Электрические измерения, классификация средств измерений

Измерение — нахождение значений физических величин опытным путем с помощью специальных средств, называемых средствами измерений, и выражение этих значений в принятых единицах^[1].

Физическая величина — одно из свойств физического объекта (физической системы, явления или процесса), общее в качественном отношении для многих объектов, но различное в количественном отношении для каждого из физических объектов.

Примерами физический величин могут служить ток, напряжение, геометрические размеры (длина, ширина, высота) и т. п.

Размер физической величины — объективно существующая количественная определенность физической величины.

Значение физической величины — выражение размера величины в принятых для нее единицах измерений. Примеры: 1Л, 5 В, 10 м и т. д.

Понятие «измерение» характеризуется, во-первых, опытным характером определения результата измерений. Необходим эксперимент. Расчетным путем, несмотря на применяемую мощность вычислительных средств, поручить результат измерений нельзя. Для обработки результатов измерений широко используются математические методы и средства. Во-вторых, наличием специальных средств, называемых средствами измерений (СИ), отличительной особенностью которых от других технических средств является явная или неявная процедура сравнения с мерой (физический аналог единицы измерений), наличие специальных свойств, называемых метрологическими характеристиками, позволяющими определить значение физических величин и обеспечить требуемую точность получения результатов измерений. В-третьих, наличием специальных методов и способов получения значений физических величин (логически вытекает из введенного понятия «нахождение физических величин»). В четвертых, наличием единиц измерения или в целом системы единиц. Размер единиц измерений может быть разным. Так, до 1881 г. имелось 15 единиц измерения сопротивления, 8 единиц измерения тока и т. д. Это не обеспечивало единства измерений, позволяющего иметь сопоставимые результаты, полученные в разных странах (лабораториях) и в разное время. Для обеспечения единства измерений необходима единая международная система единиц.

В 1881 г. в Париже был созван первый конгресс по электричеству, поставивший задачу создания единой системы единиц. Сейчас принята Международная система единиц СИ. Однако нельзя сказать, что в целом единая система приживается без проблем. Например, сегодня мы измеряем давление в миллиметрах ртутного столба (760 мм рт. ст.), но не в паскалях (Па); для измерения размеров, в частности размеров электронных трубок, используем дюймы, но не метры; милю пересчитываем в метрах (одна миля равна 1852 м), но не в километрах.

Существует некоторый оператор, реализованный в техническом средстве, однозначно связывающий выходной сигнал данного средства со значением измеряемой величины. При этом определена точность технического воспроизведения этого оператора (функции) и ряд свойств средства измерений (необходимых для получения результатов измерений) путем установления его метрологических характеристик.

Метрологические характеристики выделены в особую группу характеристик средств измерений. Они позволяют определять результаты измерений и оценивать погрешности измерений, т. е. отражают свойства технического средства как средства измерений. К метрологическим характеристикам относятся пределы измерений, класс точности, рабочая полоса частот и т. п. К другим, не метрологическим, относятся такие характеристики, как весогабаритные, потребляемая мощность от источника питания, размеры и цвет экрана электронного осциллографа и др. Они также важны, однако при оценке результатов измерений не являются определяющими.

В своей структуре средства измерений в общем случае содержат измерительные модули и вспомогательные устройства, которые в совокупности образуют измерительную цепь, осуществляющую необходимые преобразования сигналов измерительной информации.

Сегодня существует множество средств измерений. Упорядочение большого количества средств измерений проводится на основании различных классификационных признаков. Классификация средств измерений позволяет ориентироваться в их многообразии с целью определения назначения этих средств, выявления их свойств и основных областей возможного применения.

По роли, выполняемой в системе обеспечения единства измерений, выделяют метрологические средства измерений и рабочие средства измерений.

Метрологические средства измерений предназначены для метрологических целей: воспроизведения физических величин заданного размера, хранения и передачи их рабочим средствам. Примерами таких средств являются эталоны, образцовые приборы, поверочные установки. Метрологические средства относительно малочисленны и ими, в основном, занимаются в соответствующих научно-исследовательских институтах.

