Электрические измерения, классификация средств измерений
Измерение – нахождение значений физических величин опытным путем с помощью специальных средств, называемых средствами измерений и выражение этих значений в принятых единицах[99], [100].
Физическая величина – одно из свойств физического объекта (физической системы, явления или процесса) общее в качественном отношении для многих объектов, но различное в количественном отношении для каждого из физических объектов.
Примерами физический величин могут служить ток, напряжение, геометрические размеры (длина, ширина, высота) и т. п.
Размер физической величины – объективно существующая количественная определенность физической величины.
Значение физической величины – выражение размера величины в принятых для нее единицах измерений. Примеры: 1А, 5В, 10 метров и т. д.
При определении понятия «измерение» используют:
Опытный характер определения результата измерений. Необходим эксперимент. Расчетным путем, несмотря на применяемую мощность вычислительных средств поручить результат измерений нельзя. Для обработки результатов измерений широко используются математические методы и средства.
Наличие специальных средств, называемых средствами измерений (СИ). Отличительной особенностью СИ от других технических средств является явная или неявная процедура сравнения с мерой (физический аналог единицы измерений), наличие специальных свойств, называемых метрологическими характеристиками, позволяющие определить значение физических величин и обеспечить требуемую точность получения результатов измерений.
Наличие специальных методов и способов получения значений физических величин (логически вытекает из введенного понятия «нахождение физических величин»)
Наличие единиц измерения или в целом наличие системы единиц.
В общем размер единиц измерений может быть разным.
До 1881 г имелось 15 единиц измерения сопротивления, 8 единиц измерения тока т.д. Это не обеспечивало единства измерений, позволяющего получать сопоставимые результаты измерений, полученные в разных странах (лабораториях) и в разное время.
Для обеспечения единства измерений должна быть единая международная система единиц. В 1881г. в Париже был созван первый конгресс по электричеству. поставивший задачу создания единой системы единиц. Однако их было несколько.
Сейчас принята международная система единиц СИ. В целом единая система прививается сложно. Сегодня имеем:
давление измеряем в мм. ртутного столба (760 мм. р.с.), но не в Паскалях (килоПаскалях) – Н/м2 (ньютон на кв. метр), (Н > [м–1 кг с–2]),
дюймы для измерения размеров, в частности размеров электронных трубок, но не в метрах
миля = 1852 м, но не километры.
В настоящее время любую задачу измерительной техники, связанную с анализом сложных динамических систем, невозможно решить без применения автоматизированных процедур сбора, обработки, анализа, накопления, интерпретации и прогнозирования измерительной информации. Использование вычислительной техники при получении результатов измерений породило насущную потребность в алгоритмизации измерений, опирающейся на широкое использование математических моделей как измерительных процедур и реализующих их средств, так и объектов, и условий измерений[101].
Объект исследованияв математической метрологии – измерение квантифицируемых величин с верификацией достоверности получаемых результатов с помощью действующей системы обеспечения единства измерений. Из этого следует, что математическая метрология с неизбежностью должна сочетать теоретико–множественный подход, предполагающий наличие истинного значения измеряемой величины и возможность его представления, с конструктивным, исходящим из невозможности определения истинного значения с помощью измерительного эксперимента и, следовательно, наличия погрешности результата измерения[102].
Истинное значениеирезультат измерения величины представляются именованными числами, т. е. действительными числами, выражающими значения с помощью принятых единиц измерения. Таким образом, не только результат измерения получается с помощью преобразования формы информации – аналоговой в числовую, но и истинное значение получается посредством соответствующего гипотетического преобразования формы информации.
В качестве аксиоматического базиса математической метрологии могут быть приняты следующие две аксиомы:
1. Величина измерима, т. е. существует действительное число, представляющее отношение величины к принятой единице измерений.
2. Процедура измерений, обеспечивающая установление истинного значения измеряемой величины, физически реализована быть не может.
