Пути повышения точности измерительных приборов

Пути повышения точности измерительных приборов

Подход к созданию средств измерения, обеспечивающих более высокую точность, но значительно более простых в изготовлении, заключается в учете суммарного воздействия доминирующих систематических погрешностей для каждой точки измерительного пространства прибора, для каждой из измеряемых им величин. Это может быть достигнуто за счет учета действительных отклонений погрешностей изготовления деталей, узлов и их систем, обеспечивающих какую либо функцию средства измерения, например, погрешность шкал. Такая поправка на все основные функции СИ определяется при его калибровке, запоминается ЭВМ и используется при определении результатов измерений. Данный метод может быть реализован только при использовании компьютера, хранящего в памяти необходимый набор конкретных поправок данного СИ и использующего их при обработке и выдаче результатов измерений. Учет конкретных значений поправок в отдельных точках диапазона измерений некоторых приборов в метрологической практике уже давно находит применение при поверке и аттестации образцовых средств измерений, например, весов, силоизмерительных приборов и многих других. Это позволяет значительно повысить точность передачи единиц измерений. При дальнейшем использовании таких ОСИ учет поправок на их показания производится специальными корректирующими системами.

Получение кривых поправок для каждого вида СИ является сложной метрологической задачей. Ее сложность связана с необходимостью обеспечения высокой точности определения кривых поправок , то есть максимально возможной точности применяемого для этого измерительного оборудования и методов измерения, специальных условий проведения измерений.

Определение значений поправок производится в дискретных точках диапазона измерений. Уровень дискретизации при этом определяется в каждом конкретном случае отдельно с учетом характера кривой поправок, стабильности во времени, степени влияния на них условий, в которых производятся измерения в соответствии с теоремой Котельникова.

[Гафанович Г.Я. Один из возможных путей повышения точности измерительных приборов при эксплуатации//УМЖ, 1996,вып.1,с.31]

Вопросы метрологического обеспечения и повышения точности СИТ приобретают особое значение. Это связано с усложнением средств измерений и измерительных систем (ИС). Законы функционирования сложных технических систем сопоставляются с законами функционирования биологических систем. Но устойчивость технических систем снижается, а биологических – возрастает с ростом их сложности. Существует предположение [], что биологические системы, пройдя многотысячелетний путь развития, выработали определенное «системное качество», суть которого заключается в совершенствовании устойчивости как основной цели их существования. Созданные человеком технические системы насчитывают лишь несколько десятков лет своей истории, они создавались лишь с учетом выполнения функциональных задач под общим контролем человека. Поэтому сравнивать свойства биологических и технических систем на данной стадии развития не корректно, но необходимо обеспечивать повышение устойчивости технических систем функциями самоконтроля и адаптации.

Самоконтроль метрологических характеристик СИ должен стать одной из основных задач проектирования. Подсистему самоконтроля предложено в [] назвать «метрологическим наблюдателем», которому присущи следующие функции:

– формирование некоторого «метрологического образа» на основе системного организованных измеряемых величин;

– контроль метрологического качества функционирования СИ;

– восстановление характеристики и функций СИ и прогноз их поведения.

Подсистема метрологического наблюдателя должна обеспечивать необходимую жизнеспособность средства измерения. Она должна выполнять функции контроля и управления для обеспечения должного метрологического качества выполняемых измерений. Таким образом, решается метрологическая задача обеспечения достоверности информации.

[Диденко К.И., Кондрашов С.И., Терентьев С.Н. Интеллектуальные системы контроля и управления. Концепция развития метрологического обеспечения.//УМЖ 1997 вып.1].

В работе [] производится анализ основных функций метрологического наблюдателя. На первом (измерительном) уровне иерархической структуры системы, который решает задачи получения информации, контроля и стабилизации основных параметров объекта, метрологический наблюдатель реализуется с помощью программируемого контроллера. Он является программой, выполняющие следующие операции: измерение физической величины, сравнение величины погрешности с соответствующим допуском, хранящимся в памяти контроллера и заключение соответствия измеренной физической величины ее реальному значению. Метрологический наблюдатель выполняет две задачи:

1) количественный контроль измерительных цепей и внесение необходимых коррекций в текущее значение погрешности, одновременно оценивая надежность действующих средств измерения;

2) с учетом дрейфа погрешностей технических средств оценка значений отклонений.

