К вопросу количественной оценки качества различных типов средств измерения, предназначенных для измерения конкретной физической величины

К вопросу количественной оценки качества различных типов средств измерения, предназначенных для измерения конкретной физической величины

Москва, МИЭМ, Б. Трехсвятительский пер. д. 3/12

Подготовка исходных данных

В соответствии с Европейским стандартом ИСО-8402 под качеством понимается совокупность характеристик объекта, относящихся к его способности удовлетворять установленные и предполагаемые потребности.

Перед тем, как сделать выбор типа средства измерения для использования его в процессе производства продукции, потребитель формирует ряд требований, которым должно удовлетворять это средство измерений. При этом каждое из требований выражено каким-то определенным числом или диапазоном с конкретными верхней и нижней границами.

Положим для примера, что потребителю требуется датчик для измерения давления со следующими техническими параметрами (табл. 1):

Таблица 1

№ п/п	Наименование параметра	Заданное значение параметра	Интервал значений параметра
1	Диапазон измерения	0 – 10 МПа	0 – (10-12,5) МПа
2	Приведенная основная погрешность измерения	0,5%	(0,25 – 0,5)%
3	Диапазон рабочих температур	+10°С ÷ + 40°С	(0 ÷ +10)°С – (+40°С ÷ +50°С)
4	Максимальный габаритный размер датчика	120 мм	(80 – 120) мм
5	Масса датчика	0,4 кг	(0,2 – 0,4) кг

Потребитель может осуществлять поиск типа датчика, обладающего заданными показателями, используя при этом три источника информации:

– каталоги фирм-изготовителей датчиков давления или каталоги фирм дилеров, занимающихся поставкой датчиков по заказам;

– сайты фирм-изготовителей и дилеров, размещенных в сети «Интернет»;

– специализированные информационно-поисковые системы (ИПС), содержащие базы данных по датчикам различных физических величин, в которых имеются не только каталоги типов датчиков, содержащихся в каждой базе данных и технические паспорта на каждый тип датчика, но и программы, обеспечивающие поиск и регистрацию тех типов датчиков, которые удовлетворяют заданным условиям.

Самым экономичным с точки зрения временных затрат является вариант использования специализированной информационно-поисковой системы.

Независимо от того, какие источники информации используются, цифровые значения технических показателей искомого датчика потребитель должен представлять не в форме точечных цифровых оценок, а в форме интервальных оценок. Это требование обусловлено тем, что в процессе автоматизированного или ручного поиска датчика требуемого типа все заданные числовые значения технических показателей должны совпадать с числовыми значениям реально существующего типа датчика, что даже при больших объемах баз данных может привести к тому, что ни один из известных типов датчиков не будет включен в число «претендентов».

В связи с этим перед началом поиска необходимо перейти от точечных оценок параметров к интервальным. Результаты этого перехода приведены в третьей колонке табл. 1. Этот переход с высокой степенью вероятности позволит выявить несколько типов датчиков, удовлетворяющих поставленным требованиям. Утверждение основано на том, что, например, в базе данных «Датчики давления» информационно-поисковой системы «Датчики», созданной в МИЭМ, имеются технические паспорта 765 датчиков давлений.

Большинство типов датчиков избыточного давления имеют диапазон измерения, задаваемый интервалом с левым значением интервала ноль и правым значением – характеризующим верхний предел измерения (в нашем примере – 10 МПа).

Например, может оказаться, что при поиске в базе данных не окажется датчика с пределом измерения 10 МПа и хотя по всем другим параметрам этот датчик будет соответствовать условиям поиска, он будет исключен из числа рекомендуемых к использованию. Расширив же верхнюю границу поиска на 25% (до 12,5 МПа) мы увеличиваем количество возможных типов датчиков, которые будут включены в число «претендентов» на окончательный выбор.

По тем же соображениям точечную оценку основной приведенной погрешности измерения 0,4% мы заменяем на интервал значений погрешности 0,25% - 0,4%. Расширять этот диапазон до значений, больших 0,4% не представляется возможным, поскольку датчик не будет обеспечивать требуемой точности измерения избыточных давлений. Уменьшать левую границу интервала до значений 0,1% также не целесообразно, поскольку это существенно отразится на стоимости выбранного информационно-поисковой системой датчика. Исходя из аналогичных соображений были введены интервальные значения и для трех последующих параметров табл. 1.

Заданный в качестве условий поиска температурный диапазон +10°С ÷ + 40°С достаточно узок. Большинство типов датчиков давления рассчитаны на диапазон рабочих температур 0°С ÷ + 50°С. Поэтому целесообразно расширить диапазон рабочих температур до интервала (0°С ÷ + 10°С) ÷ (+40°С ÷ + 50°С). Датчики с таким рабочим диапазоном температур будут стоить несколько дороже, однако эта стоимостная разница не будет превышать (5-10)%.

