Информационно-измерительные системы

Размещено на http://www.allbest.ru/

Введение

Информационно-измерительные системы (ИИС) -- это совокупность технических средств, выполненных в блочно-модульном исполнении, объединенных общим алгоритмом функционирования, обладающих набором нормированных метрологических характеристик и предназ наченных для автоматического (автоматизированного) получения информации непосредственно от объекта, преобразования ее, передачи, измерения, обработки, хранения и представления в форме, доступной для восприятия оператором и (или) ввода в управляющую систему.

ИИС позволяет осуществлять:

? непосредственную связь с объектом исследования;

? обработку измерительной информации;

? централизованное автоматическое (автоматизирован ное) управление;

? многоканальные измерения различных физических величин.

Эти наиболее характерные признаки в комплексе при сущи только измерительной системе.

В зависимости от выполняемых функций ИИС классифицируются по назначению на измерительные; автоматического контроля; технической диагностики; идентификации.

Измерительные ИИС, выполняющие прямые, косвенные, совокупные измерения с соответствующей математической обработкой и выдачей численного значения физической величины (телеизмерительные ИИС, если исследуемый объект находится на очень большом расстоянии);

ИИС автоматического контроля, предназначенные для установления соответствия между состоянием (свойством) объекта контроля и заданной нормой, определяющей качественно различные области его состояния. В результате система контроля выдает информацию о состоянии объекта контроля и об отклонениях от заданной нормы.

ИИС технической диагностики, дающие информацию о неисправностях и повреждениях какой-либо системы, на основании которой решается задача отыскания места повреждений и установления причин этих повреждений и неисправностей; выявления элементов, послуживших причиной неправильного функционирования и восстановления нормальной работы объекта. информация измерительный метрологический

ИИС идентификации (распознавания образов) предназначены для установления соответствия между объектом и заданным образом. Так же как и норма при контроле, при опознании образ может быть задан в виде образцового изделия или в виде перечня определенных свойств и значений параметров (признаков) с указанием полей допуска.

Структурную схему ИИС можно представить в виде совокупности связанных между собой функциональных блоков. К ним относят, первичные преобразователи (ПП), размещены в определенных точках пространства. В качестве первичных преобразователей могут использоваться резистивные, емкостные, индуктивные, термоэлектрические, интегральные, голографические, телевизионные, рентгенографические ИП.

Аналоговыми преобразователями являются нормирующие преобразователи аналоговых сигналов (масштабные преобразователи, преобразователи различного вида модуляции сигнала). Подробно первичные преобразователи рассматриваются в лекции 3.

Функциональные блоки могут соединяться между собой через стандартные интерфейсы, технические средства которых содержат системы шин, интерфейсных узлов (ИФУ) и устройств управления (УУ). Устройство управления принимает информацию от ПП, подает команды на исполнительные устройства (ИУ) для формирования воздействия на объект исследования (ОИ) в виде электрических, механических, тепловых, оптических, акустический и других величин.

Разнообразие требований к ИИС и условий их эксплуатации привели к необходимости иметь различные ИИС по назначению, характеристикам, а следовательно, по существенно различающимся структурам, функциональным схемам, основным блокам, средствам измерения, автоматизации и алгоритму работы. Существенно расширяется применение устройств памяти, широко используются наборы функциональных устройств, объединяемых стандартными интерфейсами. Большое значение приобретают диалоговые режимы работы оператора с ИИС; измерительные, контрольные и другие работы.

1. Особенности метрологического обеспечения ИИС

Любая самая совершенная и интеллектуальная ИИС должна быть метрологически корректной и удовлетворять требованиям системы обеспечения единства измерений в соответствии с государственными законодательными актами и международными нормативными документами ISO, OIML и др. Выделение ИИС в отдельную специфическую разновидность СИ обусловлено рядом их особенностей, порождающих специфику их МО.

Актуальными вопросами теоретической поддержки решения проблем МО ИИС являются: регламентация МХ ИК, экспериментальное определение и контроль МХ, прогнозирование и определение характеристик неопределенности измерений в соответствии с Руководством по выражению неопределенности измерений?, оценка характеристик точности программ обработки данных.

