Forbidden

You don't have permission to access /zzz_siteguard.php on this server.

СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ И НЕЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН - Патент РФ 2193211
Главная страница  |  Описание сайта  |  Контакты
СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ И НЕЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН
СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ И НЕЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ И НЕЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

Патент Российской Федерации
Суть изобретения: Изобретение относится к области измерительной техники с преимущественным использованием для сложных средств измерений с встроенными устройствами калибровки, автоматики и вычислительной техники. Способ измерения электрических и неэлектрических величин основан на периодическом определении параметров реальной функции преобразования средства измерений, преобразовании измеряемой физической величины в выходной сигнал средства измерений, оценке результатов измерений в узаконенных единицах измерения на основе зафиксированных ранее параметров реальной функции преобразования и заключается в экспериментальном определении порога чувствительности средства измерений в диапазоне его измерений, выполнении преобразований сигнала измеряемой физической величины последовательно внутри, а операций определения порога чувствительности и параметров реальной функции преобразования средства измерения - на границах временного интервала T1, длительность которого устанавливают из условия пренебрежимой малости влияния в течение этого временного интервала систематических (коррелированных) изменений параметров реальной функции преобразования средства измерений на результаты измерений физической величины по сравнению с погрешностью порога чувствительности средства измерений. Техническим результатом заявленного способа измерений является улучшение условий оценки, нормирования и контроля инструментальной погрешности измерений физической величины, которая не содержит систематической составляющей, но включает погрешность порога чувствительности как основную составляющую, отражающую изменение метрологических свойств средства измерения в процессе его эксплуатации. 6 з.п. ф-лы, 4 ил.
Поиск по сайту

1. С помощью поисковых систем

   С помощью Google:    

2. Экспресс-поиск по номеру патента


введите номер патента (7 цифр)

3. По номеру патента и году публикации

2000000 ... 2099999   (1994-1997 гг.)

2100000 ... 2199999   (1997-2003 гг.)
Номер патента: 2193211
Класс(ы) патента: G01R19/00
Номер заявки: 97109591/09
Дата подачи заявки: 05.06.1997
Дата публикации: 20.11.2002
Заявитель(и): Ракушин Александр Степанович
Автор(ы): Ракушин А.С.
Патентообладатель(и): Ракушин Александр Степанович
Описание изобретения: 1. ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ
Изобретение относится к области измерительной техники и преимущественно может быть использовано при выполнении технических измерений сложными средствами измерений: измерительными каналами измерительно-информационных систем, измерительными устройствами с встроенными средствами калибровки, автоматики и вычислительной техники.
2. УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Известен способ измерения электрических и неэлектрических величин, основанный на выполнении (n+1) тактов измерения. В первом такте измеряют входную величину x. Затем измеряемую величину отключают и в последующих тактах к входу измерительного устройства последовательно подключают меры L1, L2, . . . , Ln, результаты измерения которых совместно с результатом первого тактового измерения образуют систему уравнений

