Особенности проектирования средств измерений электрических величин на основе

принципов самоповеряемости и адаптации

Ю.Р. Агамалов,
гл. н. с., д.т.н. agamalov@ipu.rssi.ru,
ИПУ РАН, г. Москва

Рассмотрены особенности нового подхода к проектированию средств измерений на основе принципов самоповеряемости и адаптации и оценены возможности его приложения к находящим широкое применение средствам измерений электрических величин. Дан анализ традиционной поверочной процедуры этих средств измерений, а также возможностей ее оптимизации и автоматизации путем перехода к процедуре самоповерки. Описаны основные черты самоповеряемых средств измерений и обсуждены вопросы их проектирования. Оценены также преимущества таких средств перед традиционными. Затронуты организационные и правовые вопросы, связанные с их производством и метрологическим обслуживанием. Намечены перспективы дальнейших исследований.

The peculiarities of a new approach to measuring instruments design on the base of the principles of selfverification and adaptation are considered and possibilities of its application to electrical quantities measuring instruments are estimated. The analysis of the traditional procedure of these instruments verification and also possibilities of its optimization and automation by means of transition to procedure of selfverification is given. The basic features of a selfverifiing measuring instruments are described and questions of its design are discussed. Advantages of these instruments before traditional instruments are estimated. Organization and of the law questions concerned with their production and metrological attendance are touched. Further investigations prospects are nominated.

Введение

Средства измерений (СИ), в частности, измерительные устройства и системы, принадлежат к числу технических средств, нуждающихся в строгом метрологическом надзоре, обеспечивающем требуемую достоверность получаемой с их помощью измерительной информации. Надзор реализуется в форме законодательно установленных калибровочных и поверочных процедур, выполняемых соответствующими метрологическими органами. Начинается он, как правило, уже в момент выпуска средства измерений (СИ) из производства в виде процедуры первичной поверки как основной составляющей выходного контроля изготавливаемого на заводе изделия [1]. Поступив к потребителю, СИ подвергается периодической поверке, осуществляемой также тем или иным метрологическим органом, аккредитованным на выполнение адекватной конкретному типу СИ поверочной процедуры (ПП). В течение уже нескольких десятилетий специалисты ищут способы автоматизации ПП [2-4], однако огромное разнообразие выпускаемых СИ практически сводит на нет предпринимаемые попытки. При этом хоть в какой-то степени полезными в решении данной проблемы средствами автоматизации оказываются лишь самые универсальные по своим функциональным возможностям и при этом легко реализуемые автоматизированные системы типа АРМ метролога (поверителя). Если СИ просты, то они позволяют существенно ускорить выполнение ПП, однако по мере усложнения СИ и особенно расширения их функциональных возможностей эффективность таких систем падает, а на определенном уровне сложности ПП они фактически начинают терять смысл. Подобная ситуация в случае целого ряда многофункциональных (цифровых) электроизмерительных приборов [1,5,6] и др. возникла и по сути имеет место уже в течение нескольких десятилетий начиная с восьмидесятых годов прошедшего столетия

Проводимые в ИПУ РАН исследования, начавшиеся в 2005 году в рамках гранта РФФИ №05-08-18222а, позволили разработать новый подход к автоматизации ПП сложных многофункциональных СИ, который, как показали дальнейшие исследования, оказался эффективным вообще для большинства современных (цифровых) электроизмерительных приборов среднего класса точности. Главной идеей данного подхода является выполнение функции автоматизации ПП с помощью содержащего необходимые для поверки СИ рабочие эталоны (РЭ) специального малогабаритного поверочного (калибровочного) блока, управление которым осуществляется универсальным вычислительным средством (контроллером или ПК), либо входящим в состав СИ, либо находящимся вне его. При этом, если это вычислительное средство находится внутри СИ, то последнее становится самоповеряемым, что накладывает особый отпечаток и на само СИ, и на процедуру его поверки (калибровки). Коренным образом изменяется и процесс (методика) проектирования СИ, поскольку в этом случае проектирование СИ тесно увязывается с проектированием его (собственного, или автономного) метрологического обеспечения (МО), причем не только сугубо индивидуального, но и обладающего гораздо большими возможностями в смысле повышения достоверности измерительной информации по сравнению с МО, используемым при выполнении традиционных калибровочных и поверочных процедур. Остановимся на всем этом подробнее.

