Эталоны и статус основных единиц

Основные единицы физических величин, входящих в систему единиц измерений СИ, требуют создания специальных универсальных средств измерений – эталонов, предназначенных для воспроизведения и хранения единицы и передачи её размера другим средствам измерений [44].

Эталоны можно разделить на природные, материальные, и субъективные.

4.2.1. ПРИРОДНЫЕ ЭТАЛОНЫ

Физические константы, такие как расстояние, пройденное лучом света в вакууме за долю секунды, определяют эталон длины; явления, происходящие в атоме Цезия—133, определяют эталон времени, а тройная точка воды (примерно соответствующая температуре плавления льда) определяет эталон температуры.

Таким образом, все основные единицы, за исключением килограмма, сегодня определены с помощью природных явлений.

4.2.2. МАТЕРИАЛЬНЫЕ ЭТАЛОНЫ

Определить все единицы в системе СИ с помощью природных явлений оказывается практически невозможным. Так, например, единица массы определяется физическим базовым эталоном - международный эталон килограмма (килограмм Архива) Знание эталона массы — килограмма необходимо при определении природных эталонов, оно участвует при измерении силы, возникающей между двумя проводниками в случае определения единицы тока — ампера, массы углерода 12 в случае определения количества вещества — моля, а также определения единицы освещенности — канделы.

4.2.3. СУБЪЕКТИВНЫЕ ЭТАЛОНЫ

Это эталоны, требующие субъективного суждения человека с использованием его чувств и разума. Примерами могут служить: производство пищевых продуктов, алкогольных напитков, табака (на соответствие вкусу), подбор красок по цвету или оценка экзаменационных работ. Субъективных эталонов следует избегать, поскольку при их использовании трудно обеспечить достоверность. Однако полностью избежать их применения не всегда возможно, тем не менее следует пытаться максимально снизить их применение и уменьшить разброс в оценках.

4.3. ГОСУДАРСТВЕННАЯ СИСТЕМА ПРИБОРОВ

Государственная система промышленных приборов и средств автоматизации (ГСП) была создана на основе системного подхода с целью минимизации расходов при производстве и применении средств измерений, а также с целью повышения требований к качеству и количеству средств измерений для нужд народного хозяйства при ограниченных выделяемых ресурсах [3, 33, 54].

ГСП основывается на следующих системотехнических принципах: типизация реализуемых средствами ГСП функций, минимизация номенклатуры входящих в систему средств, всесторонняя регламентация требований к техническим средствам системы.

В соответствии с ГОСТом 12997—76 «Государственная система промышленных приборов и средств автоматизации. Общетехнические требования и методы испытаний» ГСП определяется как «…совокупность изделий, предназначенных для использования в промышленности в качестве технических средств автоматических и автоматизированных систем контроля, измерения, регулирования и управления технологическими процессами (АСУТП), информационно-измерительных систем (ИИС), а также для контроля, измерения и регулирования отдельных параметров...»

Измеряемые и регулируемые с помощью средств ГСП величины составляют следующие основные группы: величины пространства и времени, механические величины, электрические и магнитные величины, тепловые и световые величины. Многообразие измеряемых и регулируемых величин предопределяет необходимость создания соответствующей номенклатуры технических средств.

ГСП охватывает все устройства, обеспечивающие формирование сигналов — носителей информации о значениях характеристик объекта управления (первичные преобразователи, датчики), нормирование сигналов (вторичные преобразователи, «нормализаторы»), функциональное преобразование в аналоговой или цифровой форме (функциональные преобразователи и процессоры). коммутацию, аналого-цифровое и цифро-аналоговое преобразование (коммутаторы, АЦП и ЦАП) и, наконец, реализацию требуемого воздействия на объект (исполнительные устройства). Ранее предприятиями Минприбора СССР выпускалось более 2000 типов устройств, входящих в ГСП.

Методологическую основу ГСП составляет система государственных стандартов, включающая в себя около 200 стандартов, устанавливающих общие технические требования, требования к входным и выходным сигналам, правилам информационного сопряжения и конструктивному исполнению.

Техническую основу ГСП составляют агрегатные комплексы,представляющие собой совокупность технических средств, упорядоченных по функциям и параметрам. Один из определяющих признаков агрегатного комплекса заключается в системной совместимости входящих в него устройств.

К основным видам совместимости относятся конструктивная и информационная.

