Амплитудно-частотная характеристика представляет зави­симость чувствительности градуируемого средства измерений от частоты колебаний, а степень нелинейности - зависимость чувствительности от ам­плитуды сигнала при фиксированной частоте.

Переходная характеристика приборов устанавливает связь между заданным скачкообразно изменяющимся во времени входным сиг­налом и мгновенным значением выходного сигнала.

Инструментальная погрешность отражает конструктивные особенности измерительного преобразователя и включает погрешности его градуировки.

Методические погрешности возникают от того, что первичный преобразователь неправильно воспринимает или искажает измеряемую величину

Суммарная погрешность средства измерения, возникающая при нормальных условиях аттестации прибора (при температуре воздуха 20°С, влажности 60% и др.), называется основной погрешностью.

Дополнительные погрешности приводятся обычно в виде коэф-
фициентов или функций влияния которые нормируются отдельно для каждого влияющего фактора: температуры, влажности и т. д.

Основная и дополнительная погрешности включают случайные и систематические составляющие.

Случайная составляющая погрешности измерений возникает по неизвестным причинам и проявляется в том, что при повторных измере­ниях постоянной величины получают различные се значения, т. е. имеет место некоторый разброс значений результатов измерений. Для уменьше­ния случайной составляющей погрешности измерения увеличивают число повторных измерений.

Систематическую погрешность вызывает неправильно опреде­ленная чувствительность, несовпадение градуировочных характеристик при прямом и обратном ходе. Систематические погрешности вызывают также постоянно действующие влияющие факторы.

Основы теории планирования эксперимента

Первым этапом планирования эксперимента является построение математической модели исследуемого явления. Для этого необходимо ус­тановить соотношения между изучаемыми параметрами и измеряемыми величинами, что позволяет обоснованно подобрать средства измерения, уровень допустимых погрешностей, выбрать способ обработки опытных данных и форму представления результатов исследования.

После того как сформулированы задачи исследования и составлена модель изучаемого явления, должны быть установлены: область определе­ния факторов; способы их измерения; число уровней и значения интервалов варьирования каждого фактора.

фактора.

Область определения факторов, как правило, ограниченна. Ограни­чением верхнего предела является, например, некоторый предельный уро­вень возможных деформаций (перемещений), а нижнего предела - точность измерения. Чем ниже точность измерений, тем меньше возможное число дискретных значений или уровней фактора.

Назначение числа уровней факторов зависит также от характера функции отклика. В случае, когда функция отклика известна, уровни выби­рают такими, чтобы получить значения экспериментальных данных вблизи характерных точек

Таким образом, область определения факторов и принятое число уровней позволяют установить факторное пространство плана.

Если эксперимент невоспроизводимый, как в случае получения диаграммы деформирования материала, то сама последовательность нагру­жения не может быть назначена произвольно, поэтому в таком эксперимен­те может быть применен только последовательный план. Однако и здесь при проведении повторных опытов возможна рандомизация условий экспе­римента с целью усреднения влияния внешних неконтролируемых факто­ров или факторов, которые не учитываются принятой математической мо­делью исследуемого явления.

Например, при испытании образцов для получения диаграммы деформирования бетона экспериментатор располагает кубиками четырех типоразмеров. Для сокращения времени проведения эксперимента кубики предполагается испытывать параллельно на четырех прессах разной мощ­ности. При этом известно, что и масштабный фактор, и различие накоплен­ной упругой энергии в системе «образец-машина» оказывают влияние на результаты испытаний. Однако учесть влияние этих факторов не представ­ляется возможным: эксперимент по-прежнему однофакторный и внешние переменные необходимо компенсировать.

Многофакторный эксперимент. Если изучаемое явление опи­сывается функцией нескольких независимых переменных, то такой экспе­римент называется многофакторным и при его планировании используют либо факторный план, либо классический план. Классический план строит­ся так, чтобы в каждом опыте варьировалась лишь одна переменная, а значения всех остальных независимых переменных поддерживались на опре­деленном, постоянном уровне. Поочередно варьируя каждую независимую переменную, устанавливают исследуемые зависимости.

Таким образом, классический план многофакторного эксперимен­та представляет собой совокупность однофакторных экспериментов. Тако­му подходу свойственны следующие недостатки.

Во-первых, не всегда удается стабилизировать все независимые переменные и поддерживать их значения на заданном уровне.

Во-вторых, при равных объемах экспериментов, построенных по схеме классического и факторного плана, точность последнего существенно выше.