Актуальність теми. В сучасних умовах жорсткої конкуренції перевагу має той виробник, який пропонує на ринку щораз якіснішу продукцію, товари, послуги. Однією із найважливіших проблем забезпечення якості і конкурентоспроможності вітчизняної продукції, товарів, послуг є розроблення і використання засобів вимірювальної техніки для оцінювання і контролю параметрів якості, що є основою встановлення їх оптимальних споживчих властивостей, кращих умов зберігання та експлуатації продукції. Фундаментом забезпечення високої якості продукції є автоматизація процесів вимірювання та регулювання багатьох параметрів технологічних процесів її виготовлення у реальному масштабі часу в умовах інтенсивної дії дестабілізуючих факторів. Завдяки бурхливому розвитку мікроелектронних технологій та обчислювальної техніки сучасні засоби вимірювань стають все більше інтелектуальними - коригують методичні, інструментальні та випадкові складові похибок приладів - при незначному зростанні або навіть зниженні собівартості. Виробники пропонують широку номенклатуру засобів вимірювальної техніки, однак на сьогодні не розроблено науково обґрунтованих критеріїв для оцінювання безпосередньо їх якості, а також якості виконуваних з їх допомогою вимірювань. Вибір типу вимірювальних засобів з допомогою традиційних показників якості вимірювань - точності, відтворюваності, правильності та збіжності - як правило приводить до завищення вимог щодо метрологічних характеристик, а, отже, й суттєвого зростання витрат на реалізацію вимірювальних каналів. В багатьох випадках вимога достовірності отримуваної вимірювальної інформації в сучасних технологічних процесах виготовлення продукції, товарів заданої якості суттєво ускладнюється просторовою розпорошеністю засобів вимірювальної техніки, довготерміновим або практично безперервним характером експлуатації, значними економічними витратами або й неможливістю зупинки виробництва, наприклад, атомні електростанції, значними, а часто й непрогнозованими, змінами умов їх експлуатації. Вірогідна вимірювальна інформація необхідної точності може бути отримана тільки шляхом технічно обґрунтованого вибору засобів вимірювальної техніки (ЗВТ), який містить такі дані: наявність вимірюваних або контрольованих параметрів об`єкта; значення допусків на відхилення контрольованих параметрів і допустимі значення похибок вимірювання параметрів об`єкта; допустимі імовірності хибної і невстановленої відмови для кожного з контрольованих параметрів і значення довірчих імовірностей для вимірюваних параметрів; закони розподілу вимірюваних параметрів і похибок їх вимірювання, що можуть виникати при використанні засобів вимірювання параметрів; умови вимірювань: механічні навантаження (вібрація, удари, прискорення тощо), кліматичні впливи (температура, вологість, тиск тощо), наявність чи відсутність активно шкідливого середовища (агресивні гази і рідини, високі температура або електрична напруга, грибки, плісень, електромагнітні поля, радіоактивні та інші випромінення тощо), в якому будуть експлуатуватися засоби вимірювань або їх елементи. При цьому, поступові деградаційні зміни компонентів та деталей засобів вимірювань можуть призводити до метрологічних відмов в межах міжповірочного інтервалу. Крім того, при різких змінах будь-якої з умов вимірювань, наприклад, аварійні режими роботи, значні електромагнітні наведення тощо, можуть виникати грубі помилки, збої, що суттєво зменшує вірогідність вимірювань. Складність умов експлуатації ЗВТ, широка та різнорідна номенклатура їх параметрів суттєво ускладнює аналіз їх якості, який проводиться з метою близького до оптимального (в координатах функціональні можливості-вартість) вибору необхідного для даної вимірювальної задачі ЗВТ серед усього різноманіття пропонованих на сучасному ринку приладів. В таких умовах особливої актуальності набуває необхідність контролю стабільності метрологічних характеристик вимірювальних систем на місці експлуатації. Вітчизняні та міжнародні нормативні документи (ДСТУ 3921.1-1999 (ISO 10012-1: 1992), ДСТУ 3921.2-2000 (ISO 10012-2: 1997)) рекомендують впроваджувати методи контролю як процесів вимірювання, так і засобів вимірювання. Окрім промисловості, сучасна вимірювальна техніка щораз ширше використовується в побуті, житлово-комунальному господарстві, оскільки точний комерційний облік спожитих дорогих енергоносіїв в окремих помешканнях, офісах тощо, в будинках із багатоввідним їх підведенням сприяє їх всебічній економії. Важливою проблемою для такої масової продукції як лічильники енергоносіїв є забезпечення можливості їх оперативного метрологічного контролю на місці експлуатації. Тому оцінювання якості засобів вимірювальної техніки є актуальною і в науковому плані не вирішеною задачею.

