СПОСОБ СОХРАННОСТИ МЕТРОЛОГИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК АВТОМАТИЗИРОВАННЫХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ Российский патент 2010 года по МПК G05B13/00 G05B23/02 

Область техники, к которой относится изобретение

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для увеличения межповерочного интервала автоматизированных измерительных систем различного целевого назначения, включая средства измерений военного назначения.

Уровень техники

Известны способы контроля состояния объектов, основанные на применении многоканальных многопараметровых измерительных систем, включающих в свой состав:

- управляемые источники тестовых (стимулирующих) воздействий;

- измерители выходных информативных параметров объектов контроля;

- измерители параметров неуправляемых внешних воздействий;

- ЭВМ.

Интерфейсные выходы ЭВМ подключены к управляющим входам источников тестовых (стимулирующих) воздействий, интерфейсные входы ЭВМ подключены к информационным выходам измерителей информативных параметров и измерителей параметров неуправляемых внешних воздействий, информационный выход ЭВМ является выходом измерительной системы. Управление устройствами, подключенными к интерфейсным входам и выходам ЭВМ, осуществляется с помощью специального программного обеспечения.

Примерами таких способов, реализованных в измерительных системах, являются, в частности, технические решения по а.с. СССР №587632, кл. Н04В 3/46, 1978 г.; по а.с. СССР №756653, кл. Н04В 3/46 1978 г.; по патенту РФ №2222865, кл. Н04В 3/46, 2004 г.

Наиболее близким к заявленному способу является способ контроля функциональности сложных объектов по патенту РФ №2219572, кл. G05B 13/00, 2002 г.

В этом способе осуществляют следующие действия: управление посредством ЭВМ параметрами тестовых сигналов, формируемых источниками стимулирующих воздействий, измерение информативных параметров и параметров неуправляемых внешних воздействий объекта контроля, обработка результатов измерений с помощью ЭВМ по заданной программе. Данный известный способ обеспечивает повышение эффективности и достоверности контроля функционально сложных объектов.

Недостатком данного способа, принимаемого за прототип, является то, что он не предусматривает оценку сохранности метрологических характеристик измерительных систем, с помощью которых производят его реализацию. Вследствие этого через назначенный интервал t_пов необходимо прерывать эксплуатацию измерительной системы, используемой для реализации способа-прототипа, и транспортировать ее в главный метрологический орган для поверки и возможного ремонта. В то же время в большинстве случаев используемая для реализации способа-прототипа измерительная система может сохранять свои метрологические характеристики в течение достаточно большого времени по сравнению с назначенным поверочным интервалом. В то же время в ряде случаев измерительная система утрачивает свои метрологические характеристики до истечения назначенного межповерочного интервала t_пов. Как в том, так и в другом случае без достоверной информации о степени сохранности метрологических характеристик измерительной системы наносится существенный ущерб, размер которого зависит от назначения и области применения измерительной системы.

Сущность изобретения

Техническим результатом от применения заявленного способа является устранение недостатков прототипа, а именно:

- повышение эффективности и достоверности контроля функционально сложных объектов;

- увеличение межповерочного интервала t_пов измерительной системы;

- обеспечение заданного уровня метрологических характеристик измерительной системы в течение межповерочного интервала t_пов.

Указанный технический результат достигается тем, что в способе контроля сохранности метрологических характеристик автоматизированной измерительной системы, содержащей управляемые источники тестовых воздействий, измерители информативных параметров, измерители параметров неуправляемых внешних воздействий и ЭВМ, включающем управление параметрами тестовых воздействий по программе от ЭВМ, отсчет с помощью ЭВМ значений измеряемых информативных параметров и параметров неуправляемых внешних воздействий, обработку результатов измерений с помощью ЭВМ по заданной программе, дополнительно подключают выходы управляемых источников стимулирующих воздействий с помощью соединителей со стабильными во времени параметрами ко входам соответствующих измерителей информативных параметров и выходам измерителей параметров неуправляемых внешних воздействий, устанавливают А_зад значения выходных параметров тестовых воздействий, измеряют значения А_вх на входах соответствующих измерителей информативных параметров и параметров неуправляемых внешних воздействий, повторяют измерения не менее 100 раз для получения представительных выборок, определяют текущее значение метрологических характеристик измерительной системы по соотношениям:

сравнивают полученные значения с нормированными метрологическими характеристиками (Δ_сА)_мд и σ_мдА по соотношениям

и по результатам сравнения делают заключение о степени сохранности метрологических характеристик системы и о ее пригодности для дальнейшего использования по назначению без поверки с применением образцовых средств.

Краткое описание чертежей

На чертеже поясняется принцип действия измерительной системы в режиме самоконтроля сохранности метрологических характеристик.

