Метод обработки данных для обеспечения единства измерений | Статья в журнале «Молодой ученый»

Отправьте статью сегодня! Журнал выйдет 15 августа, печатный экземпляр отправим 2 сентября.

Опубликовать статью в журнале

Автор:

Рубрика: Технические науки

Опубликовано в Молодой учёный №28 (318) июль 2020 г.

Дата публикации: 09.07.2020

Статья просмотрена: 5 раз

Библиографическое описание:

Велиев, Т. К. Метод обработки данных для обеспечения единства измерений / Т. К. Велиев. — Текст : непосредственный // Молодой ученый. — 2020. — № 28 (318). — С. 32-35. — URL: https://moluch.ru/archive/318/72496/ (дата обращения: 07.08.2020).



В данной статье рассказывается о создании метода по обеспечению единства измерений, а также некоторых основных понятий, связанный с метрологией.

Ключевые слова: измерения, прибор, датчик, обработка, метрология, метод, расчет, точность, погрешность.

В наше время широкое развитие получает разработка роботов и измерительных приборов в целом. В связи с этим существует потребность проведения измерений для последующего внедрения технологий в проект. Но так как в данном случае важным параметром является точность, то нужны приборы, отвечающие данному критерию, так как ошибки могут привести к фатальным последствиям.

В связи актуальностью темы развития проектирования роботов, целью исследования стала разработка некого универсального метода, который бы помог определиться с выбором приборов на основе полученных данных.

Разработанный метод должен являться неким сборником простых и проверенных методов, который позволит быстро и качественно проводить испытания, делать выводы на основе полученных данных о внедрении тестируемого прибора/датчика в робота или же измерительную систему. Поэтому начнем со знакомства с основами, которые помогли в создании метода.

Наука, которая занимается вопросами о проведении и способах измерений, а также проведением мероприятий по улучшению качества и точности измерений, и об единстве измерений в целом, называется метрологией. Данная наука состоит из трех разделов:

− Теоретического (занимается разработкой методов для проведения испытаний, а также изучением основных элементов в измерительной технике);

− Законодательного (занимается разработкой правовой основы для проведения испытаний, калибровочных и поверочных работ, которая способствует улучшению качества измерений);

− Практического (занимается проверкой разработок двух предыдущих разделов).

Есть также основные понятие, такие как: точность, погрешность, средства измерений, классы точности и т. д.

Точность — величина, характеризующая степень приближенности измеренного значения к истинному.

Погрешность — величина, характеризующая отклонение измеренного значения от истинного значения. Существуют разные виды погрешности, но познакомимся с основными:

− Абсолютная погрешность — разность между истинным и измеренным значениями величины;

− Относительная погрешность — значение, равное отношению абсолютной погрешности к истинному значению;

− Приведенная погрешность — Значение, равное отношению абсолютной погрешности к нормирующему значению;

− Случайная погрешность — вид погрешности, возникающий произвольно при проведении испытаний;

− Систематическая погрешность — погрешность, изменяющаяся по определенному закону;

− Прогрессирующая погрешность — погрешность, меняющаяся с течением времени;

− Грубая погрешность — погрешность по причине упущений или недосмотра испытателем при проведении работ либо из-за неисправности аппаратуры [2, c. 546].

Класс точности — мера прибора, определяемая пределами основных и дополнительных погрешностей, а также другими факторами, влияющими на точность измерений [3, с. 1].

Нормированное значение погрешности — мера, используемая для определения вносимой погрешности в результаты измерений.

Измерение — совокупность операций, определяющих зависимость между величинами. Существует несколько типов измерений:

− Прямое сличение — сравнение, при котором значения тестируемого прибора сравниваются со значениями эталонного прибора;

− Косвенное измерение — поиск функциональных зависимостей, проведение расчетов, основанных на данной зависимости, это приводит к нахождению реального значения;

− Проверочные схемы — схемы, служащие для минимизации неточностей в процессе измерений [1, с. 4].

При проведении испытаний лучше всего использовать метод прямых сравнений, потому как данный вид измерений является наиболее простым в реализации и наглядным.

Перейдем к методу. Проводятся измерения во всем диапазоне измерений определяемой величины. Для каждого значения эталонного датчика , i=1...N (или принимаемого за эталонный) проводится серия измерений ( ), j=1...M датчиком, предназначенным для калибровки. Определяется средние значения для каждого ( ) и величина разброса (отклонения дельта). Строится зависимость = F(x), которая определяет значения показаний калибруемого датчика от «эталонных — истинных» значений. Далее вычисляется обратная зависимость = F (Y), которая переводит показания исследуемого калибруемого датчика в истинные (эталонные) значения.

