СПОСОБ ИЗМЕРЕНИЯ РАЗНОРОДНЫХ ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН
METHOD OF MEASURING DIFFERENT PHYSICAL VALUES

Изобретение относится к контрольно-измерительной технике и может быть использовано в приборостроении РЭА при разработке и изготовлении интеллектуальных датчиков для измерения различных физических величин в системах контроля и управления объектами в различных сферах деятельности, например в робототехнике для оценивания состояния узлов и агрегатов роботизированной системы, а также воздействующих на нее внешних факторов, влияющих на работоспособность системы в целом.
Современное развитие средств автоматизации требует повышения уровня «интеллектуальности» и многофункциональности датчиков. Одним из перспективных направлений разработок является наделение интеллектуальных датчиков свойствами адаптивности.
В соответствии с ГОСТ Р 8.673 пункт 3.4 [1], адаптивный датчик - датчик, параметры и/или алгоритмы работы которого в процессе эксплуатации могут изменяться в зависимости от сигналов, содержащихся в нем преобразователей. А именно:
- изменение параметров и/или алгоритмов работы датчика в процессе эксплуатации осуществляется с целью повышения точности и/или достоверности результатов измерений;
- обеспечение адаптации (приспособления) в пределах, установленных в технических условиях, к диапазону изменения значений измеряемой величины, к скорости изменения измеряемой величины, к воздействию влияющих факторов, включая помехи и т.д.;
- изменение параметров и/или алгоритмов работы адаптивного датчика могут изменяться в зависимости от внешних сигналов в дополнение к сигналам преобразователей, содержащихся в адаптивном датчике.
Известен способ, описанный в патенте РФ №2300745, МПК G01L 9/04, бюл. №16 от 10.06.2007, «Устройство для измерения давления» [2]. Он заключается в том, что у датчика давления имеется вычислительное устройство в виде микроконтроллера, соединенное с аналого-цифровым преобразователем, постоянным запоминающим устройством и цифровым интерфейсом, выход которого является выходом датчика. Принцип действия устройства основан на преобразовании изменения давления измеряемой среды в изменение сопротивлений тензорезисторного преобразователя давления, измерении напряжений в измерительной и питающей диагоналях преобразователя, цифровом преобразовании измеренных напряжений и сравнении измеренных напряжений. Устройство работает в режимах измерения давления, калибровки, коррекции временного дрейфа нуля и изменения значений эксплуатационных параметров. Режим работы устройства устанавливается с помощью кнопочных (сенсорных) элементов блока управления.
Недостатком данного способа и датчика давления на его основе является то, что способ не обеспечивает возможность осуществления функций самоконтроля состояния, а также не позволяет дистанционно управлять функционированием датчика в зависимости от состояния окружающей среды и установленных требований к условиям эксплуатации датчика.
Известен способ, описанный в патенте 2126995 «Интеллектуальный датчик с питанием от токовой петли» [3], в котором интеллектуальный датчик содержит микропроцессор, запоминающее устройство, схемные элементы для измерения регулируемого параметра процесса, схему управления током, схему стабилизации питания, выполненную с возможностью отбора мощности из токовой петли и подачи питания с регулируемым напряжением на микропроцессор, схемные элементы для измерения амплитуды протекающего в токовой петле тока в пределах между максимальным и минимальным конечными значениями в заданном соотношении с измеренным значением параметра процесса, и чувствительную схему, с помощью которой интеллектуальный датчик, при обнаружении дефицита суммарной потребности в мощности питания микропроцессора и упомянутых схемных элементов, формирует сигнал (XIRQ) для управления микропроцессором с целью задержки дальнейшего выполнения хранимой программы на время, достаточное для ограничения суммарной потребности в мощности питания с устранением указанного дефицита.