Развитие измерительной техники, в частности ИИС, используемых в составе АСУ ТП, усложнение измерительных задач и условий эксплуатации

СИ, выдвигает новые требования к описанию свойств СИ, прежде всего, предназначенных для системного применения. Приборы, рассчитанные на

применение в качестве самостоятельных СИ, для которых назначение класса точности однозначно определяло комплекс нормированных МХ (НМХ), практически непригодны при синтезе ИК ИИС. Комплекс НМХ должен выбираться так, чтобы по некоторой совокупности СИ, средств вычислительной техники и других устройств, образующих ИК, можно было определить МХ всего ИК. Интеллектуализация СИ и ИИС, т.е. включение в их состав микропроцессоров и ЭВМ с целью автоматизации обработки данных, выполнения обработки в режиме on-line, управления процедурой измерений, приводит к растущему значению метрологического аспект создания и использования алгоритмов и программ обработки данных.

Поскольку ИИС предназначены для решения тех или иных задач классифицирования, постольку возникает проблема распространения на конкретные области и на классифицирование в целом основных понятий и методов метрологии.

Результаты анализа основных особенностей ИИС и возникающих в связи с этим проблем МО ИИС приведены ниже.

1. Многофункциональность (Обеспечение одновременно измерения ряда физических величин;построение обобщенных оценок на основе измерений большого числа параметров; вычисление комплексных параметров).

2. Наличие в составе системы ЭВМ(Решение задач, связанных с оценкой качества алгоритмов обработки вычислений).

3. Многоканальность (Оценка, уменьшение или исключение влияния каналов друг на друга).

4. Сложность описания объектов и их моделирования (Сложность учета влияния объектов на точность измерения в условиях дефицита исходной (априорной) информации ).

5. Агрегатный способ построения (Возможность исследования ИИС как законченного целого только на объекте).

6. Распределенность компонентов и составных частей ИИС в пространстве (Учет влияния на точность измерений различных условий эксплуатации компонентов ИИС).

7. Наличие динамических режимов измерения (Необходимость исследования динамических свойств системы и согласование их с объектом).

2. Основные проблемы МО ИИС

Основные проблемы МО ИИС можно разделить на три группы: фундаментальные, прикладные и организационно-правовые. К фундаментальным проблемам относятся:

1. Разработка методов оценки МХ ИИС в условиях эксплуатации. Решение проблемы требует сочетания теоретических и экспериментальных методов.

2. Создание методов синтеза ИИС различных структур по метрологическим критериям, т.е. установление оптимальных точностных характеристи компонентов ИИС по заданным нормам точности для системы в целом.

3. Разработка методов испытаний, калибровки, поверки, метрологических исследований ИИС. Эта проблема включает оптимизацию объема и содержания испытательных процедур, обеспечивающих достоверность оценки МХ ИИС.

Прикладные проблемы включают:

1. Разработку методов автоматизации испытаний, поверки, калибровки ИИС.

2. Разработку программно-управляемых средств для метрологических испытаний ИИС.

3. Разработку алгоритмов и программ автоматизированной поверки ИИС.

4. Разработку комплектов средств поверки для оснащения метрологических лабораторий государственной и ведомственных метрологических служб.

К организационно-правовым проблемам относятся создание комплекса НД, регламентирующих вопросы МО ИИС и обеспечение общей координации работ по МО ИИС на всех этапах их жизненного цикла: разработки (проектирования), производства, монтажа и наладки, ремонта, эксплуатации.

Границы понятия МО ИИС до сих пор еще четко не обозначены, что обусловлено сложностью проблемы в связи со спецификой ИИС автоматизация измерений, проведение измерений в динамическом режиме, совместимость ЭВМ разных уровней, наличие систем контроля неисправностей, изменчивость структур, измерение большого числа величин, унификация алгоритмов измерений, применение бесконтактных методов и средств измерений и т.д.). Сложность структур ИИС и работа ее компонентов в различных условиях приводит к необходимости разработки дополнительных мер по обеспечению принципа относительной инвариантности результатов измерения. Несмотря на недостаточность априорной информации, сложность методов и средств измерений, принципиальную “деформацию” свойств объекта при его экспериментальном исследовании, воздействие внешних условий и влияние субъективного элемента, результаты измерений должны оставаться адекватными (в пределах принятой модели) оценками измеряемых величин при повторном осуществлении одной и той же экспериментальной обстановки и должны воспроизводиться с ограниченной неопределенностью, обусловленной указанными факторами.

Сложность МО ИИС обусловлена еще одном важным фактором, связанным с функциональным назначением ИИС. Осуществляемые с помощью ИИС функции измерений, контроля, испытаний, диагностики, обнаружения и распознавания сводятся к классификационным задачам различного уровня, решение которых основано на измерительной информации. В рамках самой ИИС затруднительно, а часто невозможно, разграничить измерительные и неизмерительные информационные функции, реализуемые системой, поскольку граница в большинстве случаев проходит “через” программный компонент. Рассмотрение ИИС в целом, включая неизмерительные функции и подсистемы приводит к необходимости расширения границ понятия “метрологическое обеспечение ИИС”.