Система уравнений решается с помощью вычислительного устройства относительно измеряемой величины x (Бромберг Э.М., Куликовский К.Л. "Тестовые методы повышения точности измерений", М. Энергия, 1978, раздел 1-3, рис. 1-5).
Указанный способ измерения направлен на повышение точности измерений путем исключения коррелированной составляющей погрешности измерений. Он включает в себя признак - определение параметров реальной функции преобразования средства измерения. Этo выражается в последовательном подключении образцовых мер и определении по результатам их измерений неизвестных величин, входящих в систему уравнений (1). Длительность временного интервала, в течение которого достигается исключение коррелированных составляющих погрешности, ограничена суммарной длительностью выполнения всех тактовых измерений. Выполнение последовательных преобразований измеряемой величины с известной точностью, без определения параметров реальной функции преобразования средства измерения, вне указанного временного интервала не определено. Порог чувствительности средства измерений не определяется. Это означает, что исключаемое значение коррелированной (систематической) погрешности имеет предел своего изменения, при котором отличие реальной функции преобразования средства измерения от ее номинальной функции не приводит к существенному изменению порога чувствительности средства измерения. Существенность изменения определяется, во-первых, по сравнению с величиной систематической погрешности, во-вторых, значением методической погрешности квантования входного сигнала, которая вызывается погрешностью порога чувствительности реальной функции преобразования средства измерения. Эта методическая погрешность может приводить к неточному определению параметров реальной функции преобразования средства измерения и результатов измерений, полученных при решении соответствующей системы уравнений. Таким образом, совокупность операций способа не обеспечивает таких условий, при которых могут быть исключены нормирование, оценка и контроль систематической составляющей погрешности измерений. Этот вывод распространяется на свойства средства измерения как внутри временного интервала, определяемого суммарной длительностью тактовых измерений, так и вне этого интервала.
Известен способ измерения электрических и неэлектрических величин, который основан на выполнении (n) тактов. В первом такте, основном, преобразуется измеряемая величина, а в других тактах, дополнительных, - специальные тесты, каждый из которых является некоторой функцией измеряемой величины. Затем по результатам измерения тестов определяют параметры реальной функции преобразования измерительного устройства и на их основе находят значение измеряемой величины (Бромберг Э.М., Куликовский К.Л. "Тестовые методы повышения точности измерений", М. Энергия, 1978, вводная часть главы 2).
Технический результат, получаемый при реализации способа, связан с повышением точности измерений за счет исключения коррелированной составляющей погрешности.
Недостатки указанного способа измерения, также как и предыдущего аналога, заключаются в следующем:
- не определяется порог чувствительности средства измерения и не учитывается методическая погрешность, связанная с его существованием при значительных отличиях параметров реальной и номинальной функций преобразования средства измерения. Это предопределяет необходимость нормирования номинальной функции преобразования средства измерения и допускаемого значения систематической (коррелированной) погрешности измерений. Оценка, нормирование и контроль этой погрешности характеризуются значительной сложностью;
- оценка порога чувствительности расчетным путем, по известным параметрам реальной функции преобразования средства измерения, включает в себя методическую погрешность, вызванную существованием погрешности порога чувствительности при измерении тестовых сигналов;
- длительность измерений с заявленным техническим результатом определяется суммарной длительностью выполнения всех его последовательных тактов; последовательные преобразования измеряемой физической величины вне этого временного интервала не предусмотрены и не установлена их погрешность в случае выполнения. Модификации данного способа измерений, известные как тестовые (алгоритмические) методы повышения точности измерений, включают меры, направленные на уменьшение количества тактовых измерений и соответствующее уменьшение длительности временного интервала измерений;
- случайная составляющая измерений и изменение измеряемой величины отрицательно влияют на реализацию тестовых способов измерений (это отмечается в разделе 5-2 указанного ранее источника информации). Погрешность порога чувствительности вызывает квантование измеряемой величины по уровню, что равносильно изменению измеряемого сигнала в процессе выполнения тактовых измерений случайным образом в пределах уровней квантования. Необходимость обязательного учета этого фактора отмечается в известных источниках информации (например, Вострокнутов Н. Н. Цифровые измерительные устройства. Теория погрешностей, испытания, поверка. - М.: Энергоатомиздат, 1990, с. 117-120).
Известен способ измерения электрических и неэлектрических величин, основанный на измерении исследуемого параметра, затем исследуемого параметра вместе с образцовой мерой, выборе образцовой меры, значение которой находится в области исследуемого параметра, сравнении исследуемого параметра с выбранным значением меры, периодическом подключении к входу измерительного блока источника необразцового сигнала фиксированной величины, начиная с момента совпадения значения меры и исследуемого параметра, измерении исследуемого параметра вместе с необразцовым сигналом, запоминании значения выходного сигнала, соответствующего результатам измерения, и числа подключений источника необразцового сигнала, отключении источника необразцового сигнала. Затем все последующие, после первого, подключения источника необразцового сигнала в процессе выполнения измерения исследуемого параметра выполняют в момент появления выходного сигнала, равного по величине значению ранее запомненных при измерении исследуемого параметра вместе с необразцовым сигналом. Далее к входу измерительного блока подключают меру, запоминают значения выходных сигналов измерительного блока в момент подключения меры и в момент измерения исследуемого параметра вместе с мерой, отключают меру, выражают полученные значения выходных сигналов в размерности единиц фиксированного значения необразцового сигнала, определяют их разность, приравнивают ее известному значению образцовой меры и находят значение необразцового сигнала фиксированной величины в установленных для параметра единицах измерения, а действительные значения исследуемого параметра определяют на основе математического соотношения, исключающего влияние реальных параметров функции преобразования средства измерения на результаты измерений (Патент РФ 1594436. Способ измерения электрических и неэлектрических величин /Ракушин А.С., Каранденков С.Е. Бюл. 35, 1990).
Данный способ направлен на повышение точности измерений. Определенная способом последовательность тактовых измерений меры, исследуемого параметра и сигнала фиксированного значения позволяет определить параметры реальной функции преобразования средства измерения и исключить коррелированную (систематическую) составляющую погрешности измерений. Способ не содержит операции определения порога чувствительности средства измерения. Поэтому область его применения ограничена определенным значением систематической погрешности и определенными значениями параметров номинальной функции преобразования средства измерения, при которых методическая погрешность порога чувствительности не оказывает влияния на результаты измерений. Это предполагает оценку, нормирование и контроль номинальной функции преобразования средства измерения и допускаемого значения систематической погрешности измерений, что, как уже отмечалось, относится к недостаткам аналогичных способов измерения.
В рассматриваемом способе выполняются последовательные преобразования исследуемого параметра между операциями измерения образцовых мер, но недостаток способа в том, что длительность выполнения таких измерений определяется только изменением уровня сигнала исследуемого параметра до момента его совладения с некоторым, ранее запомненным результатом измерения. Такая организация операций измерения не создает условий, при которых метрологические свойства средства измерения благоприятны для эффективной оценки, нормирования и контроля инструментальной погрешности.
В приведенных ранее аналогах достигается только частичное улучшение оценки (исключения) систематической (коррелированной) погрешности измерения физической величины. Это улучшение возможно только при незначительной величине систематической погрешности и при таких значениях параметров номинальной и реальной функций преобразования средства измерения, когда методической погрешностью, связанной с порогом чувствительности, можно пренебречь по сравнению с допускаемой точностью измерений. Связь между техническим результатом и определенным положением номинальной и реальной функций преобразования средства измерения вызывает необходимость традиционного подхода к оценке, нормированию и определению составляющих погрешности измерений, который имеет ряд недостатков.
Известен способ измерения электрических и неэлектрических величин, основанный на периодическом определении "погрешности нуля" и масштабного коэффициента функции преобразования средства измерения, коррекции этих погрешностей, выполнении последовательных преобразований измеряемой величины внутри определенного ("межподстроечного") временного интервала и оценке результатов измерений на основе скорректированной функции преобразования средства измерения (Вострокнутов Н. Н. Цифровые измерительные устройства. Теория погрешностей, испытания, поверка. - М.: Энергоатомиздат, 1990, с. 27, 139-141).
Недостатки способа заключаются в следующем. Операции определения "погрешности нуля" и масштабного коэффициента функции преобразования средства измерения не позволяют получить технический результат, выраженный в функциональных признаках: определение параметров реальной функции преобразования и определение порога чувствительности средства измерения. "Погрешность нуля" характеризует всего один параметр функции преобразования средства измерения, а определение масштабного коэффициента, проводимое с помощью установочной меры, позволяет получить лишь грубую оценку порога чувствительности, осредненную по диапазону измерений, который соответствует значению установочной меры.
Длительность временного интервала (межподстроечного), внутри которого выполнятся последовательные преобразования измеряемой величины, устанавливается исходя из условия, что систематическая погрешность измерений находится в течение этого интервала в пределах допускаемых значений (Вострокнутов Н. Н., там же, с. 140-141). Такая длительность временного интервала не обеспечивает способу измерений положительных свойств, необходимых для улучшения традиционных методов оценки, нормирования и контроля составляющих инструментальной погрешности, включая ее систематическую составляющую.
Наиболее близким по совокупности существенных признаков (прототипом) следует считать способ измерения электрических и неэлектрических величин, основанный на периодическом определении параметров реальной функции преобразования средства измерения встроенными образцовыми средствами, последовательном преобразовании сигнала измеряемой физической величины в выходной сигнал средства измерений и оценке результатов измерений на основе уточненных значений параметров его реальной функции преобразования (Конюхов А.Г. "Метрологическое обеспечение в приборостроении. Аспекты управления". М.: Изд-во стандартов, 1990, с. 97-98, рис. 3.13).
Наличие на входе средства измерений встроенного задатчика образцовых сигналов позволяет выполнять определение параметров реальной функции преобразования средства измерения с необходимой точностью. Эта операция повторяется с заданной периодичностью. После ее выполнения проводятся последовательные преобразования сигнала измеряемой величины. В совокупности этих операций заключается наибольшая близость рассматриваемого способа измерений (прототипа) заявленному техническому решению.
В прототипе выбор длительности временного интервала, соответствующего последовательным преобразованиям измеряемой величины, обусловлен оценкой времени, в течение которого с заданной вероятностью изменение систематической погрешности не превышает пределов ее допускаемых значений. Определение порога чувствительности средства измерений не выполняют в случае традиционного подхода к нормированию номинальной (паспортной) функции преобразования средства измерения и допускаемого отклонения реальных параметров этой функции, погрешность порога чувствительности пренебрежимо мала по сравнению с систематической погрешностью, вызванной отклонением реальных параметров функции преобразования.
В указанном ранее источнике информации (Конюхов А.Г., там же, с. 18-19, 45, 53-54) только указывается на тот факт, что "создание "интеллектуальных" средств измерений, а также те возможности, которые будут реализовываться за счет встраиваемых образцовых мер ... преобразят методы, средства и практику метрологического обеспечения...", однако пути решения этих задач не конкретизируются. В частности, периодичность использования встроенных образцовых средств определяется в прототипе по сути традиционным межповерочным временным интервалом.
Для более подробного анализа недостатков прототипа рассмотрим модель погрешности измерений, соответствующую этому способу, основные трудности в оценке, нормировании и контроле ее составляющих. Детальный анализ этих вопросов приведен в книге М.А.Земельмана "Метрологические основы технических измерений" (М.: Изд-во стандартов, 1991, 228 с.), в ГОСТ 8.009-84 "ГСИ. Нормируемые метрологические характеристики средств измерений" (М.: Изд-во стандартов, 1988), в "Методическом материале по применению ГОСТ 8.009-84" (М.: Изд-во стандартов, 1988). Последующие выводы будут основаны на анализе тех понятий и операций, содержание которых раскрывается в указанных ранее источниках информации.
Модель погрешности измерений, которая обеспечивается совокупностью признаков прототипа, может быть представлена (М.Д.Земельман. "Метрологические основы технических измерений". - М.: Изд-во стандартов, 1991, с. 122) в виде

где Δи - инструментальная погрешность измерений;
Δs(t) - систематическая составляющая погрешности;
- составляющая погрешности, значение которой неслучайным образом (типа дрейфа) изменяется во времени;
- случайная (некоррелированная) составляющая погрешности;
* - символический знак объединения составляющих погрешности.
Примечание. В приведенной формуле (2), в последующих математических выражениях описания, включая формулу изобретения заявленного способа измерений, исключены из рассмотрения следующие составляющие погрешности:
- погрешность, обусловленная неадекватностью модели объекта измерений реальному объекту;
- погрешность, обусловленная изменениями параметров зависимости между измеряемой величиной и вторичной величиной;
- погрешность, обусловленная взаимодействием средства измерений с объектом измерений;
- погрешность, обусловленная конечной пространственной разрешающей способностью средств измерений, если измеряются величины в функции пространственных координат;
- погрешность, обусловленная явлением гистерезиса;
- динамическая погрешность средства измерений.
Совокупность признаков заявленного способа измерений не вносит каких-либо особенностей в оценку, нормирование и контроль перечисленных составляющих погрешности измерений по сравнению с аналогами и прототипом.
Формула (2) может быть также записана в виде, учитывающем чувствительность средства измерений к влияющим величинам:

где Δos(t) - систематическая составляющая основной погрешности;
∑Δcj - сумма дополнительных погрешностей средства измерений.
Составляющую погрешности приходится включать либо в систематическую, либо в случайную составляющую погрешности в зависимости от частотного спектра этой погрешности, длительности измерений и требований к строгости оценок погрешности измерений. Поэтому на практике применяется следующее описание модели погрешности (ГОСТ 8.009-84 "ГСИ. Нормируемые метрологические характеристики средств измерений". - М.: Изд-во стандартов, 1988, с. 16):

