Измерительные информационные системы

Такое соединение СИ, предусмотренное алгоритмом функционирования, позволяет выполнять законченную функцию от восприятия измеряемой величины до индикации или регистрации результата измерений включительно, или преобразование его в сигнал, удобный для дальнейшего использования вне ИИС, для ввода в цифровое или аналоговое

вычислительное  устройство, входящее в состав ИИС, для совместного преобразования с другими величинами, для воздействия на исполнительные

механизмы.

Типовая структура ИК включает в себя первичный  измерительный преобразователь, линии связи, промежуточный измерительный преобразователь, аналого-цифровой преобразователь, процессор, цифроаналоговый преобразователь.

Различают простые ИК, реализующие процедуру  измерения какой-либо величины, и сложные ИК, реализующие процедуры измерения нескольких величин и получение искомой величины расчетным путем на основе известных функциональных зависимостей между измеренными и рассчитываемой величинами. Начальная часть сложных ИК разделяется на несколько простых ИК, например, при  измерениях мощности в электрических сетях начальная часть ИК состоит из простых каналов измерений электрического напряжения и тока.

Учитывая  многоканальность ИИС, использование  одних и тех же устройств в составе различных ИК, последние можно выделить зачастую только функционально и их конфигурация реализуется программным путем.

Протяженность ИК может составлять от нескольких метров до нескольких сотен километров. Число ИК – до нескольких тысяч. Информация от первичных преобразователей передается обычно при помощи электрических сигналов (реже - пневматических) – ток, напряжение, частота следования импульсов. В некоторых областях измерений современные первичные измерительные преобразователи имеют цифровой код. При большой протяженности ИК используются радиосигналы.

Часть ИИС  после линий связи, соединяющих  ее с первичными преобразователями, обычно называют измерительно-вычислительным комплексом (ИВК). Значительная часть современных ИВК строится на базе контроллеров, как правило, модульного исполнения, включающих в себя аналого-цифровые и цифроаналоговые преобразователи, процессор, модули дискретной (бинарной) информации (входные и выходные), вспомогательные устройства. Состав, конфигурация, программное обеспечение ИВК конкретизируются с учетом специфики объекта.

Сложность структуры и многоканальность ИИС  приводит к тому, что государственному метрологическому контролю и надзору (ГМКН) может подлежать не вся ИИС, а только часть ее ИК. Сложность метрологического обеспечения (МО) и ГМКН связана с наличием в структуре ряда ИИС отдельных частей, размещаемых на перемещающихся объектах. В результате одна (передающая) часть ИИС может работать с различными приемными частями в процессе одного и того же цикла измерений по мере перемещения объекта.

При выпуске  и при эксплуатации таких ИИС  заранее неизвестны конкретные экземпляры приемной и передающей частей, которые будут работать совместно, тем самым отсутствует “стандартный” объект, для которого регламентируются МХ. Контроль и МО ИИС как целостного объекта затрудняет возможное использование первичных измерительных преобразователей, встроенных в технологическое оборудование. Широкое

использование в составе ИИС вычислительной техники выдвигает проблему аттестации алгоритмов обработки результатов измерений.

Особенности ИИС делают особенно актуальной для  них проблему расчета МХ ИИС по МХ образующих их компонентов. Метод расчета МХ ИК ИИС существенно зависит от того, относятся ли образующие его СИ к линейным устройствам. Методы расчета нелинейных систем зависят от вида нелинейности, возможности расчленения СИ на линейную инерционную и нелинейную безынерционную часть и от других обстоятельств и отличаются большим разнообразием.

1.2. Назначение и виды ИИС

Основными признаками ИИС являются: область  применения; способ комплектования; структура, виды входных сигналов; виды измерений; режим работы, функциональные свойства компонентов.

По области  применения ИИС делят на группы:

− для научных исследований;

− для испытаний и контроля сложных изделий;

− для управления технологическими процессами.

По способу  комплектования:

− агрегатированные;

− неагрегатированные, состоящие из компонентов, специально разработанных для конкретных систем.

Агрегатированные ИИС, как правило, включают универсальное ядро - ИВК, на основе которого, используя датчики различных физических величин можно строить ИИС различного назначения.

По структурным  признакам:

− системы параллельно-последовательной структуры. Основным признаком такой структуры служит наличие ИК циклически коммутируемого с множеством датчиков;

− системы параллельной структуры, включающие множество одновременно работающих каналов, выходные системы которых преобразуются функциональным единым преобразователем и обрабатываются в одном вычислительном устройстве.

Сигналы на входе ИИС могут быть непрерывными или дискретными, детерминированными или случайными.

В зависимости  от соотношения между скоростью  изменения входных сигналов и инерционными свойствами системы различают два основных режима работы ИИС: статический и динамический. В динамическом режиме инерционные свойства системы оказывают влияние на результат измерения.

