План

Поняття вимірювання і вимірювальної інформації. Вимірювальні сигнали, перетворення вимірювальних сигналів,  форми вимірювальної інформації. Поняття результату і похибки вимірювання. Принцип, метод, режим, алгоритм і процес вимірювання. Методики виконання вимірювань. Лічба, контроль, розпізнавання образів, діагностика стану об'єктів і їх зв'язок з вимірюваннями.

 

Поняття вимірювання і вимірювальної інформації

Поняття вимірювання можна визначити як пізнавальний процес, який полягає у порівнянні шляхом фізичного експерименту даної фізичної величини з певним її значенням, яке взято за одиницю порівняння.

На початку 60-х років виникли спроби визначити поняття вимірювання в інформаційному аспекті. У визначеннях, що запропоновані різними авторами, вимірювання трактується як перетворення і одержання інформації про значення ФВ. Загальновизнаного визначення поняття вимірювання в інформаційному аспекті ще немає.

Згідно з ДСТУ 2681-94 Метрологія. Терміни і визначення, вимірювання - відображення вимірюваних величин їх значеннями шляхом експерименту та обчислень за допомогою спеціальних технічних засобів (можна порівняти з поширеним визначенням, що було дане в ГОСТі 16263-70 вимірювання - знаходження значень ФВ дослідним шляхом з допомогою спеціальних технічних засобів). Вимірювальна інформація - інформація про значення вимірюваних ФВ. Ці стандартні визначення не викликають сумнівів щодо правильності і приваблюють своєю лаконічністю. Проте, оскільки ці поняття не належать до елементарних, їх суть нелегко викласти у лаконічно сформульованих визначеннях.

Специфіка поняття вимірювання проявляється в трьох його ознаках, поєднанням яких воно відрізняється від суміжних понять.

Перша ознака характеризує безпосередню мету вимірювань - знайти значення даної конкретної величини. У згаданих визначеннях ця ознака відображається висловами "пізнавальний процес", "одержання інформації", "знаходження значень величин".

Друга ознака - шлях, яким знаходять значення вимірюваної величини. Це - фізичний експеримент (дослід), який здійснюється за допомогою спеціальних технічних засобів.

Третя ознака - сутність знаходження значення вимірюваної величини, якою є порівняння інформації про даний розмір величини з інформацією про розмір її одиниці або про певний інший її розмір (відносні вимірювання).

З врахуванням цих ознак поняття вимірювання можна визначити як знаходження значень ФВ дослідним шляхом з допомогою спеціальних технічних засобів на підставі порівняння інформації про даний розмір величини з інформацією про розмір її одиниці або про певний інший її розмір.

Загальновизнаного визначення поняття інформації ще нема. Існує думка, що воно належить до первинних понять і визначенню не підлягає. У загальному аспекті інформація як філософська категорія виражає об’єктивну властивість матерії бути різноманітною.

Інформація про розмір ФВ міститься в самій цій величині, існує об’єктивно і незалежно від того, підлягав величина вимірюванню чи ні. Очевидно, якщо величина вимірюванню не підлягає, то інформація про її розміри не є вимірювальною. Інформація про розміри вимірюваної величини стане вимірювальною тоді, коли буде поданою як добуток її істинних числових значень на розмір одиниці ФВ.

Множина істинних значень вимірюваної величини і множина її істинних числових значень є імовірнісними множинами, що пов’язані між собою через вибрану одиницю, яка відіграє роль коду. Отже, множина істинних числових значень вимірюваної величини становить вимірювальну інформацію про розмір ФВ.

Вимірювальна інформація, що міститься у вимірюваній ФВ, в процесі її добування перетворюється і частково втрачається. Внаслідок втрат одержана вимірювальна інформація про значення вимірюваної величини, тобто здобута в процесі вимірювання, кількісно дещо відрізняється від вимірювальної інформації, що міститься в цій величині.

Вимірювальні сигнали, перетворення вимірювальних сигналів, форми вимірювальної інформації

В ІВТ як і в техніці зв'язку, сигналом називається матеріальний носій інформації, який фізично є енергетичним процесом. Тому вимірювальний сигнал - енергетичний носій вимірю­вальної інформації. Активна (але не пасивна) ФВ сталої інтенсивності - граничний випадок енергетичного процесу; отже вона може стати сигналом. Пасивна (параметрична) ФВ, хоча є матеріальним носієм інформації, однак не є сигналом, бо фізично не є енергетичним процесом і сама не може проявити свій розмір, у якому міститься вимірювальна інформація. Її можна отримати, якщо сформувати вимірювальний сигнал, використовуючи цю пасивну ФВ, і далі, при необхідності, перетворити його так, щоб вимірювальна інформація набула форми, в якій вона придатна для використання за призначенням.

