ИССЛЕДОВАНИЕ ВЛИЯНИЯ РАЗЛИЧНЫХ ФАКТОРОВ НА ТОЧНОСТЬ ИЗМЕРЕНИЙ В ПРИБОРОСТРОЕНИИ

RESEARCH THE INFLUENCE OF VARIOUS FACTORS ON MEASUREMENT ACCURACY IN INSTRUMENT ENGINEERING

Danil Davletshin

student, Department of Instrumentation and Mechatronics, Kazan State Power Engineering University,

Russia, Kazan

Oleg Vladimirovich

scientific supervisor, head Departments of Instrumentation and Mechanics,  Kazan State Power Engineering University,

Russia, Kazan

Цель и задачи

Цель исследования заключается в проведении систематического анализа факторов, влияющих на точность измерений в приборостроении, с учетом стандартов и нормативов (в том числе ГОСТов), а также рассмотрение различных методов, применяемых для измерений и повышения точности измерений в различных отраслях.

Для достижения данной цели были сформулированы следующие задачи:

1. Провести обзор стандартов (ГОСТов) по вопросам точности измерений в приборостроении для выявления основных принципов и требований.

2. Рассмотреть методы измерений.

3. Исследовать факторы, влияющие на точность измерений.

4. Изучить методы, используемые для повышения точности измерений.

5. Провести сравнительный анализ эффективности различных методов по повышению точности измерений с целью выявления их преимуществ и недостатков в различных отраслях.

6. Сформулировать практические рекомендации для инженеров, производителей и пользователей приборов с целью повышения точности измерений на основе полученных результатов исследования.

Введение

В современном технологическом мире, где каждый аспект нашей жизни взаимосвязан с научными и техническими достижениями, точность измерений в приборостроении становится неотъемлемой составляющей многих сфер деятельности. От научных исследований, где каждая доля допустимой погрешности может определить правильность гипотезы, до промышленного производства, где недостаточная точность может привести к серьезным финансовым потерям или даже угрожать безопасности потребителей — точность измерений играет решающую роль.

Несмотря на то, что малейшие погрешности в измерениях могут казаться незначительными на первый взгляд, их последствия могут нанести ощутимый ущерб. Именно на основе результатов измерений принимаются важные решения в различных областях — от медицины и аэрокосмической промышленности до технического обслуживания и финансов. Каждое недостоверное измерение может повлечь за собой цепочку ошибок и негативных последствий, оказывая значительное воздействие на развитие технологий, производство и безопасность.

Именно в этом контексте актуальность проблемы повышения точности измерений и выявления факторов, влияющих на нее, становится очевидной. Научное сообщество стремится не только понять и оценить эти факторы, но и разработать методы и технологии, позволяющие минимизировать их воздействие и обеспечивать более точные результаты измерений. Таким образом, вопросы точности измерений остаются в центре внимания ученых, инженеров и производителей, их решение имеет стратегическое значение для развития науки, технологий и промышленности.

Стандарты точности измерений в приборостроении

В России существует ряд государственных стандартов (ГОСТов) и других нормативных документов, которые устанавливают требования к точности измерений, методам испытаний и контроля, а также калибровке приборов. Рассмотрим некоторые из них:

1) ГОСТ Р ИСО 5725 «Точность (правильность и точность измерений) и прецизионность (повторяемость и воспроизводимость результатов измерений) методов испытаний и калибровки» — устанавливает основные принципы и требования к точности измерений, включая определение понятий правильности, точности, прецизионности и их оценку.

2) ГОСТ Р ИСО/МЭК 17025-2009 «Общие требования к компетентности испытательных и калибровочных лабораторий» — этот стандарт устанавливает общие требования к компетентности испытательных и калибровочных лабораторий, включая требования к точности их измерений.

3) ГОСТ 4.446-86 «Система показателей качества продукции. Средства измерения и контроля линейных и угловых размеров в машиностроении. Номенклатура показателей» — устанавливает номенклатуру показателей качества средств измерения и контроля линейных и угловых размеров в машиностроении, включаемых в ТЗ на НИР по определению перспектив развития этой продукции, ГОСТ ОТТ, а также номенклатуру показателей качества, включаемых в разрабатываемые и пересматриваемые стандарты на продукцию, ТЗ на ОКР, ТУ, КУ.

