Измерительная система – комплекс средств измерений и вспомогательных устройств, обеспечивающих получение измерительной информации на исследуемом объекте в заданном объеме измерений физических величин и с заданной точностью.
В настоящее время, как правило, измерительные системы создаются автоматизированными на базе ПК.
Автоматизированная измерительная система (АИС) представляет собой совокупность технических средств, как правило, блочно-модульного исполнения, объединенных общим алгоритмом функционирования, характеризуемых общим комплексом нормированных метрологических характеристик и предназначенных для автоматического (автоматизированного) получения информации об объекте измерений, ее обработки, хранения и представления в форме, доступной для восприятия оператором и (или) ввода в управляющую систему.
Таким образом, АИС является сложным техническим образованием и состоит из ряда взаимосвязанных и взаимодействующих функционально самостоятельных подсистем - измерительных каналов, функциональных блоков, воспринимающих и выдающих измерительную информацию в соответствующей форме.
Метрологическое обеспечение ИИС – это комплекс научно-технических и организационно-технических мероприятий, а также соответствующую деятельность учреждений и специалистов, направленные на обеспечение единства и точности измерений для достижения требуемых (паспортных) характеристик функционирования ИИС.
Метрологическое обеспечение на каждом этапе жизненного цикла ИИС имеет свои специфические особенности, а также имеет ряд общих и самостоятельных задач.
В настоящее время метрологическое обеспечение принято понимать в широком и в узком смысле.
В широком смысле оно включает:
теорию и методы измерений и контроля, теорию и методы обеспечения точности и единства измерений;
методы и средства обеспечения достоверного контроля параметров и характеристик технических устройств;
средства измерений и контроля (рабочие, образцовые, эталоны);
организационно-технические вопросы обеспечения единства и точности измерений, включая нормативно-технические документы (государственные стандарты, методические указания, технические требования и условия), регламентирующие порядок и правила выполнения работ по обеспечению единства и точности измерений, а также обеспечение работоспособности и ремонта средств измерений и контроля.
В узком смысле под метрологическим обеспечением понимают:
надзор за применением законодательно установленной системы единиц физических величин;
обеспечение единства и точности измерений путем передачи размеров единиц физических величин от эталонов к образцовым средствам измерений и от образцовых к рабочим;
разработку и надзор за функционированием государственных и ведомственных поверочных схем;
разработку методов измерений наивысшей точности и создание на этой основе эталонов (образцовых средств измерений);
надзор за состоянием средств измерений в министерствах и ведомствах.
На этапе эксплуатации ИИС, основной и наиболее длительный этап их жизненного цикла, задачами метрологического обеспечения являются:
обеспечение служб эксплуатации ИИС штатными средствами измерений и контроля, вспомогательными устройствами, методиками измерений и контроля;
надзор за правильным использованием средств измерений при подготовке ИИС к применению, профилактических и регламентных работах, ремонте;
надзор за состоянием средств измерений, за соблюдением сроков их поверки и интенсивности расходования технического ресурса;
разработка методов поверки средств измерений, используемых в составе ИИС, а также при невозможности реализовать стандартизованные методики.
Эта задача служб, занимающихся эксплуатацией ИИС, достаточно сложна.
Под метрологическим обеспечением эксплуатации ИИС понимается комплекс мер, направленных на достижение и поддержание в этих системах требуемой точности измерений.
При организации метрологического обеспечения автоматизированных измерительных систем удобно выделять измерительные каналы, каждый из которых представляет собой последовательную цепь измерительных преобразователей - устройств, в которых с известной точностью реализуется функциональная однозначная связь между двумя физическими величинами - измерительными сигналами. Это объясняется тем, что в ИИС нормированию подлежат метрологические характеристики измерительных каналов.
Измерительные преобразования составляют основу процессов, протекающих в ИИС, и разделяются па следующие виды:
первичное восприятие и выделение (селекция) измеряемой физической величины, а также формирование измерительного сигнала;
функциональное или оперативное преобразование измерительного сигнала в нормированный измерительный сигнал;
квантование измерительного сигнала по уровню и дискретизация во времени;
цифровое кодирование;
представление измерительной информации в той или иной форме сообщений.
Измерительные преобразователи можно разделить на две принципиально различные группы:
аналоговые, осуществляющие непрерывное преобразование сигнала при передаче его от входа к выходу преобразователя;
аналого-цифровые, выполняющие операцию квантования аналогового сигнала по уровню и цифровое кодирование. Кроме того, в автоматизированных измерительных системах применяют и цифро-аналоговые преобразователи.
Наиболее специфичную группу составляют первичные измерительные преобразователи (ПИП). В данной группе преобразователями являются чувствительные элементы, н-р, пружина Бурдона, мембрана датчика давления, термопара, тензометр, болометр, феррозонд, счетчик Гейгера, фотоэлемент, ячейка кондуктометра, трансформатор тока, пъезоэлемент и др.
