й нормированы Для ИВК следующие МХ: предельное значение основной погрешности Ар; предельные значения систематической погрешности Asp, среднего квадратического отклонения случайной составляющей погрешности А. вариации выходного сигнала и быстродействия.

Числовые значения нормируемых МХ для измерительных каналов ИВК, состоящих из функциональных блоков, имеющих известные нормированные МХ, определяются расчетным путем. Ири небольшом количестве ФБ (т^4) погрешность измерительного

канала может быть определена по формуле Др=2 р'

т>4 находится наихудшее сочетание этих погрешностей, при котором максимальна суммарная основная погрешность А. Программное выполнение вычислительных и логических операций составляет в ИВК заметное время. Высокое быстродействие аппаратных средств ИВК в полной мере не используется. Например, в состав ИВК^2 и ИВК-4 входит быстродействующий (80-10 измерений/с) АЦП, а в ИВК он может работать лишь с частотой 10-10 измерений/с. В ИВК-4, ИВК-7 и ИВК-8 имеется цифровой вольтметр Щ1516, обладающий быстродействием 25 измерений/с, в составе ИВК он обеспечивает быстродействие 20 измерений/с. Ввиду сказанного для оценки динамических свойств ИВК было признано целесообразным принять количество измерений, выполняемых в секунду, /д.

Как известно, знание /д позволяет при определенных условиях ограничить наибольшую частоту исследуемого процесса и оценить погрешность дискретизации.

Метрологическая аттестация позволяет установить соответствие МХ данного ИВК установленным уровням нормируемых МХ и выдать пользователю индивидуальные значения нормируемых AVX. Очевидно, для таких сложных и дорогих средств измерения, как ИВК, целесообразно оформление индивидуального паспорта, содержащего значения нормируемых характеристик данного экземпляра ИВК-

Программы определения нормируемых МХ при эксплуатации ИВК, написанные на языке ФОРТРАН и работающие под управлением операционных систем реального времени (ОСРВ), ФОБОС и РАФОС, позволяют управлять проведением контрольных испытаний, определять значения нормируемых МХ в процессе работы ИВК (контроль нормируемых МХ производится в фоновом режиме с низшим приоритетом), регистрировать значения измеряемых величин и МХ измерительных каналов, изменять или прерывать проведение эксперимента, если МХ вышли за допустимые значения.

Объем контрольных испытаний зависит от наличия существенной случайной погрешности. Поэтому перед проведением государственных поверочных и приемно-сдаточных испытаний ИВК в ксплуатационных условиях оценивается выборочное значение

ра.змаха погрешности А=Атах- Amin из 40 измерений в трех точках диапазона измерений ИВК. Если хотя бы в одной точке Д больше двух делений шкалы преобразователя, то случайная составляющая погрешности считается существенной и тогда необходимо определение Дор.

Измерительно-вычислительный комплекс считается годным, если все МХ находятся в пределах допустимых значений.

22.3. ТЕХНИЧЕСКИЕ СРЕДСТВА МЕТРОЛОГИЧЕСКИХ ПОВЕРОК

Имеются два основных пути реализации поверок, проводимых Б целях установления соответствия характеристик поверяемой системы метрологическим нормам. Первый путь - путь а на рис. 22.1 связан с использованием для поверки калибраторов, формирующих образцовые сигналы, подаваемые на вход контролируемой ИИС.

Второй путь - путь б на рис. 22.1 предусматривает применение образцовых приборов или преобразователей для измерения сигналов, подаваемых на вход контролируемой ИИС, и сравнения результатов измерения, полученных образцовыми средствами из мерения и поверяемой ИС.

Рис. 22.1. Структурная схема автоматизированной испытательной системы с устройством формирования образцовых сигналов (с) или образцовым прибором (б)

Поверяемая ИС

I

4ф

м

д

Технические средства метрологической поверки могут быть внешними (автономными) по отношению к поверяемым ИС и встроенными в них.