Розвиток теорії та методів підвищення якості засобів вимірювальної техніки дасть можливість оптимізувати методи і алгоритми вимірювання, увести до складу вимірювальних засобів системи контролю стабільності метрологічних характеристик та розробити принципи їх побудови, орієнтовані на сучасну мікроелектронну технологію.

Зв'язок теми дисертації з напрямками науково-дослідних робіт. Основні теоретичні та практичні дослідження проводилися автором в ПКО "Політехніка" Національного університету "Львівська політехніка" та кафедрі "Метрологія, стандартизація та сертифікація" протягом 1988-2003 р. р. згідно з тематичними планами проведення науково-дослідних і дослідно-конструкторських робіт у Національному університеті "Львівська політехніка" на госпдоговірних засадах з ВАТ "Мукачівприлад" (договори №978 "Модернізація щитових цифрових приладів А565, А566" від 01.06.89, №1022 "Розроблення багатоканального цифрового вимірювача-сигналізатора температури" та №1093 "Розробка установки для автоматичної повірки приладів ЦР7701" від 01.02.90 - завідувач сектором і головний конструктор проектів), Моторобудівним конструкторським бюро, м. Пєрмь, Росія, №979/2 "Розроблення пристрою автоматизації повірки цифрових приладів А565" від 01.02.91 - відповідальний виконавець), Кишинівським науково-дослідним інститутом електроприладобудування (договори №883 "Розробка кодокерованої багатозначної міри електричного опору" від 02.01.89 та №1032 "Розробка цифро-аналогового перетворювача в стандарті КАМАК" від 02.01.90 - головний конструктор проектів) та в рамках пріоритетних напрямків розвитку науки і техніки в Україні за держбюджетними договорами на виконання науково-дослідних робіт Міністерства освіти і науки України: "Вологомір" - "Цифровий вологомір", (реєстраційний № 0198U002404, 1998-1999 р. р.) - виконавець окремих розділів); "Стандарт" - "Достандартизаційні дослідження нових методів та засобів для обліку і регулювання спожитої теплової енергії індивідуальними споживачами", (реєстраційний № ДР0100U000487, 2000-2001 р. р. - відповідальний виконавець); "Лічильник" - "Розроблення теоретичних засад оцінки якості енергоносіїв та створення на цій основі нових методів та засобів для індивідуального обліку спожитого тепла, газу та електроенергії", (реєстраційний № ДР0102U001189, 2002-2003 р. р. - відповідальний виконавець).

Мета і задачі дослідження. Метою роботи є розвиток теорії та методів підвищення якості засобів вимірювальної техніки, розроблення та вдосконалення принципів побудови стабільних промислових цифрових засобів вимірювання, а також методів і засобів здійснення оперативного метрологічного контролю вимірювальних пристроїв, що вже експлуатуються.

Для досягнення цієї мети розв`язувалися наступні задачі:

аналіз існуючих методів та розвиток теорії оцінювання якості ЗВТ електричних величин із врахуванням основних технічних обмежень при отриманні з їх допомогою вимірювальної інформації;

аналіз граничних можливостей існуючих методів автоматичного коригування домінуючої адитивної складової похибки для їх вдосконалення з метою мінімізації не скоригованого значення похибки ЗВТ в робочих умовах експлуатації;

створення теоретичних засад та розроблення принципів побудови нових цифрових ЗВТ з підвищеною метрологічною надійністю на основі використання кодокерованих мір;

розроблення методик та засобів здійснення оперативного метрологічного контролювання в робочих умовах вимірювальних процесів для ЗВТ, що вже експлуатуються;

розвиток теорії та розроблення принципів побудови кодокерованих мір активних та пасивних електричних величин з коригуванням похибок на основі сучасних мікроелектронних технологій;

створення теоретичних засад та засобів коригування додаткових похибок ЗВТ і кодокерованих мір електричних величин в робочих умовах експлуатації, придатних для реалізації на основі сучасних мікроелектронних та інформаційних технологій;

створення та впровадження в практику стабільних цифрових засобів вимірювання та засобів їх метрологічного забезпечення.

Об`єкт досліджень. Засоби вимірювань активних та пасивних електричних величин постійного струму.

Предмет досліджень. Енергетично-інформаційний аспект якості засобів вимірювальної техніки, для підвищення якої використовуються кодокеровані міри активних та пасивних електричних величин в поєднанні із структурно-алгоритмічними методами.