Добування вимірювальної інформації про розміри ФВ здійснюється формуванням і перетворенням вимірювальних сигналів шляхом модуляції і кодування за допомогою засобів вимірювань з використанням допоміжних технічних засобів, в тому числі обчислювальних. Для формування і перетворення вимірювальних сигналів, обов'язковою є наявність відповідного носія, здатного сприймати вимірювальну інформацію і відображати її у вигляді зміни (приросту) своїх інформаційних параметрів.

Основу процесів відображення інформації при формуванні і перетворенні вимірювальних сигналів становлять модуляція і кодування, які органічно пов'язані між собою і окремо не існують. Модулюються інформаційні параметри носія інформації, а кодується вимірювальна інформація. Кодування - відображення різноманітності однієї множини різноманітністю іншої. Відображення фізичним аналогом називається аналоговим кодуванням. Відображення інформації умовними знаками (символами), зокрема цифровими, називається цифровим кодуванням. Відповідно до цього відрізняють аналогові та цифрові вимірювальні сигнали і аналогову та цифрову форми вимірювальної інформації.

Неперервний чи дискретизований за часом або простором, континуальний або квантова­ний за рівнем вимірювальний сигнал є аналоговим. Дискретизований і квантований аналоговий сигнал, будучи дискретним, стає цифровим тільки після цифрового кодування. Цифровий сигнал завжди дискретний, але терміни "цифровий" і "дискретний" ототожнювати не можна. Не можна також називати кодом цифрове значення величини, а також її числове значення.

Звернемо увагу на відмінність термінів "інформаційний" та "інформативний" параметри. Інформаційним називається такий параметр носія інформації, який може сприймати інформацію при формуванні чи перетворенні вимірювального сигналу. Інформативний параметр носія інформації - це вже якийсь конкретний параметр, який відображає інформацію. В противагу до нього всі інші параметри носія інформації називають неінформативними.

Перетворення вимірювальних сигналів, очевидно, не є самоціллю, це - спосіб матеріальної реалізації перетворення вимірювальної інформації, а саме

YºY(X)=K{X}=K{M_X*1_X}= K{M_X}*K{1_X}=M_Y*1_Y

де 1_X, 1_Y, M_X, M_Y одиниці та істинні числові значення (інформація) перетворюваної Х на Y величин згідно з кодом К , причому через наявність похибок перетворення мають місце втрати кількості інформації.

Поняття результату і похибки вимірювання

Експериментатор, виконуючи операції процесу вимірювань, одержує результати спостере­жень про значення вимірюваної величини, які називають результатами спостережень при вимірюваннях. Вони можуть бути однократними (одноразовими) або многократними (багатора­зовими). Результати спостережень при вимірюваннях ще не є результатами вимірювань.

Результат вимірювання, як значення величини, що знайдене шляхом її вимірювання, одержують після відповідної обробки результатів спостережень, на основі якої визначають кількісні показники точності і вибирають форму подання результату вимірювання згідно з відповідними державними стандартами. У випадку однократного спостереження результат вимірювання знаходять, оцінюючи за відомими метрологічними характеристиками засобів вимірювань границі, в яких за даних умов із заданою ймовірністю може бути значення похибки вимірювання і подають результат у належній стандартній формі.

Отже, результат вимірювання - це знайдене значення вимірюваної величини з стандарт­ною оцінкою його точності, яка визначається характеристиками похибки вимірювань. Звідси виходить, що необхідно уміти коректно оцінювати значення похибок результатів вимірювань:

D=x-X

За визначенням абсолютна похибка є різницею наближеного x і взятого (прийнятого) за точне Х значень величини. Похибка D абсолютна не в розумінні модуля, тобто додатного числа, а в сенсі її розмірності dimD=dimX, оскільки залежно від співвідношення між значеннями х і Х вона може бути довільного знаку. Віднімання X від x, а не навпаки, не є тільки умовним, тому що х=Х+D означає, що неточність виникає внаслідок додавання похибки (плюсової чи від'ємної) до точного значення.

У поданому виразі через х позначається значення результату вимірювання, а через Х, при теоретичному аналізі, - істинне значення вимірюваної величини, але оскільки воно точно не відоме то при практичному оцінюванні похибок його замінюють дійснім значенням x_д, похибка визначення якого в 3-10 разів менша за похибку D.

