УДК 57.024.681.518.3:389
МЕТРОЛОГИЧЕСКОЕ АВТОСОПРОВОЖДЕНИЕ В ИНТЕЛЛЕКТУАЛЬНЫХ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМАХ*
В. Соболев (Россия), А. Саченко (Украина), П. Дапонте (Италия), О. Аумала (Финляндия)
Дано определение метрологического автосопровождения (MAC) как подхода, позволяющего реализовать в измерительных системах автомати ческую оценку погрешностей получаемых результатов измерений. Пре дставлена иерархия процедур MAC, и рассмотрены мето ды их реализации. Рассмотрена общая функ циональная структура, информационные связи и алгоритм работы подсистемы MAC в интеллектуал ьной измерительной системе.
ВВЕДЕНИЕ
Последнее десятилетие характеризуется существенным прогрессом в области аппаратно го и программного обеспечения интеллектуальных средств измерений и интеллектуальных измерительных систем (ИнИС), а также в области измерительных технологий, основанных на применении так называемых виртуальных средств измерений (ВИС).
В содержательном смысле ИнИС можно определить как средство измерительной техники, обладающее определенной аппаратурной и программной избыточностью, воспринимающее и использующее априорную и текущую информацию, принимающее решения, определяющие собственное поведение (измерительную процедуру), способное автоматически проводить свою аппаратную реконфигурацию и изменять алгоритмы сбора и обработки измерительной информации с целью рационального использования имеющихся ресурсов и получения требуемого метрологического качества результатов измерений [1—5].
Анализ современного состояния программного и аппаратного обеспечения измерительных систем показал, что основной технологической базой для разработки ИнИС являются ВИС, под которыми понимаются средства измерений, построенные на базе персональных компьютеров, встраиваемых в компьютер многофункциональных и многоканальных аналого-цифровых плат ввода-вывода измерительной информации, внешних программно управляемых модулей предварительной обработки сигналов, а также специализированных программных оболочек для сбора, обработки и визуального представления информации [6—10].
Характер функционирования ИнИС требует автоматизации всего цикла их работы, включая автоматизацию метрологической диагностики и определение характеристик погрешностей результатов измерений, получаемых с помощью синтезируемых измерительных цепей. Указанные характеристики погрешностей, с одной стороны, могут использоваться при выборе измерительных процедур, удовлетворяющих заданным критериям качества, а, с другой, характеризуют точность результатов измерений, полученных при реализации конкретной выбранной измерительной процедуры.
В условиях работы ИнИС, когда ни структура измерительных каналов, ни алгоритмы обработки изме-
* Работа доложена на международной конференции "International Workshop on Intelligent Data Acqusition and Advanced Computing Systems: Technology and Applications". Foros, Ukraine. 1-4 July, 2001.
рительной информации не являются заранее однозначно определенными, решение проблемы автоматического определения характеристик погрешностей, получаемых результатов измерений может быть достигнуто путем введения в состав ИнИС подсистемы метрологического автосопровождения.
Под MAC понимается совокупность принципов, методов, аппаратных и программных средств, обеспечивающих автоматическое определение характеристик погрешностей результатов измерений, получаемых ИнИС в конкретных измерительных ситуациях, определяемых реализованной структурой измерительных каналов, алгоритмами сбора и обработки измерительной информации, характеристиками входных воздействий и внешних влияющих величин и другими факторами [1, 3, 4, 11-15].
Для MAC используются "измерительные знания": математические модели объектов, входных измерительных сигналов и средств измерений; формализованные спецификации измерительных модулей, входящих в систему; алгоритмическое обеспечение метрологического анализа; необходимая дополнительная информация, поступающая извне или получаемая с помощью вспомогательных измерений, например, характеристики внешних влияющих величин.
Высокий уровень интеллекта современных измерительных систем требует соответствующего интеллектуального уровня их метрологического обеспечения как на этапе их компоновки и метрологической аттестации, так и во время эксплуатации. Эффективность применения и потребительские качества ИнИC существенно зависят от их возможностей автоматического расчета в реальном времени и представления пользователю характеристик погрешностей получаемых результатов измерений.
1. ИЕРАРХИЯ И ФУНКЦИИ ПРОЦЕДУР ПОДСИСТЕМЫ МАС
Mожно показать, что в общем случае иерархия реализуемых подсистемой MAC процедур должна включать в себя три уровня процедур [12] (табл. 1).