Методи досліджень. Методологічну основу дисертаційної роботи складає комплексний підхід до аналізу методичних, інструментальних та метрологічних аспектів інтелектуальних засобів вимірювання з підвищеною метрологічною надійністю. Для теоретичних узагальнень і аналізу математичних моделей окремих структурних елементів інтелектуальних засобів вимірювань, їх побудови й оптимізації структур використовувались теоретичні та експериментальні методи досліджень, що базуються на загальній теорії інформаційно-вимірювальної техніки, теорії похибок, електротехнічних кіл та сигналів, електроніки, спектральному аналізі, теорії надійності, операторному численні, математичній статистиці, методах імітаційного моделювання на ЕОМ. Основні теоретичні положення підтверджуються результатами моделювання і перевірені експериментально.

Наукова новизна одержаних результатів:

У вступі відображено актуальність проблеми, обґрунтовано мету та основні задачі дослідження. Показано зв'язок роботи із науковими програмами, планами, темами. Сформульовано наукову новизну та положення, що виносяться на захист. Розглядаються практична цінність та впровадження результатів роботи. Наводяться дані про особистий внесок здобувача, апробацію роботи та публікації.

Перший розділ присвячено аналізові проблеми оцінювання якості засобів вимірювальної техніки та теоретичному обґрунтуванню методів її підвищення з використанням кодокерованих мір. На підставі проведеного аналізу зроблено висновок про доцільність оцінювання якості такої складної технічної продукції, як ЗВТ, змішаним методом, який базується на вичлененні ряду окремих груп, що охоплюють найсуттєвіші властивості продукції, для яких визначаються узагальнені комплексні показники якості з подальшим їх порівнянням диференційним методом з відповідними показниками базової продукції. Показано, що вибір природного для ЗВТ узагальненого показника якості та визначення його функціональної залежності від основних одиничних показників, які, в тій чи іншій мірі, впливають на її якість, доцільно базувати на понятті об`єму можливостей даного приладу та необхідних для цього затрат. На сучасному рівні розвитку техніки і технологій завдяки комп`ютеризації та автоматизації є можливість реалізації електровимірювальних приладів, навіть високої точності (0,01.0,05% і вище), лише на декількох інтегральних мікросхемах, вартість яких з плином часу безупинно спадає. Тоді як строк служби ЗВТ у великій мірі визначається експлуатаційними витратами, пов`язаними з періодичною повіркою приладів, їх ремонтом та калібруванням.

Показано недоліки традиційного інформаційно-енергетичного коефіцієнта корисної дії як функціональної залежності, що пов`язує основні метрологічні параметри ЗВТ та відображає взаємодію з об`єктом вимірювання. Відмічено, що сучасне трактування його фізичного змісту із врахуванням можливостей мікроелектронних та інформаційних технологій потребує подальшого розвитку. Наприклад, похибка трактується тільки як основна, хоча більшість ЗВТ експлуатуються в умовах суттєво відмінних від нормальних, враховуються тільки термодинамічні внутрішні завади, хоча відомо про суттєвий вплив завад із частотозалежним спектром. Оскільки, інформаційно-енергетичний підхід характеризує основне призначення ЗВТ - отримання від вимірюваного об`єкту необхідної кількості інформації з нормованими метрологічними характеристиками, - а всі інші показники можна вважати допоміжними, такими, що визначають досягнутий рівень розвитку технологій та продуктивності праці виробником даного ЗВТ, то запропоновано оцінювати якість ЗВТ змішаним методом з визначенням коефіцієнта якості як добутку основних (енергетичного та інформаційного) і ряду допоміжних показників. Це дає можливість оцінювати енергетичний показник якості через взаємодію вимірюваного об`єкта із ЗВТ як відношення корисної енергії W_кор=4k_en_eP_шt_вим, спожитої від джерела вимірюваного сигналу, до всієї спожитої від об`єкту за час t<sub>вим</sub> вимірювання енергії W<sub>xv</sub>=P<sub>xv</sub>t<sub>вим</sub>, де P<sub>ш</sub>=D<sub>ш</sub>/R<sub>вх</sub> - потужність еквівалентної вхідної випадкової завади; R<sub>вх</sub> - вхідний опір ЗВТ; R<sub>x</sub>, R<sub>л</sub> - опори, відповідно, джерела вимірюваного сигналу та ліній зв`язку; n_e - кількість статистично незалежних за час вимірювання відліків; k_e - ентропійний коефіцієнт.

