5.3. Метрологические характеристики измерительных каналов 5.4. Комплектная и поэлементная поверка (калибровка) ИИС

5.3. Метрологические характеристики измерительных каналов Измерительные каналы ИИС объединяются в отдельную функционально единую подсистему. Однако как ИИС в це­лом, так и ее ИК комплектуются из частей, изготавливае­мых различными предприятиями. Эти функциональные блоки предприятиями- изготовителями могут не рассматри­ваться как СИ. Поэтому в заводской технической документа­ции могут отсутствовать регламентируемые MX, что создает трудности при проведении испытаний с целью утверждения типа.

В то же время следует отметить, что даже при нара­ щивании ИИС каждый ИК продолжает составлять единое функциональное целое, с едиными метрологическими свой­ствами. Поэтому MX ИК составляют основу метрологическо­го описания аппаратной части ИИС. Выше уже отмечалось, что по своим функциям ИК близок к измерительным при­борам. Иногда и физически он реализуется в виде единого цифрового прибора. Однако отсчеты (результаты измерения) выдаются ИК столь часто и в таком большом объеме, что на­ряду с привычными характеристиками погрешности необхо­ димо использовать характеристики, описывающие динами­ческие свойства ИК.

В типовые метрологические характеристики ИК входят следующие показатели: 1) Номинальная функция преобразования. На ранних стадиях существования ИИС эта характеристика была в числе важнейших, поскольку одним из основных ис­ точников погрешности была нелинейность данной функции. В настоящее время за счет средств вычислительной техники сравнительно легко обеспечить высокую линейность канала, поэтому важна стабильность функций преобразования ИК и его отдельных элементов. Однако, как бы ни был эффекти­вен алгоритм линеаризации, остаточная нелинейность неиз­ бежна. Поэтому считать функцию преобразования строго ли­нейной нельзя.

2) Вид выходного кода, число разрядов и цена младшего разряда кода, поступающего из ИК на вычислительное уст­ройство. Эта характеристика учитывается при выборе интер­фейса и при определении требований к вычислительным уст­ройствам. 3) Показатели точности и правильности показаний ИК, полученные в результате измерений: а)характеристики неопределенности показаний ИК, обусловленные действием систематических эффектов; в ка­честве таких характеристик чаще всего используются мак­симально возможные абсолютные значения неопределеннос­ти или некоторые эквиваленты стандартного отклонения;

б) характеристики неопределенности показаний ИК, обус­ловленные действием случайных эффектов; в качестве таких характеристик используется среднее квадратичное отклоне­ние (СКО) или стандартное отклонение ст д ; для описания дина­мических свойств случайной погрешности как функции вре­мени используются нормированная корреляционная функция К А (т) или спектральная плотность S A (co); в) характеристики неопределенности показаний ИК, ин­ тегрально учитывающие как систематические, так и случай­ные составляющие; г) предел допускаемых значений вариаций показаний ИК.

Эти показатели являются основными показателями точ­ности ИК. Они совпадают с традиционными показателями, описывающими систематическую, случайную и полную по­грешность. Отличие в терминологии объясняется тенденци­ей замены понятия «погрешность результата измерения» понятием «неопределенность результата измерения». Принципиальное отличие в том, что неопределенность (по­грешность) рассматривается как функция времени с соответ­ствующими характеристиками.

Наличие этих характерис­тик позволяет получить реальные оценки неопределенности результатов измерения, которые, как уже неоднократно от­ мечалось, определяются в результате свертывания первич­ной измерительной информации в процессе обработки. Рас­сматриваемые далее метрологические характеристики по существу являются конкретизацией источников неопреде­ленности ИК.

4) Допускаемое отклонение функции преобразования ИК от номинальной. Этот фактор является одной из составляю­щих систематической неопределенности. 5) Показатели, характеризующие влияние на неопреде­ ленность показаний взаимодействия ИК с ИО. Это взаимо­действие аналогично взаимодействию с ИО СИ других видов. Чаще всего эффект такого взаимодействия будет системати­ческим мультипликативным. Примерами такого взаимодей­ствия являются потребление мощности из измеряемой электрической цепи, измерительное усилие при измерении размеров деталей, собственная теплоемкость чувствительно­го элемента термодатчика при измерении температуры ма­лых объектов и др. Однако эффект взаимодействия может иметь и случайный характер, например рассогласование вол­ новодных трактов в радиоизмерениях.