Процедуры MAC-1 обычно базируются на нормированных метрологических характеристиках (MX) измерительных модулей и руководствах (методиках) по расчету характеристик погрешностей, обеспечиваемых производителем. Они позволяют получить оценку индивидуальной погрешности модуля в зависимости от значения (характеристик) входного сигнала и внешних влияющих величин в реальных условиях эксплуатации. Упомянутые руководства (методики) по расчету погрешностей обычно предоставляются в письменной
Таблица 1
Иерархия процедур MAC
Обозначение Функция процедуры Входные данные Выходные результаты
МАС-1 Оценка характеристик погрешностей отдельных измерительных модулей в реальных условиях эксплуатации Спецификации модулей (МХ модулей), реальные условия эксплуатации, свойства входных сигналов Характеристики погрешностей отдельных модулей в реальных условиях эксплуатации
МАС-2 Определение характеристик погрешностей результатов промежуточных измерений на выходах измерительных каналов (ИК) Структура ИК, характеристики погрешностей модулей, функции преобразования и режимы работы модулей, составляющих ИК Характеристики погрешностей результатов промежуточных измерений на выходах ИК
МАС-3 Определение характеристик погрешности окончательного результата измерения с учетом алгоритмов числовой обработки данных Характеристики погрешностей ИК, структура многоканальной процедуры измерения, алгоритм многомерной числовой обработки данных Характеристики погрешности окончательного результата измерения
форме, и требуют некоторой дополнительной работы по их программированию для автоматического выполнения в рамках подсистемы МАС.
Достаточно часто, особенно это характерно для западных производителей, предоставляемые спецификации измерительных модулей вообще не снабжаются руководствами по расчету погрешностей, что существенно усложняет работу разработчика системы и метролога. Для реального внедрения МАС в измерительную практику было бы желательно, чтобы указанные руководства по расчету погрешностей были запрограммированы в вид е процедур МАС-1, содержащих исходные данные (МХ модуля) и процедуры расчета погрешностей, и поставлялись бы вместе с приборами и измерительными модулями точно так же, как поставляются драйверы приборов и устройств.
Заметим, что в данном контексте под измерительным модулем, являющимся объектом приложения процедур МАС-1, следует понимать л юбой функционально законченный измерительный компонент, МХ которого известны. Так, например, если для ИнИС нормированы МХ измерительных каналов в целом, то объектом приложения процедур МАС-1, очевидно, должны быть непосредственно ИК.
Процедуры МАС-2 предназначены для оценки характеристик погрешностей промежуточных результатов измерений на выходах ИК, не содержащих многовхо-довых или инерционных процедур числовой обработки измерительной информации. Обычно процедуры МАС-2 основаны на свертках функций преобразования модулей, которые позволяют выразить в конечном виде результирующую по грешность ИК и ее характеристики. Базовые расчетные соотношения для этих процедур [12] рассматриваются в п. 2 настоящей публикации. Отметим, что любой ИК может включать в себя как аппаратные, так и программные модули. При этом объектом приложения процедур МАС-2 являются каналы, или их части, в которых происходит только одномерная безынерционная обработка измерительной информации, т. е. модули ИК имеют один вход и один выход в фиксированном состоянии (в частности, мультиплексор удовлетворяет этому условию). В случае наличия в составе ИК многовходовых или инерционных процедур числовой обработки измерительной информации (типа цифровых фильтров) эта часть ИК становится объектом приложения процедур МАС-3.
Процедуры МАС-3 предназначены для оценки характеристик погрешности окончательного результата измерений с учетом многомерной числовой обработки промежуточных результатов измерений, получаемых на выходах ИК. Исходная информация для этих процедур содержит: значения результатов промежуточных измерений; характеристики их погрешностей, поставляемые процедурами МАС-2; спецификацию алгоритма сбора и обработки данных. На этом этапе могут применяться различные методы оценки характеристик погрешностей результатов косвенных измерений, которые также рассмотрены в п. 2 настоящей публикации.
Более подробная структура подсистемы МАС и взаимодействие ее компонентов при программной реализации в ИнИС [12] рассматриваются в п. 3.
При реализации принципов МАС мы сталкиваемся с новым для метрологической практики объектом. Программы для автоматического расчета погрешностей результатов измерений, основанные на определенных моделях, методах и процедурах, вместе со структурами данных по МХ модулей ИнИС, можно рассматривать как некоторые обобщенные метрологические характеристики ИнИС. Они содержат информацию о традиционных МХ средств измерений и знания, необходимые для использования этих традиционных характеристик (алгоритмы расчета характеристик погрешностей). С этой точки зрения МАС может рассматриваться как новый современный принцип регламентации метрологических характеристик ИнИС [4, 12].
2. МЕТОДЫ ОЦЕНКИ ПОГРЕШНОСТЕЙ, ПРИМЕНЯЕМЫЕ В ПОДСИСТЕМЕ MAC
Процедуры МАС-1 для каждого типа компонентов имеют свою специфику, должны разрабатываться производителями этих компонентов и поэтому здесь не рассматриваются.
Достаточно просто могут быть получены базовые расче
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.