Измерительные информационные системы

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.

 

3. Методы определения метрологических характеристик ИИС

3.1. Общие положения

Актуальными вопросами теоретической поддержки  решения новых проблем МО и нормирования МХ ИИС являются:

− расчетные методы прогнозирования и определения характеристик неопределенности измерений, установленных в Руководстве по выражению неопределенности измерений (Guide to the Expression of Uncertainty in Measurement) с учетом искажений, вызванных взаимодействием ИК ИИС с объектом измерений, помех, влияния окружающей среды, возможной адаптивной рекомбинации структуры ИК, поправок и коррекции текущих результатов;

− методы регламентации и определения характеристик неопределенности, вносимой программами обработки данных.

Согласно  положениям, принятым в Руководстве  по выражению неопределенности измерений, ниже приведены определения для оценок (мер) неопределенности показаний и неопределенности измеряемой величины.

Оценка неопределенности по типу А – метод оценивания неопределенности путем статистического анализа рядов наблюдений. Мерой неопределенности, оцениваемой по типу А, является стандартное отклонение uA.

Оценка неопределенности по типу В – метод оценивании неопределенности иным способом, чем статистический анализ рядов наблюдений. Мерой неопределенности, оцениваемой по типу В, является аналог стандартного отклонения uB.

Стандартная неопределенность – неопределенность результата измерения, выраженная как стандартное отклонение (аналог стандартного отклонения).

Суммарная стандартная неопределенность u – стандартная неопределенность измеряемой величины (мера неопределенности измеряемой величины), когда результат получают путем расчета из значений ряда других измеренных величин.

Если  неопределенность обусловлена действием  известного эффекта влияющей величины на результат измерения, то эффект называют систематическим эффектом. При оценке неопределенности по типу В считается, что в результат измерения внесены поправки на все известные значимые систематические эффекты.

3.2. Принципы  и особенности нормирования МХ МХ отражает свойства СИ (ИК), оказывающие определяющее влияние на результат и точность измерений.

Нормирование  МХ – это установление комплекса  МХ и способов их представления.

Общие принципы нормирования, применяемые к ИИС:

- возможность  сравнения и выбора СИ,

- возможность  определения неопределенности измеряемой  величины с учетом нормируемых МХ практически реализуемыми методами,

- возможность  определения оценки (мер) неопределенност результатов измерений, проводимые с помощью данного СИ.

Комплекс  МХ должен включать в себя МХ инвариантные к условиям применения и режиму работы.

Способы представления МХ должны обеспечивать простоту их контроля.

Особенности ИИС обуславливают специфику  регламентации их метрологических свойств, следует учитывать:

- особенности  выпуска и комплектования систем;

-условия их эксплуатации с учетом пространственной распределенности компонентов системы;

- использование  в составе систем сложных вычислительных  устройств.

Рассмотрим  подробнее это влияние.

1.Если  ИИС выпускается и комплектуется  как единое целое, то в НД

устанавливаются МХ ИК в целом, а также методы их контроля. Если ИИС строится по агрегатному принципу, то тогда регламентируются расчетные МХ и методы расчета МХ ИК систем по МХ входящих в их состав компонентов, либо нормируют индивидуальные характеристики ИК систем и методы их экспериментального определения.

2.Если  все компоненты ИИС находятся  в одинаковых внешних условиях, то функции влияющих величин (ВВ) и дополнительные составляющие неопределенности, возникающие под их воздействием, нормируются как для обычных СИ. Если в различных – нормирование и определение ВВ - исключительно сложная задача, для решения которой прибегают к планированию эксперимента. Если функция влияния одной ВВ на МХ зависит от других ВВ - необходимо нормировать и определять многомерные функции влияния и проводить многофакторный эксперимент.

3.Если  используются аналоговые вычислительные  устройства, то их рассматривают как обычный измерительный компонент системы и соответствующим образом нормируют его МХ. Если используют сложные вычислительные устройства (включая ЭВМ), то возникает задача регламентации МХ алгоритмов вычислений. Основной структурной единицей ИИС является ИК (последовательная цепь измерительных компонентов , соединенная каналами связи).

Началом ИК является либо вход системы, либо выход промежуточного устройства, от которого расходятся несколько таких последовательных цепей, концом ИК является выход системы, либо вход системы разветвления.

Таким образом, чтобы достаточно полно описать  метрологические свойства системы, необходимо нормировать МХ:

- ИК системы;

- измерительных  компонентов системы;

- аналоговых  вычислительных компонентов;

- алгоритмов  вычисления, реализуемых цифровыми  вычислительными компонентами.

3.3 Метрологические характеристики

Рассмотрим  две группы МХ: типовые и индивидуальные.

Типовые МХ нормируются в НД на типы ИИС (могут  определяться и расчетным путем по МХ компонентов ИК).

Индивидуальные  МХ характеризуют свойства конкретных ИК и определяются экспериментально или расчетным путем по найденным экспериментально МХ компонентов.

К типовым  МХ относятся:

1.Номинальная  функция преобразования ИК, заканчивающегося измерительным преобразователем (либо прибором), шкала которого градуирована не в единицах входного сигнала ИК системы – fsa(x)

2.Цена  деления равномерной шкалы, минимальная  цена деления неравномерной шкалы ИК, заканчивающегося измерительным (показывающим или регистрирующим) прибором.

3.Вид  выходного кода, число разрядов  кода, номинальная цена единицы наименьшего разряда кода – для ИК с выдачей результата в цифровом коде.