Рабочие средства измерений широко используются в научных экспериментах и технических испытаниях, не связанных с метрологическими задачами, они составляют основной парк средств измерений.

В зависимости от функционального назначения рабочие средства измерений подразделяют на следующие виды (укрупненная классификация): меры, измерительные приборы, измерительные преобразователи, измерительные установки, измерительные системы.

Меры — это средства измерений, предназначенные для воспроизведения физических величин заданного размера. Мерами являются образцовые катушки сопротивлений, образцовые катушки взаимной индуктивности (так называемые однозначные меры) или магазины сопротивлений, магазины емкостей (многозначные меры).

Измерительные приборы — это средства измерений, предназначенные для выработки сигналов измерительной информации (показаний) в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем. Измерительные приборы являются распространенным видом средств измерений и поэтому имеют свою довольно разветвленную классификационную структуру. Так, по виду измеряемой величины измерительные приборы бывают амперметрами, вольтметрами, частотомерами и т. п.; по виду выходного сигнала — аналоговыми и цифровыми; по форме представления выходного сигнала — показывающие и регистрирующие; по конструктивным признакам — стационарные и переносные. Здесь мы не будем рассматривать все квалификационные признаки — важно подчеркнуть, что измерительные приборы имеют довольно сложное «квалификационное дерево».

Измерительные преобразователи — средства измерений, вырабатывающие си пиалы измерительной информации, предназначенные для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и хранения, но не поддающиеся непосредственному восприятию наблюдателя, например измерительные усилители, дискретные делители напряжения, платиновые термометры сопротивлений и т. д. Это достаточно распространенный вид средств измерений. Принято все измерительные преобразователи подразделять на два больших подвида — измерительные преобразователи электрических величин в электрические (измерительный усилитель) и измерительные преобразователи неэлектрических величии в электрические (платиновый термометр сопротивлений).

Измерительные установки — это совокупность функционально и конструктивно объединенных средств измерений и вспомогательных устройств, предназначенная для рационального проведения измерений при их узком целевом назначении. Типовым примером таких средств могут служить поверочные установки. На таких установках проводится технологический цикл поверки какого-либо типа (или типов) приборов при их массовом производстве. Поскольку процедура поверки и необходимые средства для ее проведения заранее предписаны, то при данной узкой задаче применение установки существенно повысит эффективность проведения указанного технологического цикла.

Измерительные информационные системы представляют собой совокупность средств измерений и вспомогательных устройств, соединенных между собой каналами связи; они предназначены для автоматического получения измерительной информации от ряда источников, а также для передачи, обработки и представления информации в той или иной форме. Такие системы применяются, например, на крупных электростанциях, на борту самолетов и кораблей и на других сложных объектах, где требуется измерение большого количеств параметров, регистрация этих параметров и представление их в удобной для операторов форме.

ИнИС предназначены для обслуживания некоторой совокупности ситуаций. Функционирование ИнИС предполагает метрологический синтез оптимальной измерительной процедуры, определяемой возможностями входящего в его состав измерительного ресурса. Метрологический синтез предполагает выполнение метрологического анализа (МА) возможных вариантов измерительной процедуры. Результатом МА является установление значения принятой за критерий оптимизации характеристики погрешностей результатов измерений. Объектом МА при этом могут быть либо виртуальные (физически не реализованные), либо реальные измерительные цепи. Таким образом, в настоящее время актуальной задачей в области математической метрологии является развитие теории с обеспечением требуемой достоверности результатов МА.

Проектирование и функционирование современных измерительных средств, в том числе и ИнИС, невозможно без применения и внедрения новейших информационно-измерительных технологий. Информационная технология измерений определяется как технология реализации измерительного процесса, включая концепцию измерений, идентификацию измерительной ситуации в виде формализованных составляющих: априорной информации, метрологических требований, ограничений, определяющих в своей совокупности условия измерений, а также формирование моделей объектов измерений и влияющих факторов, методику организации и оптимизации измерительного эксперимента в рамках конкретных измерительных ситуаций, характеристик и технологических ограничений конкретных ИнИС с целью сбора, передачи, преобразования, хранения и интерпретации измерительной информации о свойствах объекта измерения^[2].

