АВТОМАТИЗИРОВАННАЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНАЯ СИСТЕМА ДЛЯ ОЦЕНКИ КАЧЕСТВА ОБЪЕКТОВ ИЗМЕРЕНИЙ ПРИ СЕРТИФИКАЦИОННЫХ ИСПЫТАНИЯХ

Полезная модель относится к измерительной технике и может быть использована в автоматизированных измерительных системах, предназначенных для контроля и диагностики сложных объектов, включая их сертификационные испытания.
Известны способы, системы, комплексы и устройства измерений.
В частности, известен программно-измерительный комплекс [RU 2442999, C1, G01V 1/22, 20.02.2012], содержащий геофизическую измерительную систему (ГИС) с подключенной измерительной установкой (НУ) и связанную с блоками обработки данных, один из которых совмещен с модулем хранения данных, а второй - с блоком управления, и снабженных программным обеспечением, причем, ГИС размещена на рабочей плате, которая включает модуль привязки измерительной установки к местности и получения дополнительной информации, модуль сбора данных электромагнитных зондирований, модуль передачи данных по каждому выбранному массиву первичных данных в блок хранения текущего массива измерительных данных (БХТМ ИД), АЦП типа дельта-сигма с большим динамическим диапазоном, для записи данных электромагнитных зондирований и внешние устройства, обеспечивающие дополнительной информацией об измерительной системе, совместно являющиеся управляющим блоком, снабженным специальным программным обеспечением (ПО), устройство накопления информации (УНИ) и устройство обработки информации (УОИ), включающее модуль редактирования, снабженный специальным ПО, и модуль обработки информационных сигналов, при этом, ГИС снабжен, по крайней мере, тремя коммутационными каналами - коммутационным каналом информационных сигналов, соединяющий АЦП с УНИ и обеспечивающий передачу массива операционных единиц во внутреннем бинарном формате, разработанном для хранения исходных данных электромагнитных зондирований, коммутационным каналом информационных сигналов, соединяющий АЦП с УНИ и обеспечивающий передачу собранной дополнительной информации с внешних устройств, и коммутационным каналом обработанных УОИ информационных сигналов, а также содержит плату запуска, посредством которой работа блока запуска синхронизирована с работой блока хранения текущего массива измерительных данных (БХТМ ИД), и плату сопровождения, которая обеспечивает посредством модуля привязки блока ГИС привязку ИУ к картам и редактирование массива операционных единиц в формате бинарных файлов в УНИ, обеспечивая при этом стабильность получения результатов путем применения методов робастной статистики, причем, плата запуска включает в себя блок хранения текущего массива измерительных данных (БХТМ ИД), состоящий из массивов исходных данных двух видов - файловые и реляционные, содержащих элементы памяти с массивом операционных единиц, размещенных в устройстве накопления информации (УНИ), блок запуска (БЗ) менеджера приложений ПИК, снабженный специальным программным обеспечением (ПО), запускающим работу от 1 до N модулей приложений, каждое из которых снабжено своим специальным ПО, блок калибровки приборов, осуществляющий запись и анализ характеристик измерительных приборов, блок привязки наблюдений, осуществляющий привязку системы источник-приемник в пространстве, а плата сопровождения включает в себя блок редактирования гидрографической информации и блок просмотра, редактирования и конвертации для сравнения рядовых и контрольных наблюдений и построения планов-графиков ДНП, причем, плата запуска начинает работать на начальном этапе работы ПИК и продолжает параллельно с рабочей платой работать при снятии и автоматической обработке исследовательской информации блока ГИС.
Недостатком этого технического решения является относительно высокая сложность.