[Диденко К.И., Кондрашев С.И. Метрологический наблюдатель в системах контроля и управления// УМЖ вып.2 1997 с.44].

Проблемы метрологического обеспечения современных СИ

Существующая система метрологического обеспечения в каждом виде измерений развивается относительно независимо с ориентацией на автономные средства измерений. Когда речь идет о метрологическом обеспечении СИТ и ИИС, выделяют три группы проблем: теоретические (научно-методические), организационно-технические, создание средств метрологического обеспечения.

В данный момент наиболее сложными есть теоретические проблемы, а также проблемы создания специальных технических средств.

Теоретические проблемы МО.

Современные ИИС и СИ характеризуются гибкостью. Структуры, увеличением количества информации, которая измеряется и обрабатывается, усложнением и увеличением интеллектуальных функций. Элементы искусственного интеллекта входят в состав средств измерений и обеспечивают возможность перестройки алгоритма функционирования и формирования измерительных процессов в зависимости от свойств и состояния объекта измерения, а также условия эксплуатации.

Ранее метрология охватывала процессы измерений, результат которых – числовое значение ФВ.

На современном этапе развития измерительной техники все большее значение приобретает этап обработки результатов измерений, на котором с помощью математических методов, что реализованы в программных средствах, получают необходимые характеристики объекта.

Основные теоретические проблемы метрологии заключаются в следующем:

1)  развитие терминологической основы с учетом качественных изменений процессов измерений, которые производятся с помощью сложных измерительных средств. При дальнейшем развитии терминологическая система должна отражать процесс измерений как взаимодействия сложного объекта, который описывается многопараметрической моделью с средством измерений, которое обрабатывает массивы экспериментальных данных.

2)  Развитие теории динамических измерений. Эта проблема имеет два аспекта: учет динамических преобразований сигналов вследствие инерционных свойств их компонентов и оценивание погрешности датирования отсчетов, что возникает в подсистеме синхронизации работы измерительных каналов.

Адекватное описание динамических свойств измерительных каналов можно получить на основании динамической модели канала, и в общем случае он должен включать совокупность традиционных для линейных СИ полных динамических характеристик (импульсной, переходной, АЧХ) с погрешностью датирования отсчета.

Методы нормирования динамических характеристик разработаны, но методы их определения и методы оценки погрешности динамических измерений развиты недостаточно.

3)  Усовершенствование расчетных методов оценивания МХ. Существующие методы расчета МХ измерительного канала по МХ компонентов относятся к линейным измерительным каналам. Развитию и внедрению расчетных методов препятствует отсутствие достаточно полных данных по метрологических свойствах конкретных типов компонентов. Учитывая важность расчетных методов при МО эти исследования необходимо проводить с целью создания методик, которые учитывают не только линейные, но и нелинейные и дискретные свойства компонентов, а также условий эксплуатации СИ.

4)  Создание теоретических основ интеллектуализации МО с целью оптимизации процедур метрологического надзора. Использование искусственного интеллекта предполагает наличие базы данных, методов и средств МО.

5)  Оценка влияния программных средств на результаты измерений и качества функционирования системы.

6)  Оптимизация метрологического обслуживания с учетом метрологических критериев.

Следует заметить, что эффективность метрологического обслуживания СИ закладывается на этапе его разработки. Все это приводит к необходимости автоматизации процесса МО.

Средства МО.

Основной проблемой есть поиск наиболее рационального, экономически выгодного способа передачи размеров разных физических величин средствам измерениям. Основными средствами МО являются:

1)  Эталонные объекты или их имитаторы. Их использование позволяет реализовать комплектный метод определения МХ СИ. В этом случае сам эталонный объект должен быть аттестован независимым способом, а его элементам переданы размеры физических величин через соответствующие поверочные схемы. Такими объектами являются стандартные образцы.

2)  Программно управляемые калибраторы, которые могут использоваться как встроенные меры для метрологического контроля и как автономные приборы, выполненные в стационарном и переносном вариантах. Для контроля цифровой части СИ могут использоваться цифровые имитаторы и системы имитационного моделирования.

3)  Измерительные стенды и передвижные лаборатории. Их целесообразно использовать в тех случаях, когда объем измеренных значений большой, а демонтаж компонентов невозможен.

[Брагин О.О., Семенюк А.Л., Удовиченко Е.Т. Метрологическое обеспечение измерительных информационных систем: проблемы теории и создания технических средств// УМЖ 1995, вып.1 с.61].