В результате взаимодействия с чувствительным элементом измеряемая физическая величина преобразуется в промежуточный измерительный сигнал - разность потенциалов, перемещение, ток, изменение сопротивления, емкости, индуктивности и
т. п., который зачастую еще невозможно использовать для передачи и цифрового кодирования.
Поэтому чувствительный элемент обычно органически связан с дополнительными преобразователями, формирующими выходной сигнал.
Эти узлы рассматривают, аттестуют и нормируют как функциональный единый блок АИС.
Методы регламентации и определения метрологических характеристик измерительных каналов зависят от особенностей АИС, в частности, от способов их создания.
При этом автоматизированные измерительные системы могут создаваться тремя основными способами:
применением любых, в том числе и нуждающихся в согласовании технических средств, приемлемых для решения конкретной измерительной задачи;
агрегатированием измерительных и вычислительных средств, обладающих необходимыми уровнями совместимости для использования в качестве модулей автоматизированной измерительной системы конкретного назначения;
на базе измерительно-вычислительных комплексов, являющихся аналого-цифровым универсальным ядром автоматизированных измерительных систем, а фактически системами сбора и обработки измерительной информации. При этом, измерительно-вычислительные комплексы обеспечивают выполнение аналого-цифровых преобразований, вычислительных процедур, выдачу полученной информации, формирование командной и иной служебной информации, необходимой для функционирования автоматизированной измерительной системы.
Такое универсальное ядро АИС формируется с помощью стандартного интерфейса из аналого-цифровых измерительных устройств и программируемых средств вычислительной техники со стандартными устройствами отображения и хранения информации. Объединение перечисленных технических средств с соответствующим программным обеспечением, необходимым для их совместного функционирования, и получило название измерительно-вычислительного комплекса (ИВК) . Для построения какой-либо конкретной АИС необходимо дополнить ИВК соответствующими измерительными цепями, исполнительными органами и другими устройствами, а главное, прикладными программами, позволяющими решать задачи оценки состояния и поведения объекта измерений.
По своей организации и условиям эксплуатации АИС отличаются от традиционных средств измерений - мер и измерительных приборов. Специфическими особенностями этих систем, влияющими на характер их метрологического обеспечения, технического обслуживания и ремонта, являются:
агрегатный принцип построения;
пространственная распределенность компонентов и наличие линий связи между ними, что обусловливает значительное и существенно различное воздействие климатических, механических и других факторов, изменяющих и метрологические характеристики;
многофункциональность по видам исполняемых функций и видам измеряемых физических величин;
многоканальность, которая приводит к необходимости учета взаимного влияния каналов друг на друга;
наличие большого числа видов входных и выходных сигналов, вызванного необходимостью одновременно измерять разнородные физические величины. Диапазоны и точность измерений этих величин могут существенно различаться;
большое число пределов измерений (практически каждого ряда входных сигналов) вызывает необходимость различной градуировки ряда каналов, предназначенных для работы с входными сигналами одного и того же вида, но с разными пределами измерений;
одновременное использование двух форм представления измерительной информации (аналоговой и дискретной), что усложняет вопросы нормирования и расчёта метрологических характеристик систем;
широкое использование средств вычислительной техники, не только обеспечивающих обработку измерительной информации и автоматизацию измерений, но и автоматически перестраивающих структуру измерительной системы, что делает необходимым определение метрологических характеристик системы не только по отдельным каналам, но и по всем режимам работы;
наличие большого числа первичных измерительных преобразователей, которые могут быть выполнены в виде отдельных изделий или входить в состав объекта измерений. При этом, эти преобразователи при эксплуатации могут по необходимости демонтироваться с объекта измерений либо быть постоянно встроенными в него и изыматься лишь при капитальном ремонте объекта измерений.
Таким образом, автоматизированные измерительные системы и комплексы представляют собой специфичный вид измерительной техники, особенности которого необходимо учитывать при планировании их метрологического обеспечения, технического обслуживания и ремонта.
В соответствии с ГОСТ 8.437—81 в период эксплуатации этих систем проводят следующие меры обеспечения точности измерений.
метрологическую аттестацию системы, если условия ее работы отличаются от тех, при которых нормировались метрологические характеристики;
метрологическую аттестацию после капитального ремонта;
анализ состояния метрологического обеспечения АИС, периодическую поверку, надзор и контроль по использованию системы по прямому назначению.
Наиболее важной и ответственной частью метрологического обеспечения является определение комплекса метрологических характеристик, который позволяет оценить точность системы и выполнить ее поверку. Метрологические характеристики АИС в значительной степени определяются параметрами измерительных каналов -составом измеряемых физических величин, динамическим диапазоном измерений, погрешностью измерений и т. п. и источников стимулирующих воздействий - составом стимулирующих воздействий, динамическим диапазоном, погрешностью установки и т. п.
Метод регламентации и определения метрологических характеристик измерительных каналов систем выбирают с учетом особенностей построения системы. Метрологические характеристики устанавливают посредством их нормирования либо оценки расчётным или экспериментальным методами.