Из первой аксиомы следует, что истинное значение измеряемой величины может быть представлено математическими средствами. Для этой цели вводятся так называемые гипотетические уравнения, которые в силу своего назначения и предельного уровня абстракции могут содержать физически не реализуемые преобразования. Из второй аксиомы следует, что реальные и идеальные (желаемые) процедуры измерений описываются соответствующими уравнениями, объективно отличающимися от гипотетических, что предопределяет появление погрешностей. При этом уравнения, представляющие идеальные и реальные процедуры измерений, включают в себя только физически реализуемые преобразования.
При изложении обобщенных основ математической метрологии исходят из следующего определения: математическая метрология – теория математических моделей объектов, условий, процедур, средств и результатов измерений.
Одним из распространенных подходов к анализу результатов измерений в математической метрологии является подход, основанный на процессорных измерениях.
Под процессорными измерениями понимаются измерения, включающие в измерительную цепь вычислительную мощность процессора, на выходе которого осуществляется «съем» измерения[103].
Базовая модель математической метрологии, с видом которой согласовываются остальные модели описания множества моделей объектов, результатов и средств измерений, а также алгоритмы метрологического анализа и синтеза, служит для описания математической модели процедуры (процесса) измерений. Ее вид определяется тем, что эта процедура – последовательность преобразования входного воздействия g – носителя информации об измеряемой величине l. Обобщенное уравнение измерений представляется следующим образом:
Вторая часть уравнения связана с формированием алгоритмического обеспечения метрологического анализа, имеющего целью установление характеристик свойств результатов измерений. В силу подтвержденного опытом случайного характера результатов измерений и, соответственно, их погрешностей целью метрологического анализа становится установление вероятностных характеристик погрешностей результатов измерений.
Функционирование современных измерительных средств (ИС) связано не только с возможностью целенаправленного выбора рационального алгоритма измерений в фиксированной ситуации, но и с процедурой принятия решений о характере дальнейших действий, поэтому в настоящее время активно ведутся фундаментальные исследования математической метрологии, касающиеся вопросов проектирования ИнИС.
Процедура измерений осуществляется с помощью специальных технических средств, которые называются средствами измерений.
Средства измерений – это технические средства, реализующие в той или иной форме процедуру сравнения измеряемой или воспроизводимой величины с мерой.
По функциональному назначению средства измерений предназначены для выработки сигналов (показаний), несущих информацию о значениях физических величин (сигналов измерительной информации), или воспроизведения физических величин заданного размера.
Необходимой и отличительной особенностью средств измерений является наличие у таких средств установленных (нормированных) метрологических характеристик.
Таким образом, существует некоторый оператор, реализованный в техническом средстве, однозначно связывающий выходной сигнал данного средства со значением измеряемой величины. При этом определена точность технического воспроизведения этого оператора (функции) и определен ряд свойств средства измерений (необходимых для получения результатов измерений) путем установления его метрологических характеристик.
Метрологические характеристики выделены в особую группу характеристик средств измерений. Они позволяют определять результаты измерений и оценивать погрешности измерений, т.е. отражают свойства технического средства как средства измерений. К метрологическим характеристикам относятся пределы измерений, класс точности, рабочая полоса частот и т.п. К другим, не метрологическим характеристикам, относятся такие как весогабаритные характеристики, потребляемая мощность от источника питания, размеры и цвет экрана электронного осциллографа и многие другие технические характеристики. Они так же являются важными для средства измерений, однако при оценке результатов измерений эти характеристики не являются определяющими.
В своей структуре средства измерений в общем случае содержат измерительные модули и вспомогательные устройства, которые в совокупности образуют измерительную цепь, осуществляющую необходимые преобразования сигналов измерительной информации.
Сегодня существует огромное количество различных средств измерений. Упорядочение большого количества средств измерений проводится на основании различных классификационных признаков. Классификация средств измерений позволяет ориентироваться в их огромном многообразии с целью определения назначения этих средств, выявления их свойств и основных областей возможного применения.