Недостатком данного способа является то, что отсутствует возможность дистанционного адаптивного управления функционированием интеллектуального датчика.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому техническому решению является выбранный в качестве прототипа способ измерения давления и интеллектуальный датчик давления на его основе (патент 2515079, публикация патента: 10.05.2014 «Способ измерения давления и интеллектуальный датчик давления на его основе» [4], в котором интеллектуальный датчик давления на основе нано- и микроэлектромеханической системы (НиМЭМС) содержит мостовую измерительную цепь из тензорезисторов, источник тока, три аналого-цифровых преобразователя, вычислительное устройство, постоянное запоминающее устройство и цифровой интерфейс, причем вычислительное устройство блока самоконтроля, второй, третий и четвертый входы которого соединены с первым, вторым и третьим выходами блока преобразования кода АЦП в численное значение напряжения, а пятый вход соединен с четвертым входом вычислительного устройства самоконтроля. Заявленной целью изобретения является повышение надежности результата измерения путем введения самоконтроля датчика и осуществления проверки достоверности измерения давления за счет сравнения измеренных и вычисленных значений напряжений между одним узлом питающей диагонали и каждым из узлов измерительной диагонали.
Недостатком прототипа является то, что данный способ не позволяет производить измерение и оценивать измеренные величины различных физических величин одновременно, а так же не обеспечивает осуществление дистанционного адаптивного управления функционированием интеллектуального датчика.
Задачей предлагаемого изобретения является расширение функциональных возможностей интеллектуального датчика введением:
х
- в состав его измерительной части дополнительных сенсоров для измерения различных физических величин, присвоением каждому сенсору уникального кода цифровой идентификации, применением унифицированного адаптера для установки и подключения более 2 сенсоров;
- в вычислительную часть дополнительных правил и процедур для получения и обработки измерительной информации, а также реализации дистанционного адаптивного изменения состава, содержания процедур обработки измеренных значений разнородных физических величин.
Технический результат достигается за счет введения в прототип новых элементов, а в известный способ, новых процедур и изменения порядка осуществления действий, а именно:
в измерительную часть мультисенсорного интеллектуального датчика (МСИД) вводят:
- устройство хранения уникального кода цифрового идентификатора в конструкцию каждого сенсора для дальнейшего согласования процедур обработки измерительной информации;
- адаптер, включающий:
а) унифицированные гнезда, обеспечивающие установку и подключение более двух сенсоров одновременно для измерения значений разнородных/однородных физических величин;
б) информационный интерфейс, обеспечивающий передачу измерительной информации с выхода каждого сенсора на вход модуля преобразований одновременно с кодом его цифрового идентификатора;
в) модуль преобразований полученных от сенсоров значений физических величин в требуемую форму.
В вычислительную часть МСИД вводят перепрограммируемый вычислительный модуль, включающий базу данных, базу правил и модуль интерпретации данных.
В базу данных МСИД вводят:
- правила проведения самоконтроля и оценивания работоспособности МСИД;
- для каждого подключенного сенсора границы интервалов допустимых значений измеряемой физической величины;
- код цифровой идентификации сенсора с целью организации адресного информационного взаимодействия с другими модулями МСИД.
В базу правил МСИД вводят:
- правила, включающие процедуры интерпретации задания на проведение измерений;
- правила и процедуры оценивания фактических значений совокупности измеренных физических величин, например: оценивание по совокупности осуществленных измерений методом определения средней величины множества измеренных значений физической величины за период измерений [5]:
где  - фактическое (оцененное) значение физической величины;
j
y - измеренное значение физической величины;
N - количество измерений за период измерений;
- правила проведения сравнения фактической (оцененной) величины измеренных значений и значений границ допустимого интервала изменений измеряемой физической величины на соответствие, например:
где - нижнее значение границы допустимого интервала изменений измеряемой физической величины;
-  верхнее значение границы допустимого интервала изменений измеряемой физической величины;
j
ой
- правила формирования безразмерных показателей δ несоответствия фактических и допустимых значений j физической величины [6]:
j
где δ=1 - безразмерный показатель соответствия фактического значения физической величины заданным значениям установленных границ допуска;
- безразмерный показатель несоответствия фактического значения измеренной физической величины верхнему значению установленных границ допуска;
- безразмерный показатель несоответствия фактического значения измеренной физической величины нижнему значению установленных границ допуска;
- правила представления сообщения о результатах измерений в виде матрицы δ безразмерных показателей соответствия (несоответствия) оцененных и допустимых значений совокупности измеренных физических величин;
- вводят правила дистанционного изменения состава и содержания базы данных и базы правил.