Изначально понятие МО раскрывалось в определении, приведенном в ГОСТ 1.25-76. “Метрологическое обеспечение - это установление и применение научных и организационных основ, технических средств, правил и норм, необходимых для достижения единства измерений”. Практика проведения метрологических работ и исследований показала, что понятие МО должно быть шире.

Было предложено следующее определение:

“Метрологическое обеспечение измерений - деятельность метрологических и других служб, направленная на создание в стране необходимых эталонов, образцовых и рабочих средств измерений, разработку и установление метрологических правил и норм, выполнение ряда других метрологических работ, необходимых для обеспечения требуемого качества измерений”.

3. Задачи и содержание работ МО ИИС

Эффективность МО ИИС закладывается на стадии их разработки (проектирования) и зависит от совместных усилий разработчиков, изготовителей, потребителей ИИС и метрологических служб, осуществляющих их МО. Для ИИС, входящих в состав более сложных автоматизированных систем, следует учитывать требования руководящих документов и требования технической документации (ТД) на эти системы.

ИИС в таких сложных структурах может выделяться на функциональном уровне.

Основными работами по МО ИИС являются:

? установление единых требований к МХ систем;

? разработка методов и средств контроля МХ;

? метрологическая экспертиза (МЭ) технической документации (ТД);

? обеспечение единства и достоверности результатов функционирования ИИС путем проведения испытаний для целей утверждения типа ИИС или их единичных экземпляров;

? утверждение типа или единичного экземпляра ИИС;

? проведение испытаний на соответствие ИИС утвержденному типу;

? анализ состояния МО ИИС и разработка на его основе комплексных программ развития МО;

? организация и осуществление государственного метрологического контроля и надзора за состоянием и применением ИИС;

? организация и проведение поверочных и калибровочных работ;

? организация и проведение работ по аттестации алгоритмов обработки информации, применяемых при работе ИИС.

МО ИИС осуществляется на всех этапах их жизненного цикла.

Необходимым условием для МО ИИС является наличие в технической документации, сопровождающей этапы жизненного цикла ИИС, перечня измерительных каналов ИИС и их МХ.

Анализ состояния МО ИИС проводят с целью установления возможности осуществления постоянного контроля метрологической исправности систем, находящихся в эксплуатации; установления соответствия разрабатываемых, изготавливаемых и находящихся в эксплуатации ИИС требованиям НД и разработке на этой основе мероприятий по совершенствованию ИИС и их МО.

Государственный метрологический контроль и надзор (ГМКН), ведомственный контроль устанавливает:

? наличие НД, регламентирующих требования к организации и порядку проведения разработки, производства и эксплуатации ИИС, а также требования к точности результата функционирования ИИС, порядок и правила поверки ИИС;

? эффективность работ по проведению МЭ конструкторской, технологической, проектной документации;

? правильность эксплуатации ИИС и организации контроля за их состоянием;

? наличие необходимых эталонов для осуществления поверок;

? правильность проведения поверок ИИС в процессе эксплуатации и соблюдение межповерочных интервалов.

Общая цель МЭ ТД - обеспечение эффективности МО, выполнение общих и конкретных требований к МО наиболее рациональными методами и средствами. Конкретные цели МЭ определяются назначением и содержанием ТД.

В зависимости от вида ИИС и этапа их жизненного цикла проводится МЭ следующей документации:

? технического задания (ТЗ) на разработку (или заменяющего его документа, содержащего исходные данные для разработки, проектирования) - для всех видов отечественных ИИС на этапе их разработки (проектирования);

? технических условий (ТУ) - для отечественных ИИС-1, конструкторской и технологической документации - для ИИС-1 и ИИС-2 на этапах их разработки и производства (изготовления) соответственно;

? проектной документации, предназначенной для изготовления (комплектации), монтажа, наладки и эксплуатации отечественных ИИС-3 на объекте, на этапе их проектирования;

? комплекта документации (переведенной на русский язык) фирмы изготовителя на импортируемый тип или единичный экземпляр - для всех видов ИИС (в том числе проектной документации, предназначенной для комплектации, монтажа, наладки и эксплуатации для ИИС-3) на этапе изучения технических характеристик и целесообразности импорта ИИС.