Абсолютна похибка не дає повного уявлення про точність вимірювання. Тому користуються поняттям відносної похибки:

d=D/X

і номінальної відносної похибки:

d_Н=D/х,

різниця між якими:

d-d_Н=d=D/X - D/х=(x-X)*D/X*x=d*d_Н

є дуже малою величиною і різко зменшується з підвищенням точності. Наприклад, якщо d=0.01=1%, то d-d_Н »0.0001=0.01%. Однак, якщо відносна похибка становить біля 10%, то її вже треба оцінювати як d=D/х_Д.

Для порівняння характеристик точності засобів вимірювань краще підходить зведена похибка, значення якої визначається відношенням:

g=D/X_N

де X_N - нормуюче значення величини Х, вибір якого регламентує державний стандарт.

Подані вирази - це спрощені моделі похибок. Практично значення похибок залежать від значень вимірюваних чи перетворюваних величин та інших аргументів, що враховуються далі відповідним ускладненням їх моделей. Оскільки ні точні значення похибок, ні їх знаки взагалі не відомі, то вони трактуються як випадкові величини і процеси.

Принцип, метод, режим, алгоритм і процес вимірювання

Принципом вимірювань називають сукупність явищ, на яких базується вимірювання, наприклад, вимірювання температури з використанням термоелектричного ефекту; вимірювання напруженості магнітного поля з використанням ефекту Холла.

Метод вимірювань - спосіб використання принципів і засобів вимірювань, його основна ознака - це спосіб виконання операції порівняння. Класифікація методів вимірювань розглядається в п. 1.2.3.3.

Режим вимірювань - статичний або динамічний - визначається характеристиками засобів вимірювань, вхідних сигналів і тривалістю їх перетворення. Статичний режим буває тоді, коли вхідний сигнал є сталою величиною або стаціонарним процесом, пов'язана з ним вимірювана величина не залежить від часу (середнє, середнє квадратичне значення), а тривалість вимірювання достатня для погасання перехідних процесів у колі перетворення, що виникли при поданні сигналу на його вхід (наприклад, для заспокоєння рухомої частини електромеханічного приладу).

Динамічний режим є при вимірюванні миттєвих значень змінних величин, а також значень сталих величин чи інтегральних значень стаціонарних процесів, якщо тривалість перетворення не достатня для усталення вихідного сигналу. Теоретично режим вимірювань завжди динамічний, а статичним режим є певним наближенням, коли можна нехтувати динамічною складовою похибки перетворення.

Алгоритм вимірювань - детермінований (регулярний) або стохастичний (нерегулярний) - це сукупність правил підготовки і виконання операцій процесу вимірювань. Стохастичні алгоритми, основані на методі статистичних випробувань Монте-Карло, забезпечують достатню точність порівняно нескладних автоматичних засобів вимірювань, побудованих, з використанням мікропроцесорних елементів. Точність і функціональні можливості таких засобів визначаються в основному якістю генератора шумового сигналу з заданою густиною розподілу.

Процес вимірювань як. сукупність операцій перетворення вимірювальної інформації за певним алгоритмом, який визначав послідовність їх виконання в часі залежно від ступеня необхідної участі в ньому експериментатора, може бути неавтоматизованим, автоматизованим і автоматичним.

Методики виконання вимірювань

Поєднання методу і алгоритму вимірювань становить методику вимірювань. Методика вимірювань, в якій вимоги до виконання вимірювань регламентовані відповідним норматив­но-технічним документом (НТД), називається методикою виконання вимірювань (МВВ). Під МВВ розуміють також НТД, який регламентує вимоги до виконання вимірювань за даною методикою. Дотримання виконання МВВ забезпечує задекларовану гарантовану точність вимірювань. МВВ поділяються на типові і конкретні або індивідуальні. Типові МВВ, що оформлені у вигляді від­повідних НТД, є керівними технічним матеріалом для розробки конкретних МВВ, які призначені вже для безпосереднього використання при плануванні і реалізації процесів вимірювань на робочих місцях. МВВ, що регламентовані стандартами, називаються стандартизованими, а МВВ, що регламентовані атестатами, - атестованими. При атестації МВВ визначаються показники точності вимірювань, які досягаються при дотриманні цієї МВВ. Згідно з ще діючим між державним стандартом ГОСТ 8.010-90 вимірювання за стандартизованими МВВ мають виконуватися засобами вимірювань, що пройшли державні випробування згідно з ДСТУ 3400-96. Вимірювання за атестованими МВВ можуть виконуватися і засобами вимірювань, метрологічні характеристики яких визначені конкретно при їх метрологічній атестації. Зокрема, до таких на­лежать нестандартизовані засоби вимірювань, або засоби вимірювань, що застосовуються в не­нормованих робочих умовах. Їх метрологічне забезпечення здійснюється згідно з ДСТУ 3215-95.