Под компонентом  ИИС понимают входящие в состав ИИС  технические устройства, выполняющие одну из функций, предусматриваемых процессом измерений и преобразования измерительной информации в другие виды информации. В соответствии с функциями, компоненты подразделяют на измерительные, связующие, вычислительные и информационные.

Измерительный компонент ИИС – средство измерений: измерительный прибор, измерительный преобразователь, мера, измерительный коммутатор.

Измерительные компоненты по характеру функциональных преобразований подразделяются на аналого-цифровые и цифроаналоговые.

Аналоговые  измерительные компоненты могут  быть линейными и нелинейными, аналого-цифровые по своей природе являются нелинейными устройствами.

Связующий компонент ИИС – техническое устройство либо часть окружающей среды, предназначенные или используемые для передачи с минимально возможными искажениями сигналов, несущих информацию об измеряемой величине, от одного компонента ИИС к другому.

Вычислительный компонент ИИС – цифровое вычислительное устройство (или его часть) совместно с программным обеспечением, выполняющее функцию обработки (вычисления) результатов наблюдений для получения расчетным путем результатов измерений, выражаемых числом или соответствующим кодом.

Вычислительные  компоненты подразделяются на:

• аналогово-вычислительные – аналоговые устройства, выходной сигнал которых является функцией двух или более сигналов;

• цифровые вычислительные – устройства, выходной цифровой сигнал которых является функцией двух или более сигналов.

Информационный компонент ИИС – техническое средство, предназначенное для получения информации, хранения, преобразования и передачи информации.

С точки  зрения информационной теории измерительных  устройств процесс измерения, выполняемый любым измерительным устройством (включая необходимые действия человека-оператора), состоит из ряда последовательных преобразований информации об измеряемой величине, проводимых до тех пор, пока она не будет представлена в том виде, ради получения которого и выполняется данное измерение. СИ рассматривается как канал приема (получения) и передачи информации (измерительной).

Таким образом, СИ и измерительный компонент  ИИС являются разновидностью информационного компонента.

1.3. 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 аспекта 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 в табл. 1.1.

Таблица 1.1

Особенность ИИС	Основные проблемы МО
Многофункциональность	Обеспечение одновременного 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  оценкой качества алгоритмов обработки вычислений
3. Многоканальность	Оценка, уменьшение или исключение влияния  каналов друг на друга
4. Неразрывная связь многих ИИС с объектом, на котором они эксплуатируются, невозможность снятия таких систем с  объектов, не нарушая его целостности	Решение проблем проведения метрологического обслуживания в условиях невозможности привязки используемых СИ к эталону путем перемещения СИ к месту дислокации эталона. Невозможность комплектной  поверки ИК по условиям установки  датчиков на объекте
5.Сложность описания объектов и их моделирования	Сложность учета влияния объектов на точность измерения в условиях дефицита исходной (априорной) информации
6.Агрегатный способ построения	Возможность исследования ИИС как  законченного целого только на объекте
7.Распределенность компонентов и составных частей ИИС в пространстве	Учет влияния на точность измерений различных условий эксплуатации компонентов ИИС
8. Возможность изменения состава  ИИС в процессе эксплуатации	Сложность регламентации требований к системам на момент их выпуска
9. Наличие динамических режимов  измерения	Необходимость исследования динамических свойств  системы и согласование их с объектом

Примеры:

− ИИС для научных исследований – системы, для которых характерно разнообразие измеряемых величин, сложность обработки информации, использование ЭВМ с большими объемами памяти;

− ИИС  в составе систем контроля и испытаний  сложных изделий (летательных аппаратов, транспортных машиностроительных объектов, двигателей) – характеризуются многоканальностью, разнообразием измеряемых величин, наличием в их составе устройств встроенного контроля МХ. В комплекс технических средств для статических испытаний летательных аппаратов входят ИИС местных деформаций, ИИС перемещений, нагрузок и т.д.;

− ИИС  в составе АСУ ТП – характеризуются  разнесенностью первичных преобразователей в производстве, протяженностью линий связи, привязкой к конкретному объекту (энергоблоков, энергосистем, химических производств и т.д.);

− ИИС  в системах летных испытаний летательных  аппаратов – содержат наземную и бортовую части, характеризуется наличием сложных связующих компонентов, наличием радиоканалов, средств хранения измерительной информации;

− ИИС  в системах получения навигационной  информации – характеризуются разнообразием измеряемых величин, применением сложных СИ, для которых не устанавливается тип и используются индивидуальные МХ СИ.

 

2. Задачи и содержание работ  по метрологическому обеспечению  ИИС

2.1. Общие положения

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 характеристик 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.