СПОСОБ КОМПЛЕКСИРОВАНИЯ ИЗМЕРЕНИЙ Российский патент 1995 года по МПК G01D21/02 

Изобретение относится к измерительной технике, а более конкретно к способам и устройствам комплексного контроля качества продукции по совокупности нескольких входных величин, и может быть использовано, например, для контроля качества продукции химических и горных производств, контроля качества композитных и полупроводниковых материалов и т.п.

Известен способ комплексирования измерений, включающий измерение m входных величин в m отдельных каналах из последовательно соединенных блока обработки с накоплением и порогового блока и получение результата с помощью решающего блока, в котором входные величины сравниваются с опорными сигналами, а сигналы с выходов блоков обработки с накоплением поступают также на входы счетчиков импульсов, причем блоки обработки с накоплением выполнены в виде последовательно соединенных коррелятора, бинарного квантователя и счетчика-накопителя [1]
Недостатками известного способа являются низкая точность определения результата и сложность его аппаратурной реализации.

Известен способ комплексирования измерений, включающий многократное каждой из m входных величин с использованием преобразователей информации и определение средних значений и исключение из результата вычисленных значений, отличающихся от среднего на величину, большую допустимой, в котором к каждому входному датчику подключают поочередно каждый из преобразователей, на преобразователи, не подключенные к датчикам, подают эталонные или нулевые сигналы, а при появлении на выходе преобразователя результата, отличающегося от среднего значения на величину, большую допустимой, этот преобразователь исключают из процесса подключения к входным датчикам, причем одновременно с процессом измерений сигналы с выхода каждого датчика дифференцируют, результаты дифференцирования сравнивают с априорно установленной максимальной скоростью изменения входной величины и в случае превышения сигналом этого уровня соответствующий датчик исключают из процесса измерений, а полученные с него результаты не учитывают [2]
Недостатками известного способа являются низкая точность, связанная с использованием произвольных входных величин и с несовершенным способом обработки информации, низкая экспрессность контроля из-за поочередного подключения датчиков к преобразователям информации, и большое количество требуемой аппаратуры.

Целью изобретения является повышение точности измерений при одновременном повышении экспрессности.

Цель достигается тем, что по способу комплексирования измерений, включающему многократное измерение каждой из m входных величин с использованием преобразователей информации и определение средних значений, в качестве m входных величин используют стохастически связанные между собой величины, например, интенсивности излучения в пике и на крыльях спектра, в качестве преобразователей информации используют m-канальный амплитудный анализатор, средние значения определяют интегрированием за заданное время, по отношению двух средних значений входных величин для стандартного образца изменяют коэффициент преобразования амплитудного анализатора до получения априорно установленного значения отношения, после чего измеряют средние значения m входных величин для пробы с неизвестным значением контролируемого параметра, по которым определяют значение параметра.

Изобретательский акт при создании способа заключается в преодолении технического противоречия, сущность которого состоит в следующем. При обычном инженерном проектировании (в отличие от изобретательства) для повышения точности измерений прибегают к усложнению аппаратуры для получения большего количества и более точных сигналов и для обеспечения более сложных алгоритмов обработки сигналов. При этом неизбежно увеличивается количество требуемой аппаратуры и падает экспрессность измерений, так как используют много датчиков, много преобразователей информации и периодическое подключение отдельных датчиков к разным преобразователям информации. В этом смысле классическим примером инженерного проектирования является прототип, где повышение точности достигнуто уменьшением экспрессности и увеличением количества требуемой аппаратуры. В предлагаемом способе комплексирования это техническое противоречие преодолено повышение точности измерений достигнуто при одновременном повышении экспрессности измерений и уменьшении количества требуемой аппаратуры. Для преодолении этого технического противоречия необходимы следующие отличительные признаки способа: в качестве m входных величин используют стохастически связанные между собой величины, например, интенсивности в пике и на крыльях спектра, в качестве m преобразователей информации используют m-канальный амплитудный анализатор, средние значения m входных величин определяют одновременным их интегрированием за заданное время, по отношению двух средних значений входных величин для стандартного образца изменяют коэффициент преобразования амплитудного анализатора до получения априорно установленного значения отношения, после этого измеряют средние значения m входных величин для пробы с неизвестным значением контролируемого параметра, по средним значениям m входных величин определяют значение контролируемого параметра. Если заменить на эквивалентный или исключить любой из этих шести отличительных признаков способа, то техническое противоречие не будет преодолено. Второй, четвертый и пятый признаки способа по отдельности сами по себе являются известными, хотя ни один из них не служил ранее для преодоления указанного технического противоречия. Остальные три отличительных признака способа неизвестны даже по отдельности и тем более не могли служить для преодоления упомянутого технического противоречия. Поэтому совокупность шести отличительных признаков способа подтверждает его изобретательский уровень и соответствует критерию "новизна" и "существенные отличия".