В загальному випадку при використанні многочленної моделі гарантійної похибки вираз для інформаційного коефіцієнту якості к_іф ЗВТ подано як

, (1)

де - адитивна складова похибки (АСП) результату вимірювання в нормальних умовах експлуатації; Д_д - похибка дискретності подачі результату вимірювання; Д_0А - АСП ЗВТ в нормальних умовах експлуатації; Д_лз - АСП, зумовлена лініями зв`язку між ЗВТ та об`єктом вимірювання в робочих умовах експлуатації; ₀, k_p - відповідно, середньоквадратичне відхилення випадкової складової АСП та її довірчий коефіцієнт в нормальних умовах експлуатації; _з, _ш - відповідно, середньоквадратичні відхилення випадкової складової АСП, зумовлені зовнішніми завадами та еквівалентними шумами ЗВТ; , k_р - відповідно, систематична і випадкова складова мультиплікативної складової похибки (МСП) та її довірчий коефіцієнт в нормальних умовах експлуатації; , k_p - відповідно, систематична і випадкова складова квадратичної складової похибки та її довірчий коефіцієнт в нормальних умовах експлуатації; Д_ру - додаткова складова похибки ЗВТ в робочих умовах експлуатації за умови відсутності кореляції між складовими; і=1, 2,., m - кількість нормованих для ЗВТ факторів додаткових похибок; Д_0і - додаткова АСП ЗВТ в робочих умовах експлуатації, спричинена і-тим фактором похибки; _і, k_рі - додаткові, відповідно, систематична та випадкові складові МСП ЗВТ та її довірчий коефіцієнт в робочих умовах експлуатації, спричинені і-тим фактором похибки; _і, k_pі - додаткові, відповідно, систематична та випадкові складові квадратичної складової похибки ЗВТ та її довірчий коефіцієнт в робочих умовах експлуатації, спричинені і-тим фактором похибки; Х₂, Х₁ - верхня та нижня границі вимірювань.

Склад допоміжних показників (завадостійкості перетворення і завадозахищеності, конструктивного виконання, надійнісні, економічні, ергономічні, естетичні показники, показники патентної чистоти тощо) доцільно для окремих типів ЗВТ встановлювати експертним методом, а їх числові значення визначати диференційним методом - порівнянням з аналогічними показниками базових ЗВТ. У результаті встановлено, що запропонований шлях визначення кількісного показника якості свідчитиме яким техніко-економічним коштом отримується даним ЗВТ певний обсяг вимірювальної інформації в робочих умовах експлуатації.

Відмічено, що при визначенні енергетичного показника якості, окрім термодинамічних, слід враховувати і внутрішні завади, спектральна густина яких залежить від частоти. При гіперболічній апроксимації у зв`язку з розбіжністю спектру 1/f флуктуацій в низькочастотній границі запропоновано для ЗВТ прийняти за нижню границю частотного діапазону частоту f_кл його калібрувань (встановлення "нульових" показів), а за верхню - частоту f_вч пропускання. Це обмежує спектр флуктуацій і у першому наближенні їх можна вважати стаціонарним випадковим процесом, амплітуди якого розподілені за нормальним законом. Дисперсію D_ш еквівалентного шумового сигналу, зведену до входу ЗВТ, в частотній смузі від _кл=2рf_кл до _вч=2рf_вч визначено за теоремою Вінера-Хінчіна за умови, що час кореляції

. (2)

де S_0e - еквівалентна спектральна густина білого шуму; G_fe= S_feщ_fe - еквівалентний добуток спектральних густин шумів виду1/f на частоту їх спряження з білими шумами.

Отже, значення дисперсії D_ш еквівалентного шумового сигналу, окрім шумових параметрів елементів S_0e і S_fe, щ_fe, залежить також від параметрів ЗВТ (частоти f_вч) та використаного алгоритму вимірювань - частоти f_кл встановлення нульових показів. При співмірних значеннях S_0e та S_fe і типовому значенні щ_fe біля сотень герц, значення дисперсії D_ш еквівалентного шумового сигналу зростає із зростанням значення частоти f_вч смуги пропускання та гіперболічно зменшується із зростанням частоти f_кл ЗВТ (рис.1). Оптимальне значення частоти, при якому значення дисперсії еквівалентного шумового сигналу визначатиметься тільки білим шумом, знаходиться поблизу значення верхньої частоти смуги пропускання ЗВТ і на практиці, дисперсія еквівалентного шумового сигналу практично визначатиметься 1f шумами. Отримано вираз енергетичного коефіцієнта к_ен якості ЗВТ із врахуванням тільки шуму (за умови наявності "ідеального" ЗВТ)

, (3)

відмінністю якого від відомого є залежність від частоти f_кл, опорів джерела вимірюваного сигналу та ліній зв`язку. Аналіз виразу (1) показує, що із збільшенням частоти f_кл встановлення нульових показів ЗВТ, енергетичний коефіцієнт к_ен якості ЗВТ прагнутиме до значень зумовлених тільки термодинамічним шумом.