Осуществление изобретения

Принцип технической реализации заявленного способа поясняется на примере применения способа в составе автоматизированной измерительной системы, приведенной на чертеже.

Выход управляемого источника 1 тестовых (стимулирующих) воздействий через соединитель 2 подключен ко входу однородного (по типу измеряемых параметров) измерителя 3 (см. чертеж) информативных параметров, информационный выход измерителя 3 информативных параметров подключен к интерфейсному входу ЭВМ 4, интерфейсный выход ЭВМ 4 подключен к управляющему входу источника 1 тестовых воздействий, а информационный выход ЭВМ 4 является выходом контролируемой измерительной системы. Управление устройствами, подключенными к интерфейсным входам и выходам ЭВМ, осуществляется с помощью специального программного обеспечения.

В заявленном способе при контроле функционально сложных объектов, включающем выдачу на объект контроля совокупности управляемых тестовых стимулирующих воздействий Σy_j, задаваемых по программе от ЭВМ, и измерение совокупности значений информативных параметров Σx_i объектов контроля, характеризующих текущее внутреннее состояние W_ij объектов контроля согласно соотношению

учитывают совокупность неуправляемых внешних воздействий Σу_k, влияющих на состояние W контролируемого объекта контроля, согласно соотношению

устанавливают допуски на пределы отклонения Δy_j управляемых тестовых стимулирующих воздействий y_j, на пределы изменения значения Δy_k неуправляемых внешних воздействий y_k, а также на пределы отклонения измеренных значений Δx_i выходных информативных параметров х_i от соответствующих эталонных значений х этих же параметров исходя из заданных допусков ΔW на определение показателей состояния W объекта контроля с учетом весовых коэффициентов указанных параметров в соответствии с соотношением:

Допустимые значения погрешностей определения указанных параметров (выраженные через значения среднеквадратических отклонений σx_i, σу_j, σу_k погрешностей управляемых стимулирующих воздействий у_j, неуправляемых внешних воздействий у_k и информативных параметров х_i) выбирают по заданному значению (σW_макс) максимально допустимой результирующей погрешности оценки состояния объекта контроля по соотношению

(6)

сравнивают полученную с указанной точностью текущую совокупность значений измеренных выходных информативных параметров Σх_i для поданных на объект контроля совокупностей управляемых тестовых стимулирующих воздействий Σy_j, сформированных с указанной точностью, и неуправляемых воздействий Σу_k, определенных с указанной точностью, с предварительно полученными одноименными совокупностями эталонных значений ΣΔх, ΣΔу, ΣΔу, получают совокупность отклонений измерений (текущих) значений этих параметров от эталонных ΣΔх_i, ΣΔу_j, ΣΔу_k, сравнивают эквивалентное отклонение текущих свойств контролируемого объекта ΔW с заданным допуском ΔW_МД с учетом весовых коэффициентов параметров х_i, y_j, y_k по соотношению

по результатам сравнения принимают решение о текущем состоянии W_ijk объекта контроля (норма, наличие и вид неисправности и т.п.), о пригодности использования объекта контроля по целевому назначению и о мерах по приведению объектов контроля в требуемое нормативное состояние.

При наличии взаимных корреляционных связей между отдельными параметрами x_i, y_j, y_k в соотношениях (6) и (7) учитывают дополнительные члены, представляющие собой произведение частных погрешностей взаимно коррелированных параметров и коэффициенты их взаимной корреляционной связи.

Для обеспечения заявленного технического результата предусмотрен режим самоконтроля сохранности метрологических характеристик.

Автоматизированная измерительная система (см. чертеж) в режиме самоконтроля сохранности метрологических характеристик работает следующим образом.

Перед началом работы выход управляемого источника 1 тестовых воздействий через соединитель 2 подключается к измерительному входу соответствующего измерителя 3 информативных параметров, а в ЭВМ 4 дополнительно вводится программное обеспечение автоматизированного контроля сохранности метрологических характеристик сохраняемой пары «источник тестовых воздействий - измеритель информативных параметров».

По командам из ЭВМ 4 управляемый источник 1 тестовых воздействий устанавливает на своем выходе заданное значение A_j параметра у тестового воздействия, которое воспроизведется с некоторой погрешностью ΔA_j и будет иметь значение A_вых=А_j+ΔA_j, поступающее на вход измерителя 3 информативных параметров.

Измеритель 3 информативных параметров измерит входное значение параметра А с некоторой погрешностью ΔА_i и сформирует отсчет результата измерений

Процесс измерения параметров заданного (установленного) значения тестового воздействия повторяется многократно до получения представительной выборки (не менее 100 раз). Полученные результаты обрабатываются с целью определения оценки математического ожидания результата измерения

и среднеквадратического значения (δA_вх) погрешности результатов измерений параметра А

По результатам обработки получают оценки систематической погрешности измерительной системы Δ_cА_j по данному параметру А

а также оценку СКО случайной погрешности измерений:

где (Δ_сA_j)_мд и (δ_мдA_j) являются нормируемыми метрологическими характеристиками контролируемой измерительной системы.