На фиг.1 приведен аппаратурный спектр рассеянного от источника из ²⁴¹Am углем гамма-излучения и показаны измеряемые участки интенсивностей рассеянного угла гамма-излучения в пике аппаратурного спектра и на крыльях спектра; на фиг. 2 приведена функциональная схема устройства для реализации способа комплексирования измерений.

Способ комплексирования измерений реализуется следующей последовательностью операций.

Измеряют многократно m входных стохастически связанных друг с другом величин, например, m интенсивностей излучения в пике и на крыльях аппаратурного спектра и преобразуют m интенсивностей с помощью m-канального амплитудного анализатора. Средние значения m входных величин определяют интегрированием за заданное время с помощью счетчиков импульсов. По отношению двух средних значений входных величин для стандартного образца изменяют коэффициент преобразования m-канального амплитудного анализатора до получения априорно установленного значения отношения. После этого измеряют средние значения m входных величин для пробы с неизвестным значением контролируемого параметра. По m средним значениям входных величин определяют неизвестное значение контролируемого параметра.

Устройство для комплексирования измерений на приеме контроля качества транспортируемого лентой 1 конвейера угля 2 показано на фиг.2. Над слоем угля 2 установлены контейнеры-коллиматоры 3 и 4. В первом контейнере-коллиматоре 3 смонтирован источник 5 гамма-излучения из ²⁴¹Am. Во втором контейнере-коллиматоре 4 закреплен сцинтиллятор 6, сочлененный с фотоумножителем 7. Выход фотоумножителя соединен с входом пятиканального амплитудного анализатора 8. Высокое напряжение на фотоумножитель 7 подается с выхода регулируемого высоковольтного выпрямителя 9, управляющий вход которого соединен с выходом блока 10 сравнения. Выходы пятиканального амплитудного анализатора 8 соединены с входами счетчиков 11-15, выходы которых соединены с входами блока 16 вычисления расстояний. Выходы второго и четвертого счетчиков, кроме того, соединены с входами измерителя 17 отношений, выход которого соединен с первым входом блока 10 сравнения,второй вход которого соединен с выходом блока 18 памяти, а управляющий вход с выходом генератора 19 управляющих импульсов. Второй выход генератора управляющих импульсов соединен с управляющими входами блока 16 вычисления расстояний и блока 18 памяти. Третий выход генератора управляющих импульсов соединен с управляющим входом исполнительного механизма 20, с помощью которого стандартный образец 21 может устанавливаться над потоком угля 2 между источником 5 гамма-излучения и сцинтиллятором 6. Выход блока 16 вычисления расстояний соединен с входом блока 22 индикации и регистрации. Лента 1 конвейера может перемещаться в показанном на фиг.2 направлении по поддерживающим роликам 23 и 24.

Работает устройство для комплексирования измерений следующим образом.

Перед началом измерений с третьего выхода генератора 19 управляющих импульсов на исполнительный механизм 20 поступает управляющий импульс, под действием которого исполнительный механизм устанавливает над слоем угля 2 между источником 5 и сцинтиллятором 6 стандартный образец 21. В данном случае в качестве стандартного образца используется пластина из листов стеклопластика, спектр рассеивания гамма-излучения от которой близок к спектру рассеивания гамма-излучения от угля среднего значения измеряемой зольности. При этом стандартный образец облучается потоком гамма-излучения от источника 5. Часть падающих на стандартный образец гамма-квантов рассеивается образцом в направлении сцинтиллятора 6 (пути прямых гамма-квантов от источника 5 до угля или стандартного образца и от стандартного образца или угля до сцинтиллятора показаны сплошными линиями со стрелками на фиг.2).