МЭ ТД на отечественные ИИС проводится метрологическими службами организаций (предприятий), разрабатывающих, изготавливающих, проектирующих и эксплуатирующих ИИС, головными и базовыми организациями метрологической службы в отраслях, а также органами государственной метрологической службы (ОГМС) и государственными научными метрологическими центрами (ГНМЦ), в том числе аккредитованными в качестве государственных центров испытаний средств измерений (ГЦИ СИ) в установленном порядке.

Основным содержанием МЭ ТЗ на разработку (проектирование) ИИС или заменяющего его документа, содержащего исходные данные для разработки (проектирования), является проверка достаточности исходных требований, приводимых в проекте ТЗ, для рациональной регламентации МХ ИК ИИС на этапе их разработки и построения эффективного способа их МО на последующих этапах жизненного цикла системы.

Основным содержанием МЭ ТУ, конструкторской, технологической, проектной и эксплуатационной документации является проверка соответствия заложенных в указанной документации комплекса МХ ИК и их компонентов, методов и средств их определения, контроля и (или) расчета, исходным требованиям ТЗ, а также соблюдения метрологических правил, требований и норм, регламентируемым в НД. В частности, проверяют:

? наличие в ТУ и эксплуатационной документации исчерпывающего перечня ИК и метрологических требований к ним;

? контролепригодность конструкции ИИС;

? наличие в проектной документации, предназначенной для монтажа и наладки ИИС на объекте, требований к параметрам и характеристикам, необходимым для контроля качества монтажа ИИС; ? наличие и содержание материалов (протоколов, актов, журналов, отчетов и т.п.) предварительных испытаний, касающихся метрологических свойств ИИС.

Аттестация алгоритмов обработки информации, применяемых при работе ИИС проводится для определения, в какой мере алгоритм вычислений соответствует функции, связывающей измеряемую величину с результатами прямых измерений (со значениями величины на входе измерительных компонентов ИИС).

Обычно это несоответствие вызвано возможностями вычислительной техники и вынужденными упрощениями алгоритма вычислений (линеаризацией функций, их дискретными представлениями и т.п.).

Задача эксперта оценить существенность методической составляющей неопределенности измерений из-за несовершенства алгоритма. Алгоритм обработки информации должен обеспечивать правильность конечного результата, т.е. получения классификационной информации - информации, которую получают в результате решения одной из классификационных задач, решаемых ИИС, например, контроля, диагностики, обнаружения, распознавания образов.

Испытания для целей утверждения типа и утверждение типа проводятся для ИИС, подлежащих применению и применяемых в сферах распространения ГМКН. Испытания для целей добровольной “сертификации соответствия” и “сертификации соответствия” проводятся для ИИС, не подлежащих и не применяемых в сферах распространения ГМКН. Если в сфере распространения ГМКН применяется только часть из общего числа ИК ИИС, а другая часть - вне этой сферы, то испытаниям для целей утверждения типа ИИС подвергается только первая часть ИИК.

Поверке подвергаются ИК ИИС, подлежащие применению в сферах распространения ГМКН. Содержание работ по поверке определяется документами на методику поверки ИИС. Калибровке подвергаются ИК ИИС, не подлежащие к применению и не применяемые в сферах распространения ГМКН.

ИК должны описываться следующим образом:

? указанием мест соединений компонентов ИИС, между которыми определяют измерительный канал;

? описанием состава измерительного канала;

? описанием алгоритма обработки промежуточных результатов измерений в ИК для получения конечного результата измерений.

4. Проблемы и тенденции развития в области испытаний и поверки ИИС

Проблемы проведения испытаний СИ и ИИС тесно связаны с проблемами их метрологической надежности, под которой понимается способность СИ (ИИС) сохранять установленные значения МХ в течение заданного времени при определенных режимах и условиях эксплуатации. Учитывая уникальность каждой ИИС, проблема сводится к вопросу обеспечения постоянного мониторинга за характером изменения МХ ИИС и ее компонентов на месте эксплуатации ИИС, использование полученной при этом информации для корректировки МПИ. Один из важных путей решения этой задачи - развитие и совершенствование методов самокалибровки и самодиагностики ИК ИИС.

Для многих ИИС характерен автономный - в метрологическом смысле - режим использования, когда не может быть реализована ее оперативная связь с вышестоящими по поверочной схеме средствами. Автономный режим использования ИИС является одним из источников проблемы децентрализации в системе обеспечения единства измерений. Если для традиционно используемых средств привязка к эталону означает, в конечном итоге, перемещение к месту его дислокации, то для автономной ИИС необходимо встречное движение эталона к месту ее размещения.