4) ГОСТ Р ИСО 5725-6-2002 "Точность методов и результатов измерений. Часть 6. Определение точности методов и результатов измерений в условиях повторяемости и воспроизводимости стандартного измерительного метода". Этот стандарт регламентирует методы определения точности измерений в условиях повторяемости и воспроизводимости, что является важным аспектом для приборостроения.

Методы измерений в приборостроении

В области приборостроения существуют методы измерений, каждый из которых имеет свои особенности:

- Прямые измерения - непосредственное измерение исследуемой величины с помощью измерительных приборов, таких как линейки, микрометры, весы и т.д., используются для измерения простых геометрических параметров или физических величин.

- Сравнение измеряемой величины с эталоном. Например, сравнение длины с эталонной линейкой или массы с эталонными гирями, применяются в калибровке и поверке измерительных приборов.

- Оптический основан на использовании света или электромагнитных волн для определения параметров объектов, включают в себя измерение длины, углов, скорости, интенсивности света и других характеристик. Примеры оптических методов включают использование лазерных измерительных систем, спектроскопии, интерферометрии и т.д.

- Электрические и электронные основаны на использовании электрических сигналов или электронных устройств для измерения различных параметров. Примерами являются использование вольтметров, амперметров, омметров, осциллографов, а также различных сенсоров, таких как датчики тока, напряжения, температуры и давления.

- Акустические используют звуковые волны для измерения различных параметров объектов. Примеры: использование ультразвуковых датчиков для измерения расстояния, скорости и плотности среды, а также акустической эмиссии для контроля состояния материалов.

- Механические основаны на применении механических принципов для измерения различных параметров. Примеры включают использование рычагов, пружин, весов, динамометров и других механических устройств для измерения силы, давления, момента и других величин.

Факторы, влияющие на точность измерений

Исследование различных факторов, влияющих на точность измерений в области приборостроения, является многогранным процессом, требующим анализа различных аспектов и параметров. В этом контексте рассмотрим несколько ключевых факторов, оказывающих влияние на точность измерений:

А) Качество и состояние приборов: Это один из наиболее очевидных факторов. Качество прибора, его износ, стабильность работы и правильная калибровка существенно влияют на точность измерений.

Б) Температура и влажность: Изменения окружающей среды, такие как колебания температуры и влажности, могут оказывать влияние на материалы приборов и их точность.

В) Электромагнитные помехи: Электромагнитные поля, генерируемые различными источниками, могут искажать сигналы приборов, особенно для электронных приборов.

Г) Механические воздействия: Вибрации, удары и другие механические воздействия могут повреждать приборы и снижать их точность.

Д) Человеческий фактор: Ошибки оператора, неправильная эксплуатация приборов или недостаточная подготовка могут привести к неточным результатам измерений.

Е) Неоднородность измеряемого объекта: Если объект, который мы измеряем, имеет неравномерное распределение свойств (например, плотности или температуры), это может привести к искажению результатов.

Ж) Шумы и помехи: Возникающие шумы и помехи могут маскировать искомый сигнал или добавляться к нему, что приводит к неточным измерениям.

З) Систематические ошибки: Ошибки, которые постоянно возникают в процессе измерений, такие как нулевые смещения или нелинейности прибора.

Методы повышения точности измерений и их сравнительный анализ

В области приборостроения, где точность измерений является краеугольным камнем многих инженерных решений, существует целый спектр методов, предназначенных для обеспечения высокой степени точности и достоверности измерений. Приборостроение является областью, где каждый момент и каждая деталь имеют значение, и точность измерений играет критическую роль в обеспечении качества и надежности продукции.

