CC BY
127
2014,№1(7)
21
УДК 53.088.3
А. А. Папко, И. В. Кирянина, И. В. Комбарова
ОБ ИССЛЕДОВАНИИ ПОВТОРЯЕМОСТИ И ВОСПРОИЗВОДИМОСТИ МЕТРОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ПРЕЦИЗИОННЫХ АКСЕЛЕРОМЕТРОВ
A. A. Papko, I. V. Kirjanina, I. V. Kombarova
ABOUT REPEATABILITY AND REPRODUCIBILITY RESEARCH METROLOGICAL CHARACTERISTICS PRECISION ACELEROMETR
Аннотация. Представлены результаты оценки повторяемости метрологических характеристик прецизионных акселерометров в условиях производства ОАО НИИФИ и их воспроизводимости в условиях измерений предприятия-потребителя. Определены технические решения, обеспечивающие соответствие установленным требованиям по повторяемости и воспроизводимости.
Abstract. Results of an estimation of repeatability of metrological characteristics precision acelerometr in the conditions of manufacture of ОАО NIIFI and their reproducibility in the conditions of enterprise-consumer measurements are presented. The technical decisions providing conformity to established requirements on repeatability and reproducibility are defined.
Ключевые слова: повторяемость, воспроизводимость, прецизионный акселерометр, измерения.
Key words: repeatability, reproducibility, precision acelerometr, measurements.
Обеспечение повторяемости метрологических характеристик является одной из наиболее важных проблем разработки и производства прецизионных акселерометров, используемых в качестве инерциальных компонентов систем управления движением различных объектов.
Согласно [1] повторяемость, или сходимость, является одним из двух условий обеспечения прецизионности средств измерений, или степени близости друг к другу независимых результатов измерений, полученных одним и тем же методом, на одном и том же рабочем месте, одним и тем же оператором с использованием одного и того же оборудования.
При этом условия воспроизводимости - условия, при которых результаты измерений получают одним и тем же методом на тех же объектах измерений в разных лабораториях, разными операторами с использованием различного оборудования. Понятием воспроизводимости оперируют при возникновении спорных ситуаций между поставщиком и покупателем при контроле качества продукции.
Необходимость предложенного исследования возникает из-за того, что измерения, выполняемые на идентичных образцах при предположительно идентичных обстоятельствах, не дают, как правило, одинаковых результатов. Это объясняется неизбежными случайными и систематическими погрешностями, присущими каждой измерительной процедуре, когда факторы, оказывающие влияние на результат измерений, не поддаются полному контролю [2].
Кроме того, различия между результатами испытаний, выполняемых разными операторами или с использованием различного оборудования, как правило, будут больше, чем между результатами измерений, выполняемых одним оператором на одном и том же оборудовании.
На изменчивость результатов измерений, выполняемых по одному и тому же методу, могут влиять:
1) индивидуальное восприятие оператора;
2) характеристики используемого оборудования;
3) параметры окружающей среды;
4) интервал времени между измерениями.
Исследуемый метод измерений обеспечивает определение метрологических характеристик акселерометра при повороте его измерительной оси в гравитационном поле Земли на заданные углы а. При этом акселерометром измеряется проекция вектора гравитационного ускорения на измерительную ось, равная £8Іпа, где g - значение модуля гравитационного ускорения, определенное для рабочих мест по результатам гравиметрической экспертизы с точностью до пяти знаков после запятой [3].
Объект исследований представляет собой емкостный акселерометр АЛЕ 055 с магнитоэлектрическим уравновешиванием. Кроме цепи уравновешивания, в его состав входят схема термокомпенсации коэффициента преобразования и преобразователь «напряжение - частота». К числу метрологических характеристик, определяемых при испытаниях, относятся коэффициент преобразования и температурная погрешность. Номинальное значение коэффициента преобразования составляет 5 с/м, а предельное значение температурной погрешности - 0,1 % в интервале изменения температуры от минус 50 до + 50 °С.
При значительных объемах серийного производства прецизионных акселерометров изменчивыми являются все перечисленные факторы, так как вместо одного одноместного рабочего места в этом случае используется множество многоместных. Например, для акселерометра АЛЕ 055 в состав рабочего места входят:
1) оптическая делительная головка ОДГЭ-5;
2) термокамера МС-71;
3) многоместное приспособление для установки в термокамеру шести акселерометров, жестко соединенное с поворотным устройством ОДГЭ-5;
4) коммутирующее устройство (пульт), подключающее к каждому из акселерометров питающее напряжение, нагрузку выходного каскада и измеритель периода.
Для оценки значимости влияния перечисленных факторов на повторяемость метрологических характеристик проведен следующий эксперимент: одним и тем же оператором в одно и то же время суток на четырех рабочих местах были проведены температурные испытания комплекта, состоящего из шести акселерометров АЛЕ 055. С целью уменьшения случайной составляющей на каждом рабочем месте оценка параметров проводилась по 30 измерениям. С учетом четырех рабочих мест получена выборка, содержащая 120 точек измерений для каждого акселерометра и 720 точек для всего комплекта.
По полученной выборке определены повторяемость значений коэффициентов преобразования акселерометров при трех значениях температуры окружающей среды - минус 50, +20, +50 °С - и температурная погрешность в двух интервалах - от минус 50 до +20 °С и от +20 до +50 °С (всего пять параметров).
По результатам испытаний определяются:
- коэффициенты преобразования К/і при трех значениях температуры в термокамере минус 50, + 20 и + 50 °С (/ = 1, 2, 3; і = 1, ..., 4);
- значения температурных погрешностей ун и у3і в двух интервалах температуры от минус 50 до + 20 °С и от +20 до +50 °С;
- средние значения коэффициентов преобразования К/ср и у/ср по четырем рабочим местам;
- отклонения текущих значений параметров А/ от средних на каждом рабочем месте.