По роли, выполняемой в системе обеспечения единства измерений, выделяют:
- метрологические средства измерений,
- рабочие средства измерений.
Метрологические средства измерений предназначены для метрологических целей: воспроизведения физических величин заданного размера, хранения и передачи их рабочим средствам. Примерами таких средств являются эталоны, образцовые приборы, поверочные установки. Метрологические средства относительно малочисленны и ими, в основном, занимаются в соответствующих научно–исследовательских институтах.
Рабочие средства измерений широко используются в научных экспериментах и технических испытаниях, не связанных с метрологическими задачами. Рабочие средства измерений составляют основной парк средств измерений.
В зависимости от функционального назначения рабочие средства измерений подразделяют на следующие виды (укрупненная классификация):
1. меры,
2. измерительные приборы,
3. измерительные преобразователи,
4. измерительные установки,
5. измерительные системы.
Меры – средства измерений, предназначенные для воспроизведения физических величин заданного размера. Мерами являются образцовые катушки сопротивлений, образцовые катушки взаимной индуктивности (т. н. однозначные меры) или магазины сопротивлений, магазины емкостей (многозначные меры).
Измерительные приборы – средства измерений, предназначенные для выработки сигналов измерительной информации (показаний) в форме доступной для непосредственного восприятия наблюдателем. Измерительные приборы – довольно распространенный вид средств измерений. В этой связи измерительные приборы имеют свою довольно разветвленную классификационную структуру. Так, по виду измеряемой величины измерительные приборы бывают амперметрами, вольтметрами, частотомерами и т. п.; по виду выходного сигнала – аналоговыми и цифровыми; по форме представления выходного сигнала – показывающие и регистрирующие; по конструктивным признакам – стационарные и переносные. Здесь мы не будем рассматривать все квалификационные признаки – важно подчеркнуть, что измерительные приборы имеют довольно сложное «квалификационное дерево».
Измерительные преобразователи средства измерений, вырабатывающие сигналы измерительной информации, предназначенные для передачи. дальнейшего преобразования, обработки и хранения, но не поддающиеся непосредственному восприятию наблюдателя. Примеры – измерительные усилители, дискретные делители напряжения, платиновые термометры сопротивлений и т. д. Это так же достаточно распространенный вид средств измерений. Принято все измерительные преобразователи подразделять на два больших подвида – измерительные преобразователи электрических величин в электрические (измерительный усилитель) и измерительные преобразователи неэлектрических величин в электрические (платиновый термометр сопротивлений).
Измерительные установки – совокупность функционально и конструктивно объединенных средств измерений и вспомогательных устройств, предназначенная для рационального проведения измерений при их узком целевом назначении. Типовым примером таких средств может служить поверочные установки. На таких установках проводится технологический цикл поверки какого–либо типа (или типов) приборов при их массовом производстве. Поскольку процедура поверки и необходимые средства для ее проведения заранее предписаны, то при данной узкой задаче применение установки существенно повысит эффективность проведения указанного технологического цикла.
Измерительные информационные системы представляют собой совокупность средств измерений и вспомогательных устройств, соединенных между собой каналами связи; они предназначены для автоматического получения измерительной информации от ряда источников, а также для передачи, обработки и представления информации в той или иной форме. Такие системы применяются, например, на крупных электростанциях, на борту самолетов и кораблей и на других сложных объектах, где требуется измерение большого количеств параметров, регистрация этих параметров и представление их в удобной для операторов форме.
Функционирование современных измерительных средств (ИС) связано не только с возможностью целенаправленного выбора рационального алгоритма измерений в фиксированной ситуации, но и с процедурой принятия решений о характере дальнейших действий, поэтому в настоящее время активно ведутся фундаментальные исследования математической метрологии, касающиеся вопросов проектирования ИнИС.