Наиболее близкой по технической сущности к предложенной является автоматизированная измерительная система [RU 79731, U1, H04B 3/46, 10.01.2009], включающая в свой состав управляемые источники тестовых воздействий, измерители выходных информативных параметров объектов контроля, соединители, измерители параметров неуправляемых внешних воздействий и управляющую ЭВМ, при этом, интерфейсные выходы ЭВМ подключены к управляющим входам источников тестовых воздействий, интерфейсные входы ЭВМ подключены к информационным выходам измерителей информативных параметров и измерителей параметров неуправляемых внешних воздействий, информационный выход ЭВМ является выходом измерительной системы, соединители, с помощью которых в режиме самоконтроля сохранности метрологических характеристик измерительной системы выходы управляемых источников тестовых воздействий подключены к соответствующим входам измерителей информативных параметров и измерителей параметров неуправляемых внешних воздействий, причем, соединители обладают стабильными во времени переходными характеристиками, исключающими возникновение дополнительных погрешностей оценки сохранности метрологических характеристик измерительной системы.
Недостатком наиболее близкого технического решения является относительно узкие функциональные возможности, обусловленные тем, что, в системе не предусмотрена оценка минимально допустимого объема измерений (минимальной представительной выборки), а также параметров решающей функции, позволяющей формировать решение о соответствии (или не соответствии) качества объекта измерений сертификационным требованиям.
В частности, в известном техническом решении рекомендуется представительная выборка не менее 100 измерений. Однако, во многих практических случаях такой большой объем выборки является излишним и может привести к существенным необоснованным материальным затратам. А отсутствие в известном техническом решении средств для проведения оценок параметров решающей функции, учитывающей, в частности, точность измерительных приборов, не позволяет убедиться в достоверности полученных результатов с точки зрения соответствия качества объекта измерений сертификационным требованиям.
Целью усовершенствования известного технического решения является расширение функциональных возможностей.
Требуемый технический результат заключается в расширении функциональных возможностей путем расширения арсенала технических средств, обеспечивающих, в частности, оценку минимально требуемого объема измерений, а также параметров решающей функции, обеспечивающих достоверность выводов о соответствии качества объекта измерений сертификационным требованиям.
Поставленная цель реализуется, а требуемый технический результат достигается тем, что в систему, содержащую блок средств измерений информативных параметров объекта измерений, информационный вход которого соединен с объектом измерений, введены блок формирования характеристик точности средств измерений, вход которого соединен с первым выходом блока средств измерений информативных параметров объекта измерений, блок формирования условий единства измерений, вход которого соединен с выходом блока формирования характеристик точности средств измерений, блок определения минимального объема измерений, первый вход которого соединен с выходом блока формирования условий единства измерений, блок определения параметров решающей функции, блок формирования требований к достоверности оценки качества объекта измерений, выход которого соединен со вторым входом блока определения минимального объема измерений и с входом блока определения параметров решающей функции, блок формирования плана измерений, вход которого соединен с выходом блока определения минимального объема измерений, а выход - соединен с управляющим входом блока средств измерений информативных параметров объекта измерений, блок обработки измерений, вход которого соединен со вторым выходом блока средств измерений информативных параметров объекта измерений, и блок принятия решений об оценке качества объекта измерений, информационный вход которого соединен с выходом блока обработки измерений, а управляющий вход - соединен с выходом блока определения параметров решающей функции.
На чертеже представлены:
на фиг.1 - функциональная схема автоматизированной измерительной системы для оценки качества объектов измерений при сертификационных испытаниях совместно с объектом измерений;
на фиг.2 - графики, поясняющие его работу.
Автоматизированная измерительная система для оценки качества объектов измерений при сертификационных испытаниях содержит блок 1 средств измерений информативных параметров объекта измерений, информационный вход которого соединен с объектом 2 измерений.
Кроме того, автоматизированная измерительная система для оценки качества объектов измерений при сертификационных испытаниях содержит также блок 3 формирования характеристик точности средств измерений, вход которого соединен с первым выходом блока 1 средств измерений информативных параметров объекта измерений, блок 4 формирования условий единства измерений, вход которого соединен с выходом блока 3 формирования характеристик точности средств измерений, и блок 5 определения минимального объема измерений, первый вход которого соединен с выходом блока 4 формирования условий единства измерений.