Условия (11) и (12) определяют сохранность метрологических характеристик контролируемой измерительной системы (см. чертеж) в заданных пределах, установленных в эксплутационной документации на систему. При соблюдении данных условий поверки с применением образцовых средств не требуется, и можно продолжать использовать данную измерительную систему по назначению.

Достоверность указанного способа, реализуемого в системе (см. чертеж), обусловлена тем, что в оценке метрологических характеристик системы по соотношениям (8)-(12) участвуют одновременно как источник 1 тестовых (стимулирующих) воздействий, так и измеритель 3 информативных параметров. Вероятность ошибочной оценки сохранности метрологических характеристик в этом случае ничтожно мала и определяется вероятностью одновременного устойчивого формирования одного и того же значения выходного параметра A, совпадающего с устойчивым неверным формированием этого же значения в результате измерений A.

Вероятность такого сочетания событий оценивается по соотношению

где Р_н - вероятность одновременного устойчивого формирования неверного значения A и формирования идентичного неверного отсчета A;

P(A) - вероятность отказа устройства формирования тестового воздействия 1;

P(A) - вероятность отказа измерителя информативного параметра 3;

Р_AИc - вероятность отказа автоматизированной измерительной системы (АИС), исходя из которой рассчитывается межповерочный интервал АИС.

Следует отметить, что отказ любой из составляющих АИС (см. чертеж) обнаруживается средствами встроенного функционального контроля АИС. Таким образом, возможность допуска к работе недостоверной АИС, если она удовлетворяет условиям (11) и (12), практически исключена. Следовательно, межповерочный интервал АИС может быть расширен до обнаружения отказа одной из составляющих частей АИС, когда потребуется ремонт и последующая обязательная поверка АИС после ремонта.

В качестве средств реализации источников 1 тестовых (стимулирующих) воздействий могут использоваться программноуправляемые генераторы импульсных сигналов, высокочастотных и низкочастотных электромагнитных сигналов; программноуправляемые источники электропитания; цифроаналоговые преобразователи; программноуправляемые источники акустических, ультразвуковых сигналов и вибрационных воздействий; программноуправляемые источники тепловых и оптических излучений и т.п. Конкретный состав аппаратуры источников стимулирующих воздействий определяется типом и особенностями объектов, подлежащих контролю по данному способу. Программноуправлемые генераторы могут быть выполнены в виде измерительных модулей, управляемых с помощью стандартного измерительного интерфейса, например VXI, либо представлять собой законченные конструкции, имеющие соответствующий интерфейсный вход для осуществления процедуры управления источником 1 тестовых воздействий посредством стандартной интерфейсной магистрали (LAN, USB, КОП и пр.). Требования к диапазону и точности формирования стимулирующих воздействий определяются исходя из требований к контролю показателя качества (состояния) конкретного типа объекта контроля по соотношениям (4), (5), (6).

В качестве средств реализации измерителей 3 параметров неуправляемых внешних воздействий Σу_k могут использоваться типовые средства измерения соответствующих воздействий (измерители температуры, влажности, атмосферного давления, электромагнитных излучений, освещенности и т.п.), основанные на известных технических решениях. Измерители 3 параметров неуправляемых внешних воздействий могут быть выполнены в виде измерительных модулей, управляемых с помощью стандартного измерительного интерфейса, например VXI, либо представлять собой законченные конструкции, имеющие соответствующий интерфейсный выход для осуществления процедуры управления данным измерителями 3 параметров неуправляемых внешний воздействий.

В качестве аппаратуры для измерения выходных информативных параметров Σх_j, объекта контроля могут использоваться соответствующие типовые средства измерений (аналого-цифровые преобразователи, цифровые осциллографы, цифровые вольтметры, измерительные приемники, измерители оптических сигналов, анализаторы спектра, логические анализаторы и т.п.). Состав измеряемых параметров у_k и х_j определяется спецификой конкретного типа объекта контроля. Требования к характеристикам аппаратуры измерения параметров, как и в случае источников стимулирующих (тестовых) воздействий, определяются на основе соотношений (4), (5), (6) исходя из общих требований к контролю состояния W объектов.