Попытки организации знаний об измерениях и средствах измерений в целостную систему имеют более чем сорокалетнюю историю. Известна работа Дрейпера, Маккея и Лиса, в которой была сделана попытка создания всеобъемлющих основ приборостроения на базе концепций следящих систем авиационно-космической техники^[3]. В ней утверждается, что теория измерений должна быть нацелена не на описание и анализ измерительных процессов и систем, а на их проектирование. Отличительной чертой проектирования измерительных процессов и систем в данной работе назван тот факт, что на стадиях проектирования используются принятые в прикладной механике физические реализации требуемых функций. Обработку воспринимаемой сенсорами информации в современных средствах измерений осуществляют вычислительные подсистемы, обладающие высокой производительностью обработки данных и знаний, благодаря чему и могут быть охарактеризованы термином «интеллектуальные». Развитие вопросов интеллектуализации знаний для проектирования ИнИС получило в работах Э. И. Цветкова и А. Э. Фридмана^[4].

Организация технических знаний об измерениях и средствах измерений предполагает системный подход к проектированию измерительных процессов и систем. Необходимо, чтобы знания о принципах работы приборов и измерительных систем были систематизированы, классифицированы и организованы подходящим для хранения и использования образом. Формализацию измерительных знаний удобно производить с помощью аппарата баз данных, баз знаний Предполагается, ч то имеется три подхода, принятых для классификации технических знаний об измерениях и средствах измерений. В основе первого подхода лежат декомпозиция средств измерений на функциональные компоненты и создание организованных каталогов таких компонентов и принципов их соединения. Второй подход заключается в организации знаний о средствах измерений на основе формализации и структурирования информации об измеряемых величинах. Третий состоит в такой организации знаний, которая ориентирована на имеющиеся в распоряжении пользователя инструментальные средства языков описания знаний.

Таким образом, применение средств вычислительной техники в ходе измерительного эксперимента и, как следствие, компьютеризация измерений предопределяют возможность создания ИнИС, представляющих новое поколение средств измерительной техники. Под ИнИС понимается система, способная выполнять измерения с использованием измерительной цепи, синтезированной на основании базы знаний, описывающей измерительный ресурс и измерительную ситуацию^[5].

Алгоритм работы ИнИС включает в себя следующие этапы:

• — идентификация измерительной ситуации;
• — метрологический анализ измерительной цепи;
• — синтез измерительной цепи;
• — выполнение измерения на основании синтезированной цени.

В настоящее время особое внимание в математической метрологии уделяется вопросам разработки подсистем ИнИС, которые обеспечивают решение задач метрологического анализа и метрологического синтеза измерительных процедур^[6].;

Введение

термина «виртуальные измерительные средства» (ВИС) в информационно-измерительные технологии произошло в 1986 г., когда американская корпорация National Instruments разработала и выпустила на рынок первую версию интегрированной программной оболочки для сбора, анализа и представления измерительной информации LabView 1.0. Под виртуальными измерительными средствами понимаются средства для сбора и анализа измерительной информации, построенные на базе персональных компьютеров, встраиваемых в компьютер многофункциональных и многоканальных аналого-цифровых плат, внешних программно-управляемых модулей предварительной обработки сигналов и интегрированных программных оболочек, позволяющих управлять алгоритмами сбора, компьютерной обработки и визуального представления результатов. Применение ВИС для ИнИС характеризуется тем, что они способны проводить аппаратурную реконфигурацию и изменять алгоритмы сбора, обработки и представления измерительной информации в процессе настройки на объект измерений и в процессе самой измерительной процедуры с целью рационального использования имеющихся ресурсов и получения требуемого метрологического качества результатов измерений. В этом случае для ИнИС уже невозможно применять традиционные методы нормирования их метрологических характеристик и предварительно рассчитывать характеристики погрешностей результатов измерений, так как ни структура измерительных цепей, ни алгоритмы обработки измерительной информации не являются известными заранее. В то же время оценка точности результатов измерений является фундаментальным требованием законодательной метрологии, и любой результат измерений должен сопровождаться оценкой характеристик его погрешностей. В связи с этим вводится принцип метрологического автосопровождения результатов измерений, полученных с помощью ИнИС^[7]. Метрологическое сопровождение, используя совокупность принципов, методов, аппаратных и программных средств, обеспечивает определение характеристик погрешностей результатов измерений ИнИС, получаемых с помощью синтезированных измерительных цепей в конкретных ситуациях с применением содержащихся в базе измерительных знаний математических моделей объектов, условий и средств измерений и алгоритмического обеспечения метрологического анализа, а также необходимой дополнительной информации, поступающей извне или получаемой с помощью вспомогательных измерений.