1. Предпосылки разработки и основные черты нового подхода к построению и поверке СИ

Сложившаяся к настоящему моменту ситуация в современном приборостроении связана во многом с укоренившимся еще в период его становления как отрасли промышленного производства отношением к поверочным и калибровочным процедурам как к достаточно простым и соответственно легко и дешево реализуемым. Усилия метрологов, ответственных за разработку соответствующих нормативных документов, которые регламентировали реализацию этих процедур во обеспечение единства измерений, вполне естественно для имевшей в начале развития приборостроения ситуации были направлены на стандартизацию как методик, так и поверочных (калибровочных) средств – образцовых мер, ныне именуемых рабочими эталонами, и образцовых средств измерений. В те времена это было не только оправданно, но и необходимо. Однако по мере развития приборостроения ситуация стала (нарастающими темпами) изменяться и «неожиданно» оказалось, что законодательные нормативные документы не столько регулируют процесс обеспечения единства измерений, сколько усложняют его, а в отдельных случаях попросту тормозят, например, как это произошло с поверкой многофункциональных цифровых мостов переменного тока [1].

Для того чтобы вникнуть в суть дела, рассмотрим сначала, в чем заключается существо понятий поверки и калибровки, которые согласно Федеральному закону «Об обеспечении единства измерений» формулируются в следующем виде:

· калибровка средств измерений – совокупность операций, выполняемых в целях определения действительных значений метрологических характеристик средств измерений;

· поверка средств измерений – совокупность операций, выполняемых в целях подтверждения соответствия средств измерений метрологическим требованиям.

Данные определения не оставляют места для вольных толкований данных понятий (к сожалению, в изобилии присутствующих даже в метрологической литературе) и означают, что калибровка заключается в измерении значений метрологических характеристик СИ, а поверка – в определении соответствия СИ метрологическим требованиям. Иными словами, калибровка – это сугубо измерительная процедура, а поверка – диагностическая, причем включающая в себя калибровку, поскольку без информации об истинных значениях метрологических характеристик СИ нельзя вынести обоснованное суждение о его работоспособности, т.е. о соответствии предъявляемым к нему метрологическим требованиям.

Чтобы ускорить и одновременно упростить анализ данных процедур в рассматриваемом ниже случае средств измерений ЭВ (СИЭВ), обратимся к схеме, отражающей организацию ПП этих СИ и состав требуемого для осуществления их поверки МО:

Данная схема четко показывает, из каких этапов складывается процесс формирования ПП указанных СИ и из каких частей состоит их МО. Не останавливаясь на их анализе, отметим, что согласно этой схеме при выполнении поверки СИЭВ, несмотря на всю общность подхода к ее организации, в должной мере учитывается и специфика поверяемого СИ. Учет же ее важен и необходим с точки зрения возможности рационализации ПП в целом. Степень же и характер (формы) учета этой специфики должны находиться в соответствующих рамках, обеспечивающих оптимальность ПП по тем или иным критериям.

Все эти соображения являются подоплекой рассматриваемого нового подхода к построению и поверке СИ, одна из главных отличительных черт которого – максимальный учет специфики поверяемого СИ, т.е. адаптация к его особенностям, а также к действию разного рода влияющих факторов. Конечными же целями этого подхода являются радикальное уменьшение затрачиваемых на реализацию ПП средств и столь же радикальное ускорение ее выполнения, а кроме того, что не менее важно, существенное повышение достоверности получаемой с помощью СИ измерительной информации.