Погрешность порога чувствительности в соотношения (2) - (4) не включается по причине ее пренебрежимой малости по сравнению с систематической составляющей погрешности и значениями дополнительных погрешностей, которые возникают на длительных (месяцы) временных интервалах.
Организация способа измерений согласно прототипу и соответствующая ему модель погрешности измерений характеризуются следующими недостатками:
1) оценка инструментальной погрешности измерений значительно осложняется из-за неопределенности характеристик систематической Δos(t) составляющей и погрешности (типа дрейфа) как случайных величин. При оценке этих составляющих погрешности прибегают к различным допущениям, носящим (как отмечается, например, в книге М.А.Земельмана) во многом субъективный характер;
2) нормирование систематической составляющей погрешности возможно только для нормальных условий эксплуатации. Следствием этого является и возможность контроля погрешности только в нормальных условиях. Для таких многоэлементных и многоканальных средств измерений, как измерительно-информационные системы, которые как единое целое возникают только на месте их эксплуатации, нормирование и контроль метрологических характеристик в нормальных условиях носят проблемный характер и предопределяют необходимость их поэлементного метрологического обеспечения. Демонтаж и монтаж отдельных элементов систем характеризуется большим объемом и стоимостью операций, низкой метрологической надежностью, а ряде случаев является технически невозможным;
3) нормирование систематической составляющей погрешности, при прогнозировании ее изменений на длительных временных интервалах, требует значительного объема предварительных испытаний с привлечением образцовых средств измерений;
4) изменение порога чувствительности в сторону его уменьшения (что соответствует увеличению чувствительности средства измерения) приводит к увеличению систематической погрешности измерений, так как и в этом случае реальная функция преобразования отклоняется от жестко зафиксированных значений номинальной функции преобразования средства измерения;
5) невозможно выполнение таких операций, как изменение структуры канала или схемы преобразования измеряемой величины в процессе эксплуатации средства измерения, замена отдельных элементов измерительного канала на однотипные, метрологические характеристики которых не идентичны. В этих случаях требуется специальная метрологическая аттестация средств измерений для уточнения его погрешностей;
6) по этой же причине неосуществимо оперативное управление точностью измерений в процессе эксплуатации средства измерения, за исключением изменения (коррекции) отдельных метрологических характеристик до уровня их нормированных значений (например, устранение "погрешности нуля", восстановление коэффициента преобразования средства измерения до нормированного значения).
3. СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Сущность изобретения заключается в следующем.
Способ измерения электрических и неэлектрических величин основан на периодическом определении параметров реальной функции преобразования средства измерений, преобразовании измеряемой физической величины в выходной сигнал средства измерений, оценке результатов измерений в узаконенных единицах измерения на основе зафиксированных ранее параметров реальной функции преобразования, при этом экспериментально определяют порог чувствительности средства измерений в диапазоне его измерений, преобразование сигнала измеряемой физической величины выполняют последовательно внутри, а определение порога чувствительности и параметров реальной функции преобразования средства измерения выполняют на границах временного интервала Т1, длительность которого устанавливают из условия пренебрежимой малости влияния в течение этого временного интервала систематических (коррелированных) изменений параметров реальной функции преобразования средства измерений на результаты измерений физической величины по сравнению с погрешностью порога чувствительности средства измерений, а инструментальную погрешность измерений физической величины оценивают по формуле
Δiи = Δi1•Δi2•Δi3, (5)
где Δiи - инструментальная погрешность измерений на i-м участке диапазона измерений;
i - порядковый номер линеаризованного участка реальной функции преобразования средства измерений или значения его выходного сигнала;
Δi1 - погрешность порога чувствительности средства измерений на i-м участке его диапазона измерений;
Δi2 - случайная (некоррелированная) погрешность средства измерений на i-м участке его диапазона измерений;
Δi3 - погрешность определения параметров реальной функции преобразования средства измерений на i-м участке диапазона измерений;
* - символический знак объединения погрешностей.
Операции определения порога чувствительности и параметров реальной функции преобразования средства измерения выражены функциональными признаками. Содержание этих признаков определяется техническим результатом функции: определение оценки порога чувствительности, определение оценок параметров реальной функции преобразования средства измерения. Материальное содержание указанных признаков заключается в формировании и изменении образцового (известного) сигнала на входе первичного преобразователя средства измерения с учетом тех особенностей, которые необходимы для экспериментального определения порога чувствительности и параметров реальной функции преобразования при различных степенях ее нелинейности в диапазоне измерений средства измерения.
Математическое выражение (5) содержит указание на то обстоятельство, что чувствительность средства измерения может быть различной для отдельных участков диапазона измерений или, в общем случае, для каждого значения выходного сигнала. Соседние значения выходных сигналов, соответствующие одинаковой чувствительности средства измерения, могут объединяться в так называемые, линеаризованные участки, но определение порога чувствительности и параметров реальной функции преобразования средства измерения выполняется путем измерения образцовых сигналов и их изменений на входе средства измерения таким образом, который позволяет получить необходимые оценки для описания выходного сигнала в виде
уi=kixi, (6)
где уi - выходной сигнал средства измерения, имеющий i-й порядковый номер ( где N - максимальное число значений выходного сигнала, соответствующее диапазону измерений);
ki - значение коэффициента преобразования средства измерения для i-го значения выходного сигнала;
xi - значение входного сигнала, приписанное i-му значению выходного сигнала;
или в виде
yj=aj+bjxj, (7)
где aj, bj - параметры линеаризованного j-го участка реальной функции преобразования средства измерения;
j - порядковый номер линеаризованного участка реальной функции преобразования средства измерения (j=1, M, где M - максимальное число линеаризованных участков функции в диапазоне измерений).
Определение параметров реальной функции преобразования средства измерения в виде, выраженном в соотношении (6) или (7), не имеет существенной разницы для заявленного способа измерений. Далее предположим, что формирование образцовых сигналов на входе средства измерения обеспечивает определение коэффициента преобразования для каждого значения выходного сигнала согласно формуле (6). В этом случае запомненное значение ki позволяет получать результаты измерений физической величины в виде
xi=yi/ki, (8)
где xi - результат измерения сигнала xi измеряемой величины, выраженный в единицах ее измерения и соответствующий i-му значению выходного сигнала.
Формулу (8) можно переписать в виде