6) Динамические характеристики, описывающие ИК как линейное инерционное устройство. Такими характеристи­ками во временной области могут быть переходная характе­ристика или импульсная реакция (весовая функция), В частотной области используются амплитудно-частот­ная и фазочастотная характеристики, представ­ляющие собой соответственно модуль и аргумент комплексной частотной характеристики ИК. Используя эти характеристи­ки, можно рассчитать мультипликативную неопределенность, вызванную линейными искажениями измеряемого сигнала. Очевидно, что для расчета нужна априорная информация о спектральных характеристиках исследуемого сигнала.

7) Чувствительность к влияющим величинам, характе­ ризующим условия эксплуатации и другие влияющие фак­торы. Аналогично другим СИ, чувствительность задается в виде функции влияния на систематическую или случайную неопределенность. 8) MX, отражающие взаимное влияние ИК. Это влияние может быть как систематическим, так и случайным. Его причиной могут быть, например, перекрестные помехи в ка­налах связи, изменение напряжения источника питания, об­щего для измерительных преобразователей разных каналов, деформации, вызванные измерительными усилиями и др. В этом случае также используются функции влияния.

9) Параметры каналов связи. Выделение этих показате­лей в отдельную группу является данью традиции, посколь­ку по своему основному назначению каналы связи не отно­сятся к СИ. Однако нетрудно видеть, что неопределенность, к которой могут привести помехи и искажения в каналах связи, имеют случайный характер и в той или иной степени отражены в приведенных выше характеристиках.

Обобщая изложенное, эквивалентную структурную мо­ дель ИК можно представить в виде, показанном на рис.

Первый линейный блок с импульсной реакцией вно­сит линейные искажения в измеряемый сигнал x(t). Не нару­шая общности, можно считать, что частотная характеристика, соответствующая этой импульсной реакции, для нуле­вой частоты равна единице. Второй блок осуществляет нели­нейное безынерционное преобразование в соответствии с функ­цией преобразования, внося нелинейные искажения. Не­линейные и линейные искажения вносят основной вклад в мультипликативную погрешность, зависящую от свойств измеряемого сигнала.

Вычитая из выходного сигнала входной сигнал, получа­ем полную погрешность ИК А(£), состоящую из двух основ­ных компонентов: функции А адд (£) и продуктов линейных и нелинейных искажений измеряемого сигнала. Эта структурная модель может быть положена в основу математической модели при расчете аппаратной погрешно­сти измерения.

Для идеального ИК аддитивная составляющая отсутст­вует, частотная характеристика линейного блока равномер­на на всей оси частот (то есть импульсная реакция равна дельта-функции), а безынерционный элемент имеет функ­цию преобразования у = х. Однако для реальных каналов си­туация несколько сложнее. При сглаживании аддитивная составляющая неопределенности уменьшается, а амплитудно- частотная характеристика ста­новится неравномерной, прежде всего в области высоких частот, что приводит к линейным искажениям.

MX ИК могут быть определены расчетным или экспери­ментальным путем. Первый метод применим в тех случаях, когда ИК полностью формируется из покупных изделий, в технической документации которых содержится вся необ­ходимая информация. Практически эта бывает редко. Даже для СИ могут отсутствовать динамические показатели по­ грешностей. В технических средствах, не относящихся к СИ, MX могут отсутствовать вообще. В этих случаях необхо­димо экспериментальное исследование тех элементов ИК, для которых отсутствуют необходимые характеристики, с по­следующим расчетом MX ИК или экспериментальное иссле­дование канала в целом.

При расчете MX ИК по известным характеристикам эле­ментов учитывается, что канал представляет собой каскад­ное соединение нескольких элементов (рис. 2), общее чис­ло которых на рисунке обозначено через М. Каждый элемент имеет свои характеристики: комплексную частотную харак­теристику, функцию преобразования и аддитивную составляющую неопределенности с энергетическим спектром, то есть его функциональная структура совпа­дает со структурой ИК, приведенной на рис..1.

Предполагая погрешности, обусловленные элементами ИК, малыми по сравнению с измеряемым сигналом, можно считать, что нелинейность элемента практически не изменя­ет погрешности предыдущих элементов и вносит погрешнос­ти только в преобразуемый сигнал. Тогда характеристику преобразования каждого элемента можно представить в виде линейной и нелинейной составляющей и при преобразовании погрешностей учитывать только пер­вое слагаемое. (В формуле опущена аддитивная константа, которая для анализа не имеет принципиального значения.)

