Организация и математическое планирование эксперимента

Метод противопоставления – метод сравнения с мерой, в котором измеряемая величина и величина, воспроизводимая мерой, одновременно воздействует на прибор сравнения, с помощью которого устанавливается соотношение между этими величинами.

Методом замещения называется метод сравнения с мерой, в  котором измеряемую величину замещают известной величиной, воспроизводимой  мерой. Это, например, взвешивание с  поочередным помещением массы и гирь на одну и ту же чашку весов. Метод замещения можно рассматривать как разновидность дифференциального или нулевого метода, отличающуюся тем, что сравнение измеряемой величины с мерой производится разновременно.

Описанные выше различия в методах сравнения измеряемой величины с мерой находят свое отражение и в принципах построения измерительных приборов. Самым многочисленным видом средств измерений являются измерительные устройства, применяемые самостоятельно или в составе измерительных установок и измерительных систем..

На рис. 6.1 приведены структурные схемы измерительных средств.

Рис. 6.1. Структурные схемы приборов

 

В измерительном приборе  прямого действия предусмотрено  одно или несколько преобразований сигнала измерительной информации в одном направлении, т.е. без применения обратной связи. Так, например, на рисунке 6.1(а) приведена структура электронного вольтметра переменного и постоянного тока, которая содержит выпрямитель B, усилитель постоянного тока УПТ и измерительный механизм ИМ. В этом приборе преобразование сигнала измерительной информации идет только в одном направлении.

Характерной особенностью приборов прямого действия является потребление энергии от объекта измерения. Однако это не исключает возможности применения приборов прямого действия для измерения, например, электрического сопротивления или емкости, но для этого необходимо использовать вспомогательный источник энергии.

Измерительный прибор сравнения  предназначен для непосредственного сравнения измеряемой величины с величиной, значение которой известно.

На рисунке 6.1(б) приведена структурная схема автоматического прибора сравнения, содержащая устройство сравнения УС, устройство управления УУ и изменяемую (регулируемую) меру М с отсчетным устройством.

Измеряемая величина x и однородная с ней величина x₀ подаются на входы устройства сравнения УС. Величина x₀ получается от регулируемой меры М. В зависимости от результата сравнения x с x₀ устройство управления УУ воздействует на меру М таким образом, чтобы величина |x - x₀| уменьшалась. Процесс уравновешивания заканчивается, когда x₀ = x. При этом значение измеряемой величины отсчитывается по шкале регулируемой меры. Если в устройстве сравнения происходит вычитание величин x и x₀, то в данном приборе реализуется сравнение измеряемой величины с мерой нулевым методом.

Очевидно, что любой  измерительный прибор сравнения  должен иметь цепь обратной связи и замкнутую структуру. Обратная связь может применяться и в приборах прямого действия, однако в них она всегда охватывает не весь процесс преобразования, а только его часть. Например, в структурной схеме на рисунке 6.1(а) усилитель постоянного тока может быть охвачен обратной связью. В измерительных приборах сравнения, в цепи обратной связи, всегда формируется физическая величина однородная с измеряемой, которая подается на вход прибора.

Следует отметить, что  сравнение измеряемой величины с  мерой в приборах сравнения может осуществляться либо одновременно (нулевой метод), либо разновременно (метод замещения).

Аналоговые измерительные  приборы (АИП) характеризуются тем, что их показания являются непрерывными функциями изменений измеряемых величин. Все многообразие АИП можно свести к трем структурным схемам, показанным на рисунке 6.2.

Рис. 6.2. Структурные схемы АИП

 

Структурная схема, приведенная  на рисунке 6.2(а), соответствует АИП прямого действия. В данных АИП преобразование измерительной информации осуществляется только в одном направлении от входа к выходу. Измеряемая величина x с помощью измерительного преобразователя ИП преобразуется в напряжение или ток, который воздействует на электромеханический измерительный механизм ИМ, взывая перемещение его подвижной части и связанного с ней указателя отсчетного устройства ОУ. Отсчетное устройство содержит оцифрованную шкалу, с помощью которой оператор (Оп) получает количественный результат измерения. Градуировка шкалы прибора производится путем подачи на его вход ряда известных значений измеряемой величины, реализуемых многозначной образцовой мерой М. Таким образом, сравнение измеряемой величины с единицей измерения в данном случае осуществляется косвенно, а мера М в процессе измерения непосредственного участия не принимает.