В состав МСИД вводят приемник спутниковой навигационной системы для осуществления приема навигационных сигналов с целью определения местоположения интеллектуального датчика в случае его удаленного автономного функционирования, а также для временной синхронизации информационного обмена между МСИД и периферийными устройствами.
На фиг. 1 представлен мультисенсорный интеллектуальный датчик,
где
1/1 - 1/N - разнородные физические величины, воздействующие на сенсоры;
2/1 - 2/N - подключаемые сенсоры (чувствительные элементы);
3/1 - 3/N - устройство цифровой идентификации сенсоров;
4/1 - 4/N - информация, содержащая цифровые коды идентификаторов сенсоров;
5/1 - 5/N - данные о значениях измеряемых сенсорами воздействующих физических величин;
6 - унифицированные гнезда подключения сенсоров;
7 - адаптер;
8 - модуль преобразований;
9 - модуль архивации;
10 - перепрограммируемый вычислительный модуль;
11 - база данных;
12 - база правил;
13 - модуль интерпретации данных;
14 - шина данных;
15 - приемник спутниковой навигационной системы;
16 - модуль ввода-вывода;
17 - GSM/GPRS терминал;
18 - преобразователь USB;
19 - преобразователь Wi-Fi;
20 - преобразователь Ethernet;
21 - преобразователь RS 485;
22 - преобразователь волоконно-оптической линии связи (ВОЛС);
23 - модуль электроснабжения;
24 - антенна спутниковой навигационной системы;
25 - GSM/GPRS антенна;
26 - порт/разъем USB;
27 - Wi-Fi антенна;
28 - порт/разъем RJ45;
29 - порт/разъем RS 485;
30 - порт/разъем оптический;
31 - разъем подключения внешнего источника электроснабжения.
В соответствии с заявляемым способом, до начала осуществления измерений выполняют следующие операции:
- определяют количество требуемых для измерения физических величин, количество необходимых для осуществления измерений сенсоров, формируют задание на проведение измерений, подключают сенсоры 2/1-2/N к унифицированным гнездам 6 адаптера 7, производят адресацию сенсоров, привлекаемых для решения задач;
- вводят в базу данных 11 перепрограммируемого вычислительный модуля 10 номера измеряемых физических величин 1/1-1/N, код цифрового идентификатора каждого подключаемого сенсора 3/1-3/N, значения установленных границ допуска измеряемых физических величин;
- вводят в базу правил 12 перепрограммируемого вычислительного модуля 10, задание на проведение измерений, в содержание которого включают: совокупность требуемых для измерений физических величин, правила и процедуры оценивания измеренных значений, правила формирования безразмерных показателей соответствия/несоответствия полученных оценок установленным значениям границ интервалов, правила формирования и представления сообщения о результатах измерений в виде матрицы безразмерных показателей соответствия, правила интерпретации в модуле интерпретации данных 13 матрицы-задания на изменение состава и содержания правил оценивания измеренных значений, правила дистанционного изменения состава и содержания базы данных 11 и базы правил 12, правила формирования управляющих сигналов.