В качестве оценки нарушений условий повторяемости для каждого рабочего места принято количество отклонений А/і от средних значений параметров по каждому акселерометру, превышающее 0,02 %.
Результаты оценки нарушений условий повторяемости показаны на рис. 1.
2014,№1(7)
23
к
I 0,04
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14
Количество отклонений от средних значений параметров, превышающих 0,02%
Рис. 1. График отклонений параметров акселерометров АЛЕ 055 на разных рабочих местах производства ОАО НИИФИ
Анализ представленной на рисунке информации показывает, что наихудшие результаты оценки параметров получены на рабочем месте 2, а наилучшие - на рабочем месте 3. В худшем случае из 30 средних значений параметров за пределы критерия повторяемости вышли 14 измерений, а в лучшем - 4. Поиск причин неудовлетворительной повторяемости позволил сделать следующий вывод: наибольшее влияние на повторяемость метрологических характеристик акселерометров АЛЕ 055 оказывают коммутирующие устройства, отличающиеся электрическими сопротивлениями цепей питания и паразитными емкостями информационных цепей, представляющими собой емкостную нагрузку для выходного каскада. По результатам проведенного исследования обоснованы требования к приемлемым значениям электрических сопротивлений (не более 0,1 Ом) и паразитных емкостей (не выше 200 пФ) указанных выше цепей. Реализация этих требований позволила обеспечить соответствие установленному критерию воспроизводимости метрологических характеристик акселерометров АЛЕ 055 при серийном производстве.
Для оценки воспроизводимости коэффициента преобразования использованы результаты определения его значений при проведении входного контроля у потребителя. Анализ результатов входного контроля позволяет сделать следующие выводы:
- при оценке абсолютных значений коэффициентов преобразования невоспроизводи-мость характеризуется систематической погрешностью, достигающей 0,07 %;
- температурные погрешности акселерометров как характеристики приращений коэффициентов преобразования в установленных интервалах температур соответствуют требованиям КД.
Анализ условий невоспроизводимости показал, что ее причинами являются:
- различие оборудования: при входном контроле вместо оптической делительной головки ОДГЭ-5 (точность задания угла ±5") использовано устройство с механическим отсчетом и минимальной ценой деления 1°;
- отличие значений коммутируемого выходного тока акселерометра при оценке повторяемости и воспроизводимости: для выходной микросхемы типа 564ЛА10 изменение значения коммутируемого тока различным образом влияет на длительность переднего и заднего фронтов выходных импульсов, приводя к увеличению невоспроизводимости;
- отсутствие информации о точном значении модуля гравитационного ускорения на рабочих местах потребителя, в связи с чем для расчета коэффициентов преобразования используется значение ускорения свободного падения для широты места расположения предприятия-потребителя.
Заключение
1. Для повышения повторяемости метрологических характеристик прецизионных акселерометров АЛЕ 055 в процессе серийного производства необходимо обеспечить высокую степень идентичности параметров множества рабочих мест. При соответствии эталонного оборудования для воспроизведения измеряемого параметра и измерения выходного сигнала требованиям КД наибольшее влияние на воспроизводимость оказывают неидентичность коммутирующих устройств и различие токов нагрузки выходного каскада акселерометра. Экспериментально подтверждено, что идентичность коммутирующих устройств можно считать удовлетворительной при электрических сопротивлениях цепей питания не более 0,1 Ом и паразитных емкостях информационных цепей не более 200 пФ.
2. Для обеспечения воспроизводимости при проведении входного контроля прецизионных акселерометров необходимо обеспечивать соответствие рабочих мест условиям по п. 1 настоящего заключения. Кроме этого, обязательной является необходимость проведения гравиметрической экспертизы рабочих мест предприятия-потребителя.
3. Для обеспечения идентификации условий контроля выходного сигнала между предпри-ятиями-поставщиками и предприятиями-потребителями должны приниматься компромиссные решения, учитывающие особенности задания требований к ним в техническом задании и особенностью условий эксплуатации на изделиях.
Список литературы
1. ГОСТ Р ИСО 5725-1-2002. Точность (правильность и прецизионность) методов и результатов измерений. - 75 с.
2. Проектирование низкочастотных акселерометров с нормируемыми динамическими характеристиками / В. В. Алавердов, А. В. Гориш, Е. А. Мокров, А. А. Папко. - М. :
Моск. академия рынка труда и информационных технологий, 2001. - 75 с.
3. Мокров, Е. А. Статико-динамические акселерометры для ракетно-космической техники /
Е. А. Мокров, А. А. Папко. - Пенза : ПАИИ, 2004. - 164 с.
Папко Антонина Алексеевна
доктор технических наук, главный конструктор направления, Научно-исследовательский институт физических измерений E-mail: inercial@niifi.ru
Кирянина Ирина Владимировна
начальник отдела,
Научно-исследовательский институт физических измерений E-mail: inercial@niifi.ru
Комбарова Ирина Владимировна
начальник группы, Научно-исследовательский институт физических измерений E-mail: inercial@niifi.ru
Papko Antonina Alekseevna
doctor of technical sciences, chief designer, Scientific-research Institute of physical measurements
Kirjanina Irina Vladimirovna
head of the department, Scientific-research Institute of physical measurements
Kombarova Irina Vladimirovna
head of the group, Scientific-research Institute of physical measurements
УДК 53.088.3 Папко, А. А.
Об исследовании повторяемости и воспроизводимости метрологических характеристик прецизионных акселерометров / А. А. Папко, И. В. Кирянина, И. В. Комбарова / / Измерение. Мониторинг. Управление. Контроль. - 2014. - № 1 (7). - С. 21-24.