где ki3 - оценка коэффициента преобразования средства измерения в момент определения параметров функции преобразования;
ki(t) - реальное значение коэффициента преобразования средства измерения в некоторый момент времени t;
Δk(t) - изменение коэффициента преобразования ki3 средства измерения за время t.
В общем случае, на основе формулы (9), результат измерения физической величины может быть представлен в виде
Xi = xi±Δи(t) (10)
где Δи(t) - инструментальная погрешность средства измерения, обусловленная его чувствительностью к внешним и внутренним влияющим величинам, в некоторый момент времени t после определения параметров реальной функции преобразования средства измерения.
Представление Δи(t) виде определенной математической модели погрешности, хотя и носит субъективный характер, но отражает объективные физические свойства средства измерения. На длительных временных интервалах наиболее адекватное представление составляющих модели погрешности описывается формулами (2) - (4). Исторически сложившаяся практика предполагает принятие мер к увеличению длительности временного интервала, который лежит в основе периодичности оценки реальных параметров функции преобразования или систематической составляющей погрешности средства измерения (случайная составляющая погрешности обычно предполагается неизменной в процессе эксплуатации средства измерения).
Рассмотрим возможность уменьшения указанного временного интервала. Можно предположить, учитывая монотонность изменений параметров средства измерения и влияющих на него величин, что существует такой короткий временной интервал Т1, на границе которого метрологические свойства средства измерения качественно изменяются, а именно при определенной чувствительности средства измерения физически невозможно определить систематическое отклонение параметров реальной функции преобразования с момента их предыдущей оценки.
Это физическое свойство средства измерения описывается моделью погрешности, которая не содержит систематической (коррелированной) составляющей, но включает погрешность порога чувствительности как основную составляющую инструментальной погрешности, отражающую изменение метрологических свойств средства измерения в процессе его эксплуатации. Такая модель погрешности представлена формулой (5). Дальнейшее уменьшение рассматриваемого временного интервала не вносит изменений в метрологические свойства средства измерения и модель его инструментальной погрешности.
Таким образом, выбор длительности временного интервала Т1, введенной в заявленный способ измерений в качестве условия выполнения операций способа, основан на определенных физических свойствах средства измерения, которые проявляются в указанном интервале времени и качественно изменяют состав его метрологических характеристик. Длительность временного интервала Т1 для предлагаемого способа выступает в роли основной метрологической характеристики средства измерения наряду с другими, входящими в состав модели его погрешности (обоснованность допущения о существовании такого временного интервала T1 и возможный порядок его оценки, нормирования и контроля будут рассмотрены в следующем разделе описания изобретения).
Операция "определение порога чувствительности средства измерения" позволяет экспериментально оценивать значение погрешности порога чувствительности на границе временного интервала Т1. Погрешность порога чувствительности вместе с двумя другими составляющими (методы и средства определения которых для данного способа измерений не отличаются от тех, которые применяются для аналогичных способов измерений) полностью характеризуют инструментальную погрешность измерений физической величины на каждом временном интервале 1. Но, в отличие от прототипа, порог чувствительности в заявленном способе измерений может изменяться в широкой области значений, характеризуя тем самым естественные процессы изменения метрологических характеристик средства измерений во времени. Поэтому "определение порога чувствительности" является существенным отличительным признаком.
Технический результат заявленного способа измерений заключается в улучшении условий оценки, нормирования и контроля инструментальной погрешности измерений физической величины. Эти условия создаются совокупностью отличительных признаков способа и заключаются в следующем:
1. Сокращаются объем, сложность и стоимость предварительных испытаний, необходимых для оценки и нормирования инструментальной погрешности:
а) исключается необходимость в проведении сложных, длительных (например, ресурсных) и дорогостоящих испытаний, связанных с определением оценки, характера изменений и нормированием систематической (коррелированной) составляющей инструментальной погрешности;
б) экспериментальное исследование свойств средства измерения ограничено коротким временным интервалом, что упрощает программу испытаний и уменьшает стоимость их проведения;
в) экспериментальное исследование свойств средств измерений при воздействии внешних влияющих величин (температуры, влажности, давления и т.п.) не связано с формированием определенных значений этих величин в диапазоне их возможных изменений (обычно самые сложные и дорогостоящие испытания). Заявленный способ измерений, в отличие от прототипа, не реагирует на постоянное значение влияющей величины, поэтому объем и сложность подобных испытаний определяются анализом рабочих условий эксплуатации средства измерений, выделением тех влияющих величин, уровень воздействия которых может измениться на коротком временном интервале Т1, и исследованием "реакции" средства измерений на максимально возможные скорости изменения влияющих величин в пределах этого временного интервала;
г) в процессе предварительных испытаний одним из основных оцениваемых параметров является время, в течение которого при определенной чувствительности средства измерения неизменны параметры его реальной функции преобразования. Это означает, что при этих испытаниях на входе средства измерений могут задаваться неизвестные, но постоянные значения входных сигналов, а образцовые средства измерений могут не использоваться. О приближенном значении входного сигнала для исследования различных участков диапазона измерений в этом случае можно судить по значению выходного сигнала средства измерений.
2. Повышается точность оценки инструментальной погрешности измерений в результате исключения систематической (коррелированной) составляющей, которая при измерениях согласно прототипу имеет характер псевдослучайной величины и сложные методы определения. Погрешность порога чувствительности оценивается экспериментально для каждого временного интервала обеспечения точности измерений. Методы оценки случайной (некоррелированной) составляющей погрешности и погрешности определения параметров реальной функции преобразования средства измерения, обусловленной погрешностью формирования образцовых сигналов, не отличаются от аналогичных для прототипа.
3. Упрощается контроль инструментальной погрешности измерений и обеспечивается возможность его проведения в реальных условиях эксплуатации средства измерений:
а) контроль длительности временного интервала Т1 связан с измерением времени (самая доступная и простая для измерений величина). Погрешность порога чувствительности контролируется экспериментально в начале каждого временного интервала Т1. Другие составляющие инструментальной погрешности не имеют по сравнению с прототипом особенностей при выполнении контроля;
б) возможность проведения контроля в реальных условиях эксплуатации обусловлена, во-первых, нормированием длительности временного интервала Т1 для реальных условий и, во-вторых, отсутствием систематической составляющей погрешности, для которой методы оценки, нормирования и контроля предусматривают выделение особых нормальных условий. Возможность контроля инструментальной погрешности в реальных условиях эксплуатации средства измерений особенно актуальна для информационно-измерительных систем и измерительных устройств с встроенными образцовыми средствами измерений.
4. Упрощается нормирование инструментальной погрешности измерений физической величины:
а) по причине исключения сложной в плане нормирования систематической составляющей погрешности измерений;
б) нормирование длительности временного интервала Т1 при соответствующей чувствительности средства измерения не представляет существенной сложности. Область допустимого изменения порога чувствительности может быть задана на основе следующих исходных данных: условиями нормального функционирования средства измерений при определенных граничных значениях его чувствительности; требованиями к точности средства измерений (наибольшее значение порога чувствительности); максимально возможным значением выходного сигнала средства измерений (наименьшее значение порога чувствительности).
К достигаемому техническому результату могут быть также отнесены следующие факторы:
1. В прототипе изменение параметров реальной функции преобразования средства измерения в любом направлении по отношению к его номинальной функции (например, увеличение чувствительности) приводит к появлению погрешности измерений. В заявленном способе измерений увеличение чувствительности, напротив, повышает точность измерений, а ее уменьшение, хотя и приводит к увеличению погрешности, но не к такому значительному, как для прототипа.
2. В заявленном способе измерений сближаются понятия "метрологического отказа" и отказа на функционирование, так как в процессе измерений область изменения реальной функции преобразования средства измерения ограничена с одной стороны (при увеличении наклона характеристики преобразования) технической возможностью представления выходного сигнала в установленной для него размерности, а с другой стороны, увеличением погрешности порога чувствительности до уровня, близкого к допускаемой погрешности измерений физической величины. Такая область изменений значительно шире области допустимого изменения параметров реальной функции преобразования средства измерения при нормировании, как в прототипе, номинальной функции преобразования и допускаемого значения систематической погрешности (при одном и том же изменении параметров реальной функции преобразования средства измерения изменение погрешности порога чувствительности во много раз меньше, чем изменение систематической погрешности).
Сущность изобретения согласно пункту 2 формулы изобретения заключается в том, что длительность временного интервала Т1 устанавливают исходя из условия пренебрежимой малости влияния в течение этого временного интервала систематических (коррелированных) изменений параметров реальной функции преобразования средства измерений, не связанных с чувствительностью средства измерений к влияющим величинам, на результаты измерений физической величины по сравнению с погрешностью порога чувствительности средства измерений, а инструментальную погрешность измерений физической величины оценивают по формуле
Δiи = Δi1•Δi2•Δi3•Δi4(T1) (11),
где Δi4(T1) - сумма дополнительных погрешностей средства измерений на i-м участке диапазона измерений, обусловленная изменением за время Т1 параметров реальной функции преобразования средства измерений под действием произошедших за это же время изменений внешних влияющих величин.