В процессе функционирования МСИД осуществляют опрос подключенных сенсоров 2/1-2/N в соответствии с порядком, установленным в задании, с выходов сенсоров 2/1-2/N получают измерительную информацию 5/1-5/N и передают ее на информационный вход преобразователя 8 адаптера 7 с цифровыми кодами идентификаторов 4/1-4/N, осуществляют преобразование полученной информации в требуемую форму, и с выхода преобразователя 8 по шине данных 14 передают преобразованные данные с кодами идентификаторов сенсоров на вход модуля интерпретации данных 13, где производят оценивание измеренных значений физических величин, сравнивают фактические (оцененные) значения с допустимыми значениями, вычисляют значения безразмерных показателей соответствия (несоответствия) установленным нормам, формируют матрицу безразмерных показателей соответствия, в элементах которой располагают безразмерные значения вычисленных показателей, формируют команды и управляющие сигналы периферийным устройствам.
Посредством антенны спутниковой навигационной системы 25 приемника спутниковой навигационной системы 15 получают навигационные сигналы, передают по шине данных 14 в перепрограммируемый вычислительный модуль 10 с целью временной синхронизации информационного обмена между МСИД и периферийными устройствами.
Результаты измерений в виде сформированной матрицы безразмерных показателей соответствия с выхода модуля интерпретации данных 13 по шине данных 14 передают на вход модуля архивации 9 для осуществления архивирования результатов измерений и сформированных сообщений и управляющих сигналов, а также на вход модуля ввода-вывода информационных сообщений 16.
В модуле ввода-вывода 16 информационное сообщение о результатах измерений преобразуют и передают на указанные в задании периферийные устройства по соответствующим каналам связи:
- преобразователь GSM/GPRS 17 и антенну 26;
- преобразователь USB 18 и порт-разъем 27;
- преобразователь Wi-Fi 19 и соответствующий ему антенну 28;
- преобразователь Ethernet 20 и порт-разъем 29;
- преобразователь RS 485 21 и порт-разъем 30;
- преобразователь волоконно-оптической линии связи (ВОЛС) 22 и порт-разъем 31.
В процессе функционирования МСИД, на основе комплексного анализа полученных результатов измерений совокупности физических величин, в том числе характеризующих состояние самого МСИД, а также при необходимости адаптации функциональных возможностей МСИД к возникающим изменениям внутренних и внешних факторов воздействий, изменяют задание на проведение измерений и оценивание соответствия фактических значений совокупности физических величин заданным. В соответствие с возникшей ситуацией, формируют новую матрицу-задание на изменение состава участвующих в измерениях сенсоров, содержания процедур обработки измеренных значений и формирования сообщений и управляющих сигналов состоянием МСИД. Вновь сформированную матрицу-задание дистанционно через соответствующие преобразователям 17-22 порты-разъемы 26, 28, 29 и 30 или антенные устройства 25 и 27, вводят в модуль ввода-вывода 16 и передают по шине данных 14 в модуль архивации 9 для осуществления архивирования полученного измененного задания, а также в модуль интерпретации данных 13 перепрограммируемого вычислительного модуля 10. В модуле интерпретации данных 13 полученную матрицу-задание расшифровывают в соответствии с правилами, введенными в базу правил 12, производят настройку состава задействованных в измерениях сенсоров и содержания процедур обработки измеренных значений, формирования сообщений и управляющих сигналов состоянием МСИД.
Затем осуществляют опрос подключенных сенсоров 2/1-2/N в соответствии с порядком, установленным в новом, полученном задании.
Модуль электроснабжения 23 обеспечивает энергообеспечение всех элементов МСИД как в режиме подключения к стандартным бытовым электросетям через разъем подключения внешнего источника электроснабжения 32, так и в режиме автономного энергообеспечения за счет встроенных аккумуляторов 24, обеспечивающих функционирование всех систем МСИД в течение требуемого периода времени.
