Планирование измерений

                   Процесс решения любой измерительной задачи разбивается на три этапа:

         - подготовка измерений - планирование измерительного эксперимента и создание всех необходимых предпосылок для эксперимента, направленного на получение измерительной информации;

         - проведение измерений - экспериментальное определение результатов наблюдений;

         - обработка измерительной информации с целью получения результата измерения.

         ЦЕЛЬ ИЗМЕРЕНИЯ состоит в получении информации о количественных характеристиках или параметрах устройства для оценки его состояния или поведения при проектировании, производстве, испытаниях и эксплуатации. Иными словами, цель эксперимента - определение размера физической величины.

         Несмотря на большое разнообразие измерительных задач, их решение обычно складывается из определенной последовательности операций, начиная с постановки задачи и кончая получением результатов измерений.

         Задача формулируется с учетом конечной цели измерений, определяющей назначение, условия получения и способы использования измерительной информации, и только после этого планируется процедура измерений, включающая

         - построение или выбор модели объекта измерения;

         - определение наилучшего плана проведения эксперимента;

         - выбор вида измерения (прямое, косвенное и т.д.);

         - выбор средств измерения;

         - учет условий, в которых выполняются измерения;

         - учет взаимодействия объекта измерения со средствами измерения.

         Измерения всегда базируются на априорной (известной до опыта) информации. На основе априорных данных строят или выбирают физическую или математическую модель объекта измерения. Это важный этап, т.к. ошибки, допущенные на этом этапе, в дальнейшем невозможно исправить. В ходе измерений модель объекта можно лишь уточнить, например, путем предварительных измерений. Несоответствие реального объекта приписываемой ему модели служит источником методической погрешности.

         Одной из основных задач планирования измерений является выявление взаимосвязей между входными и выходными параметрами объекта и представление их в количественной форме в виде математической модели (рис. 4.1).

          Рис. 4.1. Структурная схема объекта измерений.

          Х - внешнее воздействие; У - реакция системы; w - возмущающие воздействия (случайные).

         Математическая модель представляет собой совокупность уравнений, условий и алгоритмических правил и позволяет анализировать и проектировать объекты, а также управлять ими.

         Входные параметры, которые влияют на объект и могут быть измерены, называются ФАКТОРАМИ.

         При ПАССИВНОМ эксперименте исследователь не имеет возможности воздействовать на объект, поэтому задача определения наилучшего плана эксперимента сводится к оптимальной организации пассивного сбора информации и включает в себя такие вопросы, как выбор интервалов времени между моментами измерений, задание  числа выполняемых измерений, определение метода обработки результатов и т.д. Для решения указанных вопросов используют известные методы обработки результатов измерений.

         В отличие от пассивного эксперимента АКТИВНЫЙ связан с воздействием на ход процессов в изучаемом объекте и с возможностью выбора в каждом опыте тех уровней факторов, которые представляют интерес. Если какой-либо существенный фактор окажется неучтенным, то это может привести к значительному повышению погрешности эксперимента. С другой стороны, увеличение числа рассматриваемых факторов приводит к значительному возрастанию числа опытов, поэтому следует воспользоваться методами отсеивания несущественных факторов.

         Методы планирования многофакторного эксперимента, в котором необходимо учитывать влияние многих независимых переменных, предполагают изменение всех факторов сразу, а не изучение влияния каждого из них в отдельности, как при традиционных способах составления планов. Такое многофакторное планирование более эффективно и позволяет значительно уменьшить погрешности определения интересующих экспериментатора величин.

         Построение плана эксперимента сводится к выбору экспериментальных точек, симметричных относительно основного (нулевого) уровня, которым является исходная точка в многомерном факторном пространстве. Для этого для каждого фактора выбирают два крайних уровня, между которыми они будут варьироваться в ходе эксперимента.

         После выделения параметров и характеристик объекта выбирают виды их измерений в зависимости от возможности реализации, а также от требуемой  точности. При проведении измерений средства измерений взаимодействуют с объектом измерений. При этом объект и средства измерений влияют друг на друга, что может привести к некоторому изменению свойств объекта и показаний измерительного прибора. Так, входное сопростивление подключаемого средства измерения может существенно влиять на режим работы объекта и привести к погрешности в результатах измерений. При измерениях в цепях переменного тока следует учитывать влияние на объект не только активной составляющей входного сопротивления средства измерений, но и реактивной. На режим работы объекта и, следовательно, на результат измерений особенно сильно воздействуют емкостные составляющие входного сопротивления электронных осциллографов и вольтметров. Подключение вольтметра к колебательному контуру приводит к снижению частоты резонанса контура за счет входной емкости вольтметра  к снижению добротности контура за счет шунтирующего действия активной составляющей входного сопротивления этого прибора.

         Стандартные методики измерений учитывают всевозможные источники погрешностей измерений, регламентируют последовательность действий, обеспечивающих наименьшую погрешность измерений. При отсутствии стандартной методики производят аттестацию методики измерений, в ходе которой определяют сначала составляющие погрешности измерений, а затем и суммарную погрешность, значение которой и приписывают данной методике.