На рисунке 6.2(б) изображена структура АИП сравнения. Эти приборы предназначены для непосредственного сравнения измеряемой величины с величиной, значение которой известно. Устройство сравнения УС сравнивает значения преобразованной с помощью ИП измеряемой величины и образцовой величины, реализуемой регулируемой мерой М. Оператор (Оп) с помощью индикатора И оценивает результат сравнения и регулирующее значение величины, воспроизводимой мерой М, до достижения равенства величин на входах УС. Значение величины, воспроизводимой мерой М, отображается отсчетным устройством ОУ, которое может быть отградуировано в единицах измеряемой величины.

При отсутствии ИП на входе АИП осуществляется непосредственное сравнение измеряемой величины с физически однородной ей величиной, воспроизводимой мерой.

Обобщенная структура  автоматического АИП сравнения  приведена на рисунке 6.2(в). Принцип действия аналогичен описанному выше, но мера М регулируется автоматически с помощью устройства управления УУ.

Цифровые измерительные  приборы (ЦИП) осуществляют автоматическое преобразование входной измеряемой величины в код. Показания ЦИП представлены в цифровой форме. В отличие от АИП в ЦИП обязательно выполняются операции квантования измеряемой величины по уровню, дискретизации ёё по времени и кодирование (рис. 6.3).

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 6.3. Обобщенная структурная схема ЦИП

 

Измеряемая аналоговая величина x(t) поступает на унифицирующий измерительный преобразователь (УИП), содержащий делители, усилители, выпрямители, фильтры, преобразователи линеаризации и т.п. Нормализованный аналоговый сигнал y(t) поступает на вход аналого-цифрового преобразователя (АЦП), который выполняет операции квантования по уровню и по времени x(t), сравнения x(t) с мерой M и кодирование результатов. При этом на выходе формируется дискретный сигнал ДС, который преобразуется в цифровом средстве отображения информации (ЦСОП) в цифровой отсчет N или в виде кода передается на ЭВМ. Устройство управления (УУ) реализует необходимый алгоритм измерения.

Преимуществами ЦИП  перед АИП являются:

• удобство и объективность отсчета;
• высокая точность результатов измерения, практически недостижимая для АИП;
• широкий динамический диапазон при высокой разрешающей способности;
• высокое быстродействие за счет отсутствия подвижных электромеханических элементов;
• возможность автоматизации процесса измерения, включая такие операции, как автоматический выбор полярности и пределов измерения;
• высокая устойчивость к внешним механическим и климатическим воздействиям, помехозащищенность;
• возможность использования новейших достижений микроэлектронной технологии при конструировании и изготовлении;
• возможность сочетания с вычислительными и другими автоматическими устройствами.

При любом измерении имеется погрешность, представляющая собой отклонение результата измерения от истинного значения измеряемой величины.

По форме представления  принято различать абсолютную, относительную и приведенную погрешности измерительных устройств. У измерительных приборов имеется шкала, отградуированная в единицах входной величины, либо шкала, отградуированная в условных единицах с известным множителем шкалы, поэтому результат измерения представляется в единицах входной величины. Это обусловливает простоту определения погрешности измерительных приборов.

Абсолютной погрешностью измерительного прибора Δ называют разность показаний прибора Х_П и истинного (действительного) Х_Д значения измеряемой величины:

Действительное значение определяется с помощью образцового прибора или воспроизводится мерой.

Относительной погрешностью измерительного прибора называют отношение абсолютной погрешности измерительного прибора к действительному значению измеряемой величины. Относительную погрешность выражают в процентах:

.