Достигаемый при этом дополнительный технический результат заключается в расширении области применения заявленного способа измерений для тех частных случаев, когда чувствительность средства измерения к скорости изменения некоторых (или одной) внешних влияющих величин настолько велика, что это приводит к значительному сокращению длительности временного интервала T1 по сравнению с тем временным интервалом, который отвечал бы условиям выполнения операций способа измерений при отсутствии этих внешних влияющих величин. Условия оценки, нормирования и контроля составляющих погрешности измерений существенно не изменяются по сравнению с аналогичными для способа измерений согласно пункта 1 формулы. Сумма дополнительных погрешностей, введенная в математическое соотношение (11), оценивается на этапе предварительных метрологических испытаний, нормируется аналогичным для прототипа образом (например, в виде максимально возможных, предельных значений) и в процессе эксплуатации не контролируется.
Сущность изобретения согласно пункту 3 формулы изобретения заключается в том, что в отличие от способа измерений, согласно пункту 2, длительность временного интервала Т1 увеличивают на определенное значение исходя из удобства решения конкретной измерительной задачи, а инструментальную погрешность измерений физической величины оценивают по формуле
Δiи = Δi1•Δi2•Δi3•Δi4(T1+ΔT)•Δi5(T1+ΔT) (12),
где Δi5(T1+ΔT) - добавочная погрешность на i-м участке диапазона измерений, обусловленная систематическими (коррелированными) изменениями параметров реальной функции преобразования средства измерений, не связанными с чувствительностью средства измерений к влияющим факторам за время, равное суммарной длительности временных интервалов Т1 и ΔT, при этом суммарную длительность временных интервалов Т1 и ΔT ограничивают такой длительностью, при которой погрешность порога чувствительности и возникающая добавочная погрешность Δi5(T1+ΔT) являются величинами одного порядка малости.
Дополнительный технический результат в данном случае состоит в расширении области применения способа в тех частных случаях, когда незначительное увеличение длительности временного интервала Т1 вызвано удобством решения конкретной измерительной задачи, например, для согласования длительности временного интервала T1 и длительности непрерывного цикла измерений физической величины, для повышения экономической или иной эффективности использования средств формирования образцовых сигналов за счет их более редкого участия в процессе измерений.
Но возможное увеличение длительности временного интервала ограничено такой длительностью, при которой добавочная погрешность, связанная с этим увеличением, является величиной одного порядка малости с погрешностью порога чувствительности. В этом случае принципы и условия оценки, нормирования и контроля составляющих инструментальной погрешности измерений остаются прежними, хотя объем и сложность предварительных испытаний несколько возрастают.
Увеличение длительности временного интервала на величину, большую той, что определена условиями выполнения операций заявленного способа, приведет к столь существенному возрастанию добавочной погрешности, при котором свойства этой погрешности будут аналогичны свойствам систематической погрешности в прототипе, так же как и сложность условий ее оценки, нормирования и контроля.
Сущность изобретения согласно пункту 4 формулы изобретения заключается в том, что в отличие от способа измерений согласно пункту 1 операции определения порога чувствительности и параметров реальной функции преобразования средства измерений и операции преобразования измеряемой физической величины в выходные сигналы средства измерений и оценки результатов измерений разделяют на время, равное длительности временного интервала Т1, по месту их проведения.
Достигаемый при этом дополнительный технический результат состоит в расширении области практического применения заявленного способа для тех частных случаев, когда более удобно, практически возможно или выгодно обеспечивать контакт с объектом измерений легкого, малогабаритного, дешевого средства, способного в течение короткого временного интервала выполнять измерительные преобразования сигнала измеряемой величины с достаточной точностью. Автономное применение преобразующей части средств реализации заявленного способа измерений происходит в пределах строго определенного интервала времени Т1. Основная часть устройства, выполняющая операции хранения и передачи размера физической величины, сложные автоматические и вычислительные функции, и, по этой причине, имеющая более значительные вес, объем и стоимость, может использоваться стационарно или в более защищенных условиях. В отличие от прототипа применение автономной, преобразующей части средств реализации способа невозможно за границей временного интервала T1, так как точностные характеристики таких преобразований и результатов измерений не определены.
Сущность изобретения согласно пункту 5 формулы изобретения заключается в том, что, в отличие от способа измерений согласно пункту 1, вначале определяют погрешность порога чувствительности средства измерений, изменяют чувствительность средства измерений, повторно определяют погрешность порога чувствительности средства измерений, а затем определяют параметры реальной функции преобразования средства измерений.
Достигаемый при этом технический результат состоит в том, что последовательность операций способа и операция изменения чувствительности средства измерений обеспечивают условия для оперативного управления точностью измерений, т.е. позволяют "удерживать" параметры реальной функции преобразования средства измерения в необходимой для задач измерения области значений порога чувствительности и длительности временного интервала Т1. В отличие от прототипа изменение чувствительности не связано с приведением ее значения к некоторому номинальному (паспортному) виду или с требованием метрологической аттестации средства измерений при изменении характеристик канала преобразования. Наиболее эффективное проявление указанного технического результата обеспечивается при использовании способа в информационно-измерительных системах, например, при замене отдельных элементов измерительных каналов.
Сущность изобретения согласно пункту 6 формулы изобретения заключается в том, что, в отличие от способа измерений согласно пункту 1, на границе временного интервала T1 вначале определяют параметры реальной функции преобразования средства измерения, оценивают по их значениям порог чувствительности средства измерения в диапазоне его измерений, сравнивают полученные оценки с допускаемой погрешностью измерений физической величины, а затем, по результатам сравнения, принимают решение о необходимости экспериментального уточнения порога чувствительности средства измерения, при этом, если порог чувствительности экспериментально не уточняется, инструментальную погрешность измерений оценивают как равную или меньшую допускаемой погрешности измерений.
Дополнительный технический результат состоит в том, что в тех частных случаях использования заявленного способа измерений, когда погрешность порога чувствительности средства измерений существенно меньше допускаемого значения погрешности измерений физической величины, обеспечивается уменьшение объема и трудоемкости выполнения операций с образцовыми сигналами на входе средства измерений. Определение порога чувствительности по значениям параметров реальной функции преобразования - это расчетная приближенная оценка, она содержит методическую погрешность, обусловленную квантованием образцового сигнала порогом чувствительности средства измерений. Но погрешность полученной таким образом приближенной оценки, как правило, не превышает оцениваемого значения порога чувствительности. При известных значениях других составляющих инструментальной погрешности и выполнении основного условия способа измерений - неизменности полученных оценок параметров реальной функции преобразования в течение временного интервала Т1 - обеспечивается выполнение измерений с требуемой точностью, если на границе временного интервала Т1 приближенная оценка результатов измерений существенно, например на величину погрешности порога чувствительности, меньше допускаемого значения погрешности измерений.
Сущность изобретения согласно пункту 7 формулы изобретения заключается в том, что, в отличие от способа измерений согласно пункту 1, преобразование сигнала измеряемой физической величины выполняют периодически в разных каналах преобразования, а момент переключения сигнала измеряемой величины с канала на канал определяют по границе временного интервала T1.
Достигаемый при этом технический результат состоит в расширении области применения заявленного способа измерений для следующих частных случаев: а) длительность временного интервала Т1 сравнима с длительностью выполнения операций определения порога чувствительности и параметров реальной функции преобразования средства измерения; б) существует необходимость обеспечить непрерывный технологический процесс измерения физической величины; в) измерение физической величины осуществляется несколькими параллельными каналами преобразования с однотипными или различными элементами.
4. ПЕРЕЧЕНЬ ФИГУР
Сведения, подтверждающие возможность осуществления заявленного способа измерений, поясняются на примере работы устройств, приведенных на фиг. 1 - 4.
На фиг. 1 представлено устройство, реализующее совокупность операций способа согласно пунктам 1 - 3 и 6 формулы изобретения. Устройство содержит коммутатор 1, первичный преобразователь 2, блок 3 вторичного и последующих преобразователей сигнала измерительной информации, блок 4 обработки выходных сигналов и управления образцовыми сигналами на входе первичного преобразователя 2, блок 5 представления результатов измерений, блок 6 отсчета длительности временного интервала Т1, блок 7 задания и изменения значений образцовых сигналов.
Коммутатор 1 воспринимает сигнал измеряемой величины и сигнал от блока 7. Управление переключениями коммутатора 1 выполняется блоком 4 обработки и управления. Сигнал измеряемой физической величины последовательно преобразуется в блоках 2 и 3, поступает в блок 4, и, после соответствующей обработки, передается в блок 5 представления результатов измерений. Блок 4 управляет блоком 7 задания образцовых сигналов и воспринимает от блока 7 информацию о значениях сформированных образцовых сигналов. В блок 4 управления также поступает информация от блока 6 отсчета длительности временного интервала. Блок 6 отсчета временного интервала подает сигнал выключения на блок 5 представления результатов измерений и имеет управляющую связь с блоком 4 обработки и управления.