Інші складові похибки ЗВТ суттєво зменшуватимуть кількість розрізнюваних градацій N вимірюваної величини та зменшуватимуть його метрологічну надійність і вірогідність вимірювань. Аналіз показав, що необхідне значення метрологічної надійності визначається теоретично непрогнозованими незворотними змінами параметрів елементів вимірювального кола, які у свою чергу суттєво залежать від робочих умов експлуатації конкретного зразка ЗВТ і на практиці немає альтернативи відомим способам встановлення значно жорсткіших вимог до точнісних характеристик ЗВТ при випуску їх з виробництва або ремонту та збільшення частоти метрологічних перевірок. Нормативні документи (ДСТУ 3921.2-2000 (ISO 10012-2: 1997) для забезпечення потрібної вірогідності вимірювань рекомендують особливо зручний для користувача метод з частою (раз на день або й частіше) перевіркою критичних параметрів ЗВТ за допомогою портативних (вмонтованих) еталонів або за допомогою "чорної скриньки". Однак, впровадження такого методу стримується складністю визначення критичних параметрів ЗВТ і розроблення "чорних скриньок". Тому, для вирішення актуальної і на сьогодні технічно не вирішеної задачі забезпечення потрібного рівня якості ЗВТ запропоновано диференційний метод контролю процесів вимірювань з використанням кодокерованих мір у поєднанні з автоматичною корекцією АСП [1-5]. Проведений аналіз показав, що з допомогою методу інверсії вхідного сигналу в цифрових ЗВТ корегується АСП практично всього вимірювального тракту, а її нескориговане значення можна зменшувати на інтегральній сукупності ключів перемикачів полярності [2]. Показано, що при використанні диференційного методу при реальних для сучасних приладів співвідношеннях між МСП ЗВТ та кодокерованої міри і впливом членів другого і вищих порядків малості можна знехтувати. Код результату вимірювання знаходять як N_x=X (1-_м) +Д_k [5]. Похибку Д_x (X,Q,ж,t) ЗВТ у цьому випадку можна подати виразом

Д_x (X,Q,ж,t) =2Д_д+Д_кл0х+Д_шм+Д_0м (Q,ж,t) + [_Ѕм (Q,ж,t) +k_pм] Х, (4)

де Д_д - похибка дискретності подання результату вимірювання; Д_кл0ч - нескориговане значення при автоматичній корекції АСП ЗВТ; Д_шт - максимальне ентропійне значення похибки, зумовленої еквівалентною шумовою напругою на вході ЗВТ; Д_0м (Q,ж,t) - АСП кодокерованої міри; _Ѕм (Q,ж,t) - мультиплікативний коефіцієнт похибки кодокерованої міри; k_p - ентропійний коефіцієнт випадкової складової похибки кодокерованої міри, середньоквадратичне відхилення якої становить _м.

Отже, при використанні диференційного методу побудови ЗВТ похибка результату вимірювання електричних величин практично визначатиметься тільки похибкою д_м кодокерованої міри. Це дає теоретичні підстави для розроблення нового покоління ЗВТ електричних величин, в яких можна практично забезпечити оперативний контроль процесів вимірювань. Роль "чорної скриньки" за термінологією ДСТУ 3921.2-2000 виконуватимуть кодокеровані міри електричних величин. Показано, що для практичного використання цього способу оперативного контролю доцільно реалізовувати кодокеровані міри малогабаритними та переносними на основі досягнень мікроелектронних та інформаційних технологій.

Для здійснення в робочих умовах експлуатації оперативного контролю за протіканням вимірювальних процесів ЗВТ, що вже експлуатуються, запропоновано використовувані переносні кодокеровані міри (калібратори) електричних величин забезпечувати системою автоматичної корекції АСП або ж для корекції АСП ЗВТ використовувати метод подвійної інверсії сигналів з опрацюванням результатів двох спостережень оператором [6-15].