Одним из наиболее распространенных методов является методика калибровки приборов, основанная на сравнении показаний измеряемого прибора с известными эталонами, что позволяет определить его погрешность и скорректировать показания. Калибровка является ключевым этапом обеспечения точности приборов и обычно проводится периодически в соответствии с требованиями стандартов и нормативов, включая ГОСТы.

Другой важный метод – компенсация ошибок, включает в себя систематическую коррекцию измерений с учетом известных факторов, которые могут влиять на точность. Например, компенсация температурных изменений или воздействия внешних электромагнитных полей может значительно повысить точность измерений в различных условиях эксплуатации.

Необходимо также упомянуть методы статистического анализа данных, которые позволяют оценить и учесть случайные флуктуации и шумы, возникающие в процессе измерений. К этому методу относится использование различных математических моделей и алгоритмов для определения наиболее вероятных значений измеряемых параметров и оценки их погрешности. Особенно полезен при работе с большим объемом данных, но требует математических навыков для правильной интерпретации результатов.

Кроме того, в современном приборостроении широко используются методы метрологической поддержки, такие как создание и поддержание эталонов, разработку методик испытаний и калибровки, а также аккредитацию лабораторий и центров измерений. Обеспечивают стандартизацию и надежность измерений, но могут быть дорогостоящими и требовательными к ресурсам.

Практические рекомендации

На основании проведённого исследования и анализа информации для обеспечения высокой точности измерений в приборостроении рекомендуется следующее:

Во-первых, предусмотреть регулярную калибровку и проверку приборов в соответствии с установленными стандартами и рекомендациями производителей. Этот процесс должен быть систематическим и включать в себя не только сам процесс калибровки, но и документирование полученных результатов и последующее обновление настроек приборов.

Кроме того, для улучшения точности измерений следует применять методы компенсации систематических и случайных ошибок, что включает в себя анализ возможных источников ошибок, разработку соответствующих корректирующих алгоритмов и их внедрение в работу приборов.

Важно проведение статистического анализа данных для фиксации уровня неопределенности измерений и учёта её при интерпретации результатов. Для этого необходимо использовать соответствующие математические методы, такие как методы оценки погрешности и построения доверительных интервалов.

Производителям и инженерам рекомендуется создавать и поддерживать эталоны для обеспечения высокой точности измерений. Это включает в себя не только поддержание эталонов в рабочем состоянии, но и проведение регулярных межлабораторных сравнений для подтверждения их достоверности.

Обучение персонала также играет ключевую роль в обеспечении точности измерений. Важно проводить регулярные тренинги и обучающие программы, охватывающие как теоретические аспекты измерений, так и практические навыки работы с приборами.

И, наконец, важно поощрять и поддерживать инновационные исследования и разработки в области приборостроения. Это может включать в себя разработку новых методов измерений, использование новых материалов и технологий, а также создание новых типов приборов, способных обеспечить более точные результаты.

Проведение данных мероприятий поможет обеспечить не только повышение точности измерений, но и создание более надежных и эффективных приборов для различных областей применения.

Список литературы:

1. Белоусов М.Д Оценка точности измерения термопреобразователей сопротивления в процессе работы // Вестник ЮУрГУ. Серия «Компьютерные технологии, управление, радиоэлектроника». - 2019. - Т. 19, № 3. - С. 68–78.
2. Тарбеев Ю.В. Новый этап в развитии метрологического обеспечения датчиков / Ю.В. Тарбеев, А.Ю. Кузин, Р.Е. Тайманов, АЛ. Лукашев // Измерительная техника. – 2007. – № 3. – С. 69–72.
3. Фридман, А.Э. Теория метрологической надежности средств измерений / А.Э. Фридман // Измерительная техника. – 1991. – № 11. – С. 3–10.
4. Murawski, K. New Vision Sensor to Measure Gas Pressure / K. Murawski // Measurement Science Review. – 2015. – Vol. 15, no. 3.
5. Zhigang Feng. Design and Implementation of Self-validating Pneumatic Actuator Hardware System Based on DSP and MCU / Zhigang Feng, Meng Qiu // International Journal of Hybrid Information Technology. – 2014. – Vol. 7, no. 6. – P. 101–114