Как только стандартный образец 21 установится между источником 5 и сцинтиллятором 6, с второго выхода генератора 19 управляющих импульсов на управляющие входы измерителя 16 расстояний и блока 18 памяти поступают управляющие импульсы, под действием которых измеритель расстояний перестает функционировать, а с выхода блока памяти на второй вход блока 10 сравнения поступит сигнал об априорно установленном в блоке памяти значении отношения двух средних значений входных величин для стандартного образца. В это же время поток гамма-излучения от источника 5 облучает стандартный образец. Часть рассеянного в стандартном образце гамма-излучения попадает в сцинтиллятор 6, где превращается в последовательность световых вспышек, частота которых пропорциональна интенсивности падающего на сцинтиллятор гамма-излучения, а интенсивность каждой отдельной вспышки пропорционально энергии гамма-кванта, вызвавшего вспышку. Фотоумножитель 7 преобразует вспышки света в электрические сигналы так, что частота электрических сигналов пропорциональна частоте световых вспышек, а амплитуда электрических сигналов пропорциональна интенсивности соответствующих световых вспышек. Эти электрические сигналы поступают на вход пятиканального амплитудного анализатора 8. Анализатор выделяет на пяти выходах импульсы напряжения, которые соответствуют гамма-квантам с энергиями соответственно в I-, II-, III-, IV- и V-м диапазонах энергий, показанных на фиг.1, где эти диапазоны энергий для быстрого узнавания показаны в виде вертикальных заштрихованных полос. Первый диапазон энергий I, соответствующий первой измеряемой физической величине Х₁, находится в пике спектра рассеянного углем гамма-излучения. Второй и третий диапазоны энергий II и III находятся симметрично пику спектра и соответствуют второй и третьей измеряемым величинам Х₂ и Х₃ соответственно. Четвертый и пятый диапазоны энергий IV и V находятся по разные стороны пика и соответствуют четвертой и пятой измеряемым величинам Х₄ и Х₅. Амплитудный анализатор на пяти выходах выделяет соответствующие сигналы (измеряемые величины) Х₁, Х₂, Х₃, Х₄ и Х₅. Эти сигналы поступают на входы счетчиков 11,12,13,14 и 15, которые за заданное время просчитывают количества поступающих на их входы импульсов и по истечении заданного времени выдают на своих выходах средние (интегральные) значения измеряемых величин ,,, и С второго и четвертого выходов счетчиков 12 и 14 сигналы о средних значениях физических величин и поступают на входы измерителя 17 отношений 17, в котором определяется отношение средних значений входных величин для стандартного образца η= /, которое подается на первый вход блока 10 сравнения. На второй вход блока сравнения из блока 18 памяти подается значение априорно установленного значения отношения η_а В блоке сравнения (а он на время нахождения стандартного образца 21 между источником 5 и сцинтиллятором 6 открыт сигналом с выхода генератора управляющих импульсов) значения ηиη_a сравниваются между собой, и на выходе формируется сигнал, величина и знак которого пропорционален разности величин на входах η-η_a⇒K(η-η_a)=c.

Сигнал с выхода блока 10 сравнения поступает на вход регулируемого высоковольтного выпрямителя 9, который формирует на выходе высокое напряжение, пропорциональное сигналу на своем входе, так, что высокое напряжение уменьшается при поступлении на вход положительного сигнала пропорционально его абсолютной величине, а высокое напряжение на выходе увеличивается при поступлении на вход отрицательного сигнала также пропорционально его абсолютной величине. Это позволяет воздействовать на фотоумножитель так, чтобы при изменениях параметров окружающей среды или используемой аппаратуры всегда вывести пик спектра (т.е. его на участок I) на прежний уровень при использовании в качестве рассеивателя гамма-излучения стандартного образца 21. Изменения на выходе регулируемого высоковольтного выпрямителя 9 происходит до тех пор, пока значение разности η-η_а измеренного и априорно заданного отношений не станет равным нулю, т.е. пока сигнал на выходе блока сравнения не станет равным нулю.