К внешним поверочным средствам, предназначенным для метрологической поверки довольно широкого круга средств измерений, относится специализированный ИВК Ml. Он предназначен для программированной поверки и испытаний цифровых вольт метров и АЦП класса 0,02, цифро-аналоговых преобразователей класса 0,2, аналоговых преобразователей типа I([/i/[/2), l{i/L/), I{R/U) класса 0,25 в ряде выбранных точек канала, а также для измерения U, I и R. В ИВК Ml производятся накопление результатов поверок и определение типовых характеристик поверяемых устройств, визуализация полученной информации, обеспечивается диалоговый режим работы с оператором. Организация взаимодействия приборных устройств в этом ИВК осуществляется с помощью приборного интерфейса. Управление ИВК и обработка

информации производятся управляющим вычислительным комплексом СМ-4. Метрологической основой комплекса являются источник калиброванных напряжений Ф7046 и универсальный вольтметр Щ68003. Подключение аналоговых сигналов (100 В, 100 мА) выполняется с помощью матричных коммутаторов (8X8), изготовленных на реле с магнитно-управляемыми контактами (термо-ЭДС<.10 мкВ).

Программное обеспечение комплекса содержит перфоленточную операционную систему, работающую в диалоговом режиме с использованием языка БЕЙСИК, и пакет тестовых программ для проверки работоспособности ИВК. Возможность формирования компенсационного напряжения в широких пределах, получения оценок систематических и случайных погрешностей поверяемых устройств с заданной достоверностью - очевидные достоинства этого ИВК.

Основные характеристики ИВК Ml:

диапазон калиброванных напряжений от 10 до 10* В, основная погрешность 0,003-0,005%, время формирования 0,02-0,5 с;

диапазоны измерения напряжений от 10- до 10 В, тока от Ю- до 1 А, сопротивления 10--10- Ом, погрешности измерения 0,06-0,1%, время измерения 0,04-1 с.

Если поверяемое устройство не имеет встроенной ЭВМ и средств поверки, то может быть организована поверка с помощью внешних ЭВМ и средств поверки. Именно так организована метрологическая поверка систем К-732 (см. гл. 10) при ихпроизводстве. Она проводится с привлечением образцового магазина сопротивлений и с обработкой результатов измерений с помощью внешней ЭВМ. Если оценка погрешности каждого экземпляра системы К-732 выполняется в 25 точках, распределенных равномерно по шкале АЦП, а количество циклов измерения в каждой точке равно 30, то при числе поверяемых каналов, равном 127, производится 9,5-10* измерений. Для получения оценок систематических погрешностей, средних квадратических отклонений в каждой точке шкалы и каждого канала необходимо выполнить более 3-10 вычислительных процедз'р, а это практически невозможно сделать без ЭВМ. Заметим, что наряду с метрологической поверкой на заводе-изготовителе решаются задачи диагностики функциональных блоков, проверки монтажа и т. п.

Поверочные средства в большинстве случаев стационарны, их трудно перемещать к месту эксплуатации, а в некоторых случаях невозможно использовать в условиях работы ИС, да и сами ИС часто не пореносят излишних транспортировок. Поэтому для метрологической аттестации ИС создаются специализированные образцовые установки с использованием ЭВМ и других устройств, входяпщх в состав ИС, а также встроенные устройства для метрологической поверки. Такие поверочные средства также строятся с применением образцовых сигналов или средств измерения.

Наличие специализированных и встроенных образцовых средств открывает возможность выполнения метрологической ат-

тестации ИИС на месте эксплуатации, ее периодических поверок, а иногда поверок в процессе эксплуатации, накопления и анализа метрологической информации и в конечном счете поддержания характеристик ИС на установленном метрологическом уровне.

В выпускаемых промышленностью комплексах ИВК-8 (рис. 22.2) для определения метрологических характеристик измерительных каналов используется программно-управляемый образцовый источник калиброванных напряжений Ф7046 (основная погрешность +0,003 и ±0,005%).

Рис. 22.2. Структурная схема ИВК с образцовым генератором калиброванных напряжений Ф7046 и цифровыми вольтметрами ФЗО, Щ1516 или Щ31

СР CM-Jfi

Ф70е ФЗО Ш,151В

Определение метрологических характеристик канала вывода напряжений производится с помощью цифровых вольтметров ФЗО (основная погрешность ±0,06%), Щ1516 [погрешность ±0,015-0,05 (VmaxlV-X) %] или Щ31 [погрешность ±i0,005-f +0,001 ([/ ./[/.-1)%].

В эксперименте получаются разности A\=-Z\-Zi*, Ач=гч-22*, необходимые для вычисления оценок нормированных составляющих инструментальных погрешностей.

На рис. 22.3 показана структура ИС со специализированными образцовыми средствами [22.9]. Измерительная система предназначена для измерения давлений (от десятков до сотен тысяч Паскалей) с помощью тензометрических преобразователей давления 1(р/е) 1(е/Д7?) I(Ai?/A[/).