Показано доцільність використання інформаційного коефіцієнту якості ЗВТ, значення якого слід встановлювати на основі гарантійної похибки та кількості N розрізнюваних приладом градацій вимірюваної величини, що дає більшу крутизну його залежності від параметрів ЗВТ. Отримано вирази для інформаційного коефіцієнту якості к_іф1,2 ЗВТ за умов здійснення автоматичної корекції АСП безпосередньо на виході первинного вимірювального перетворювача (ПВП) або на вході ЗВТ

, (5)

де - АСП результату вимірювання в нормальних умовах експлуатації з автоматичною корекцією АСП безпосередньо на вході ЗВТ; _01АК - відповідно, середньоквадратичне відхилення випадкової складової АСП та її довірчий коефіцієнт в нормальних умовах експлуатації з автоматичною корекцією АСП безпосередньо на вході ЗВТ; _1шАК - середньоквадратичне відхилення випадкової складової АСП, зумовлене еквівалентними шумами ЗВТ, з автоматичною корекцією АСП безпосередньо на його вході; Д_хх - МСП та НСП ЗВТ в нормальних умовах експлуатації; Д_руАК1 - додаткова складова похибки ЗВТ в робочих умовах експлуатації з автоматичною корекцією АСП безпосередньо на вході ЗВТ; Д_01АКі - додаткова АСП ЗВТ в робочих умовах експлуатації, спричинена і-тим фактором похибки, з автоматичною корекцією АСП безпосередньо на його вході.

Показано, що метод інвертування вимірюваного сигналу дозволяє суттєво підвищити інформаційний коефіцієнт якості ЗВТ і дає принципову можливість автоматичної корекції АСП, зумовленої лініями зв`язку між ЗВТ та об`єктом вимірювання в робочих умовах експлуатації (технічна реалізація полягає в конструктивній можливості винесення вхідного перемикача полярності поза межі ЗВТ безпосередньо до виходу ПВП) [5]. З аналізу виразів (4) і (5) зроблений висновок про доцільність використання кодокерованих мір з автоматичною корекцією їх АСП або ж використанням в ЗВТ алгоритмів вимірювань з корекцією АСП і ЗВТ, і кодокерованих мір, що забезпечує близьке до нуля значення математичного сподівання похибки ЗВТ в робочих умовах експлуатації [5]. Відмічено, що єдиним методом виявлення накопичених значень часових змін похибок є повірка ЗВТ за зразковими сигналами з автоматичною або ручною корекцією похибок. Показано, що з метою суттєвого підвищення точності слід збільшувати періодичність повірок в робочих умовах експлуатації. Однак, через необхідність їх проведення в умовах спеціальних метрологічних лабораторій, на практиці цей метод стає економічно невигідним через високу вартість. За умови забезпечення малих масо-габаритних показників мір (їх виготовлення як інтегральних мікросхем) показано доцільність використання арсеналу добре практично освоєних конструктивно-технологічних методів зменшення впливу їх додаткових похибок в робочих умовах експлуатації. Аналіз показав, що для корекції додаткової температурної похибки кодокерованих мір найдоцільніше використовувати метод допоміжних вимірювань із конструктивно влаштованим в міру температурним каналом з використанням мініатюрних сенсорів з p-n переходом.

Частоту ж проведення повірок таких кодокерованих мір доцільно встановити експериментально для кожного окремого їх типу і здійснювати корекцію часових змін МСП в межах міжповірочного інтервалу з допомогою влаштованих коригуючих пристроїв. Отримано вираз для інформаційного коефіцієнту якості к_іфм ЗВТ з використанням кодокерованих мір

. (6)

де _iSm, _im - відповідно, коефіцієнт МСП та середньоквадратичне відхилення кодокерованих мір, встановлені при і-тій повірці; k_it, k_it - коефіцієнти часових змін відповідно, МСП та середньоквадратичне відхилення кодокерованих мір, встановлені при і-тій повірці.

Показано, що добуток енергетичного к_ен та інформаційного к_іфм коефіцієнтів якості може використовуватись як основний параметр якості використаного ЗВТ. Відмічено, що при цьому забезпечуватиметься і необхідна метрологічна надійність, оскільки отримані даним ЗВТ результати вимірювання, будуть із заданою гарантійною імовірністю Р накривати істинне значення вимірюваної величини. Це дає теоретичні підстави для розроблення нового покоління ЗВТ електричних величин, в яких практично забезпечується оперативний контроль процесів вимірювань. Якщо і після заміни кодокерованої міри із ЗВТ отримуються сумнівні результати, то слід детальніше проаналізувати реальні умови експлуатації щодо виявлення невраховуваних факторів похибок або ж, у разі отримання негативного результату, демонтувати ЗВТ і відправити його на метрологічну перевірку.