Максимальный габаритный размер датчика по условию не должен превышать 120 мм. В базе данных имеются типы датчиков со значительно меньшим размером. Однако в этом случае их присоединительные размеры (резьбовой штуцер) может отличаться от стандарнтного (М20х1,5), что создает существенные трудности при подключении датчика к объекту измерения. Длина датчиков давления со штуцером М20х1,5 обычно укладывается в диапазон 80мм –120мм, что и представлено в третьей колонке табл. 1.

Соответственно, для организации поиска датчика по заданным условиям необходимо ограничить левую часть интервала значений массы датчика. Реально месса датчика давления с верхним пределом измерения (10-12,5)МПа и стандартным штуцером не может быть меньше 0,2 кг, что и отражено в табл. 1.

Процедуру задания и корректировки интервальных значений параметров датчика перед началом процесса поиска требуемого типа датчика должен осуществить специалист, имеющий достаточный объем знаний в области измерений неэлектрических величин электрическими методами.

Полученные в колонке 3 табл. 1 интервалы значений параметров используются в качестве исходных данных для работы информационно-поисковой системы. Положим, что в результате поиска система выдала пользователю n типов датчиков давлений, удовлетворяющих условиям поиска.

Процедуру задания и корректировки интервальных значений параметров искомого датчика перед началом поиска можно осуществлять и программным путем. В этом случае границы заданного диапазона измерений изменяются на 25% от его значения. При этом цифра, характеризующая нижний предел измерения (левая граница интервала) уменьшится на число, равное 25%L, где L – заданное пользователем значение диапазона измерения. Соответственно правая граница интервала (верхний предел измерения) увеличивается на 25% от L.

Соответственно на 25% увеличиваются или уменьшаются точечные оценки других заданных параметров искомого датчика (габаритные размеры, масса, погрешность измерения), превращаясь из точечных оценок в интервальные.

Методика количественной оценки качества
конкурирующих типов датчиков с целью выбора
оптимального варианта

На рис. 1,а приведены интервальные значения параметров, в пределах которых осуществляется поиск требуемого типа датчика по заданному диапазону измерения.

Рис. 1. а) IЛ, IП – нижний и верхний предел измерений, назначенный пользователем; IIЛ, IIП – нижний и верхний пределы измерений, назначаемые перед началом программного поиска; IIIЛ, IIIП – пределы измерения реального типа датчика, обнаруженного в результате поиска; δ1 = IЛ – IIIЛ; δ2 = IIIП – IП; L – разность между верхним и нижним пределами измерения датчика, задаваемыми пользователем. б) ΔН – максимально допустимое значение основной абсолютной погрешности измерения датчика, которое задает пользователь перед началом процедуры поиска; Δmin – минимально-допустимое значение основной абсолютной погрешности измерения датчика, вводимое пользователем для превращения точечной оценки погрешности в интервальную; ΔР – абсолютное значение основной погрешности типа датчика, найденного в базе данных информационно-поисковой системой, исходя из заданных значений верхнего и нижнего пределов измерений.

На рис. 1, а интервал IЛ – IП соответствует диапазону измерения, заданному пользователем. Штриховыми линиями показаны интервалы IIП – IП и IЛ – IIЛ, на которые перед началом поиска расширяется зона поиска. Положим, что в нашем примере эти интервалы составляют 25% от протяженности диапазона измерения L = IЛ – IП. Все типы датчиков, у которых верхний и нижний пределы измерения укладываются в интервалы IIЛ – IЛ и IП – IIП удовлетворяют условию поиска. Положим, что один из реальных типов датчиков имеет диапазон измерения, обозначенный на рис. 1, а границами IIIЛ ­– IIIП.

Критерием оценки качества датчика по диапазону измерения может быть сумма расстояний между заданным и реальным верхним и нижним пределами измерения. На рис. 1 этими расстояниями являются отрезки δ1 и δ2.

Этот критерий может быть представлен в форме

(1)

где L – разность между верхним IП и нижним IЛ пределами измерения датчика, заданная пользователем; δЛ = IЛ – IIЛ – приращение, преобразующее точечное значение нижнего предела измерения датчика IЛ в интервальное; δП = IIП – IП – приращение, преобразующее точечное значение верхнего предела измерения датчика IП в интервальное; δ1 – отклонение нижнего предела измерения реального типа датчика от значения IЛ; δ2 – отклонение верхнего предела измерения реального типа датчика от значения IП; – коэффициент, численное значение которого зависит от приоритета рассматриваемого параметра датчика.

Будем считать, что диапазон измерения для пользователя является приоритетом №1. Приоритеты всех остальных нижеследующих параметров понижаются с каждой строкой. При этом методикой оценки качества предусмотрено, что имеет место цепочка неравенств и .

Учитывая, что в начале анализа мы полагали, что δ1max = δ2max = 0,25L и принимая , на основании (1) имеем . При , т. е. предложенный системой автоматического поиска реальный тип датчика совпадает с заданными пользователем условиями, значение критериальной оценки .

Таким образом частная критериальная оценка датчика по первому приоритетному признаку может лежать в пределах 5 – 10 и характеризует степень приближения диапазона измерения рассматриваемого типа датчика к диапазону измерения, заданному пользователем в исходных требованиях, сформулированных перед началом поиска.