Автоматизированная измерительная система для оценки качества объектов измерений при сертификационных испытаниях содержит также блок 6 определения параметров решающей функции, блок 7 формирования требований к достоверности оценки качества объекта измерений, выход которого соединен со вторым входом блока 5 определения минимального объема измерений и с входом блока 6 определения параметров решающей функции, блок 8 формирования плана измерений, вход которого соединен с выходом блока 5 определения минимального объема измерений, а выход - соединен с управляющим входом блока 1 средств измерений информативных параметров объекта измерений, блок 9 обработки измерений, вход которого соединен со вторым выходом блока 1 средств измерений информативных параметров объекта измерений, и блок 10 принятия решений об оценке качества объекта измерений, информационный вход которого соединен с выходом блока 9 обработки измерений, а управляющий вход - соединен с выходом блока 6 определения параметров решающей функции.
Блок 2 является физическим объектом сертификационных испытаний, блок 1 - в простейшем случае набором средств измерений, объединенных, преимущественно в автоматизированный комплекс, а блоки 3-10 выполнены в виде специализированных устройств вычислительной техники, для которых ниже представлены соответствующие математические выражения, достаточные для их программирования и реализации.
Работает автоматизированная измерительная система для оценки качества объектов измерений при сертификационных испытаниях следующим образом.
Предварительно изложим теоретические предпосылки работы системы.
k
Качество объекта измерений (ОИ) характеризуется совокупностью его параметров (характеристик), которые, как правило, могут быть измерены и которые обозначим множеством величин x, .
При сертификационных испытаниях необходимо определить соответствие качества ОИ сертификационным требованиям, которые задаются в виде требований к качеству в форме
0k
k
где x - середина поля допуска, Tx - допуск.
k
k
k
Информацию о величине x получают средством измерения (СИ), в паспорте которого указывается предел для случайной погрешности E(x) и вероятность ее не выхода за этот предел
где ;
e
k
m(x) - систематическая погрешность;
ek
- центрированная случайная величина, характеризующаяся дисперсией D и  - среднее квадратическое отклонение (СКО);
k
Te - допуск поля допуска .
Показателями точности случайного результата измерения
e
k
являются величины m(x) и . В требованиях регламентирующих
документов о единстве измерений установлено, что показатели точности результата измерения не должны выходить за установленные пределы, т.е. должны выполняться следующие условия единства измерений:
где , ,
, ,
0,5
k
k
k
t(1-λε),  - квантили табличной функции Лапласа; λ∈[0,1-0,4].
Выполнение условия (3) гарантирует выполнение отношения (2).
k
k
k
k
Таким образом, тройки величин (Te, ε, λ),  позволяют сформировать условия единства измерений (3) для СИ, .
j
k
Многократные измерения Y(x),  после их обработки позволяют получить результат измерения с меньшей дисперсией
, ,
k
где µ,  - объем многократных измерений.
Формирование альтернативных гипотез на основе поля допуска
k
k
0k
где Δx=x-x, .
Разделив отношения (4) на СКО , получим
где , .
Решающая функция для оценки гипотез (5) имеет стандартный вид
tk
где , D=1 - имеет нормальное распределение;
, ,
tk
xk
ek
, ε=ε+ε, ,
.
tk
Из выражения (6) вытекает функция аргумента |ε|
0k
tk
k
k
0k
0k
1k
которую принято называть называется оперативной характеристикой решающей функции (6). Ее значения определяют вероятность принять гипотезу H, при любом значении аргумента |ε|. Тройка элементов (x, µ, u) определяет план эксперимента по оценке гипотез H и H, .
e
k
При допущении m(x)=0 функция (7) принимает виде
Она обладает следующими свойствами
xk
k
k
0k
1. L(|ε|/x,µ,u)≈1.
xk
2. Монотонно убывает с возрастанием аргумента |ε|.
3 .
График функции (8) показан на фиг.2.