Другий розділ розкриває загальну концепцію побудови цифрових ЗВТ з використанням кодокерованих мір та корекцією похибок, в тому числі і випадкових, зумовлених зовнішніми та внутрішніми завадами. Отриманий математичний вираз для функції перетворення та похибки дельта-сигма АЦП (ДСАЦП), з аналізу якого запропоновано проводити корекцію АСП ДСАЦП методом комутаційного інвертування в кожному із часткових циклів перетворення. Показано, що спричинена шумовими сигналами основних елементів дисперсія D_ki вихідного сигналу ДСАЦП в поточний момент часу t визначається виразом [16]

, (7)

де S_0n, S_0i, щ_on, щ_oi - відповідно спектральна густина білих шумів підсилювача та інтегратора і частоти їх спряження із флікер-шумами; щ_i - стала часу інтегратора; k - коефіцієнт передачі масштабного підсилювача;, t_jx= (t_j6 - t_j5+ t_j4) + ( (t_j3 - t_j2+ t_j1), t_jц - відповідно тривалість часу зчитування інформації і тривалість j-того циклу аналого-цифрового перетворення.

Зроблено висновок, про доцільність збільшення частоти комутаційного інвертування порівняно з частотою спряження білого та флікер-шумів, що суттєво зменшує вплив інфранизькочастотних внутрішніх завад. На основі проведеного аналізу розроблена структура такого ДСАЦП (рис.2) та отриманий вираз відносного коду n_x результату вимірювання як сума всіх кодів результатів перетворень за фіксований час t_вим вимірювання

, (8)

де N_j1x, N_j2x - відповідно коди результатів аналого-цифрового перетворення при додатній та від`ємній полярностях вимірюваної напруги U_x, отриманих в j-тому циклі; N_j1ц, N_j2ц - відповідно коди, що відповідають тривалості j-того циклу аналого-цифрового перетворення; M=f₀t_вим/ (N_j1ц+N_j2ц) - кількість циклів перетворень за час вимірювання t_вим; N_m=N_1ц+N_2ц; э_x= (U_x+Д_x) /E₀; u_x= (U_x-Д_x) /E₀; r - відношення масштабних коефіцієнтів перетворення вимірюваної та опорної напруг; Д_x - АСП тракту перетворення.

З аналізу виразу (8) зроблено висновок про можливість суттєвого зменшення нескоригованого значення АСП і дисперсії значення вихідного сигналу, зумовлену шумами, в ДСАЦП з комутаційним інвертуванням, оскільки (N_1ц-N_2ц) N_m<<1 і різниця тривалостей проміжних циклів перетворення при високій частоті квантування буде на декілька порядків меншою від міжкалібрувального часу в класичній структурі [16].

Отже, при корекції АСП ЗВТ за методом інверсії сигналів часова та температурна стабільність промислових приладів в основному визначатиметься тільки стабільністю масштабних елементів. Багаторічний досвід експлуатації (з 1983 р. до сьогодні) серійних цифрових приладів типів А565 та ЦР7701 (приладобудівний завод "Мукачівприлад") показав, що нескориговане значення адитивної складової їх похибки в робочих умовах експлуатації не перевищує декількох десятих мкВ, що й дало змогу взагалі відмовитись від операції ручного встановлення нульових показів приладів, а гарантований час роботи без калібрувань для приладів типу ЦР7701 становить 5000 год. або майже два роки однозмінної їх роботи, у той час як періодичність метрологічних перевірок - один рік [4]. Показано доцільність використання диференційного методу побудови ЗВТ, оскільки традиційні шляхи підвищення їх метрологічної надійності є еволюційним процесом, реалізація якого обмежується технічними, технологічними та економічними чинниками [5]. Запропоновано здійснювати корекцією похибок високо стабільних цифрових вольтметрів шляхом одночасної інверсії вимірюваної та зразкової напруг (рис.3), так як метрологічні властивості ЗВТ у цьому випадку в основному визначатимуться точністю і стабільністю кодокерованих мір напруги (ККМН), які віддавна масово виготовляються [5, 16]. Код N_Х результату вимірювання напруги U_x знайдено як суму коду N₁, отриманого у першому циклі перетворення та зваженого коду N₂, отриманого в другому циклі (із врахуванням рівняння номінальної шкали вольтметра

, (9)

де - відповідно номінальні коефіцієнти перетворення масштабного перетворювача вимірюваної напруги, АЦП та диференційного підсилювача у першому і другому циклах перетворення; _k1, _1ДП, _2ДП, _АЦП - відносні похибки відповідних коефіцієнтів k₁, k_1ДП, k_2ДП, k_АЦП; _m, _N, _м - відносні похибки відповідно коефіцієнта передачі блоку масштабування m, зразкової напруги Е_N, коефіцієнта передачі ККМН.