В ИС используется многоточечное системное аналого-цифровое устройство, объединенное с мини-ЭВМ, содержащей комплект устройств ввода и вывода информации (УВВ). Этот комплекс может сопрягаться с различными типами тензометрических преобразователей.

Периодический контроль АЦП и АЦП с коммутатором обеспечивается с помощью автоматического калибратора электрических сигналов (АКЭС), управляемого от СР и генерирующего сигналы, соответствующие сигналам от тензометрических moIctob.

Погрешность АКЭС (в процентах) 6,-=:±0,06-1-0,01 (Umax/U- - 1), где Umax - максимальное значение, а Ux - измеряемое напряжение.

Кроме того, на вход коммутатора вводятся постоянные контрольные сигналы и^, Ui и Uj, соответствующие различным точкам шкалы АЦП.

§

а

АЗД

Рис. 22.3. Система для измерения давлений со специализированным метрологическим оборудованием

Метрологическая аттестация и периодическая поверка датчиков давления осуществляются с помощью образцового автоматического задатчика давления (АЗД) класса точности 0,05, с диапазоном абсолютного давления от О до 2,5-10 Па п дискретностью задаваемых давлений 1-10 Па. Один из каналов каждого пневмокоммутатора подключен к АЗД.

В результате метрологической аттестации получены метрологические характеристики датчиков, коммутаторов с АЦП и установлены погрешности ИС в целом для четырех диапазонов выходного напряжения измерительных схем с тензодатчиками. Например, для диапазона 40 мВ погрешность канала ИС, состоящего из датчика, коммутатора и АЦП, равна б=±0,5+,0,12Х Х(40/[/.-1) %.

В [22.9] подчеркивается, что без ЭВМ определение метрологических характеристик было бы практически невозможно, так как обработка только одного протокола, содержащего 20-30 экспериментальных точек, по способу наименьших квадратов занимает без применения программируемых ЭВМ несколько часов. При использовании ЭВМ это время удается сократить до нескольких минут, одновременно уменьшив возможные ошибки оператора.

Программы обработки метрологической информащш предусматривают нахождение аппроксимирующего многочлена, выявление грубых погрешностей, построение гистограмм случайных отклонений результатов измерения.

Известен ряд измерительных систем (фирм Fluke - США, So-lartron - Великобритания и др.) с самокалибровкой, проводимой одновременно с измерениями, и соответствующей коррекцией результатов-измерений [22.10].

22.4. АВТОМАТИЧЕСКАЯ КОРРЕКЦИЯ ПОГРЕШНОСТЕЙ ИС

Автоматическая коррекция погрешностей ИС в большинстве случаев предпочтительнее констатации того, что метрологические .характеристики системы находятся в норме или вышли за установленные пределы. Такая коррекция может быть произведена после выполнения операций определения метрологических характеристик ИС. Иногда удается эти характеристики получить одновременно с основными измерительными и вычислительными операциями и вводить корректировку в каждый результат измерения [22.11-22.13].

Остановимся на применении для целей повышения точности измерения так называемых тестовых методов [22.11, 22.12J. Прп использовании тестовых методов измеряемая величина несколько раз изменяется заранее известным образом, по особым алгоритмам, без ее отключения от входа ИС. Далее составляется система уравнений, решение которой позволяет определить коэффициенты а, статической функции преобразования (СФП) средства измерения или без определения а: уточнить результат преобразования:

yo=ai+a2X+ ... +а„х -; y, = aH-Mi(.v)+ ... +an[AUx)V-;

Здесь yi - вы.ходная величина измерительного преобразования; о, -коэффициенты СФП; Л,-(,v) - известные преобразования над входной величиной х, которая должна в процессе измерения оставаться постоянной.

Требования к составлению этой системы уравнений в основном аналогичны требованиям, предъявляемым в многомерных ИС при раздельном измерении взаимосвязанных величин (см. гл. 11): количество уравнений должно быть не менее количества неизвестных коэффициентов а,-, функциональный определитель системы уравнении не должен быть равен нулю, должны быть известны преобразования Л,(л:).

Наиболее простыми являются независимые аддитивные и мультипликативные тесты: Aai{x)=x-\-Qi и Атг{х) =ki{x). Оказывается, что при всех йгфО использование только одних Ааг{х) или Ami{x) не дает возможности решить систему уравнений; для решения нужно иметь комбинацию Лаг (л;) и Л„м(л:), например (n-l) Лаг (л:) и Атг{х).