Пути достижения этих целей описаны в ряде предшествовавших работ [1,5,7-9], в которых были приведены результаты исследований, связанных с оптимизацией ПП различных типов СИЭВ, с оценкой эффективности построения данных СИ на основе критерия поверяемости и принципов самоповеряемости и адаптации. Кроме того в них были рассмотрены возможности применения самоповеряемых СИЭВ в различных условиях их эксплуатации, а также затронуты вопросы реализации новых, адекватных решаемым задачам РЭ и т.д. и т.п. Поэтому останавливаться на анализе всего этого мы здесь не будем, однако рассмотрение особенностей и этапов разработки СИЭВ, определяющих основные черты методики их проектирования на основе принципа самоповеряемости, проведем с учетом результатов этих исследований.

2. Особенности и этапы (методика) проектирования СИЭВ на основе принципа самоповеряемости

Одна из основных особенностей нового подхода к проектированию СИ, и СИЭВ в частности, как уже отмечалось, заключается в том, что проектирование СИ тесно увязывается (т.е. выполняется в комплексе) с проектированием его МО, которое согласно выполняемой им роли названо автономным (АМО). Этапы проектирования самого СИ и его АМО при этом должны чередоваться, а состав и характер разрабатываемого АМО должны быть адекватны составу и характеру узлов СИ и наоборот. Очевидно, что в таком случае необходима увязка этих процессов, предусматривающая возможность возврата к предшествовавшим этапам при возникновении несоответствий, например, когда само разрабатываемое СИ полностью удовлетворяет предъявляемым к нему требованиям с точки зрения метрологии, но полностью не удовлетворяет требованиям самоповеряемости, в частности, если для выполнения его поверки требуются слишком сложные и дорогие РЭ. Таким образом, проектирование самоповеряемых СИ с одной стороны априори приобретает характер рекуррентной процедуры, а с другой оказывается связанным с проблемой разработки особых РЭ, просто реализуемых и вместе с тем обеспечивающих высокое качество калибровки встроенных в СИ мер.

Решение этой проблемы согласно [5,7-9] возможно как традиционными путями типа термостабилизации мер или внесения температурных поправок в их реальные значения, так и нетрадиционными с использованием математических зависимостей между физическими величинами, фигурирующими в измерительном процессе. При этом РЭ приобретают характер интеллектуальных, если для внесения поправок в значения используемых мер применяются универсальные вычислительные средства, либо иных, например, виртуальных типа использованных в виртуальном анализаторе иммитанса [5].

Что касается организации процесса проектирования, то он и в данном случае, несмотря на специфику ситуации, должен содержать все этапы проектирования традиционных СИ. В частности, прежде всего должен быть осуществлен выбор принципа действия СИ и типов составляющих его структуру узлов. Из вышеизложенного следует, что на этом этапе должен также состояться выбор либо разработка РЭ, адекватных встроенным в СИ (СИЭВ) мерам.

После решения этих вопросов, как и при проектировании традиционных приборов, должна производиться разработка алгоритма функционирования СИ, включающего в себя адаптивные алгоритмы получения и цифровой обработки измерительной информации, а в отличие от традиционных приборов должна производиться также разработка алгоритма поверки СИ, т.е. по сути персональная (частная) методика его поверки, что ранее, в случае традиционных СИ, допускалось в качестве исключения.

Относительно организации ПП следует сказать, что ее разработка производится параллельно с проектированием самоповеряемого СИ и что она должна осуществляться в соответствии с той частью приведенной выше схемы, которая составляет ее правую колонку. Отсюда следует, что по форме ПП данного СИ не отличается от обычной, однако при этом нужно особо отметить, что уже сама по себе автоматизированная поверка (калибровка) открывает новые (по сравнению с обычной) возможности, позволяющие существенно повысить качество поверки, например, в неблагоприятных для ее проведения условиях, в частности, в присутствии шумов. В этом случае за счет увеличения времени измерения и объема измерительной информации можно осуществить практически в какой угодно степени подавление шумов и других случайных помех и даже использовать их присутствие в качестве средства понижения шума квантования, иными словами, по максимуму адаптироваться к действию помех, включая детерминированные.