На фиг. 2 представлено устройство, реализующее совокупность операций способа согласно пункту 4 формулы изобретения. Устройство содержит блоки 1, 2, 3, 4, 5, 6 и 7, аналогичные устройству на фиг. 1, и дополнительный блок 8 обработки выходных сигналов и хранения параметров реальной функции преобразования. Блоки 1, 2, 3, 5, 6, 8 объединены конструктивно в полусамостоятельную автономную часть устройства по отношению к блоку 4 и блоку 7. При этом конструкция линий связи и управления между блоками 3 и 4, 8 и 4, 6 и 4, 7 и 1 предусматривает технологический разрыв, например, в виде специальных разъемов соответствующих цепей. Блок 6 отсчета времени имеет связь с блоком 5 представления результатов измерений и блоком 4 обработки и управления.
На фиг. 3 представлено устройство, реализующее совокупность операций способа согласно пункту 5 формулы изобретения. Устройство содержит блоки 1, 2, 3, 4, 5, 6 и 7, аналогичные устройству на фиг. 1, и дополнительный блок 9 преобразования с изменяющимся коэффициентом усиления. Управление коэффициентом усиления выполняется блоком 4.
На фиг. 4 представлено устройство, реализующее совокупность операций способа согласно пункту 7 формулы изобретения. Устройство содержит блоки 1, 2, 3, 4, 5, 6 и 7, аналогичные устройству на фиг. 1, и дополнительные блоки 10, 11, 12 и 13. Блоки 10 и 11 являются коммутаторами сигналов, управляемыми от блока 4. Блок 12 - первичный преобразователь сигнала измеряемой величины, а блок 13 содержит вторичный и последующие преобразователи сигнала измерительной информации.
5. СВЕДЕНИЯ, ПОДТВЕРЖДАЮЩИЕ ВОЗМОЖНОСТЬ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Содержание понятий, которыми выражаются существенные признаки заявленного способа измерений и их материальный эквивалент:
1. Экспериментальное определение порога чувствительности средства измерений в диапазоне его измерений
Порог чувствительности - свойство средства измерений, характеризующее наименьшее изменение измеряемой величины, которое вызывает заметное изменение выходного сигнала средства измерений ("Основные термины в области метрологии: Словарь-справочник; под ред. Ю.В.Тарбеева. - М.: Изд-во стандартов, 1989, п.5.84, с. 48). Порог чувствительности и по содержанию понятия, и количественно описывает погрешность, связанную с ограниченной чувствительностью средства измерений, поэтому в описании изобретения употребляется словосочетание "погрешность порога чувствительности".
Порядок экспериментального определения порога чувствительности следует из определения этого понятия: необходимо последовательно изменять значение сигнала на входе средства измерения и в момент появления выходного сигнала, значение которого отличается от предыдущего, оценивать необходимое для этого изменение входного сигнала.
Известен метод экспериментального определения порога чувствительности (Вострокнутов Н. Н. Цифровые измерительные устройства. Теория погрешностей, испытания, поверка. - М.: Энергоатомиздат, 1990, раздел 4.3, с. 123-127) при наличии случайной составляющей инструментальной погрешности, который заключается в нахождении действительных значений входного сигнала, при котором происходит изменение сигнала на выходе средства измерения. При этом значение входного сигнала изменяют малыми ступенями и определяют частость появления предыдущего и последующего выходных сигналов в серии из n (не менее 10) последовательных циклов измерений при каждом значении входного сигнала. За искомое значение входного сигнала принимают то значение, при котором число появления предыдущего выходного сигнала лежит в пределах от 0,4 до 0,6 n. Разность определенных таким образом значений входного сигнала для соседних значений выходного сигнала средства измерений характеризует порог чувствительности. Значения порога чувствительности могут быть различными для различных значений выходного сигнала в зависимости от нелинейности реальной функции преобразования средства измерения.
Порог чувствительности может оцениваться расчетными методами по известным параметрам реальной функции преобразования средства измерения. Применение расчетных методов ограничено методической погрешностью, возникающей при определении параметров реальной функции преобразования путем измерения отдельных образцовых сигналов и обусловленной квантованием входного сигнала по уровню в результате ограниченной чувствительности средства измерений. Для заявленного способа измерений использование расчетного метода определения порога чувствительности возможно только в некоторых, частных случаях его применения, например, в соответствии с совокупностью операций согласно пункту 6 формулы изобретения.
2. Определение параметров реальной функции преобразования средства измерения
В словаре-справочнике (Основные термины в области метрологии: Словарь-справочник; под ред. Ю.В.Тарбеева. М.: Изд-во стандартов, 1989, п.5.86, с. 49) приводится следующее определение градуировочной характеристики средства измерения: это "зависимость между значениями на выходе и входе средства измерения, полученная в результате градуировки. Градуировочная характеристика может быть выражена в виде формулы, графика или таблицы". Уточненный смысл понятия "градуировочная характеристика" приводится в статье Брагина А.А. (Исследование проблем передачи размеров физических величин измерительным системам: Сб. науч. тр. - Львов, ВНИИМИУС, 1989, с. 65-76). В книге Вострокнутова Н. Н. (Цифровые измерительные устройства. Теория погрешностей, испытания, поверка. - М.: Энергоатомиздат, 1990, с. 15) раскрывается понятие "функции преобразования цифрового, измерительного устройства" как "зависимости показаний от значений измеряемой величины".
Понятие "функция преобразования средства измерения", используемое в настоящем описании, соответствует содержанию приведенных ранее определений: это зависимость между значениями входного и выходного сигналов средства измерения (размерность выходного сигнала при этом может отличаться от размерности входного сигнала). Указанная зависимость может быть выражена в виде формулы или таблицы значений. Возможен и такой вариант описания функции преобразования, когда каждому значению выходного сигнала ставится в соответствие значение входного сигнала. Параметрами функции преобразования являются те числовые показатели, которые, в зависимости от формы представления функции преобразования, характеризуют связь между входным и выходным сигналами. Слово "реальная" означает, что речь идет о той функции преобразования средства измерения, которая присуща ему в момент определения параметров этой функции.
Материальное содержание рассматриваемого признака заключается в формировании на входе средства измерений известных (образцовых) значений входного сигнала, фиксации соответствующих им выходных сигналов и оценке расчетным путем параметров функции преобразования средства измерения. Количество сформированных значений входного сигнала определяется степенью нелинейности этой функции.
Определение параметров реальной функции преобразования средства измерения может выполняться одновременно с определением порога чувствительности. При этом существенным для формы представления последующих результатов измерения физической величины является выбор значения входного сигнала из ряда значений, соответствующих определенному порогу чувствительности и выходному сигналу средства измерений.
Внутри временного интервала Т1 значения параметров реальной функции преобразования средства измерения, полученные и запомненные в начале этого интервала, используются для обратного преобразования выходных сигналов в результаты измерений физической величины, выраженные в установленных единицах ее измерения
3. Временной интервал Т1 (длительность которого устанавливают из условия пренебрежимой малости влияния в течение этого временного интервала систематических (коррелированных) изменений параметров реальной функции преобразования средства измерений на результаты измерений физической величины по сравнению с погрешностью порога чувствительности средства измерений)
Существование и возможность определения такого временного интервала Т1, в течение которого средства измерений имеют определенные ранее свойства, подтверждены практически и могут быть основаны на следующих источниках информации.
В "Методическом материале по применению ГОСТ 8.009-84" ("ГСИ. Нормирование и использование метрологических характеристик средств измерений. Нормативно-технические документы (ГОСТ 8.009-84. Методический материал по применению ГОСТ 8.009-84, РД 50-453-84). - М.: Изд-во стандартов, 1988, с. 60) отмечается: "в случае целесообразности, характеристики (математическое ожидание и среднее квадратическое отклонение) основной систематической погрешности могут выражаться как функции времени. Однако вряд ли такое представление окажется целесообразным во многих случаях. Это связано с тем, что, как правило, отражение нестационарности погрешности средств измерений в нормируемых метрологических характеристиках привело бы к практически нереализуемым методам испытаний средств измерений. Эта нестационарность имеет, как известно, такой характер, что соответствующие изменения погрешности происходят весьма медленно - в течение месяцев. Контролировать их практически невозможно".
В другом источнике информации (Миф Н.П. "Модели и оценка погрешности технических измерений". - М.: Изд-во стандартов, 1976, с. 10, рис. 1-6) приводятся сведения о том, что "погрешность приборов меняется во времени монотонно, но неодинаково для каждого из приборов". И далее (там же, с 15) "наиболее характерной предпосылкой для использования монотонных функций в качестве модели погрешности является наличие одного доминирующего фактора, вызывающего погрешность, например:
- монотонного изменения параметров источника тока, питающего измерительную схему прибора;
- старения элементов измерительной схемы;
- монотонно изменяющейся во времени внешней влияющей величины;
- износа."
А. Г.Конюхов в книге "Метрологическое обеспечение в приборостроении. Аспекты управления" (М., Изд-во стандартов, 1990, с. 129-132) приводит наиболее типичные модели изменений систематической погрешности средств измерений и причины возникновения таких изменений:
- экспоненциальная модель ухода систематической погрешности (процессы старения и другие деградационные процессы), причем на начальных этапах эксплуатации (1-3 года) "заметных уходов на фоне случайной погрешности можно и не обнаружить";
- линейный тренд (износ, высыхание);
- уход систематической погрешности по модели типа "насыщение" (разнообразные физические процессы);
- периодическое изменение погрешности (под воздействием внешних факторов и изменений режимов работы по периодическим законам), наиболее распространен годичный период изменения.
Здесь же А. Г.Конюхов отмечает, что "отсутствие статистически значимых изменений систематической составляющей наиболее часто наблюдается у средств измерений с отработанной конструкцией и изготовляемых по устойчивой технологии, если длительность наблюдений не превышает 1-2 года".
