Способы сокращения ошибок измерения

Способы  сокращения ошибок измерения

Ученые сумели найти более совершенные способы сокращения ошибок измерения. Достаточно изменить схему действия прибора, чтобы нейтрализовать влияние вредных факторов.

Еще в прошлом веке немецкий физик Аббе установил, что в определенных условиях ошибки механических приборов, вызванные зазорами в их подвижных соединениях, можно уменьшить в десятки раз. Для этого нужно лишь расположить точку контакта подвижного звена прибора (например, измерительного стержня) с последующим звеном (например, контактным рычагом) на линии его перемещения. Тогда неизбежный перекос этого звена в пределах зазора (угол перекоса составляет доли градуса) приведет к незначительной ошибке измерения. Если же точку контакта расположить в стороне от линии перемещения звена, то это станет причиной больших по величине ошибок. Так, если угол перекоса равен 0,1°, то в первом случае ошибка составит всего пять тысячных от длины звена, во втором же случае — десятую часть его длины.

Другой способ, разработанный в начале нашего века, тоже несложен, но менее эффективен. Он избавляет приборы от многих ошибок — нестабильности характеристик источника питания и внешних условий, неточности изготовления отдельных элементов прибора и т. п. Способ универсальный и широко применяется в электрических, оптических, пневматических и других измерительных приборах.

Его суть: если между входным и выходным звеньями прибора вместо одного параллельно включить два совершенно одинаковых преобразователя, то прибор останется равнодушным к вредным факторам, а значит, и не будет ошибаться при измерениях. Здесь может возникнуть недоумение: неужели удалось создать идеальный, безошибочный прибор?

Нет, это было бы вопреки законам природы и здравому смыслу. Дело в том, что два преобразователя, совершенно одинаковых по всем параметрам, могут существовать лишь в нашем воображении, создать же их невозможно, как не могут существовать в природе два абсолютно похожих близнеца. А так как преобразователи всегда чем-то отличаются друг от друга, то измерительный прибор не будет идеальным. Но ведь важно не это, а другое: преобразователи можно сделать с очень близкими характеристиками, и тогда точность прибора может быть резко повышена, и притом без больших усилий.

В чем же секрет такого измерительного прибора? Во-первых, в том, что благодаря встречному соединению преобразователей их ошибки, вызванные вредными факторами, вычитаются. И во-вторых, в большем коэффициенте увеличения: ведь при перемещении измерительного стержня зазор одного преобразователя уменьшается, а другого увеличивается. Это, в свою очередь, вдвое изменяет выходную величину, например электрический ток в приборе с емкостным преобразователем. А чем больше степень увеличения преобразователя, тем меньше ошибка измерения, соответствующая той же неточности в перемещении выходного звена прибора

Приведем пример принципиально иного способа уменьшения ошибок измерения. Известно, что в большинстве случаев преобразователи измерительных приборов нелинейны, т. е. они увеличивают отклонения размеров неодинаково — отклонение на 1 мк может быть увеличено в 1000 раз, а отклонение на 10 мк — в 3000 раз. Это создает большие неудобства: например, чтобы измерить большое число деталей с разными допусками, приходится изготовлять множество неравномерных шкал. Дело значительно упростится, если считать, что преобразование происходит линейно. Тогда нам понадобится всего одна шкала, но с равными расстояниями между штрихами, а это двойной выигрыш — сокращается количество шкал и упрощается отсчет результатов измерений.

Однако от того, что древние считали Землю неподвижной, она ни на секунду не переставала вращаться. Точно так же, изготовленная нами равномерная шкала не сделает преобразователь линейным. Как же пользоваться такой шкалой — ведь она будет показывать не то, что нужно? Да, результаты отсчета по равномерной шкале будут содержать известные ошибки, но от нас зависит так подобрать параметры прибора (ток, сопротивления, давление и т. п.), чтобы ошибки не превысили установленного значения, и тогда равномерная шкала будет вполне пригодна для измерений.

Ошибки автоматических измерительных устройств

Посмотрим теперь, какие ошибки подстерегают автоматические измерительные устройства. Эти устройства контролируют размеры, изменяющиеся с большой скоростью — ведь с увеличением скорости повышается производительность контроля, а как раз в этом-то и есть цель применения таких приборов. Но значит ли это, что скорость вращения детали, у которой контролируется форма, может быть неограниченно большой? Нет. И дело здесь вовсе не в трудностях получения огромных чисел оборотов. Из повседневного опыта мы знаем, что если какая-нибудь деталь делает несколько десятков оборотов в секунду, то мы уже не различаем самой детали, а видим лишь сплошной круг (вспомните винт самолета). Это происходит оттого, что глаз человека не успевает уследить за такой скоростью.

Тем же недостатком страдают и измерительные приборы, особенно с пневматическими преобразователями. Так, при очень медленном вращении овальной детали выходное звено прибора (рычаг с электроконтактами или стрелка) успевает перемещаться за изменением размера то в одну, то в другую стороны. Размах этого звена и определяет величину контролируемой овальности. Но стоит только увеличиться числу оборотов детали, как выходное звено станет отклоняться все меньше и меньше и наконец остановится совсем. Если верить прибору, то получается, что во время контроля форма детали исправляется. Но ведь это абсурд — на самом деле деталь не подвергается никакой обработке. Поэтому верить прибору нельзя — он ошибается, и ошибка его тем больше, чем выше скорость изменения размера. Для контроля это явление очень неприятное — оно сильно ограничивает его производительность.

Можно ли избавиться от этих ошибок? Устранить их полностью, впрочем, как и многие другие, не удается, но значительно сократить можно, и к тому же несколькими способами. Проще это сделать удачным подбором параметров прибора, о которых говорилось выше. Если же такой способ не достигнет цели, то можно обратиться к схеме прибора с так называемой обратной связью. Что это такое? Представьте себе, что выход прибора мы соединили с его входом, но не как-нибудь, а так, чтобы выход все время стремился сократить входную величину (измерительный зазор). Тем самым мы как бы уменьшили дистанцию, которую должна «пробегать» за время срабатывания прибора выходная величина (электрическое напряжение, давление воздуха и т. д.). Понятно, что с уменьшением дистанции сокращается и время пробега. Правда, как и в первом случае, это улучшение достается известной ценой — сокращением коэффициента увеличения: ведь напряжение или давление изменяется теперь на меньшую величину, чем раньше. Но и от этого можно избавиться, если применить комбинированные способы. Допустим, что мы повысили быстродействие пневматического прибора, удачно подобрав его параметры, но обнаружили, что проиграли в коэффициенте увеличения. Достаточно теперь поставить в прибор отсчетное устройство с большим коэффициентом увеличения и хорошим быстродействием (для этого подойдет обычный индикатор часового типа), как можно считать, что цель достигнута.

Таковы внутренние резервы различных принципов измерений, к которым можно прибегнуть, чтобы улучшить качество контроля размеров. Но не во всех случаях это дает желаемый результат. Так, например, измерить какой-либо размер с помощью обычных пневматических приборов за тысячные доли секунды практически невозможно. Оценить ту или иную величину с точностью до тысячных долей микрона — тоже нелегкое дело. Серьезное беспокойство вызывает и недостаточная надежность существующих измерительных приборов. Поэтому наряду с углубленным изучением и более полным использованием «старых» принципов измерения ученые и конструкторы все больше и больше обращают внимание к вновь открываемым физическим явлениям в надежде с помощью изотопов, лазера, моделей биологических систем успешно решать сложнейшие измерительные задачи.