Потенциальная точность измерений

Г л а в а 8 ПОТЕНЦИАЛЬНАЯ ТОЧНОСТЬ ИЗМЕРЕНИЙ

8.1. ФАКТОРЫ, ВЛИЯЮЩИЕ НА ТОЧНОСТЬ ИЗМЕРЕНИЙ

Стремление к повышению точности измерений — одно из направлений постоянных метрологических работ. Наряду с этим следует особо подчеркнуть, что в повседневной практи­ке, в обиходе, в технических и технологических измерениях нужно стремиться не к наивысшей точности, цена которой, как правило, велика, а к целесообразной, оптимальной в смысле технико-экономических   показателей.   Основной целью метрологического обеспечения является не достиже­ние высокой точности, а гарантия единства и достоверности результатов измерений.

Научно-технический прогресс всегда обеспечивался адек­ватной точностью измерений. История науки содержит немало примеров того, как повышение точности измерений приводи­ло к фундаментальным научным открытиям. Многие техно­логические процессы в промышленности стали возможны только потому, что точность технических измерений достиг­ла соответствующего уровня. Под углом зрения обеспечения высоких темпов научно-технического прогресса и должен рассматриваться вопрос о точности измерений.

На рис. 160 приведены результаты анализа точности об­работки линейных размеров механических деталей электрон­ных изделий и оптических устройств за большой истори­ческий отрезок времени с прогнозом на обозримое буду­щее. Заштрихованная область относится к производству интегральных микросхем. Обобщение данных об их тополо­гических размерах и требованиях к допускам по совме­щению при литографических операциях показывает, что создание интегральных схем основывается на высокоточной обработке и прецизионных измерениях, точность которых примерно на порядок выше точности обработки обычных изделий, В перспективе ожидается создание нанотехнологии, представляющей комплексную технологию промышленной обработки изделий с точностью около 1 нм. При этом имеет­ся в виду объединение в единую взаимосогласованную систему многочисленных обрабатывающих инструментов, конт­рольно-измерительных и управляющих устройств с использо­ванием ЦЭВМ.

В режиме формообразования точность обработки традицион­ными способами принципиально ограничена областью 0,3 ... 1 нм, соответствующей размерам отдельных молекул и расстояни­ем в кристаллической решетке. Более отдаленная перспектива связана,  поэтому с развитием молекулярной    электроники. Приборы молекулярной элект­роники опираются на техноло­гию, использующую процессы само сборки. Подобная принципи­ально новая технология с атомной детализацией  не  может сравниваться с традиционной технологией формообразования и потребует развития нового подхода к оценке точности на молекулярном уровне.

Выход на уровни точности, близкие к предельно достижи­мой, ставит вопрос о потенци­альной  точности измерений. Ответ на него зависит от уров­ня развития науки и техники.

Наиболее просто ответ на вопрос о потенциальной точ­ности измерений формулируется следующим образом: точ­ность измерений не может быть выше точности воспроиз­ведения единицы государственным первичным или специаль­ным эталоном (по определению). Никакое техническое уст­ройство не может рассматриваться в качестве измеритель­ного прибора, если ему установленным порядком не переда­на информация о размере единицы. А передача этой инфор­мации от государственного эталона всегда сопровождается потерей точности. Кроме того, точность измерений зависит от множества других факторов.

Не в последнюю очередь она зависит от количества апри­орной информации об объекте измерения. Чем ее больше, тем выше точность измерений. Априорная информация об объекте измерения позволяет сконструировать адекватную его модель, синтезировать оптимальную измерительную про­цедуру, правильно выбрать или синтезировать средство из­мерений. Важное значение для синтеза имеет априорная ин­формация о свойствах полезного сигнала и помех на входе средства измерений. Дефицит априорной информации огра­ничивает точность измерений и любые меры, направленные на его преодоление, приближают точность к  потенциально возможной.

В свою очередь, как бы удачно не было синтезировано средство измерений оно не будет совершенным из-за недос­татков при изготовлении: конструктивных, технологических, дефектов комплектующих изделий, неточности  настройки и регулировки, поддержания режимов работы и т.д. и т.п., а также вследствие нестабильности элементов и материалов, обусловленной старением, износом и другими причинами. Невозможно  создать измерительный прибор, метрологи­ческие характеристики которого абсолютно точно соответ­ствовали бы проектным, а определение их эксперименталь­ным путем имеет ограниченную точность. Таким образом, несовершенство средств измерений и некоторая неопреде­ленность их реальных метрологических характеристик вно­сят свой вклад в ограничение точности результатов измере­ний.

На точности измерений сказываются также внешние и внутренние влияющие факторы. К внутренним относятся взаимные электромагнитные влияния элементов и их соеди­нений друг на друга, паразитные ТЭДС, тепловыделение, трение, акустическая эмиссия и т. д. Внешние влияющие фак­торы включают в себя изменение параметров окружающей среды (температуры, влажности, давления), напряжения в сети питания, наводки от расположенных поблизости электри­ческих машин и механизмов, всевозможные вибрации и сотря­сения, влияние электрических, магнитных, электромагнитных и гравитационных полей, ускорений и т. п. Их исключение, компенсация и учет в рабочих условиях измерений с помощью функций влияния далеки еще от совершенства.

В процессе измерения объект и средство измерений всту­пают во взаимодействие. В процессе этого взаимодействия средство измерений оказывает влияние на объект, прояв­ляющееся в изменении измеряемой  величины. Результат измерения оказывается искаженным по сравнению с тем, каким он должен был бы быть, если бы средство изме­рений не влияло на объект. Как бы ни учитывалось это обстоятельство (а во многих случаях им просто пренебре­гают), оно снижает точность результата измерения.

Нельзя, наконец, не отметить и несовершенство самой измерительной процедуры (неточность установки прибора и снятия показаний, конечное время выполнения измере­ния, в течение которого происходит изменение внешних условий и ряда влияющих факторов, зависимость качест­ва измерения от квалификации оператора и многое другое). Это также обусловливает недостижимость потенциальной точности измерений.

Все вышеперечисленные факторы, влияющие на точность измерений, учитываются при разработке, стандартизации и аттестации методик выполнения измерений. В стандартах на методики (или в соответствующих разделах стандартов тех­нологических процессов, методов испытаний и контроля, методов и средств поверки) согласно ГОСТ 8.010—72 ука­зываются:

назначение и область применения стандартизованной методики выполнения измерений;

требования к средствам измерений и вспомогательным устройствам, необходимым для выполнения измерений (в том числе к уровню их автоматизации);

метод измерений;

порядок подготовки и выполнения измерений;

нормы на показатели точности измерений и зависимости, выражающие связи между этими показателями и всеми фак­торами, существенно влияющими на них при выполнении измерений, а также диапазоны значений влияющих величин, для которых эти зависимости справедливы. Указанные зави­симости могут быть представлены в виде таблиц,графиков, уравнений;