Таким образом, приведенные источники информации подтверждают медленный (месяцы, годы) и монотонный характер изменения систематических погрешностей средств измерений. В заявленном способе измерений длительность временного интервала предполагается сравнимой с минутами, часами, днями, в течение которых осуществляются последовательные преобразования измеряемой физической величины. Для столь коротких, по сравнению с месяцами и годами, временных интервалов очевидна правомерность для любых средств измерений допущения о существовании и возможности определения такого временного интервала Т1, длительность которого устанавливают из условия пренебрежимой малости влияния в течение этого временного интервала систематических (коррелированных) изменений параметров реальной функции преобразования средства измерений на результаты измерений физической величины по сравнению с погрешностью порога чувствительности средства измерений.
Для каждого конкретного средства измерений длительность указанного временного интервала имеет конкретное определенное значение (или ряд значений, соответствующих ряду значений порога чувствительности в допустимой области изменения реальной функции преобразования). Выполнение последовательных преобразований сигнала измеряемой величины и получение результатов ее измерений за пределами указанного временного интервала Т1, без выполнения всей совокупности установленных способом измерений операций, лишено метрологического смысла по причине неизвестного (неустановленного) характера изменений погрешности. В отличие от прототипа метрологическое обеспечение измерений для заявленного способа осуществляется как бы на коротком временном интервале.
В процессе эксплуатации средств реализации заявленного способа измерений может происходить постепенное "накапливание" изменений порога чувствительности. Характер таких изменений может служить контролируемым показателем для прогнозирования работоспособности средства измерений.
Материальный смысл рассматриваемого понятия "временной интервал Т1" заключается в введении в средства реализации способа счетчика времени, который по заданной программе определяет момент окончания последовательных преобразований сигнала измеряемой величины и подключения к входу первичного преобразователя образцовых сигналов для выполнения заданной способом совокупности операций.
Длительность временного интервала Т1 определяется и нормируется на этапе предварительных испытаний средств измерений (средств реализации способа). Для каждого участка диапазона измерений и для каждого допустимого значения чувствительности средства измерений определяется длительность временного интервала, в течение которого систематические (коррелированные) изменения параметров реальной функции преобразования средства измерения пренебрежимо мало влияют на результаты измерений по сравнению с погрешностью порога чувствительности. Физически это условие может выражаться в неизменности значений выходного сигнала (или среднего арифметического значений этого сигнала) при неизменном значении сигнала на входе средства измерений. При этом значение входного сигнала может быть известно лишь приближенно (например, оцениваться по значению выходного сигнала). Последнее обстоятельство существенно упрощает и уменьшает объем испытаний, особенно при определении длительности временного интервала T1 в условиях воздействия внешних влияющих величин.
Длительность временного интервала Т1 для конкретного средства измерений может иметь разные значения для различных значений чувствительности средства измерений, при этом при уменьшении чувствительности средства измерения длительность временного интервала Т1 имеет тенденцию к увеличению.
Возможность реализации заявленного способа измерений можно рассмотреть на примере структурной схемы устройства, представленной на фиг.1. Она содержит коммутатор 1, первичный преобразователь 2, блок 3 вторичного и последующих преобразователей сигнала измерительной информации, блок 4 обработки выходных сигналов и управления образцовыми сигналами на входе первичного преобразователя 2, блок 5 представления результатов измерений, блок 6 отсчета длительности временного интервала Т1, блок 7 задания и изменения значений образцовых сигналов.
Коммутатор 1 воспринимает сигнал измеряемой величины и сигнал от блока 7 задания и изменения значений образцового сигнала. Управление переключениями коммутатора 1 выполняется блоком 4 обработки и управления. Сигнал измеряемой физической величины поступает в коммутатор 1 и затем последовательно преобразуется в блоках 2 и 3, поступает в блок 4, и, после соответствующей обработки, передается в блок 5 представления результатов измерений. Блок 4 управляет блоком 7 задания образцовых сигналов и воспринимает от блока 7 информацию о значениях сформированных образцовых сигналов. В блок 4 управления также поступает информация от блока 6 отсчета длительности временного интервала. Блок 6 отсчета временного интервала подает сигнал выключения на блок 5 представления результатов измерений и имеет управляющую связь с блоком 4 обработки и управления.
Вначале через коммутатор 1 к входу первичного преобразователя подключается блок 7 задания и изменения значений образцовых сигналов. Блок 7 может быть выполнен в виде управляемой многозначной меры или управляемого источника сигнала, значение которого оценивается специальным образцовым средством измерений. Образцовый сигнал на выходе блока 7 изменяется под управлением блока 4, например, от нулевого значения до момента появления выходного сигнала на выходе блока 3 (или при наличии выходного сигнала на выходе блока 3 при нулевом значении образцового сигнала до момента исчезновения выходного сигнала на выходе блока 3). Величина необходимого для этого изменения образцового сигнала запоминается в блоке 4 управления. Таким образом определяется порог чувствительности на первом участке диапазона измерений.
Управление изменением образцовым сигналом продолжают выполнять для всего диапазона измерений, фиксируя в блоке 4 моменты изменения сигнала на выходе блока 3 и соответствующие им изменения образцового сигнала на выходе блока 7. При наличии существенной случайной составляющей изменений выходного сигнала управление образцовым сигналом осуществляют согласно методике, рассмотренной вначале этого раздела.
Затем определяют параметры реальной функции преобразования средства измерения. Для этого в блоке 4 обработки и управления могут быть использованы запомненные значения образцовых сигналов и соответствующие им значения сигналов на выходе блока 3. Определение параметров также может быть выполнено путем формирования на выходе блока 7 нескольких значений образцовых сигналов и обработки в блоке 4 соответствующих им значений сигналов на выходе блока 3. При определении параметров функции преобразования учитывается порог чувствительности средства измерений.
В общем случае каждому значению сигнала на выходе блока 3 в блоке 4 определяется такое значение образцового сигнала, которое соответствует середине или определенному крайнему значению порога чувствительности, характерного для данного значения выходного сигнала. Такая запись параметров выполняется одинаковым образом для всех участков диапазона измерений или значений выходных сигналов и определяет форму представления (записи) результатов измерений в блоке 5 (погрешность порога чувствительности либо суммируется с результатом измерений, либо вычитается из него, либо приравнивается половинному значению, взятому со знаком плюс-минус).
После определения порога чувствительности и параметров реальной функции преобразования блок 4 переключает коммутатор 1, подключая к входу первичного преобразователя 2 сигнал измеряемой физической величины. Одновременно блок 4 подает сигнал на включение в блоке 6 отсчета длительности временного интервала Т1.
Сигнал измеряемой величины преобразуется в блоках 2 и 3 и поступает в блок 4 обработки и управления. В этом блоке выполняется обратное преобразование значений выходных сигналов, поступивших от блока 3, в результаты измерений. Обратное преобразование осуществляется в соответствии с параметрами реальной функции преобразования, которые определены и запомнены в начале временного интервала Т1. Результаты измерений передаются в блок 5 представления (записи) результатов.
Последовательные преобразования сигнала измеряемой величины выполняются в течение временного интервала Т1. В момент его окончания блок 6 отсчета времени подает сигнал в блок 4 обработки и управления и в блок 5 для прекращения представления результатов измерений. После этого повторяются совокупность и последовательность операций по определению порога чувствительности и параметров реальной функции преобразования, которые были описаны ранее. Если преобразования сигнала измеряемой величины были закончены до окончания временного интервала T1, то после перерыва в работе, превышающего его длительность, работа устройства начинается с выполнения последовательности операций, которая определена в заявленном способе измерений.
Все блоки, приведенные при описании работы устройства, согласно фиг.1, характеризуются исполняемыми ими функциями, известны в литературе или могут быть созданы по известным функциям из известных элементов.
Способ измерений в частных случаях его реализации, соответствующий пунктам 2 и 3 формулы изобретения, реализуется аналогично рассмотренной ранее работы устройства, представленного на фиг.1. Но длительность временного интервала Т1 в этих случаях определяется на основе различных исходных данных. Порядок определения длительности временного интервала Т1 рассмотрен вначале этого раздела описания.
Возможность реализации способа измерений согласно пункту 4 формулы изобретений может быть рассмотрена на примере работы устройства, представленного на фиг.2. В этом случае дополнительно к блокам, представленным на фиг.1, вводится блок 8 обработки выходных сигналов и хранения значений параметров реальной функции преобразования. Блоки 1, 2, 3, 5, 6, 8 объединяют конструктивно в полусамостоятельную автономную часть устройства и выполняют ее легкосъемной по отношению к блоку 4 и блоку 7. При этом конструкция линий связи и управления между блоками 3 и 4, 8 и 4, 6 и 4, 7 и 1 предусматривает технологический разрыв, например, в виде специальных разъемов соответствующих цепей. Блок 6 отсчета времени имеет связь с блоком 5 представления результатов измерений, исключая работу автономной преобразующей части устройства после окончания временного интервала Т1.
Блок 8 обработки выходных сигналов берет на себя часть функций блока 4 управления и обработки. Эти функции связаны с хранением значений параметров реальной функции преобразования и обратным преобразованием сигналов с блока 3 в результаты измерений физической величины.
Работа устройства аналогична ранее рассмотренной для средств, представленных на фиг.1. Специфика заключается в том, что операции определения порога чувствительности и параметров функции преобразования разделены по месту проведения с операциями последовательных преобразований измеряемой величины на короткое время, определяемое блоком 6 отсчета длительности временного интервала Т1.
Такое временное полусамостоятельное функционирование двух конструктивно обособленных частей одного устройства обеспечивает в некоторых случаях реализации способа дополнительный технический результат, приведенный ранее в описании. При этом также облегчается разработка средств способа, так как основная "метрологическая нагрузка" лежит на блоках 4 и 7, а конструктивное объединение других блоков может быть выполнено из дешевых элементов, не имеющих высокостабильных характеристик.