После этого с второго выхода генератора 19 управляющих импульсов на управляющие входы измерителя 16 расстояний и блока 18 поступают сигналы, под действием которых измеритель расстояний начинает функционировать, а сигнал на второй вход блока 10 сравнения с выхода блока памяти не поступает. Одновременно сигнал на исполнительный механизм 20 с генератора 19 управляющих импульсов перестает поступать и исполнительный механизм отводит стандартный образец в показанное на фиг.2 положение. Гамма-излучение от источника 5 падает на контролируемый уголь 2, и часть рассеянного углем гамма-излучения падает на сцинтиллятор 6. Как видно из фиг.1, интенсивность гамма-излучения на сцинтиллятор в любом из пяти участков спектра I, II, III, IV или V обратно пропорциональна зольности угля (на фиг.1 показаны спектры рассеянного углем гамма-излучения при зольностях, равных нулю (чистый углерод) спектр А, равной 3% спектр Б и равной 11- спектр В). Таким образом, все пять входных величин Х₁, Х₂, Х₃, Х₄ и Х₅ положительно стохастически связаны друг с другом так, что любая из входных величин уменьшается с ростом значения контролируемого параметра в нашем примере зольности угля. При этом такте измерения средних значений входных величин напряжение с выхода регулируемого высоковольтного выпрямителя 9 остается оптимальным и неизменным, установленным ранее. Сигналом с выхода генератора 19 управляющих импульсов блок 10 сравнения выключен. При этом подающие на сцинтиллятор 6 гамма-кванты вызывают в нем световые вспышки, яркость каждой из которых пропорциональна энергии вызвавшего ее гамма-кванта, а частота вспышек пропорциональна интенсивности падающих на сцинтиллятор гамма-квантов. Световые вспышки в сцинтилляторе приводят к появлению на выходе фотоумножителя 7 импульсов напряжения, частота которых пропорциональна частоте вспышек, а амплитуда импульса напряжения пропорциональна яркости соответствующей световой вспышки, вызвавшей соответствующий импульс напряжения. Пятиканальный амплитудный анализатор 8 на пяти выходах формирует сигналы Х₁, Х₂, Х₃, Х₄ и Х₅, соответствующие интенсивности гамма-излучения в диапазонах I, II, III, IV и V соответственно. Эти сигналы поступают соответственно на входы счетчиков 11, 12, 13, 14 и 15 импульсов, которые за заданное время считывают эти сигналы и на выходах формируют средние за заданное время измерений сигналы , , , и , которые поступают на входы блока 16 измерения расстояний.

В блоке 18 памяти заранее при градуировке заложены значения совокупностей всех входных величин, соответствующих нескольким значениям контролируемого параметра. Эта процедура называется градуировкой и может быть проведена любым известным способом. Так, например, для градуировки можно взять пять групп угля таких, чтобы во всех n пробах каждой группы зольность была одинаковой, а состав золы и плотность проб были различными для разных проб. Для каждой из n проб каждой группы измеряют значения всех входных величин и определяют средние значения всех входных величин для каждой группы проб. Эти средние значения всех входных величин закладывают по окончании градуировки в блок 18 памяти. Для получения приемлемой точности достаточно взять пять групп проб, которые по значениям контролируемого параметра равномерно заполняют весь диапазон измерения контролируемого параметра. Например, первая группа проб готовится для минимального значения контролируемого параметра, вторая для максимального значения, третья для среднего значения, четвертая для среднего между минимальным и средним значением и пятая группа проб готовится для значения контролируемого параметра, лежащего посередине между средним и максимальным значениями. Это уже позволяет с помощью четырех прямых линий между соответствующими значениями параметра аппроксимировать практически любую зависимость параметра от входных величин. Совокупность пяти сигналов для пяти групп проб Х₁₁, Х₂₁, Х₃₁,Х₄₁, Х₅₁; Х₁₂, Х₂₂, Х₃₂, Х₄₂, Х₅₂; Х₁₃, Х₂₃, Х₃₃, Х₄₃, Х₅₃; Х₁₄, Х₂₄,Х₃₄, Х₄₄, Х₅₄; Х₁₅, Х₂₅, Х₃₅, Х₄₅, Х₅₅ заносят в блок 18 памяти.

По истечении заданного времени измерения с генератора 19 управляющих импульсов на измеритель 16 расстояний и блок 18 памяти поступают управляющие сигналы, под действием которых с блока памяти в блок 16 измерения расстояний поступают пять групп средних значений входных величин. При этом в блоке 16 рассчитываются все пять расстояний от совокупности пяти измеренных входных величин Х₁, Х₂, Х₃, Х₄ и Х₅ до пяти совокупностей градуировочных значений входных величин:
P₁= [(-X₁₁)²+(-X₂₁)²+(-X₃₁)²+(-X₄₁)²+(-X₅₁)²] P₂= [(-X₁₂)²+(-X₂₂)²+(-X₃₂)²+(-X₄₂)²+(-X₅₂)²] P₃= [(-X₁₃)²+(-X₂₃)²+(-X₃₃)²+(-X₄₃)²+(-X₅₃)²] P₄= [(-X₁₄)²+(-X₂₄)²+(-X₃₄)²+(-X₄₄)²+(-X₅₄)²] P₅= [(-X₁₅)²+(-X₂₅)²+(-X₃₅)²+(-X₄₅)²+(-X₅₅)²] Теперь в блоке 16 определяются два наименьших значения расстояний из пяти рассчитанных. Пусть, например, это будут расстояния Р₂ и Р₃. По двум наименьшим значениям расстояний и по соответствующим значениям контролируемого параметра П₃ и П₂ рассчитывают неизвестное значение соответствующего контролируемого параметра
П= (Р₂П₃+Р₃П₂)(Р₂+Р₃)^-1, где П₁, П₂, П₃, П₄ или П₅ значения параметра для соответствующих групп проб при градуировке.