Так как Δ << X_Д или Х_П, то в вышеприведенном выражении вместо значения X_Д может быть использовано значение X_П.

Приведенной погрешностью измерительного прибора называют отношение абсолютной погрешности измерительного прибора к нормирующему значению Х_N. Приведенную погрешность также выражают в процентах:

.

В качестве нормирующего значения используется верхний предел измерений, диапазон измерений и  др., т. е.

.

Для технологических измерений  повышение точности измерений особенно важно в связи с широким применением АСУ ТП. Для решения этой задачи применяются различные методы (рис. 6.4).

 

Рис. 6.4. Классификация методов повышения точности измерений

 

Одним из наиболее радикальных путей повышения точности измерений при прочих равных условиях является использование более точных средств измерений. Появление и развитие микроэлектронной техники и микропроцессоров, обеспечивающие возможность практически полной автоматизации самых сложных измерительных процессов, позволили использовать для увеличения точности средств измерений рассмотренные выше методы.

 

6.2. место и значение Опытно-технологической стадии в жизненном цикле продукции

 

С точки зрения стратегических аспектов управления НИОКР, жизненный цикл продукции – время от начала оформления идеи изделия до окончания физического существования последнего экземпляра этого изделия.

Структура жизненного цикла  изделия (продукции) включает следующие  составляющие:

1) маркетинговые исследования потребностей рынка;

2) генерация идей и  их фильтрация;

3) техническая и экономическая  экспертиза проекта;

4) научно-исследовательские  работы по тематике изделия  (продукции);

5) опытно-конструкторская  работа и/или опытно-технологическая работа;

6) пробный маркетинг;

7) подготовка производства  изделия на заводе-изготовителе  серийной продукции;

8) собственно производство  и сбыт;

9) эксплуатация изделий;

10) утилизация изделий.

Стадии 4÷7 являются предпроизводственными, и их можно рассматривать как комплекс научно-технической подготовки производства.

Целью проведения опытно-технологической  работы аналогично ОКР является разработка комплекта технической (рабочей конструкторской и технологической) документации, в объеме и по качеству отработки достаточной для организации технологического процесса по изготовлению того или иного вещества, материала. В отличие от ОКР документация, разрабатываемая в рамках ОТР, касается специального оборудования, обеспечивающего условия для обеспечения производства вещества (материалов), технологического процесса.

Следует различать опытно-технологическую  работу и этап разработки технологического процесса и технологической документации при постановке на производство вновь разработанных образцов продукции. Такие работы проводятся в рамках реализации законченной ОКР технологической подготовки и освоения производства, и не относятся к ОТР. В то же время, в случае особой сложности технологического процесса, наличия множества специальных требований к нему, а также большого объема работ такая подготовка может быть выделена в самостоятельную ОТР.

Таким образом, опытно-технологическая  работа, аналогично ОКР, имеет совершенно прикладную цель и по своим целям  является последовательной реализацией результатов ранее проведенных НИР.

Виды работ, характеризующие ОТР и позволяющие отнести их к признакам ОТР, в основном аналогичны ОКР. Отличительной особенностью их является прикладное назначение, то есть разработка не образца продукции, а разработка технологии (производства вещества, материала, организации технологического процесса). С учетом этих особенностей к ним относятся:

- предварительное проектирование (разработка принципиальных технических решений по созданию условий, технического оснащения, способов и методов обработки исходных субстанций и т.п.);

- разработка рабочей  технологической документации (конструкторская реализация технических решений по оснащению, обеспечению условий, выполнению технических требований для разрабатываемого тех. процесса);

- опытное изготовление  образцов продукции (опытных партий продукции);

- подтверждение технических  решений и их технологической и конструкторской реализации путем проведения испытаний опытных образцов продукции, изготовленных по разрабатываемой технологии.

Таким образом, из этих особенностей видны признаки, характеризующие ОТР, а также отличительные особенности ОТР в сравнении с ОКР.