Следующим шагом количественной оценки качества датчика анализируемого типа является частная критериальная оценка второго по рейтингу параметра датчика – основной абсолютной погрешности измерения . На рис. 1, б на оси погрешностей приведены допустимые границы погрешностей и , в которые должна уложиться погрешность анализируемого датчика . Граница определяется выражением , где – значение основной приведенной погрешности, задаваемой пользователем ИПС перед началом поиска (в нашем примере ). Для превращения этой точечной оценки в интервальную определяем границу , где – основная приведенная погрешность датчика, которую пользователь может принять с учетом возрастания стоимости датчика, например принять 0,3% (или 0,25)% (см. табл. 1).

Аналогично, зная конкретного анализируемого типа датчика, абсолютное значение его погрешности определяется выражением (см. рис. 1,а):

Если величина удовлетворяет условию , то заданное условие по величине погрешности можно считать выполненным, а частная критериальная оценка полноты выполнения требования пользователя по точности датчика может быть представлена в форме

.

Поскольку пользователь ранжирует параметры искомого датчика по степени их приоритета, то значение коэффициентов приоритета K должно удовлетворять условию , где n – количество показателей, по которому производится поиск требуемого типа датчика.

Для рассматриваемого примера назначаем . Тогда частная критериальная оценка по показателю точности при значении составляет 8, а при значении (см. рис. 2,б) .

Третьей по рейтингу в табл. 1 расположен диапазон рабочих температур внешней среды, в котором датчик давления имеет нормированные точностные характеристики. В табл. 1 приведен диапазон рабочих температур +10°С ÷ + 40°С, однако подавляющее большинство датчиков различных типов, содержащихся в базе данных, имеют более широкие диапазоны рабочих температур. Ближайшим к желаемому является диапазон 0°С ÷ + 50°С. Он шире на 10°С в сторону как положительных, так и отрицательных границ заданного диапазона. Обозначим через заданный температурный диапазон (рис. 1, в), – ближайший нормированный температурный диапазон (0°С ÷ + 50°С). Условием поиска является нахождение границ температурного диапазона датчика в интервалах и .

Тогда критериальной оценкой степени близости реального температурного диапазона к заданному потребителем будет большее из двух чисел

или

Положим, что в нашем примере , а . Тогда при , , и, и . Из двух полученных значений выбирается минимальное и оно принимается за частную критериальную оценку. В нашем случае .

Критериальная частная оценка степени приближения максимального габаритного размера датчика к значению, заданному потребителем основывается на трансформации точечного значения размера датчика в диапазон допустимых размеров. В нашем примере (табл. 1) – в диапазон значений 80 – 120 мм. Частная критериальная оценка датчика по наибольшему размеру

,

где , – верхняя и нижняя допустимая граница максимального размера датчика; – реальный максимальный размер датчика; – коэффициент приоритета.

В нашем примере , ; . При (идеальный случай) ; при частный критерий . Для условий значение может принимать значения от 0 до 4.

Аналогичный вид имеет частный критерий оценки качества датчика по массе . При значениях , величина критерия может находиться в пределах от 0 до 3 (при ) для условий , где – масса анализируемого датчика.

Суммарная количественная оценка качества анализируемого датчика конкретного типа определяется численной оценкой, состоящей из суммы частных критериальных оценок каждого из его параметров, вошедших в число приоритетных. В нашем случае

Если информационно-поисковая система по заданным потребителем требованиям, расположенным в порядке приоритетов, из имеющейся базы данных нашла несколько типов датчиков, то по вышеописанному алгоритму будут определены суммарные количественные оценки качества датчика каждого типа и потребителю будет рекомендован один тип, имеющий наивысшее значение суммарной критериальной оценки.

Для учета стоимости датчиков формально можно задать максимальную стоимость, которая еще приемлема для потребителя.

Однако во многих каталогах цены на датчики не приводятся в связи с тем, что в условиях рыночной экономики они часто меняются.

В связи с этим обстоятельством критериальная оценка датчика по его стоимости несколько отличается от вышеизложенных.

Предлагается после отбора из числа типов датчиков, набравших наибольшие суммарные критериальные оценки (2-3 типа), определить их рыночную стоимость, обращаясь непосредственно к дилерам. В итоге мы получим стоимости , , , .

Тогда стоимостной критерий можно представить в виде

где – стоимость i-го датчика, – весовой коэффициент, который чаще всего будет иметь наивысший приоритет, т. е. . Естественно, что суммируется с критериальной оценкой i-го датчика, полученной при анализе его технических параметров.

Изложенная методика применима к любым видам средств измерения.

По нашему мнению такой подход к количественной оценке качества средств измерения ранее не применялся и его практическое использование позволит перейти от чисто качественных оценок к числовым, критериальным оценкам качества изделий в любой отрасли промышленности.

Литература

Европейский стандарт ИСО-8402. Качество. Основные определения. ГОСТ 8.009-72. Нормируемые метрологические характеристики средств измерений