Ранее было показано, что наиболее адекватными для реализации принципа самоповеряемости являются виртуальные СИ [5,7], поскольку при их поверке не нужно диагностировать устройства ввода-вывода управляющей и измерительной информации, так как их функции в таких СИ выполняет входящие в состав универсального вычислительного средства клавиатура и дисплей.

Однако здесь необходимо сделать оговорку относительно выполняемой проектируемым СИ роли, или точнее, от того, как организована его эксплуатация. В частности, если СИ используется как ручной лабораторный измерительный прибор, когда измерительным процессом управляет оператор, то максимально возможная автоматизация его ПП реализуема лишь в том случае, когда прибор является виртуальным. Между тем, если измерительный процесс осуществляется автоматически, то в этом случае ни лицевая панель, ни дисплей (монитор) в измерительном процессе не участвуют, поскольку все информационные потоки идут через интерфейсный адаптер. А если так, то и в поверке (диагностике) из всех указанных узлов нуждается только он. В результате поверка СИ, работающего в режиме управления извне, может носить упрощенный характер и, больше того, цифровому прибору с неисправной лицевой панелью можно найти применение с помощью его «виртуализации» путем подключения (с помощью интерфейсного адаптера) к ПК и использования последнего в качестве устройства ввода-вывода информации.

Говоря об особенностях функционирования самоповеряемого (самокалибруемого) СИ и связанных с ним особенностях проектирования программно-алгоритмической составляющей АМО, нужно отметить, что БАП (БСП) может быть либо постоянно присутствующим в СИ узлом, либо подключаемым к нему лишь на время поверки. Роль его в этих двух случаях будет существенно разной, поскольку при постоянном подключении к СИ (и временном отключении для его поверки) содержащиеся в нем РЭ могут быть в полной мере использованы в качестве избыточных аппаратных метрологических средств для повышения достоверности измерительной информации. Однако при этом стоимость СИ будет несколько выше. При этом, естественно, различным будет и его программно-алгоритмическое обеспечение. Поскольку здесь возможны многочисленные варианты как размеров аппаратурной избыточности, так и соответственно возможностей ее использования, в том числе с учетом принципа адаптации, здесь мы ограничимся лишь упоминанием о наличии таких возможностей. Между тем, предварительные оценки говорят о существенных преимуществах варианта с постоянным использованием БСП в составе СИ.

В числе средств повышения достоверности измерений можно использовать, например, такой прием: когда известно точное значение измеряемой величины, ее можно «помечать» и использовать ее измерение как результат калибровочного воздействия. Однако при этом прибор должен быть (алгоритмически) защищен от возможных ошибочных действий оператора, в частности, путем сопоставления результатов текущих измерений, получаемых с учетом всех таких «калибровочных» воздействий и с отбрасыванием нарушающих общую статистическую картину.

Данный прием можно назвать способом спорадической калибровки, который сродни калибровке по внешней мере. Такого типа примеры свидетельствуют о новых возможностях повышения достоверности измерений, появляющихся при переходе к самоповеряемым СИ. И нужно при этом отметить, что основную роль здесь будут играть новые методы и приемы математической обработки измерительной информации, получаемой при реализации процедур самокалибровки и самоповерки, построенных с учетом принципа адаптации [8].

Заключение

Из содержания доклада следует, что основанный на принципах самоповеряемости и адаптации новый подход к построению и поверке СИ, в частности, к СИЭВ, требует особого (комплексного) подхода и к их проектированию, заключающегося в осуществлении параллельного взаимосвязанного проектирования СИ, как такового, и его (автономного) метрологического обеспечения, включающего аппаратную и программно-алгоритмическую составляющие. Специфика нового подхода к проектированию СИ определяется также функциональными возможностями и другими особенностями объекта проектирования. Открывающиеся при этом перспективы применения методов математической обработки измерительной информации позволят повысить не только эффективность реализации ПП, но и достоверность измерительной информации, получаемой от проектируемого СИ.