4.Показатели  точности и правильности показаний  ИК, полученных в результате измерения:

a) характеристики неопределенности показаний ИК, обусловленной действием систематических эффектов (ΔS) из числа следующих:

− допустимое отклонение (ΔSP) функции преобразования ИК от номинальной, обусловленное действием систематических эффектов; номинальное значение поправки θИК к показанию на выходе ИК M(ΔS) и стандартное отклонение σ (ΔS), являющееся мерой неопределенности поправки.

В качестве ИК может быть принята оценка математического ожидания M(ΔS), полученная на этапе предварительных исследований по определению типовой поправки (нормирование M(ΔS) и σ(ΔS) целесообразно при условии, что они незначительно меняются во времени).

б) характеристики неопределенности показаний ИК, обусловленной действием случайных эффектов

- предел  допускаемых значений стандартного отклонения, являющегося мерой неопределенности показаний ИК, оцениваемой по типу А;

- нормированная автокорреляционная  функция  или спектральная плотность

- пределы  допустимых отклонений от их  регламентированных значений.

в) характеристики неопределенности показаний Δ ИК:

- предел  допускаемого отклонения ΔP функции  преобразования ИК от номинальной;

- мера  неопределенности показаний ИК σ (Δ), оцениваемая по типу А.

Нормирование σ (Δ) производится в том случае, если

,

где q max - устанавливается в НД на конкретные виды систем.

г) предел допускаемого значения вариации ИК-H P .

5. характеристики, позволяющие учесть возможное  влияние на неопределенность показаний взаимодействия ИК с объектом измерений и с подключенными к его выходу устройствами.

6. Динамические  характеристики (ДХ):

- полная  ДХ - переходная характеристики  . Полные ДХ нормируют для ИК , которые могут считаться линейными;

- импульсная  переходная характеристика  ;

- амплитудно-частотная Aa(ω) и фазочастотная φ (ω) характеристики;

- время  реакции τra ИК - характеристика, определяющая  длительность установления выходного сигнала в заданные (значения) пределы при скачкообразном изменении входного сигнала. Нормируется для ИК, включающих как аналоговые, так и аналого-цифровые компоненты.

7. Чувствительность  ИК системы к влияющим величинам:

а) функции  влияния ψa(ξ) (в виде предельного  значения, либо с указанием допускаемых отклонений от регламентируемых значений);

б) наибольшие допускаемые изменения εp(ξ) МХ, вызванные отклонением ВВ от нормальных условий.

8. МХ, отражающие влияние канала на канал.

9. Параметры  линий связи.

Если  изготовитель не комплектует ИИС  линиями связи, то в НД указываются параметры линии связи, обеспечивающие нормируемые МХ ИК.

Нормирование  характеристик неопределенности показаний  для рабочих условий производится, если наибольшие отклонения МХ под воздействием ВВ не превышают заданного значения, оговоренного в НД. В НД на конкретные виды систем нормируют комплексы МХ, достаточные для учета свойств систем при оценке их точности.

Индивидуальными характеристиками являются:

1. Индивидуальная  функция преобразования ИК системы  fc(x), заканчивающегося на выходе измерительным преобразователем, шкала которого градуирована в единицах, отличающихся от единиц входного сигнала канала.

2. Характеристики  неопределенности показаний конкретного  экземпляра ИК системы:

а) характеристики неопределенности показаний ИК ΔSC обусловленной действием систематических эффектов:

- верхняя  ΔSИC и нижняя ΔSLC границы отклонений функции преобразования ИК от номинального значения после введения поправок на все значимые систематические эффекты;

- вероятность  PΔsc или нижняя граница ее допускаемых  значений, с которой отклонение функции преобразования ИК от номинального значения находится в интервале, ограниченном ΔSИC и ΔSLC;

б) характеристики неопределенности показаний σ (Δc) ИК систем, обусловленной действием случайных эффектов:

- стандартное  отклонение , являющееся мерой неопределенности показаний ИК, оцениваемой по типу А;

- стандартное  отклонение и нормированная автокорреляционная функция или спектральная плотность ;

            в) характеристики неопределенности показаний ИК ΔС : верхняя ΔИС и ΔLC нижняя границы интервала возможных отклонений функции преобразовании ИК от номинального значения и вероятность PΔ c или нижняя граница PΔLC ее допускаемых значений, с которой отклонение находится в указанном интервале.

            При этом характеристики нормируют только для ИК систем, в которых неопределенность показаний, оцениваемая по пункту б) значительно меньше неопределенности показаний, оцениваемой по пункту а).г) вариация HC ИК системы.

             3. Характеристики, учитывающие влияние взаимодействия ИК с объектом измерений и с подключенным к его выходу устройством.

             4. Индивидуальные динамические характеристики ИК:

              а) полная динамическая характеристика: переходная характеристика hc(t), импульсная переходная характеристика gc(t), амплитудно-частотная Ac (ω) и фазочастотная ψc(ω);

             б) время реакции τrc ИК.

             5.Характеристики чувствительности ИК и ВВ:

            а) функции влияния ψ(ξ) ;

            б) функции влияния ИК системы на ИК, метрологические характеристики которого определяются.

 3.4.Экспериментальное определение метрологических характеристик

Проблема  экспериментальных исследований метрологических  свойств ИИС важна на стадиях их разработки, изготовления и эксплуатации.

Наибольшие  трудности возникают при испытании  макетов, когда

априорная информация минимальна, и нужно принимать  решение о методах и средствах испытаний и номенклатуры МХ (также при эксплуатации систем, когда доступ к ним затруднен).

Специфические особенности экспериментальных  исследований:

-   взаимное влияние каналов;

- пространственная распределенность ИК (если в различных условиях);

- невозможность  активно воздействовать на входы  ИК (из-за конструктивных ограничений их и трудностей формирования испытательных сигналов неэлектрической природы).