0
0k
0k
1k
На интервале гипотезы H функция (8) определяет вероятность правильно оценить гипотезу H, а ее дополнение до единицы - вероятность ошибочно оценить гипотезу H как H - вероятность первого рода
1k
1k
0k
На интервале гипотезы H функция (8) определяет вероятность ошибочно ценить гипотезу H как гипотезу H. Это вероятность ошибки второго рода
Очевидно, что в точке  имеет место равенство
xk0
xk1
Это означает, что в этой точке и ее малой окрестности (ε, ε) невозможно одновременно ограничить малыми значениями обе вероятности (9) и (10). Это можно реализовать только для гипотез:
Тогда ограничения для выражений (9), (10) будут следующими
или
k
0k
0k
0k
0k
1k
Оставив в этих отношениях только знаки равенства, получим два уравнения для определения неизвестных параметров µ и u, задавшись парами чисел (α,ξ) и (β,ξ), .
Решения этих уравнений при условии  имеют следующие выражения
где ;
- коэффициент, учитывающий ограничение  (3);
k
k
- коэффициент, учитывающий допуски Te и Tx;
k
k
- квантиль функции Лапласа, учитывающий параметры λ, ε;
k
k
- коэффициент, учитывающий допуск на систематическую погрешность  и требование к величине x через допуск Tx.
Таким образом, выражения (14) учитывают:
k
- требования к величине x,  (1);
- условия единства измерений (3);
- достоверность (13).
Окончательное решение о соответствии качества объекта измерения принимается решающей функцией следующего вида
0
Где гипотеза H - объект измерения соответствует требованиям (1),
1
гипотеза H - объект измерения не соответствует требованиям (1).
k
k
k
k
xk
r(|t|),  - решающие функции (6), аргументами которых являются экспериментальные значения величин |T|, полученные в результате обработки многократных измерений с объемами µ(γ), .
Решающая функция (16) гарантирует выполнение следующих отношений на достоверность оценки качества объекта измерения.
,
,
Где ;
∩ - знак произведения соответствующих гипотез.
Указанный подход реализован в предложенном устройстве следующим образом.
k
Блок 1 средств измерений информативных параметров объекта измерений, информационный вход которого соединен с объектом 2 измерений, содержит измерительные средства, объединенные, как правило, в автоматизированную измерительную систему. Набор средств измерений определяется совокупностью величин x, , характеризующих качество объекта измерения 2.
k
k
k
k
Средства измерений характеризуются соответствующими характеристиками точности, в частности, случайной погрешностью E(x) и вероятностью ее не выхода за этот предел, определяемой соотношением (2). Эти характеристики заносятся и хранятся в блоке 3. Информация из этого блока поступает в блок 4 формирования условий единства измерений, определяемой тройками величин (Te, ε, λ), .
0k
0k
0k
1k
Одновременно с этим в блок 7 заносятся и хранятся в нем требования к достоверности оценки качества объекта измерений в виде пар чисел (α, ξ) и (β, ξ) . Это позволяет в блоке 5 определить минимальный объем измерений, а в блоке 6 определить параметры решающих функций, используя первое и второе из соотношений (14), соответственно.
Информация из блока 5 поступает в блок 8, который в соответствии с полученными оценками по объему измерений формирует сигналы для управления средствами измерений блока 1 в отношении количества измерений по каждому параметру (характеристике) объекта измерений. Результаты измерений от средств измерений поступают в блок 9, где они обрабатываются по всему объему измерений и в блоке 10 на основании сравнения этих результатов обработки с пороговыми значениями решающих функций принимаются решения о соответствии или несоответствии параметров (характеристик) объекта измерений сертификационным требованиям.
Таким образом, благодаря расширению арсенала технических средств, введения, в частности блока формирования характеристик точности средств измерений, блока формирования условий единства измерений, блока определения минимального объема измерений, блока определения параметров решающих функций, блока формирования требований к достоверности оценки качества объекта измерений, блока формирования плана измерений, вход которого соединен с выходом блока определения минимального объема измерений, блока обработки измерений, и блока принятия решений об оценке качества объекта измерений с соответствующими связями, достигается требуемый технический результат, заключающийся в расширении функциональных возможностей обеспечивающих, в частности, реализацию таких возможностей, как оценку минимально требуемого объема измерений и параметров решающих функций. Это позволяет в большинстве практических случаев сократить расходы на измерения и повысить достоверность выводов о соответствии качества объекта измерений сертификационным требованиям.