Основні вимоги до структури і змісту МВВ регламентує ГОСТ 8.010-90, згідно з яким стандартизовані МВВ можуть бути окремими стандартами або відповідними розділами стандартів на технологічні процеси, на методи і засоби повірки засобів вимірювань, а також на методи випробувань і контролю продукції. В них мають бути вказані:

- призначення МВВ;

- норми похибок вимірювань, встановлені початковими вимогами, або значення характеристик похибок, що гарантуються при застосування МВВ;

- вимоги до засобів вимірювань і допоміжних пристроїв, що необхідні для виконання вимірювань;

- метод (алгоритм) вимірювань;

- вимоги безпеки;

- вимоги до кваліфікації операторів;

- умови вимірювань;

- підготовка до виконання вимірювань

- виконання вимірювань;

- способи обробки результатів спостережень при вимірюваннях;

- оформлення результатів вимірювань;

- контроль похибки МВВ з вказанням методу і періодичності.

В атестатах атестованих МВВ мають бути вказані:

- призначення і конкретне застосування даної МВВ;

- типи і номери екземплярів засобів вимірювань, що використовуються при виконанні вимірювань;

- технічні характеристики допоміжних пристроїв;

- метод і алгоритм вимірювань;

- числові значення-показників точності;

- міжповірочний інтервал засобів вимірювань і номенклатура НТД, що їх регламентують;

- вимоги до кваліфікації операторів і до охорони праці.

Дещо різні вимоги до стандартизованих і атестованих МВВ зумовлені відмінністю їх призначення - як типових і конкретних МВВ.

Лічба, контроль, розпізнавання образів, діагностика стану об'єктів
і їх зв'язок з вимірюваннями

Лічба однорідних об'єктів має ознаки вимірювання. Кожний з злічуваних об'єктів репрезентує одиницю їх кількісного вмісту. На лічбі грунтуються всі перетворення цифрових сигналів і саме цифрове кодування вимірювальної інформації, як числових значень вимірюваних чи перетворюваних величин. Тому між лічбою і вимірюванням існує незаперечний прямий зв'язок.

Контроль і вимірювання - поняття взаємопов'язані але не тотожні, хоча інколи вони й збігаються. Контролю піддають матеріали що надходять у виробництво, операції виробничих процесів, параметри деталей, характеристики вузлів і готової продукції тощо. При контролі нема необхідності знати значення величин (параметрів), що підлягають контролю, а треба тільки перевірити, чи вони знаходяться в межах заданих норм, чи поза ними. Прикладом може служити контроль розмірів деталей за допомогою калібрів.

Норми можуть бути задані по-різному, залежно від характеру параметрів об'єкта контролю і призначення його результатів:

- у вигляді зразків такої ж фізичної природи, що і контрольована величина;

- у вигляді імітаторів зразків;

- у вигляді числових значень.

В останньому випадку контроль здійснюється з використанням вимірювальних операцій (тобто поняття контролю і вимірювання збігаються).

Поняття контролю і вимірювання можна трактувати як аспекти або й елементи поняття розпізнавання образів, теорія якого набуває все ширшого і глибшого розвитку внаслідок практичного використання робототехніки не тільки в автоматизації виробничих процесів але і в інших ділянках діяльності людини на шляху науково-технічного прогресу. В робототехніці однією із головних є проблема штучного інтелекту, у вирішенні якої важливе місце має створення технічних засобів моделювання органів чуття живих організмів - зору слуху, дотику, смаку і нюху.

В теорії розпізнавання образів використовується спеціальна термінологія. Досліджуваний об'єкт називають оригіналом, елементи, які сприймають інформацію про оригінал, - рецепторами, а їх сукупність - рецепторним полем. Реакція рецептора на оригінал має назву зображення, а для розпізнавання образів необхідним є забезпечення інформаційної еквівалентності зображення і оригінала.

Величини, якими описуються властивості образів, називають ознаками розпізнавання. Сукупність ознак, що відносяться до даного образу, називають класом. Тому говорять про класифікацію об'єктів, а задача розпізнавання зводиться до порівняння за ознаками розпізнавання певного зразкового образу з даним об'єктом і констатації, чи відноситься цей об'єкт до даного образу. Для вирішення цього питання використовують певні критерії відповідності, які служать мірами розбіжності між розпізнаним і зразковим образами.

На розпізнаванні образів з використанням операцій контролю і вимірювань грунтується діагностика стану технічних об'єктів, тобто технічна діагностика - наукова дисципліна, яка вивчає форми прояву відмов в технічних системах, розробляє методи їх виявлення і принципи побудови діагностичних систем.