На практике наибольшее применение тестовые методы получили при кусочно-линейном представлении СФП. В этом случае на каждом участке СФП осуществляется ,цва тестовых воздействия: -Aa{x)=x+Q и A,ni{x)==x-\-kx= ik-iri)x. Тогда может быть получено уравнение

УИ 1 (х) -- УаЛд (x) I У2 - Уг

>i=[{y.~y.)l{y.-y,)\ [blk).

Таким образом, зная результаты измерений уо, yi и г/г, а также 6 и k, можно получить скорректированный результат измерения, не определяя СФП.

Если выполнить последовательно тестовые воздействия Аа{х),

Amix) и Аа{х)-[-Ат{х) (рИС. 22.4), то Х={у2-У0)е/[{УЗ-У1) -

~{y2-yi)\, где уо -результат преобразования х; у и у2 и уз -результаты преобразования Аа(х), Ат{х) и Аа{х)Ат{х). На рис. 22.4 принято, что измерительный преобразователь имеет неизвестную функцию преобразования.

Рис. 22.4. Введение аддитив-. . ных 8 и мультипликативных К тестовых воздействий

СЛСА подачи тестовых воздействий

ф1Кл1(0), Кл,(0)] Г(х)[1,(х/уо) Ii(yo)]X

хФо[/Сл1(1), клно) [ii[(+e)/yi] iiif/i)}x

X {Фо {Клх (0), (1) ] 12 [ (-f A-V) /уг] X Х12(5:у2)} {Фо[Ял1(1), Кл,(1)]Х

Xi2[(x+e)(-fi)/ 1зЫ}...

Если формирование мультипликативных тестов затруднено, то можно использовать инвертирование х (рис. 22.5,а) или его обратное преобразование (рис. 22.5,6), где ОН - соответствующий преобразователь.

Рис. 22.5. Использование аддитивных тестов (а) и обратного преобразования (б) .

в первом случае, если СФП описывается степенным уравнением второго порядка и выполняются четыре преобразования,

х= (г/1-</2) е/ [ (г/3-V4) - (г/1-Уг) ] Во втором случае измеряемая величина сначала преобразуется в 1=а1нЛ;--Да1л;-ЬД1, где Аа\Х и Ai - мультипликативная и аддитивная погрешности, затем получаются сигналы г/г при разомкнутых Ki(O) и Кл2(0), ,3 -при Кл\{\), Кл2(0), if4 -при

K2(0), КЛ2{\).

Корректированное значение измеряемой величины при неизвестных СФП первичного и обратного измерительных преобразователей

Ух - Уг Ул - Уз

Уз~У2- ,. й I Аг

Si (yi - Уз)

Ул - Уз

Погрешность тестовых методов определяется в первую очередь точностью формирования тестов, уровнем высокочастотных шумов преобразователей, несоответствием математической модели реальной СФП, изменением измеряемой величины в процессе коррекции. При выборе соответствующих значений тестовых воздействий (кф1, е>0) удается при погрешности измерительных преобразователей порядка десяти процентов получить результат преобразования с погрешностью до 0,05%-

На основе тестовых методов коррекции погрешностей созданы аналоговые преобразователи линейных и угловых перемещений, масс, давлений, электрических величин. Они используются в системах контроля технологических параметров.

Основная область использования тестовых методов-повышение точности измерения при использовании низкоточных измерительных преобразователей.

Рис. 22.6. Структура устройства, реализующего итерационный метод коррекции погрешности

I-71 Л-г

к л (К)

М -1

Применение тестовых методов в процессе измерений позволяет в некоторых ситуациях исключить нахождение МХ и введение соответствующих поправок.

Необходимо хотя бы кратко остановиться на эффективных итерационных методах коррекции результатов измерений [22.12].

Алгоритм аддитивной итерационной коррекции систематической погрешности цифровых измерительных устройств (рис. 22.6) имеет следующий вид:

измерение

Г() Ф[Кл{и)] I{x/zo) I(S:2o);

первая итерация

{Ф[Кл{К). г,=.г„] lizjKJ 1/%.) X X I (А, = 2; - 2 ) 1 (S: А.)} {Ф [Кл т I (.V/2,) 1 {Z, + ДX вторая итерация

X Ф [Кл (К), г, = г,*] 1 ( х,; I [к, z,) J (Д, г, - X выдача скорректированного результата

Х{Ф[Куг([/)] 1(22) 1(22+Д2 = 22*)} ...ш(ДКе) Ki*)-

В [22.12] показано, что если результат измерения Yq=x(\-\--\-k)-\-Aa, где kx - мультипликативная, а Да-аддитивная составляющие погрешности, то для п-го скорректированного результата =[(1 -(-) +Ч + (-) Да, а погрешно:сть 6 =(Fn--v) М= -={-k)ik + Ylx).