Полученные результаты свидетельствуют и о том, что новый подход к построению и поверке, а также к проектированию СИ (в данном случае СИЭВ) требует дальнейшего развития применительно к еще не исследованным типам СИ, а также к разработке новых типов рабочих эталонов.

Применение СИ, построенных на основе нового подхода, и реализация требуемых для их эксплуатации поверочных и калибровочных процедур связаны с необходимостью решения отдельных организационно-правовых вопросов. В связи с этим нужно отметить важность появляющихся в последнее время в научно-технической литературе сообщений о необходимости разработки новых стандартов и других нормативных документов, регламентирующих выполнение калибровочных, поверочных и иных процедур, связанных с повышением достоверности измерительной информации [10,11] и др. Очевидно, что в той или иной мере эти документы должны коснуться и процедур самоповерки и самокалибровки.

В этой ситуации заслуживает упоминания содержащаяся на сайте NIST (Национального института стандартизации и технологий США) информация о широком применении в США самокалибруемых анализаторов электрических цепей, калибровка которых производится так же, как и предложено нами в [5], с помощью подключаемого извне поверочного блока и при этом выполняется на два порядка быстрее чем обычная калибровка подобных СИ [6].

Связывая эту информацию с публикациями об исследованиях, проведенных в стенах ИПУ РАН, нужно отметить, что эти данные, опубликованные через полтора года после работы [5], являются с одной стороны подтверждением эффективности предложенного нами подхода, а с другой наглядным свидетельством возможности решения организационно-правовых вопросов, касающихся реализации процедур самокалибровки (самоповерки) и без вышеупомянутых нормативных документов.

Литература

1. Агамалов Ю.Р. Оптимизация выходного контроля многофункциональных средств измерений иммитанса// Датчики и системы.– 2007.– №5.– С.2–9.

2. Безикович А.Я., Прицкер В.И., Эскин С.П. Автоматизация поверки электроизмерительных приборов. – Л.: Энергия, 1976. – 216 с.

3. Конюхов А.Г. Автоматизация поверки: старые подходы и перспективные принципы// Измерительная техника. 1987. – № 11. – С. 12 – 15.

4. Владимиров В.Л., Андрусяк С.А., Ясенецкий Е.И. Методы и алгоритмы автоматизированной поверки средств измерений электрических величин с кодовым выходом. – М.: Изд-во стандартов, 1989. – 145 с.

5. Агамалов Ю.Р., Бобылев Д.А., Боровских Л.П, Кнеллер В.Ю. Виртуальный самоповеряемый анализатор иммитанса с адаптивными функциональными возможностями// Датчики и системы. – 2008. – №7. – С.21–27.

6. D.F. Williams, A. Lewandowski, D. LeGolvan, R. Ginley, C.M. Wang and J. Splett, Use of Electronic calibration units for vector-network-analyzer verification.// 74th ARFTG Microwave Measurement Conference, Boulder, Colo, Dec. 1–4, 2009.

7. Агамалов Ю.Р. Возможности построения многофункциональных средств измерений на основе принципа самоповеряемости //Метрология. – 2007. – № 12. – С. 7–11.

8. Агамалов Ю.Р. Новый подход к построению и поверке средств измерений (пленарный доклад)// Росс. научно-техн. конф. с международным участием “Технические и программные средства систем управления, контроля и измерения (УКИ’08)”: Сб. докладов. – Электронное издание. – М.: ИПУ РАН, 2008.– С.13 – 25. – ISBN 978–5–91450–022–8.

9. Агамалов Ю.Р. О реализации принципа самоповеряемости в измерителях одной физической величины // Метрология.– 2011.– №9.– С.41–50

10. Taymanov Roald, Sapozhnikova Ksenia, Druzhinin Igor. Sensor Devices with Metrological Self-Check // Sensors& Transducers Journal, Vol.10 (special issue), 2, February 2011, pp.30-44.

11. Соболев В., Саченко А., Дапонте П., Аумала О. Метрологическое автосопровождение в интеллектуальных измерительных системах.// Датчики и системы. – 2002. –№7. – С.66 – 71.