Метрологические характеристики измерительных каналов предпочтительнее нормировать для тех АИС, которые представляют собой законченные системы и характеризуются постоянным составом разнесённых в пространстве ФБ, легким доступом для контроля, последовательной, параллельной или последовательно-параллельной структурой. В этом случае метрологический контроль реализуется проверкой соответствия метрологических характеристик измерительных каналов нормированным значениям.
Определение метрологических характеристик измерительных каналов системы предпочтительнее осуществлять расчётным или экспериментальным путем для АИС, комплектуемых на месте эксплуатации из отдельных ФБ. Кроме того, этот принцип также применим для измерительных систем с существенной пространственной разнесённостью ФБ и с затрудненным доступом к измерительной системе для её контроля.
Метрологические характеристики измерительных каналов системы целесообразно оценивать расчётным путем для измерительных систем с переменной структурой, а также с большим числом параллельных измерительных каналов. При этом контролируют метрологические характеристики ФБ - измерительных преобразователей, средств отображения результатов измерений и т. п., а метрологические характеристики измерительных каналов определяют расчётным путем.
Рассчитать погрешность измерительного канала весьма сложно, и поэтому на практике пользуются приближёнными методами, сущность которых сводится к следующему. Если отдельные ФБ АИС охарактеризованы пределом допускаемого значения суммарной погрешности измерений, то предел полной погрешности АИС находят суммированием пределов суммарных погрешностей ФБ. Естественно, в этом случае оценка погрешности АИС завышается. Полную систематическую погрешность АИС находят суммированием систематических погрешностей её ФБ, а дисперсию случайной погрешности суммированием дисперсий погрешностей ФБ. При этом вводят весовые коэффициенты, зависящие от схемы соединения ФБ и определяемые, как частные производные от выходной величины системы по значению величины на входе данного ФБ.
Экспериментальные методы определения метрологических характеристик измерительных каналов применяют для АИС, в которых влияние взаимодействия ФБ на метрологические характеристики трудно оценить заранее. При этом определяют следующие индивидуальные динамические характеристики измерительного канала: передаточную функцию, переходную характеристику, время реакции измерительного канала, чувствительность к влияющим воздействиям, взаимодействие между объектом измерений и измерительным каналом, а также между измерительными каналами.
В технической документации на АИС указывают условия контроля метрологических характеристик: объем выборки, допустимую погрешность измерений, минимально допустимое число точек и их расположение в диапазоне измерения, условия проведения эксперимента.
Конкретный состав метрологических характеристик уточняют для каждой АИС на основе ГОСТ 8.009—72.
К нормируемым метрологическим характеристикам АИС относятся:
моменты систематической составляющей М[Dc], D [Dc] или s[Dc], отражающие свойства всей совокупности систем данного типа, и предельное значение этой погрешности Dc.п.;
дисперсия случайной погрешности D [Dcл.];
предельное значение случайной погрешности от трения и гистерезиса Dcл. п.;
функция влияния Y(x) как зависимость нормируемой метрологической характеристики от изменения влияющих величин в пределах условий применения системы;
передаточная функция, переходная, импульсная, амплитудно-фазовая и другие характеристики для оценки динамических свойств АИС, продолжительность переходных процессов в ней, а также суммарное время выполнения измерительных, вычислительных и логических процедур.
Метрологические характеристики измерительных каналов, определяемые экспериментально для каждой АИС, включают в себя:
индивидуальные функции преобразования, поправки к показывающим и регистрирующим устройствам измерительного канала;
границы интервала не исключённой систематической погрешности Dc.н., Dc.в. и вероятность РDc или нижняя граница РDc.н. её допустимых значений;
среднее квадратическое отклонение s[Dcл.], нормированная корреляционная функция RDcл.(t) или спектральная плотность мощности SDcл.(w) случайной составляющей погрешности;
вариация гистерезиса.
Состояние метрологического обеспечения АИС анализируют для установления соответствия разрабатываемых, изготавливаемых и находящихся в эксплуатации систем требованиям НТД. На этой основе разрабатывают мероприятия по совершенствованию метрологического обеспечения АИС.
В процессе анализа выявляют:
правильность нормирования метрологических характеристик систем, методов и средств их контроля в условиях производства и эксплуатации;
наличие НТД, регламентирующих требования к средствам и методам испытаний и поверки систем;
наличие технических средств и подготовленного ШОП, а также условий для поверки и ремонта АИС.
По результатам анализа разрабатывают планы организационно-технических мероприятий по улучшению метрологического обеспечения этих систем.
Государственный метрологический надзор и ведомственный метрологический контроль за метрологическим обеспечением предназначены для определения наличия необходимой НТД, регламентирующей требования к организации и порядку проведения разработки, производства и эксплуатации систем, к точности выполняемых измерений, порядку и правилам проверки соответствия систем этим требованиям. Проверяется также эффективность метрологической экспертизы конструкторской документации на разрабатываемые системы, правильность эксплуатации систем и организация контроля за их состоянием, наличие необходимых образцовых мер для поверки, проведение поверки систем в процессе эксплуатации и соблюдение межповерочных интервалов.