Тогда комплексная частотная характеристика ИК вы­числяется по формуле Функция преобразования ИК может быть записана пу­тем последовательного применения функций преобразова­ния каждого элемента:

Энергетический спектр аддитивного компонента неопре­деленности ИК с учетом подавления отдельных компонентов последующими элементами запишется в виде При экспериментальном исследовании ИК и его элемен­тов необходимо определить эквивалентные операторы ли­нейного и нелинейного преобразований и вероятностные ха­рактеристики аддитивных составляющих.

При исследовании ИК как единого целого на его вход должны подаваться необходимые тестовые воздействия, и по результатам исследования выходных сигналов могут опреде­ляться все необходимые MX. Однако организация таких ис­ следований для протяженных ИК, иногда содержащих пере­мещающиеся элементы, не всегда проста. Поэтому исследо­вание таких каналов сводится к совместному применению экспериментальных и расчетных методов, когда характерис­тики элементов канала исследуются экспериментально, и по полученным результатам рассчитываются MX ИК.

Экспериментальное исследование MX ИК должно про­водиться при испытаниях ИИС с целью утверждения ти­па или при сертификационных испытаниях, если ИИС не входит в сферу Государственного регулирования по обеспе­чению единства измерений, а также при поверке или калиб­ровке.

5.4. Комплектная и поэлементная поверка (калибровка) ИИС Для ИИС, как и любого СИ, может быть предусмотрена комплектная или поэлементная поверка. При комплектной поверке экспериментально устанавливается соблюдение до­пускаемых пределов показателей неопределенности, непо­средственно интересующих потребителя. В этом случае, при отсутствии задачи диагностики метрологического отказа ИИС, в принципе можно не углубляться в ее структуру и не анализировать отдельные составляющие погрешности ре­зультата.

При этом отпадает необходимость обязательной метрологической аттестации ПМО при испытаниях с целью утверждения типа, поскольку в ходе апробирования методи­ки поверки получаемая оценка неопределенности будет учи­ тывать и неопределенность, обусловленную ПМО.

При поэлементной поверке указывается номенклатура показателей ИК и требования к значениям этих показате­лей. При этом на этапе разработки методики поверки долж­ны быть выявлены все показатели, влияющие на неопреде­ ленность результата измерения. Это обстоятельство явля­ется наиболее важным и сложным, поскольку неполнота исследуемых MX обесценивает поэлементную поверку. В си­лу этого же обстоятельства у пользователя иногда возникает недоверие к такому методу поверки.

В случае решения о про­ведении поэлементной поверки обязательно должна быть предусмотрена метрологическая аттестация алгоритмов об­работки измерительной информации с целью оценки вели­чины методической погрешности. В этом случае ПМО рас­ сматривается как один из элементов ИИС. В технической документации на ИИС обязательно должна приводиться ме­тодика расчета неопределенности результатов измерения по полученным в ходе поэлементной поверки значениям MX.

Для пользователя комплектная поверка более привычна и более наглядна, так как в результате ее оцениваются MX, характеризующие неопределенность окончательного резуль­тата измерения. Кроме того, в этом случае потребитель будет избавлен от необходимости пересчета MX, полученных при поэлементной поверке, в показатели неопределенности окон­чательного результата.

Комплектная поверка ИИС может проводиться двумя методами: методом непосредственного измерения; методом сличения показаний. При первом методе в качестве эталона необходимо ис­ пользовать эталонные меры (аттестованные детали, эталон­ные сигналы и т. д.), которые по своим характеристикам аналогичны реальным объектам. Естественно, что измеряе­мые показатели эталонов должны быть известны с погреш­ностями в трипять раз меньшими, чем допускаемые по­грешности поверяемой ИИС. Чтобы обеспечить исследова­ние MX ИИС во всех диапазонах измерения, эти меры должны быть многозначными.

При втором методе в качестве эталона должно использо­ваться СИ, обеспечивающее измерения тех же величин в не­сколько раз точнее. Кроме того, необходимо вспомогатель­ное средство в виде ИО или его имитатора. Эталон в этом случае может иметь меньшее быстродействие и худшие эрго­номические свойства, чем поверяемая ИИС, но обеспечение требуемой точности все равно создает экономические и тех­ нические проблемы.