На підставі математичної моделі об'єкта, що підлягатиме діагностуванню методами системотехніки з використанням апарату алгебри логіки будуються автоматичні діагностичні системи і складаються програми діагностики. Сукупність контрольних перевірок, що достатня для визначення стану об'єкта діагностики, називається діагностичним тестом. Підвищення ефективності діагностичних тестів досягається вже на стадії проектування об'єктів з врахуванням необхідності їх діагностування, якому вони підлягатимуть не тільки при виникненні відмова, але й у придатному стані, щоб прогнозувати можливість їх появи. У випадку виникнення відмов здійснюється автоматичний пошук несправностей для їх локалізації.

Засоби, методи і алгоритми контролю

З викладеного виходить, що поняття контролю використовується в багатьох аспектах, але для інженера важливим переважно є контроль якості продукції. Якість продукції (виробів) - це ступінь її придатності для використання за призначенням, який визначається станом параметрів, що описують її властивості.

За умови, що проектні (номінальні) значення параметрів вибрані правильно, якість продукції визначається за відхиленнями від цих значень. Тому для забезпечення потрібної якості здійснюють контроль значень параметрів матеріалів, що використовуються у виробництві деталей, які з них виготовляються, складених і з цих деталей вузлів, а також готових виробів, в тому числі на стадії їх експлуатації. Контроль полягав в експериментальному оцінюванні значень параметрів.

Засоби, методи і алгоритми контролю визначаються видом і фізичним характером параметрів, а також ступенем автоматизації процесів контролю. З точки зору контролю якості продукції її параметри поділяються на прості, узагальнені і параметри ефективності.

Прості параметри безпосередньо контролюють за допомогою засобів вимірювань або калібрів, тобто безшкальних вимірювальних інструментів, під час виконання технологічних операцій, що дає можливість коректувати якість протікання технологічного процесу, або після їх завершення, а також на готових виробах, причому без будь-яких додаткових обчислень. Таким контролем перевіряють, чи не виходить значення простого параметра за допустимі межі. Межі можуть бути задані як "від - до", наприклад, розмір діаметра деталі, або у вигляді твердження "...не перевищує допустимого значення", "... не менше за допустиме значення, наприклад вхідний опір приладу. На основі одержаних таким чином результатів контролю приймають рішення за простим критерієм "придатний - непридатний".

Узагальнені параметри є функціями простих параметрів і виражають функціонально-експлуатаційні властивості готових виробів, а їх контроль здійснюють з використанням засобів вимірювань і обчислювальних пристроїв.

Параметри ефективності є функціями узагальнених параметрів, служать імовірнісними показниками придатності продукції для її використання за призначенням порівняно з іншою продукцією такого ж призначення, а також для прогнозування її якості на майбутнє.

Засоби контролю можуть бути аналогові і цифрові, їх види і складність залежать від виду і фізичної природи параметрів, а також від потрібного ступеня автоматизації процесів контролю.

Методи контролю визначаються поєднанням способів використання фізичних принципів і засобів контролю. Застосовують активний контроль, який здійснюється в процесі формування розміру параметра (обробка деталі, підгонка опору резистора, тощо) і запобігає виникнення браку, а також пасивний контроль параметрів виготовлених деталей і вузлів, який може бути 100%-ним і вибірковим.

Поняття алгоритму контролю аналогічне поняттю алгоритму вимірювань. Основний показник контрольних операцій - вірогідність їх результатів, а не точність, хоча вона посередньо враховується. Можна говорити про методику виконання контролю як поєднання його методу і алгоритму. В умовах виробництва у більшості випадків МВВ по своїй суті є методиками виконання контролю, основаного на використанні вимірювань.

Внаслідок випадкового характеру значень параметрів і похибок контролю з певною ймовірністю можуть бути забраковані вироби придатні (ризик виробника), а також визнані придатними вироби, які насправді є браком (ризик замовника). Тому в контролі якості продукції важливі ролі відіграють теорії ймовірностей і математичної статистики, зокрема питання перевірки гіпотез.

 

      Питання для самоконтролю

1.    Дайте визначення поняттю ,,Вимірювання”.

2.    Що таке принцип вимірювання?

3.    Що таке метод вимірювання?

4.    Алгоритм процесу вимірювання фізичної величини.

5.    Методики виконання вимірювань.

6.    Що таке вимірювальний сигнал?

7.    Які Вам відомі форми вимірювальних сигналів та вимірювальної інформації?

8.    Що собою представляє дійсне значения фізичної величини?

9.    Засоби, методи і алгоритми контролю фізичних величин.