Соответственно необходима разработка и совершенствование транспортируемых эталонов, необходимых для поверки и калибровки ИК ИИС. При этом необходимо учитывать, что транспортируемые эталоны часто будут использоваться в условиях, отличных от условий хранения и применения эталонов в организациях ГМС и ГНМЦ. Вопросы о методиках и необходимости использования транспортируемых эталонов должны быть решены на стадиях разработки и испытаний ИИС.

При развитии ИИС проявляются общие тенденции в развитии измерительной техники:

? возрастание точности, расширение номенклатуры измеряемых величин и измерительных задач, расширение диапазонов измерений;

? обеспечение доступа потребителей к средствам измерений высшей точности;

? обеспечение измерений в условиях воздействия “жестких” внешних факторов (высокая температура, большое давление, ионизирующее излучение и т.д.)

Расширение номенклатуры измеряемых величин в рамках одной ИИС приводит к необходимости “привязки” ИИС к нескольким поверочным схемам. Для решение вопросов самокалибровки необходимо наличие в структуре ИИС встроенных эталонов, что приводит к росту требований по точности к транспортируемым эталонам и практический выход в высшие звенья поверочных схем.

Следует отметить, что в настоящее время существуют две противоположные тенденции в развитии техники восприятия входных величин. В соответствии с одной точкой зрения максимум операций по формированию наиболее подходящего для дальнейшего преобразования сигнала следует выполнять в первичном измерительном преобразователе (датчике). Применение интегральных технологий для изготовления чувствительных элементов создает благоприятные возможности производства различных интеллектуальных датчиков, представляющих собой интегральные системы сбора и предварительной обработки результатов измерений. Подобные датчики должны формировать сигналы, не требующие обязательного усиления, иметь слабую чувствительность к влияющим факторам. Учитывая необходимость установки таких датчиков на объекте, что увеличивает недоступную часть ИК ИИС, появляется необходимость в дальнейшем совершенствовании расчетно-экспериментальных методов определения МХ и их контроля.

Повышаются требования к индивидуальной градуировке интеллектуальных датчиков.

В области наиболее массовых измерений, например температуры с помощью термопар, основная задача по преобразованию сигналов от датчиков с минимальными потерями измерительной информации решается с помощью ИК. В данном случае используются простые датчики с типовыми характеристиками. В качестве примера могут служить испытания крупных турбогенераторов, при которых в разных точках испытуемого изделия размещают сотни датчиков, рассчитанных на различные диапазоны температур. В данном случае необходимо совершенствование методов испытаний многоканальных ИИС.

Список использованного нормативного материала и литературы

1. Цапенко М.П. Измерительные информационные системы: Учеб. Пособие для вузов. - 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Энергоатомиздат, 1985. - 357 с.

2. Метрологическое обеспечение измерительных информационных систем (теория, методология, организация)/Е.Т. Удовиченко, А.А. Брагин, А.Л. Семенюк и др. - М.: Изд-во стандартов, 1991. - 192 с.

3. Руководство по выражению неопределенности измерения / Под ред. проф. Слаева В.А.; Перевод и публикация ГП “ВНИИМ им. Д.И. Менделеева”. - СПб.: ООО“Типография ЛИТАС+”, 1999.- 126 с.

4. Селиванов М.Н., Фридман А.Э., Кудряшова Ж.Ф. Качество измерений: Метрологическая справочная книга. - Л.: Лениздат, 1987. - 295 с.

5. Новицкий П.В. Основы информационной теории измерительных устройств. - Л.: Энергия, 1968. - 248 с.

6. Сергеев А.Г., Крохин В.В. Метрология: Учебное пособие для вузов. - М.: Логос, 2001. - 408 с.

7. Х. Харт. Введение в измерительную технику: Пер. с нем. - М.: Мир, 1999. - 391 с.

8. М.П. Цапенко, В.Г. Кнорринг. Очерки современных измерений / Новосибирский гос. тех. ун-т. - Новосибирск, 1994. - 205 с.

9. В.А. Грановский. Системная метрология: метрологические системы и метрология систем / ГНЦ РФ ЦНИИ “Электроприбор” - СПб.:1999. - 360 с.

10. М.Н. Селиванов. Развитие основных понятий метрологии.//В сборнике научных трудов НПО ВНИИМ им. Д.И. Менделеева. Анализ и формализация измерительного эксперимента. - Л.: Энергоатомиздат, 1986.- с.23-29.

Размещено на Allbest.ru