При 11 <1, A;=:const, lira F -д;, а результирующая погреш-

ность определяется погрешностью ЦАП, шагом квантования по уровню и уровнем высокочастотной помехи, которая при этом алгоритме не корректируется.

По данным, приведенным в [22.12], удается скорректировать довольно большие погрешности АЦП за несколько итераций. При k=0 окончательный результат получается уже после первого цикла итерации. Необходимое количество циклов итерации увеличивается при k-\.

Для уменьшения погрешности от квантования по уровню целесообразно увеличивать чувствительность АЦП.

Если мультипликативная составляющая погрешности является определяющей, то возможно использование мультипликативного итерационного алгоритма, который предусматривает вместо операций вычитания и су.\1мирования в аддитивном итерационном алгоритме операции деления и умножения. Алгоритм первой итерации будет иметь вид

5 [к) Ф [Кл т I [xlz,) I (S:z,)} {Ф [Кл (К); = z,] I (zJk,) X

X lixjzl) l{zljz;=a;)l (S: ,)} {<[Кл{и)] 1(к!г,) I (г, .)}.

Если в результате измерения имеется только мультипликативная погрешность, то первый скорректированный результат не будет ее содержать: Ziai=ZiZki*/zo=ziti* при Zi=zo.

В ряде случаев целесообразно нспользование комбинированных аддитивно-мультипликативных итерационных алгоритмов.

При применении итерационных методов упрощаются вопросы метрологической аттестации ИС, так как метрологической поверке подлежит, по существу, только ЦАП, повышается точность измерений до необходимого уровня. Реализация тестовых и итерационных методов коррекции погрешностей в ИС, включающих микропроцессорную технику,- эффективное средство повышения точности измерений.

Глава 23

ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ И ПЛАНИРОВАНИЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНОГО ЭКСПЕРИМЕНТА ПРИ ПРОЕКТИРОВАНИИ ИИС

23.1. ОЦЕНКА ЭФФЕКТИВНОСТИ ИИС

Критерии оценки технической эффективности

При разработке технического задания и технического предложения на проектируемую ИИС нужно, чтобы были определены критерии оценки эффективности работы системы и их конкретные значения. Под технической эффективностью понимается степень приспособленности сре,ц,ств ннформацпоинон техники к выполнению поставленных задач (функций).

Эффективность оценивается критериями, или показателями, эффективности. Выбор конкретных критериев эффективности зависит от назначения системы и требований, предъявляемых к ней. Известны общие рекомендации [23.1-23.4], которые целесообразно учитывать при выборе критериев эффективности. Критерий эффективности до.пжеп:

отражать основное назначенпе системы;

быть критичен по отношению к параметрам системы, позволяющим его варьировать;

обладать определенной конструктивностью, позволяющей относительно просто определять его численное значение для системы;

быть достаточно универсальным, позволять сравнивать эффективность систем одного назначения и выбирать наилучший вариант.

Прн выборе критерия необходимо всесторонне взвешивать назначение системы, ее взаимосвязь с другими частями, если система не автономна, последствия того HJHI иного выбора критерия.

В общем виде критерием эффективности ИИС является функционал

u=F{X, У),

где Х= (xj, Х2,. -., .v ) - вектор, характеризующий параметры системы, которыми можно управлять, а следовательно, изменять численное значение критерия;

y=(f/i. У2..... 1/п)--вектор параметров системы, не поддающихся управлению,

но влияющих на значение критерия эффективности.

Значение критерия определяется алгоритмическими, структурными, схемными и конструктивными решениями системы, а также условиями применения.

Число параметров, влияющих на критерий эффективности, может быть очень велико. Но для конкретного варианта системы лишь некоторые из них в значительной мере изменяют критерий, а большая часть влияет относительно слабо или почти ие влияет. Для упрощения исследования необходимо выбирать минимальное число параметров, т. е. ограничиться только существенными. Для анализа влияния параметра на критерий могут использоваться методы корреляционного и регрессионного анализа.

Рассмотрим примеры, поясняющие смысл понятий управляемых и неуправляемых параметров. Если критерием является точность ИИС, то управляемыми неремсннымп (нараметрамп) могут быть коэффициенты передачи отдельных частей системы, число уровнен квантования, полоса пропускания, коэффициенты