ИнИС[104] предназначено для обслуживания некоторой совокупности ситуаций. Функционирование ИнИС предполагает метрологический синтез оптимальной измерительной процедуры, определяемой возможностями входящего в его состав измерительного ресурса. Метрологический синтез предполагает выполнение метрологического анализа возможных вариантов измерительной процедуры. Результатом МА является установление значения принятой за критерий оптимизации характеристики погрешностей результатов измерений. Объектом МА при этом могут быть либо виртуальные (физически не реализованные), либо реальные измерительные цепи. Таким образом, в настоящее время актуальной задачей в области математической метрологии является развитие теории МА с обеспечением требуемой достоверности результатов МА.
Проектирование и функционирование современных измерительных средств, в том числе и ИнИС, невозможно без применения и внедрения новейших информационно–измерительных технологий. Представим информационно–измерительную технологию как технологию реализации измерительного процесса, включая концепцию измерений, идентификации измерительной ситуации в виде формализованных: априорной информации, метрологических требований и ограничений, определяющих в своей совокупности условия измерений; формирование моделей объектов измерений и влияющих факторов, методику организации и оптимизации измерительного эксперимента в рамках конкретных измерительных ситуаций, характеристик и технологических ограничений конкретных ИИС с целью сбора, передачи, преобразования, хранения и интерпретации измерительной информации о свойствах объекта измерения[105] .
Попытки организации знаний об измерениях и средствах измерений в целостную систему имеют более чем сорокалетнюю историю. Известна работа Дрейпера, Маккея и Лиса[106], в которой была сделана попытка создания всеобъемлющих основ приборостроения на базе концепций следящих систем авиационно–космической техники. В ней утверждается, что теория измерений должна быть нацелена не на описание и анализ измерительных процессов и систем, а на их проектирование. Отличительной чертой проектирования измерительных процессов и систем в [107] назван тот факт, что на стадиях проектирования используются принятые в прикладной механике физические реализации требуемых функций. Обработку воспринимаемой сенсорами информации в современных средствах измерений осуществляют вычислительные подсистемы, обладающие высокой производительностью обработки данных и знаний, благодаря чему и могут быть охарактеризованы термином «интеллектуальные». Развитие вопросов интеллектуализации знаний для проектирования ИнИС получило в работах Э.И. Цветкова [108] , Фридмана А.Э.[109].
Организация технических знаний об измерениях и средствах измерений предполагает системный подход к проектированию измерительных процессов и систем. Необходимо, чтобы знания о принципах работы приборов и измерительных систем были систематизированы, классифицированы и организованы подходящим для хранения и использования образом. Формализацию измерительных знаний удобно производить с помощью аппарата баз данных, баз знаний
Предполагается, что имеется три подхода, принятых для классификации технических знаний об измерениях и средствах измерений. В основе первого подхода лежат декомпозиция средств измерений на функциональные компоненты и создание организованных каталогов таких компонентов и принципов их соединения. Второй подход заключается в организации знаний о средствах измерений на основе формализации и структурирования информации об измеряемых величинах. Третий состоит в такой организации знаний, которая ориентирована на имеющиеся в распоряжении пользователя инструментальные средства языков описания знаний.
Таким образом, применение средств вычислительной техники в ходе измерительного эксперимента и, как следствие, компьютеризация измерений предопределяет возможность создания ИнИС, представляющих новое поколение средств измерительной техники. Под ИнИС понимается система, способная выполнять измерения с использованием измерительной цепи, синтезированной на основании базы знаний, описывающей измерительный ресурс и измерительную ситуацию[110] .
Алгоритм работы ИнИС включает в себя следующие этапы:
– идентификация измерительной ситуации;
– метрологический анализ измерительной цепи;
– синтез измерительной цепи;
– выполнение измерения на основании синтезированной цепи.
В настоящее время особое внимание в математической метрологии уделяется вопросам разработки подсистем ИнИС, которые обеспечивают решение задач метрологического анализа и метрологического синтеза измерительных процедур [111], [112].