После проведения эксперимента производится обработка полученных данных. Результатом данной обработки является то, что шкала тестируемого прибора будет приводиться к шкале эталонного.

Метод обработки данных основывается на математической статистике, поэтому мы используем в расчетах среднее значение, среднеквадратическое отклонение, дисперсия, коэффициент Стъюдента и т. д.

Для лучшего понимания, рассмотрим метод по шагам:

  1. Вычисление среднего значения измерения в каждой точке;
  2. Вычисление отклонения дельты с учетом систематической погрешности эталонного прибора;
  3. Построение линии тренда в виде полинома третьей степени;
  4. Вычисление истинного значения за счет коэффициентов, полученных при построении графиков в предыдущем шаге.

Теперь остановимся на каждом шаге поподробнее. Вычисление среднего значения происходит в соответствии с рис. 1.

График расчета среднего значения

Рис. 1. График расчета среднего значения

Данный расчет производится для того, чтобы узнать среднее значение измерений в каждой точке.

Во втором шаге вычисляется отклонение дельты с учетом погрешности эталонного прибора. Но сперва рассчитывается среднеквадратическое отклонение по формуле:

,

где — измерение в каждой точке, среднее значение в каждой точке, количество измерений. После происходит вычислении самой дельты:

где среднеквадратическое отклонение, количество измерений, коэффициент Стьюдента, погрешность эталонного прибора.

После вычисления дельты получаем , как показано на рис. 2.

График поучения значений

Рис. 2. График поучения значений

Далее строятся линии тренда полинома 3 степени, формулы которых следующие: , , . Линии тренда графиков показывают коэффициент как для верхнего ( ), так и нижнего ( ) отклонений показаний. Эти коэффициенты используются при поиске истинного значения измерений. Также мы имеем коэффициенты , которые являются калибровочными.

На основе полученных данных можно вычислить истинное значение величины. Приняв за значение «X» в формулах для линий трендов верхнего и нижнего отклонений измеренную величину, получим значения величины с учетом верхнего и нижнего отклонений. Далее происходит расчет истинного значения по формуле: , где значение верхнего отклонения измеренной величины, значение нижнего отклонения измеренной величины.

После вышеперечисленных манипуляций происходит расчет погрешности, который также включает в себя методы математической статистики.

Расчет погрешности происходит следующим образом:

  1. Рассчитывается среднее значение;
  2. Рассчитывается среднеквадратическое отклонение;
  3. Производится поиск коэффициента Стьюдента в связи с доверительной вероятностью. Данный коэффициент зависит не только от вероятности, но и количества измерений;
  4. Рассчитывается длина доверительного интервала многократных измерений по формуле: , где t — коэффициент Стьюдента, S — среднеквадратическое отклонение;
  5. Рассчитывается длина доверительного интервала однократных измерений по формуле: , где — доверительная вероятность, — цена деления прибора;
  6. Расчет абсолютной погрешности: ;
  7. Расчет относительной погрешности: ;
  8. Запись результата в виде: .

Заключение: Рассмотренный метод является неким сборником наработок в области метрологии. Использование элементов распределения Стьюдента поможет в прогнозировании поведения генеральной совокупности измерений, так как количество произведенных много меньше. Проверка данного метода довольно проста и достаточно наглядна, а расчеты можно производить в программе по обработке таблиц, будь то Microsoft Excel или OpenOffice Calc.

Литература:

  1. Методы обработки результатов измерений и оценки погрешностей в учебном лабораторном практикуме / Н. С. Кравченко, О. Г. Ревинская — Томск: Томский политехнический университет, 2017. — 120 с.
  2. Руководство по метрологическим приборам и методам наблюдений / Всемирная Метеорологическая Организация — 2017. — 1386 с.
  3. ГОСТ 8.401–80. Государственная система обеспечения единства измерений (ГСИ). Классы точности средств измерений. [Текст] введ. 1981–06–30 — Москва: Стандартинформ, 2010–10 с.
Основные термины (генерируются автоматически): среднеквадратическое отклонение, абсолютная погрешность, истинное значение, эталонный прибор, проведение испытаний, нижнее отклонение, измеренная величина, измеренное значение, тестируемый прибор, измерение, погрешность.


Похожие статьи

Понятие о измерении | Статья в журнале «Молодой ученый»

Погрешность средства измерений — это разность между показанием средства измерений и истинным (действительным) значением

Истинное значение — идеализированное понятие, не пригодное для практических целей, так как оно может быть получено только в результате...