Информационная совместимость обеспечивается унификацией входных и выходных сигналов и применением стандартных интерфейсов. Интерфейс представляет собой систему унифицированных связей и сигналов— конструктивных, логических и физических, посредством которых технические средства соединяются друг с другом и производят обмен информацией.

Конструктивная совместимость достигается применением унифицированных типовых конструктивов.

Входящие в состав ГСП агрегатные комплексы делятся на комплексы широкого применения и специализированные. К первым относят такие комплексы, как АСВТ (агрегатный комплекс средств вычислительной техники) АСЭТ (агрегатный комплекс средств электроизмерительной техники), КТС ЛИУС (комплекс технических средств для локальных информационно-управляющих систем), АКЭСР (агрегатный комплекс аналоговых электрических средств регулирования) и др. Ко вторым — АСАТ (агрегатный комплекс средств аналитической техники), АСИМ (агрегатный комплекс средств измерения и дозирования масс) и т. п.

Основу ГСП составляют комплексы АСВТ и АСЭТ, поскольку входящие в них устройства используют практически во всех областях народного хозяйства в виде составных частей АСУТП и других видов АСУ. Такое положение объясняется особой ролью электрических средств измерений и вычислительной техники в обеспечении автоматизации управления. Причина в том, что в подавляющем большинстве случаев сигнал — носитель информации об объекте управления или регулируемой физической величине преобразуется в электрический сигнал. Далее над этим сигналом осуществляются необходимые аналоговые и аналого-цифровые преобразования с последующими преобразованиями числовых массивов, выработкой необходимых команд и, наконец, формированием управляющих воздействий. Таким образом, возможности электроизмерительной и вычислительной техники носят универсальный характер. Исключение составляют случаи, когда в качестве сигналов измерительной информации выступают неэлектрические сигналы. Тогда применяют оптические, пневматические, гидравлические и т. п. средства получения и обработки информации.

АСЭТ охватывает совокупность электронных электроизмерительных приборов и устройств, предназначенных для создания ИИС, ИВК методом проектной компоновки. Под проектной компоновкой понимают метод разработки сложных технических средств, например, ИИС из унифицированных более простых блоков, модулей и устройств. Так. например, располагая конструктивно и информационно совместимыми нормирующими преобразователями (под нормированием сигналов понимается их приведение к стандартному виду и диапазону изменения, например, к постоянному напряжению 0 — 1 В), коммутатором, АЦП и микро-ЭВМ, можно спроектировать из этой совокупности ИВК. Создание АСЭТ означает переход к системной унификации в области электроизмерительной техники, обеспечивающей не только возможность использования каждого унифицированного устройства для решения большого числа задач, но и переход от индивидуальной разработки приборов и устройств к типовым техническим решениям и машинному (с помощью ЭВМ) проектированию.

В состав АСЭТ входят следующие укрупненные номенклатурные группы приборов и устройств: аналоговые (измерительные преобразователи, коммутаторы, стабилизированные источники питания); аналого-цифровые (АЦП, ЦАП, цифровые измерительные приборы); устройства представления информации; блоки связи и устройства управления.

Основным нормативным документом, определяющим структуру АСЭТ и требования, предъявляемые к входящим в его состав устройствам, является ОСТ 25-170—73 «Общие технические требования АСЭТ». В качестве основного интерфейса принимают приборный интерфейс (ГОСТ 26.003—80). Унифицированные типовые конструктивы регламентированы ГОСТом 26.204—83 «ЕСПП. Средства измерений и автоматизации. Типовые несущие конструкции. Типы и основные размеры».

АСВТ охватывает совокупность устройств, предназначенных для создания методом проектной компоновки управляющих вычислительных комплексов (УВК). В состав АСВТ входят следующие основные номенклатурные группы агрегатных модулей: центрального управления и переработки информации, хранения информации, связи с объектом, связи с оперативным персоналом, внутрисистемной связи, выхода на внешние (внесистемные) линии связи, согласования.

Совмещение устройств АСЭТ и АСВТ при создании ИВК и ИИС обеспечивают с помощью блоков сопряжения.

На обозримую перспективу развитие ГСП тесно связано с созданием процессорных средств измерений. Эти средства нуждаются в развитом математическом обеспечении. Идеи унификации в полной мере относятся к математическому обеспечению, в котором следует различать три части: системное, технологическое и прикладное. Первая часть обеспечивает функционирование устройств ГСП в составе ИИС и АСУ, вторая — их испытания и самодиагностику, а третья — решение задач, являющихся целью использования этих устройств.