Введение термина «виртуальные измерительные средства» (ВИС) в информационно–измерительные технологии произошло в 1986 г., когда американская корпорация National Insnruments разработала и выпустила на рынок первую версию интегрированной программной оболочки для сбора, анализа и представления измерительной информации LabView 1.0. Под ВИС понимаются средства для сбора и анализа измерительной информации, построенные на базе персональных компьютеров, встраиваемых в компьютер многофункциональных и многоканальных аналого–цифровых плат, внешних программно–управляемых модулей предварительной обработки сигналов и интегрированных программных оболочек, позволяющих управлять алгоритмами сбора, компьютерной обработки и визуального представления результатов. Применение ВИС для ИнИС характеризуется тем, что ВИС способны проводить свою аппаратурную реконфигурацию и изменять алгоритмы сбора, обработки и представления измерительной информации в процессе настройки на объект измерений и в процессе самой измерительной процедуры с целью рационального использования имеющихся ресурсов и получения требуемого метрологического качества результатов измерений. В этом случае для ИнИС уже невозможно применять традиционные методы нормирования их метрологических характеристик и предварительно рассчитывать характеристики погрешностей результатов измерений, так как ни структура измерительных цепей, ни алгоритмы обработки измерительной информации не являются известными заранее. В то же время оценка точности результатов измерений является фундаментальным требованием законодательной метрологии, и любой результат измерений должен сопровождаться оценкой характеристик его погрешностей. В [113] в связи с этим вводится принцип метрологического автосопровождения результатов измерений, полученных с помощью ИнИС. Метрологическое сопровождение, используя совокупность принципов, методов, аппаратных и программных средств, обеспечивает определение характеристик погрешностей результатов измерений ИнИС, получаемых с помощью синтезированных измерительных цепей в конкретных ситуациях с использованием содержащихся в базе измерительных знаний математических моделей объектов, условий и средств измерений и алгоритмического обеспечения метрологического анализа, а также необходимой дополнительной информации, поступающей извне или получаемой с помощью вспомогательных измерений.
В ряде работ, посвященных вопросам проведения метрологического анализа с требуемой точностью, вводится термин «достоверность оценивания МХ» [114]. В настоящий момент ведутся работы по оцениванию достоверности метрологических характеристик ВИЦ на основании применения формализованной меры метрологической достоверности[115] . Под ВИЦ понимаются измерительные цепи, еще физически не реализованные, но метрологические характеристики результатов измерений, для которых возможно оценить.
Ядром таких ВИЦ является блок аналого–цифрового преобразования. В качестве методов оценивания достоверности МХ результатов измерений предложены следующие: расчетный, с помощью имитационного моделирования (ИМ), с помощью метрологического эксперимента (МЭ), комбинированный.
В тех случаях, когда проводится допусковый контроль параметров крупных объектов, в частности тех же электростанций, такие системы называются системами автоматического контроля. В этих системах для параметров устанавливается некоторый уровень (допуск), превышение которого вызывает соответствующую сигнализацию, регистрацию параметров и представление значений параметров оператору.
Измерительные системы, в которых источники информации достаточно далеко удалены от приемников и для передачи информации используются те или иные линии связи, называются телеизмерительными системами.
Развитие микросхемотехники привело к широкому применению процессорные средства при изготовлении средств измерений. В этом случае применяют названия процессорные или программируемые средства измерений.
Применение программируемых процессоров позволяет создавать адаптируемые к условиям и задачам эксперимента средства измерений; такие средства измерений называют интеллектуальными.
Условия измерений, влияющие на точность результатов, характеризуют с помощью влияющих величин. В соответствии с установленными для конкретных ситуаций диапазонами значений влияющих величин различают нормальные и рабочие условия применения средств измерений
Результат измерения выражает конечную цель спланированного и подготовленного измерительного эксперимента и цель обработки данных. Так результатом простого статического измерения является число, а результатом динамических измерений, например, может быть совокупность измерений в различные моменты времени.
Погрешность результата измерения определяется как отклонение результата от истинного значения измеряемой величины.