По окончании расчета неизвестного значения параметра П это значение передается в блок 22 индикации и регистрации, где оно выдается на цифровое или индикаторное табло и регистрируется на ленте самописца или в цифровой форме печатающим блоком.

По окончании измерения снова на исполнительный механизм 20 с генератора 19 управляющих импульсов поступает сигнал, под действием которого исполнительный механизм устанавливает между источником 5 и сцинтиллятором 6 стандартный образец 21 и все продолжается в описанной выше последовательности.

Если в качестве входных величин выбрать некоррелированные друг с другом величины, то погрешность определения неизвестного значения контролируемого параметра увеличивается примерно обратно пропорционально кубу абсолютного значения коэффициента множественной корреляции между входными величинами. Так, например, при уменьшении коэффициента множественной корреляции между значениями входных величин от 0,95 до 0,5 погрешность уменьшается примерно в 0,95³ (0,5³ 0,857375)0,125 6,859 раз. Если же, например, коэффициент множественной корреляции уменьшается от 0,95 до 0,2, то погрешность увеличится в 0,95³ (0,2³ 0,857375) 0,008 107,17 раз. Поэтому для повышения точности результата используют входные величины, по возможности более тесно стохастически связанные друг с другом.

Техническими преимуществами способа комплексирования измерений по сравнению с прототипом являются высокая точность определения неизвестного значения контролируемого параметра за счет использования стохастически связанных друг с другом входных величин и за счет интегрирования значений входных величин за заданное время при определении средних значений входных величин; высокая экспрессность контроля за счет одновременного измерения и усреднения входных величин; высокая достоверность полученного результата за счет определения результата по значениям нескольких входных величин одновременно; малое количество требуемой аппаратуры из-за применения m-канального амплитудного анализатора и применения m-канального комплексного датчика, а также из-за отсутствия переключателей для поочередного подключения разных датчиков к разным преобразователям информации. Если заменить на эквивалентный или исключить любой из шести указанных выше отличительных признаков, то техническое противоречие, заключающееся в одновременном повышении точности и экспрессности и упрощении используемой аппаратуры, не будет преодолено. Так, например, при замене любого из отличительных признаков на соответствующий эквивалентный признак прототипа неизбежно ухудшается хотя бы одно из трех существенных преимуществ способа комплексирования измерений. Поэтому совокупность шести отличительных признаков носит устойчивый характер и "расшатать" эту систему взаимосвязанных отличительных признаков принципиально нельзя.

Указанные технические преимущества обеспечивают экономический эффект в основном за счет повышения точности и экспрессности. Эффект за счет удешевления аппаратуры для реализации способа является второстепенным.

Использование: в измерительной технике, а более конкретно в способах и устройствах комплексного контроля качества продукции по совокупности нескольких входных величин, например для контроля качества продукции химических и горных производств, контроля качества композитных и полупроводниковых материалов и т.п. Сущность изобретения состоит в том, что для повышения точности измерений при одновременном повышении экспрессности по способу комплексирования измерений, включающему многократное измерение каждой из m входных величин с использованием преобразователей информации и определение средних значений, в качестве m входных величин используют стохастически связанные между собой величины, например, интенсивности излучения в пике и на крыльях спектра, в качестве преобразователей информации используют m-канальный амплитудный анализатор, средние значения определяют одновременным интегрированием за заданное время, по отношению двух средних значений входных величин для стандартного образца изменяют коэффициент преобразования амплитудного анализатора до получения априорно установленного значения отношения, после чего измеряют средние значения m входных величин для пробы с неизвестным значением контролируемого параметра, по которым определяют значение параметра. 2 ил.

СПОСОБ КОМПЛЕКСИРОВАНИЯ ИЗМЕРЕНИЙ, включающий многократное измерение каждой из m входных величин с использованием преобразователей информации и определение средних значений, отличающийся тем, что в качестве m входных величин используют интенсивности излучения в пике и на крыльях спектра, средние значения m входных величин определяют интегрированием за заданное время, по отношению двух средних значений входных величин для стандартного образца изменяют коэффициент преобразования амплитудного анализатора до получения априорно установленного значения отношения, после чего измеряют средние значения m входных величин для пробы с неизвестным значением контролируемого параметра, по которым определяют значение параметра.