Возможность реализации способа измерений согласно пункту 5 формулы изобретений может быть рассмотрена на примере работы устройства, представленного на фиг.3. Это устройство, дополнительно к блокам устройства согласно фиг.1, содержит блок 9 преобразования с изменяющимся коэффициентом усиления. Реализация такого блока широко известна в литературе, в простейшем случае он может представлять собой управляемый делитель (умножитель) сигнала измерительной информации.
Функционирование устройства аналогично рассмотренному на фиг.1. После определения порога чувствительности канала преобразований (средства измерения) на всех участках его диапазона измерений с блока 4 управления подается сигнал на блок 9 для увеличения или уменьшения коэффициента усиления преобразователя 9. Например, при уменьшении порога чувствительности до значения, которое требует перехода на более короткий временной интервал Т1 или сокращает диапазон измерений физической величины ограниченными возможностями выходного преобразователя 3, блок 4 управления уменьшает чувствительность канала преобразования, воздействуя на блок 9. Повторное выполнение операций определения порога чувствительности и параметров функции преобразования восстанавливает метрологические свойства канала преобразования сигнала измеряемой величины при новом значении его чувствительности. Аналогичные операции изменения чувствительности, но в сторону ее увеличения, выполняются в тех случаях, когда погрешность порога чувствительности приближается к допускаемому значению погрешности измерений.
Возможность реализации способа измерений согласно пункту 6 формулы изобретений может быть рассмотрена на примере работы устройства, представленного на фиг. 1. В этом случае в блок 4 обработки и управления дополнительно вводится значение допускаемой погрешности измерений физической величины и предусматривается возможность ее сравнения с оценкой погрешности чувствительности, полученной на границе временного интервала Т1. При реализации способа изменяют порядок выполнения операций на входе первичного преобразователя 2. Вначале на выходе блока 7 формируют отдельные значения образцовых сигналов и по результатам их преобразования определяют параметры реальной функции преобразования. Затем расчетным путем оценивают порог чувствительности канала преобразования (средства измерения) в различных участках диапазона его измерений. Полученные таким образом оценки порога чувствительности сравнивают в блоке 4 с запомненным значением допускаемой погрешности измерений. При этом сравнении учитывается сумма других составляющих, входящих в формулу оценки погрешности измерений. Критерий сравнения, заложенный в блок 4, должен учитывать, что методическая погрешность расчетной оценки порога чувствительности, как правило, не превышает значения самой оценки. Поэтому, например, если разность между допускаемой погрешностью измерений и суммой составляющих погрешности, приведенных в формуле (5), не превышает максимального из полученных значений порога чувствительности, то дополнительное экспериментальное уточнение порога чувствительности на данном временном интервале Т1 не выполняется. Если эта разность меньше указанного значения, то блок 4 обработки и управления дает команду на экспериментальное определение порога чувствительности во всем диапазоне или отдельных участках диапазона измерений. Дальнейшая работа устройства аналогична ранее рассмотренной.
Возможность реализации способа измерений согласно пункту 7 формулы изобретений может быть рассмотрена на примере работы устройства, представленного на фиг.4. В отличие от устройства на фиг.1 в этом случае дополнительно введены блок 10 коммутации образцовых сигналов от блока 7 и блоки 11, 12, и 13. Блок 11, аналогично блоку 1, является коммутатором и выполняет функцию переключения входа первичного преобразователя 12 к сигналу измеряемой величины или к образцовому сигналу от коммутатора 10 и блока 7. Блок 13 содержит вторичный и последующие преобразователи сигнала измерительной информации. Он соединяется с блоком 12 и блоком 4 обработки и управления. Блок 4 выполняет функции, аналогичные ранее рассмотренным, но обрабатывает выходные сигналы поочередно от блоков 3 и 13 и дополнительно управляет коммутаторами 10 и 11.
Работа устройства происходит следующим образом. Допустим, что вначале преобразования сигнала измеряемой величины выполняются через блоки 1, 2 и 3. В это время блок 7 задания и изменения значений образцовых сигналов через коммутаторы 10 и 11 подключен к входу первичного преобразователя 12. Блок 4, параллельно обработке сигналов с выхода блока 3, управляет работой блока 7 и обработкой сигналов с выхода блока 13, тем самым выполняя операции определения порога чувствительности и параметров реальной функции преобразования канала преобразования, представленного блоками 11, 12 и 13. После завершения операций с образцовыми сигналами блок 4 подает сигнал на блок 6 отсчета времени о начале отсчета временного интервала для преобразователей 12 и 13. Этот момент времени может служить моментом переключения сигнала измеряемой величины с входа блока 2 на вход блока 12. В качестве момента переключения с канала на канал может также использоваться момент завершения длительности временного интервала Т1 для блоков преобразования 2 и 3, определяемый блоком 6. Выбор той или иной границы временного интервала в качестве момента переключения с канала на канал определяется соотносительной эффективностью использования этих каналов и блока 7 задания и изменения значений образцовых сигналов.
Процесс преобразования сигнала измеряемой величины в данном частном случае применения заявленного способа измерений практически не прерывается. Результаты измерений по обоим каналам преобразования представляются в блоке 5. Функции блока 4 в этом случае более сложные, но основаны на известных средствах реализации (например, функции блока 4 могут быть выполнены встроенным микропроцессором, микроЭВМ, другими известными средствами автоматики, управления и вычислительной техники).
Формула изобретения: 1. Способ измерений электрических и неэлектрических величин, основанный на периодическом определении параметров реальной функции преобразования средства измерений, преобразовании измеряемой физической величины в выходной сигнал средства измерений, оценке результатов измерений в узаконенных единицах измерений на основе зафиксированных ранее параметров реальной функции преобразования, отличающийся тем, что экспериментально определяют порог чувствительности средства измерений в диапазоне его измерений, преобразование сигнала измеряемой физической величины выполняют последовательно внутри, а определение порога чувствительности и параметров реальной функции преобразования средства измерений выполняют на границах временного интервала T1, длительность которого устанавливают из условия пренебрежимой малости влияния в течение этого временного интервала коррелированных изменений параметров реальной функции преобразования средства измерений на результаты измерений физической величины по сравнению с погрешностью порога чувствительности средства измерений, а инструментальную погрешность измерений физической величины оценивают по формуле
Δiи = Δi1i2i3,
где Δiи- инструментальная погрешность измерений на i-м участке диапазона измерений;
i - порядковый номер линеаризованного участка реальной функции преобразования средства измерений или значения его выходного сигнала;
Δi1 - погрешность порога чувствительности средства измерений на i-м участке его диапазона измерений;
Δi2 - некоррелированная погрешность средства измерений на i-м участке его диапазона измерений;
Δi3 - погрешность определения параметров реальной функции преобразования средства измерений на i-м участке диапазона измерений;
* - символический знак объединения погрешностей.
2. Способ измерений по п. 1, отличающийся тем, что длительность временного интервала Т1 устанавливают, исходя из условия пренебрежимой малости влияния в течение этого временного интервала коррелированных изменений параметров реальной функции преобразования средства измерений, не связанных с чувствительностью средства измерений к влияющим величинам, на результаты измерений физической величины по сравнению с погрешностью порога чувствительности средства измерений, а инструментальную погрешность измерений физической величины оценивают по формуле
Δiи = Δi1i2i3i4(T1),
где Δi4(T1) - сумма дополнительных погрешностей средства измерений на i-м участке диапазона измерений, обусловленная измерением за время Т1 параметров реальной функции преобразования средства измерений под действием произошедших за это же время изменений внешних влияющих величин.
3. Способ измерений по п. 1, отличающийся тем, что длительность временного интервала Т1 устанавливают, исходя из удобства решения конкретной измерительной задачи, а инструментальную погрешность измерений физической величины оценивают по формуле
Δiи = Δi1i2i3i4(T1)*Δi5(T1),
где Δi4(T1) - добавочная погрешность на i-м участке диапазона измерений, обусловленная коррелированными измерениями параметров реальной функции преобразования средства измерений, не связанными с чувствительностью средства измерений к влияющим факторам, за время, равное длительности временного интервала Т1, при этом длительность временного интервала Т1 ограничивают такой длительностью, при которой погрешность порога чувствительности и возникающая добавочная погрешность Δi5(T1) являются величинами одного порядка малости.
4. Способ измерений по п. 1, отличающийся тем, что операции определения порога чувствительности и параметров реальной функции преобразования средства измерений и операции преобразования измеряемой физической величины в выходные сигналы средства измерений и оценки результатов измерений разделяют на время, равное длительности временного интервала Т1, по месту их проведения.
5. Способ измерений по п. 1, отличающийся тем, что в начале определяют погрешность порога чувствительности средства измерений, изменяют чувствительность средства измерений, повторно определяют погрешность порога чувствительности средства измерений, а затем определяют параметры реальной функции преобразования средства измерений.
6. Способ измерений по п. 1, отличающийся тем, что на границе временного интервала Т1 вначале определяют параметры реальной функции преобразования средства измерения, оценивают по их значениям порог чувствительности средства измерения в диапазоне его измерений, сравнивают полученные оценки с допускаемой погрешностью измерений физической величины, а затем уже экспериментально определяют порог чувствительности средства измерений.
7. Способ измерений по п. 1, отличающийся тем, что преобразование сигнала измеряемой физической величины выполняют периодически в разных каналах преобразования, а момент переключения сигнала измеряемой величины с канала на канал определяют по границе временного интервала Т1.