В качестве аппаратуры для управления АИС может быть использована вычислительная техника, в качестве которой может использоваться типовая ЭВМ 4 соответствующего класса (например, персональные компьютеры соответствующей комплектности), удовлетворяющая требованиям реализуемой методики контроля состояния и диагностики состояния объектов, в их числе: возможность подключения к ЭВМ 4 управляемых источников стимулирующих воздействий и измерителей информативных параметров, возможность ведения баз эталонных (тестовых) данных и результатов контроля (диагностики), необходимое быстродействие и другие необходимые эксплуатационно-технические характеристики, определяемые типом объекта контроля, методикой контроля объекта и указанными соотношениями (3), (4), (5), (6), (7), определяющими особенности реализации данного способа контроля.

Одним из условий технической реализации АИС (см. чертеж) является внесение в ее состав необходимого количества соединителей 2, обеспечивающих подключение выходов источника тестовых (стимулирующих) воздействий 1 ко входам соответствующих измерителей 3 информативных параметров.

Соединители должны иметь на каждом конце разъемы, сопрягаемые с разъемами формирователей 1 тестовых воздействий и разъемами измерителей 3 информативных параметров. Кроме того, соединители должны иметь стабильные во времени параметры и не вносить дополнительных погрешностей в процесс самоконтроля сохранности метрологических характеристик. Например, при измеряемых параметрах напряжений постоянного тока в качестве соединителей могут использоваться обычные отрезки изолированного провода, обладающие необходимой долговечностью. При измерениях параметров высокочастотных сигналов в качестве соединителей должны использоваться отрезки жестких элементов трактов (например, фазостабильный коаксиальный фидер).

В случае если выходной сигнал формирователя тестовых воздействий не совпадает с входными данными измерителя 3 информативных параметров (например, амплитуду сигнала с выхода высокочастотного генератора нужно измерять с помощью цифрового осциллографа), в состав соединителя 2 должно быть включено соответствующее согласующее звено (например, амплитудный детектор) со стабильной предварительно откалиброванной переходной характеристикой.

В частности, такого типа соединители необходимы для проверки сохранности метрологических характеристик измерителей параметров неуправляемых внешних воздействий (атмосферного давления, влажности, температуры окружающей среды и т.п.).

Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для увеличения межповерочного интервала автоматизированных измерительных систем. Технический результат заключается в увеличении межповерочного интервала измерительных систем, повышении эффективности и достоверности контроля сложных объектов. Он достигается тем, что предложен способ контроля сохранности метрологических характеристик автоматизированных измерительных систем, содержащих в своем составе управляемые источники тестовых воздействий, измерители информативных параметров, измерители параметров неуправляемых внешних воздействий и управляющую ЭВМ. Способ позволяет проводить оценку метрологических характеристик путем соединения с помощью соединительных кабелей со стабильными во времени параметрами выходов соответствующих источников стимулирующих воздействий со входами измерителей информативных параметров, и на основании полученных в результате измерений статистических данных, обработанных с помощью ЭВМ, делается вывод об исправности измерительных приборов и системы в целом. 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ контроля сохранности метрологических характеристик автоматизированных измерительных систем, содержащих в своем составе управляемые источники тестовых воздействий, измерители информативных параметров, измерители параметров неуправляемых внешних воздействий и ЭВМ, включающий управление от ЭВМ параметрами тестовых воздействий, отсчет с помощью ЭВМ измеряемых информативных параметров и значений измеряемых параметров неуправляемых внешних воздействий, обработку результатов измерений с помощью ЭВМ по заданной программе, отличающийся тем, что для применения измерительной системы в режиме контроля сохранности ее метрологических характеристик выходы источников тестовых воздействий с помощью соединителей со стабильными во времени параметрами подключают ко входам соответствующих измерителей информативных параметров и измерителям параметров неуправляемых внешних воздействий с образованием замкнутых калибровочных измерительных цепей, устанавливают по программе от ЭВМ заданные А_зад значения тестовых воздействий, измеряют с помощью соответствующих измерителей входные значения А_вх, фиксируют полученные значения с помощью ЭВМ и повторяют цикл измерения заданых значений А_зад параметров тестовых воздействий многократно не менее n=100 раз для получения представительной статистической выборки результатов измерения значений А_вх, определяют с помощью ЭВМ оценки значений систематической погрешности измерительной системы Δ_cА и среднеквадратического отклонения случайной погрешности σА по соотношению

сравнивают полученные значения с априорно установленными нормированными значениями результирующих метрологических характеристик (Δ_cА)_мд и σ_мдА для каждой пары соединенных каналов измерительной системы

и по результатам сравнения делают заключение о степени сохранности метрологических характеристик системы и о ее пригодности к дальнейшему использованию по основному назначению для контроля и диагностики объектов без поверки с применением образцовых средств.

2. Способ по п.1, отличающийся тем, что для сопряжения входов источников тестовых воздействий и соответствующих измерителей с несовпадающими параметрами применяют соединители, содержащие в своем составе согласующие звенья со стабильными во времени априорно известными калиброванными переходными характеристиками.