В ряде работ, посвященных вопросам проведения метрологического анализа с требуемой точностью, вводится термин «достоверность оценивания метрологических характеристик (MX)»^[8]. В настоящий момент ведутся работы по оцениванию достоверности метрологических характеристик виртуальных измерительных цепей (ВИЦ) на основании применения формализованной меры метрологической достоверности^[9]. Под ВИЦ понимаются измерительные цепи, еще физически не реализованные, но метрологические характеристики результатов измерений для которых возможно оценить.

Ядром таких ВИЦ является блок аналого-цифрового преобразования. В качестве методов оценивания достоверности MX результатов измерений предложены следующие: расчетный, с помощью имитационного моделирования (ИМ), с помощью метрологического эксперимента (МЭ), комбинированный.

В тех случаях, когда проводится допусковый контроль параметров крупных объектов, в частности тех же электростанций, такие системы называются системами автоматического контроля. В этих системах для параметров устанавливается некоторый уровень (допуск), превышение которого вызывает соответствующую сигнализацию, регистрацию параметров и представление значений параметров оператору.

Измерительные системы, в которых источники информации достаточно далеко удалены от приемников и для передачи информации используются те или иные линии связи, называются телеизмерительными системами.

Развитие микросхемотехники привело к широкому применению процессорных средств при изготовлении средств измерений. В этом случае применяют названия процессорные, или программируемые средства измерений.

Применение программируемых процессоров позволяет создавать адаптируемые к условиям и задачам эксперимента средства измерений; такие средства измерений называют интеллектуальными.

Условия измерений, влияющие на точность результатов, характеризуют с помощью влияющих величин. В соответствии с установленными для конкретных ситуаций диапазонами значений влияющих величин различают нормальные и рабочие условия применения средств измерений.

Результат измерения выражает конечную цель спланированного и подготовленного измерительного эксперимента и цель обработки данных. Так, результатом простого статического измерения является число, а результатом динамических измерений, например, может быть совокупность измерений в различные моменты времени.

Погрешность результата измерения определяется как отклонение результата от истинного значения измеряемой величины.

• [1] Фридман А. Э. Теория метрологической надежности средств измерений // Фундаментальные проблемы теории точности. СПб.: Наука, 2001; Фридман А. Э. Основы метрологии: современный курс. СПб.: НПО «Профессионал», 2008.
• [2] ISO/IEC/IEEE 42 010. Systems and software engineering — Architecture description. December 2011.
• [3] Дрейпер Ч, Маккей В., Лис С. Измерительные системы. М.: Машгиз, 1960.
• [4] Цветков Э. И. Основы математической метрологии; Фридман А. Э. Теория метрологической надежности средств измерений.
• [5] Брусакова И. А. Роль теории систем и системного анализа в теории инноватики.
• [6] Цветков Э. И. Основы математической метрологии; Брусакова И. А., Цветков Э. И. Достоверность результатов метрологического анализа.
• [7] Романов В. Н., Соболев В. С., Цветков Э. И. Интеллектуальные средства измерений.
• [8] См., наир.: Брусакова И. А, Цветков Э. И. Достоверность результатов метрологическогоанализа.
• [9] Брусакова И. А., Чертовской В. Д. Информационные системы и технологии в экономике.