Разновидности погрешностей измерительных комплексов...

погрешность, измеряемая величина, величина, результат измерений, паспорт прибора, основная погрешность, методическая погрешность, измерительный комплекс, деление погрешностей, средство измерений.

Оценка погрешностей использованных методик и аппаратуры

Приведенная погрешность есть отношение абсолютной погрешности к нормированному значению измеряемой величины и выражается в процентах: где — значение нормы параметра измеряемой величины. В процессе измерения исследуемого элемента участвует...

Значение поверки средств измерений | Статья в журнале...

Значение поверки средств измерений. Автор: Порошин Михаил Павлович.

Значение поверки средств измерений в производстве очень высока.

Владельцу небольшого предприятия или магазина экономически выгодно, чтобы прибор учёта энергоресурса выдавал правильные...

Алгоритмы коррекции погрешностей тензометрических датчиков...

Эти модели отражают существенные взаимосвязи между значениями измеряемой величины, значениями внешних воздействующих факторов и значениями выходного

Наибольший вклад в дополнительную погрешность тензометрических датчиков давления вносит температура.

Анализ и классификация погрешностей обучения...

В статье с метрологической точки зрения рассмотрен процесс обучения измерительных систем на базе нейронных сетей. Выделены критерии показателей качества обучения, достоверности результата.

Квантово-механическая трактовка неопределенности измерений...

Между объектом (измеряемым параметром) и субъектом (наблюдателем) измерений всегда в том или ином виде наличествует средство измерений, представляющее собой классический прибор, и набор квантовых скрытых переменных. При этом погрешность средства измерений...

Использование инновационных средств измерений твердости...

В статье излагается опыт использования новых средств определения твердости материалов в учебном процессе подготовки бакалавров по направлению «Инноватика». Рассмотрен опыт применения твердомеров...

Снижение погрешности гамма-спектрометрических измерений...

— среднее измеренное значение величины k-го образца; — выборочная дисперсия измеряемой величины.

Поскольку основной вклад в погрешность измерений вносит систематическая погрешность, рассмотрим зависимость величины количества неучтенного...

Похожие статьи

Понятие о измерении | Статья в журнале «Молодой ученый»

Погрешность средства измерений — это разность между показанием средства измерений и истинным (действительным) значением

Истинное значение — идеализированное понятие, не пригодное для практических целей, так как оно может быть получено только в результате...

Разновидности погрешностей измерительных комплексов...

погрешность, измеряемая величина, величина, результат измерений, паспорт прибора, основная погрешность, методическая погрешность, измерительный комплекс, деление погрешностей, средство измерений.

Оценка погрешностей использованных методик и аппаратуры

Приведенная погрешность есть отношение абсолютной погрешности к нормированному значению измеряемой величины и выражается в процентах: где — значение нормы параметра измеряемой величины. В процессе измерения исследуемого элемента участвует...

Значение поверки средств измерений | Статья в журнале...

Значение поверки средств измерений. Автор: Порошин Михаил Павлович.

Значение поверки средств измерений в производстве очень высока.

Владельцу небольшого предприятия или магазина экономически выгодно, чтобы прибор учёта энергоресурса выдавал правильные...

Алгоритмы коррекции погрешностей тензометрических датчиков...

Эти модели отражают существенные взаимосвязи между значениями измеряемой величины, значениями внешних воздействующих факторов и значениями выходного

Наибольший вклад в дополнительную погрешность тензометрических датчиков давления вносит температура.

Анализ и классификация погрешностей обучения...

В статье с метрологической точки зрения рассмотрен процесс обучения измерительных систем на базе нейронных сетей. Выделены критерии показателей качества обучения, достоверности результата.

Квантово-механическая трактовка неопределенности измерений...

Между объектом (измеряемым параметром) и субъектом (наблюдателем) измерений всегда в том или ином виде наличествует средство измерений, представляющее собой классический прибор, и набор квантовых скрытых переменных. При этом погрешность средства измерений...

Использование инновационных средств измерений твердости...

В статье излагается опыт использования новых средств определения твердости материалов в учебном процессе подготовки бакалавров по направлению «Инноватика». Рассмотрен опыт применения твердомеров...

Снижение погрешности гамма-спектрометрических измерений...

— среднее измеренное значение величины k-го образца; — выборочная дисперсия измеряемой величины.

Поскольку основной вклад в погрешность измерений вносит систематическая погрешность, рассмотрим зависимость величины количества неучтенного...

Задать вопрос