Аналіз співвідношення (9) свідчить, що з похибкою до членів другого порядку малості, значення коду результату вимірювання визначатиметься похибкою ККМН. Таку міру ККМН можна виготовляти як окрему інтегральну мікросхему, із влаштованими засобами корекції складових похибки в робочих умовах експлуатації за методом допоміжних вимірювань та усуненням впливу решти дестабілізуючих факторів конструктивно-технологічними методами. Корекцію ж температурної похибки міри напруги слід здійснювати на основі методу допоміжних вимірювань з використанням влаштованого в кристал мікросхеми каналу вимірювання температури з напівпровідниковими сенсорами [17-20].

Третій розділ присвячено аналізу шляхів вдосконалення якісних показників вимірювачів електричного опору. Проведений аналіз показав, що на сьогодні в практиці електричний опір вимірюється в дуже широкому динамічному діапазоні (10^-9.10¹⁷) Ом, при різних значеннях допустимих потужностей розсіювання і з різними вимогами до точності (з постійною тенденцією до її підвищення). Такий широкий динамічний діапазон накладає певні вимоги до вимірювальних кіл омметрів, які умовно можна розділити на низькоомні (сильно струмові), середньоомні та високоомні (високовольтні) [1]. Якщо низькоомний піддіапазон характеризується низькими рівнями спадків напруг і, відповідно, суттєвим впливом АСП ЗВТ, то із зростанням значень вимірюваних опорів домінуючим стає небажаний вплив опорів ізоляції та зворотних струмів елементів вимірювального кола. При вимірюванні пасивної фізичної величини - електричного опору, слід враховувати такі особливості: забезпечувати інваріантність результату вимірювання до впливу параметрів ліній зв'язку; забезпечувати інваріантність результату вимірювання до значення вимірювального струму та його змін; проводити вимірювання при мінімально можливій розсіюваній в опорі потужності; зменшувати методичну похибку, зумовлену шунтуванням вимірювального опору вхідним опором омметра [1].

Із врахуванням вказаних вимог, встановлено співвідношення для визначення енергетичного коефіцієнту к_Ree якості ЗВТ при вимірюванні електричного опору із врахуванням внутрішніх завад ЗВТ

, (10)

де W_вх=Р_вхt_вим - спожита від об`єкту за час t<sub>вим</sub> вимірювання енергія; P<sub>Rш</sub>, D<sub>Re</sub> - відповідно, потужність та дисперсія еквівалентного вхідного шуму; R<sub>вх</sub> - вхідний опір ЗВТ; D<sub>Re</sub>, D<sub>гс</sub> - еквівалентна дисперсія вимірюваного опору, зумовлена шумами генератора вимірювального струму та формувача опорної для АЦП напруги; R<sub>x</sub>, R<sub>лі</sub>, R<sub>N</sub> - опори, відповідно, джерела вимірюваного сигналу, ліній зв`язку та струмозадавального резистора; E_N - напруга джерела опорної напруги; D_V - еквівалентна дисперсія вимірюваного опору, зумовлена шумами вхідних кіл перетворення опору; k_e, n_e - відповідно, ентропійний коефіцієнт та розрізняльна здатність; S_eB0 - еквівалентна спектральна густина білих шумів за напругою вимірюваного опору, потенціальних ліній зв`язку, вхідних кіл ЗВТ та білих шумів за струмом вхідних кіл ЗВТ; G<sub>eBf</sub> - еквівалентна дисперсія флікер-шумів вимірюваного опору, вхідного кола вимірювача опору та потенціальних ліній зв`язку на еквівалентній частоті спряження їх білих шумів і флікер-шумів; І_хн - вимірювальний струм.

Відмінністю виразу (10) від відомого є залежність визначеного енергетичного коефіцієнта к_Rен якості ЗВТ від значень вимірюваного опору, вимірювального струму, частоти f_кл встановлення нульових показів ЗВТ та опорів джерела вимірюваного сигналу і ліній зв`язку. Із збільшенням частоти f_кл встановлення нульових показів ЗВТ, значення енергетичного коефіцієнта к_Rен якості ЗВТ прагнутиме до значення, що визначатиметься тільки термодинамічним шумом.