Создание эталонов даже для локально сосредоточенных ИИС с четко оговоренной номенклатурой измерительных за­дач является не простой проблемой. И она становится прак­тически неразрешимой для пространственно распределен­ных ИИС, а также гибких ИИС, когда номенклатура задач может нарастать. Таким образом, широкому применению комплектной по­верки ИИС препятствуют следующие обстоятельства.

1) Создание эталонов даже для локально сосредоточенных ИИС с четко оговоренной номенклатурой измерительных за­дач является не простой проблемой. И она становится прак­тически неразрешимой для пространственно распределен­ных ИИС, а также гибких ИИС, когда номенклатура задач может нарастать. 2) Таким образом, широкому применению комплектной по­верки ИИС препятствуют следующие обстоятельства.

С учетом этого поэлементная поверка является основной для большинства ИИС и единственно возможной для гибких ИИС. Ситуация при выборе метода поверки аналогична си­ туации при выборе номенклатуры MX, когда были вынужде­ны перейти к детальному описанию ИК, чтобы предоставить пользователю возможности оценки неопределенности полу­чаемых результатов для всего множества применений ИИС.

Пользователи ИИС иногда объединяют поэлементную калибровку, которая остается основной, с комплектной, ко­торую проводят по эталонной мере с единственным набором значений измеряемых показателей. При этом эталоны для различных задач, как правило, разрабатываются и калибру­ются самими пользователями. С точки зрения системы по обеспечению единства измерений это объединение излишне, именно поэтому мы говорим только о калибровке. Однако оно может оказаться полезным при проверке адекватности математической модели объекта, для презентаций, обучения и некоторых других случаев.

Методика поэлементной поверки должна предусматри­ вать экспериментальное исследование всех MX ИК. Общие подходы к экспериментальному исследованию ИК кратко рассмотрены в предыдущем параграфе. При поверке они не имеют каких-либо принципиальных особенностей и должны быть закреплены в методике поверки. Предпочти­тельной является поверка ИК как единого целого. Однако практическая организация поверки ИК эксплуатируемых ИИС сталкивается с техническими и организационными про­блемами: меряемой поверяемым каналом. Это воздействие может быть эталонным, или могут использоваться эталонные СИ для его измерения. При поверке ИК без его демонтажа тестовые воз­ действия должны формироваться с помощью транспортируе­мых технических средств.

Формирование и исследование электрических тестовых сигналов разработаны достаточно хорошо. Поэтому во мно­гих случаях при поверке целесообразно разделить ИК на две части: датчик, преобразующий физическую величину в электрическую, и подсистему преобразования и передачи электрических величин, в которую входят все остальные элементы ИК. В зависимости от принципа работы датчика и конструкции канала вторичный преобразователь или часть его иногда могут быть объединены с ПИП, то есть их прихо­дится относить к первой части. В этом случае поверку датчи­ка можно проводить как непосредственно на месте эксплу­атации с использованием транспортируемых эталонов, так и с его изъятием из ИИС и исследованием в стационарных ус­ловиях.

Для поверки второй части ИК могут использоваться эта­лонные тестовые сигналы, выдаваемые переносными или стационарными генераторами. При этом в состав ИК могут быть встроены образцовые генераторы или меры электриче­ских величин, которые могут иметь двойное назначение: ис­пользоваться для самоконтроля и самонастройки ИИС и уча­ствовать в процессе поверки ИК. Использование встроенных образцовых элементов, которые можно легко демонтировать и поверять в стационарных условиях, наиболее эффективно устраняет проблему демонтажа ИК эксплуатируемых ИИС. Для повышения эффективности и производительности поверки могут использоваться поверочные ИИС, разработка и применение которых оправданы при наличии в эксплуата­ции большого числа ИИС с однотипными ИК.

Материал данного параграфа позволяет сделать следую­щие выводы. 1) Поэлементная поверка более полно соответствует спе­цифике ИИС. 2) Методически организация поверки проработана доста­точно полно. 3) При технической организации поверки существует ряд проблем, которые должны быть решены. К этим пробле­мам, в частности, относятся: автоматизация поверки, воз­можно, с использованием поверочных ИИС; разработка и внедрение мобильных эталонов для поверки различных ИК; разработка и внедрение в практику методик оценки неопре­деленности результатов измерения по MX ИК.