В отличии от прототипа, предлагаемый способ и МСИД позволяют проводить:
- одновременное измерение одним мультисенсорным интеллектуальным датчиком разнородных/однородных физических величин сенсорами, определенными заданием для проведения измерений на данном интервале времени;
- оценивание значений совокупности измеренных физических величин в соответствии с заданием, формируя матрицу безразмерных показателей соответствия совокупности значений измеренных разнородных физических величин установленным нормам;
- интерпретацию полученной матрицы безразмерных показателей соответствия для формирования в соответствии с заданием сообщений, содержащих команды и управляющие сигналы для периферийных устройств;
- информационный обмен между мультисенсорным интеллектуальным датчиком с указанными в задании периферийными устройствами и иными средства автоматизации через модуль ввода-вывода по каналам связи в заданном формате с целью передачи результатов измерений и получения матрицы-задания на изменение состава и содержания процедур обработки измеренных значений и выработки сообщений, команд и сигналов управления.
Таким образом, совокупность существенных признаков предлагаемого способа измерения разнородных физических величин проявляет новые свойства способа, заключающиеся в том, что в мультисенсорных датчиках обеспечивается возможность оперативно и целенаправленно варьировать количеством измеряемых разнородных физических величин и количеством измерений, оперативно производить требуемые измерения и оценивать совокупность измерительной информации, по результатам оценивания формировать управляющие сигналы для периферийных устройств, дистанционно изменять задания МСИД на проведение измерений на следующих периодах времени, формировать сообщения о результатах измерений в виде матрицы безразмерных показателей соответствия/несоответствия фактических значений физических величин заданным границам допусков, что обеспечивает снижение количества передаваемой информации и закрытие информации от несанкционированного доступа.
Указанные свойства существенно расширяют функциональные возможности МСИД и способа измерения разнородных физических величин с его помощью.
Проведенный анализ уровня техники позволил установить, что аналоги, характеризующиеся совокупностью признаков, идентичных всем признакам заявляемого технического решения, отсутствуют.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. ГОСТ Р 8.673-2009 «Датчики интеллектуальные и системы измерительные интеллектуальные», пункт 3.4.
2. Патент на изобретение, Россия, №2300745, МПК G01L 9/04, 2007.
3. Патент на изобретение, Россия, №2126995, МПК G08C 19/02, 1999.
4. Патент на изобретение, Россия, №2515079 от 10.05.2014.
5. ГОСТ Р 50779.21-2004. Статистические методы. Правила определения и методы расчета статистических характеристик по выборочным данным. Часть 1. Нормальное распределение.
6. Патент на изобретение, Россия №2574083 от 06.03.2014.
ПРИМЕР РЕАЛИЗАЦИИ СПОСОБА
Для оценивания состояния объекта ЖКХ служба эксплуатации применяет мультисенсорный интеллектуальный датчик.
До начала осуществления измерений формируют задание на проведение измерений, а именно:
1) определяют тип и количество требуемых для измерения значений физических величин 1/1-1/11:
- 1/1 - напряжение поступающей электроэнергии на вводе в щитовую объекта;
- 1/2 - температура горячей воды, поступающей на ввод теплового пункта;
- 1/3 - давление горячей воды, поступающей на ввод теплового пункта;
- 1/4 - температура корпуса насоса подкачки системы отопления объекта;
- 1/5 - температура воздуха в теплообменнике системы приточной вентиляции;
- 1/6 - температура воздуха в помещении объекта;
- 1/7 - влажность в помещении объекта;
2
- 1/8 - концентрация CO в помещении объекта;
- 1/9 - давление в системе приточной вентиляции;
2) производят подключение требуемых сенсоров 2/1-2/9 к унифицированным гнездам 6 адаптера 7 и их адресацию;
3) вводят в базу данных 11 перепрограммируемого вычислительного модуля 10 через интерфейс:
- номера измеряемых физических величин 1/1-1/9;
- код цифрового идентификатора каждого подключаемого сенсора 3/1-3/9;
2
- значения границ интервалов допустимых значений измеряемых физических величин 1/1-1/9, например: величина 1/6 (температура воздуха в помещении) должна быть не ниже 16°С и не выше 22°С, величина 1/7 (влажность в помещении) должна быть не ниже 40% и не выше 85%, величина 1/8 (концентрация CO в помещении) должна быть не выше 800 ppm (0,08%) и т.д.;
8) вводят в базу правил 12 перепрограммируемого вычислительный модуля 10 через интерфейс сформированные правила и процедуры, а также правила интерпретации в модуле интерпретации данных 13 матрицы-задания на изменение состава и содержания правил оценивания измеренных значений, правила дистанционного изменения состава и содержания базы данных 11 и базы правил 12, правила формирования управляющих сигналов;
9) в процессе функционирования формируют и вводят в базу правил 12 задание на проведение измерений на временной период Т1, например:
- измерить физическую величину 1/6 сенсором 2/6;
- измерить физическую величину 1/8 сенсором 2/8;
- измерить физическую величину 1/7 сенсором 2/7;
10) осуществляют опрос подключенных сенсоров 2/6, 2/7 и 2/8;
11) в преобразователе 8 адаптера 7 измерительную информацию 5/6, 5/7 и 5/8 преобразуют в требуемый цифровой код, осуществляют привязку измерительной информации к цифровым идентификаторам соответствующих сенсоров 5/6+4/6, 5/7+4/7 и 5/8+4/8, передают преобразованную информацию с выхода преобразователя 8 по шине данных 14 на вход модуля интерпретации данных 13;
12) в модуле интерпретации данных 13 производят следующие операции (пример для физической величины 1/6 - температура воздуха в помещении объекта):
- оценивают значений измеренных физических величин:
- сравнивают фактическую (оцененную) величину измеренных значений  и значения границ допустимого интервала физической величины 1/6 по правилу , где в соответствии с заданными интервалами  а  16≤20,56≤22;
- формируют безразмерный показатель соответствия фактических и допустимых значений физической величины 1/6  по правилу
соответственно при 16≤20,56≤22
- формируют сообщение с результатами проведенных измерений заданной совокупности физических величин в виде матрицы безразмерных показателей соответствия (несоответствия) значениям границ заданных допустимых интервалов, например:
2
это означает, что физические величины 1/6 (температура в помещении) и 1/7 (влажность в помещении) находятся в границах допуска в период измерений, а среднее значение параметра физической величины 1/8 (концентрация CO в помещении) за период измерений превысило верхнюю границу допуска и составил 984 ppm, вместо допустимых 800 ppm. Результаты измерений в виде сформированной матрицы безразмерных показателей соответствия:
- интерпретируют в модуле интерпретации данных 13 с целью формирования управляющего воздействия на периферийные устройства, например: автоматически выдается сигнал на включение системы вентиляции помещения;
- передают с выхода модуля интерпретации данных 13 по шине данных 14 на вход модуля ввода-вывода информационных сообщений 16.
В модуле ввода-вывода 16 информационное сообщение о результатах измерений преобразуют и передают на указанные в задании периферийные устройства по соответствующим каналам связи.
В соответствии с возникшей ситуацией формируют новую матрицу-задание на изменение состава участвующих в измерениях сенсоров, содержания процедур обработки измеренных значений и формирования сообщений и управляющих сигналов состоянием МСИД. Вновь сформированную матрицу-задание дистанционно, по каналам связи вводят в модуль ввода-вывода 16 и передают по шине данных 14 в модуль архивации 9 для осуществления архивирования полученного измененного задания, а также в модуль интерпретации данных 13 перепрограммируемого вычислительного модуля 10. В модуле интерпретации данных 13 полученную матрицу-задание интерпретируют в соответствии с правилами, введенными в базу правил 12, производят настройку состава задействованных в измерениях сенсоров и содержания процедур обработки измеренных значений и формирования сообщений и управляющих сигналов состоянием МСИД.
Затем осуществляют опрос подключенных сенсоров 2/1-2/N в соответствии с порядком, установленным в новом, полученном задании.