Реализация методов оценки и повышения метрологической надежности в структуре информационно-измерительных систем

УДК 681.2:53.088

РЕАЛИЗАЦИЯ МЕТОДОВ ОЦЕНКИ И ПОВЫШЕНИЯ МЕТРОЛОГИЧЕСКОЙ НАДЕЖНОСТИ В СТРУКТУРЕ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМ

Т. И. Чернышова, В. В. Третьяков

REALIZATION OF THE ASSESSMENT AND INCREASE OF METROLOGICAL RELIABILITY METHODS IN THE STRUCTURE OF INFORMATION-MEASURING SYSTEMS

T. I. Chernishova, V. V. Tretiakov

Аннотация. Актуальность и цели. В связи с широким распространением информационно-измерительных систем во многих отраслях промышленности и производства, а также при проведении научно-исследовательской деятельности особую актуальность приобретает задача обеспечения высокого уровня их метрологической надежности. Целью данного исследования является реализация методов оценки и повышения метрологического ресурса как основного показателя метрологической надежности информационно-измерительных систем на этапах их проектирования и эксплуатации. Материалы и методы. Решение поставленной задачи оценки метрологической надежности информационно-измерительных систем осуществляется с применением аналитико-вероятностного метода прогнозирования, включающего математическое моделирование процесса изменения во времени метрологических характеристик информационно-измерительных систем, а также статистическое моделирование с учетом влияния внешних дестабилизирующих факторов окружающей среды. Задача повышения метрологической надежности информационно-измерительных систем решается путем введения в их структуру подсистемы метрологического контроля. Результаты. В работе подробно описаны все этапы математического моделирования при реализации метода оценки метрологической надежности информационно-измерительных систем, а также предложена их оптимальная структура, включающая подсистему метрологического контроля с функцией автокоррекции результатов измерений. Выводы. Оценку метрологической надежности информационно-измерительных систем наиболее целесообразно производить с применением аналитико-вероятностных методов прогнозирования состояния метрологических характеристик, так как именно эти методы обладают достаточно высокой точностью прогнозирования и не требуют больших временных затрат на проведение длительных экспериментальных исследований. Предложена и подробно описана элементная база, на которой оптимально реализуется подсистема метрологического контроля и коррекции результатов измерений.

Ключевые слова: аналоговый блок, информационно-измерительная система, математическая модель, метрологическая надежность, метрологическая характеристика, метрологический ресурс.

Abstract. Background. Due to the wide circulation of information-measuring systems in many industries and productions, and also when carrying out research activity, special relevance is gained by a problem of ensuring their high level of metrological reliability. The goal of this research is realization of methods of an assessment and increase of a metrological resource, as main indicator of metrological reliability of information-measuring systems, at stages of their design and operation. Materials and methods. The realization of the goal of an assessment of metrological reliability of information-measuring systems

is enabled with application of analytical and probabilistic methods of the forecasting including mathematical modeling of process of change in time of metrological characteristics of information-measuring systems, and also statistical modeling taking into account influence of the external destabilizing environment factors. The problem of increase of metro-logical reliability of information-measuring systems is solved by introduction to their structure of a subsystem of metrological control. Results. In the article all stages of mathematical modeling at realization of a method of an assessment of metrological reliability of information-measuring systems are in detail described, and also their optimum structure including a subsystem of metrological control with function of autocorrection of results of measurements is offered. Conclusions. It is most expedient to make an assessment of metrologi-cal reliability of information-measuring systems with application of analitiko-probabilistic methods of forecasting of a condition of metrological characteristics as these methods yield the most exact results of forecasting and don't demand long time expenditure on carrying out long pilot studies. The element base on which the subsystem of metrological control and correction of results of measurements is optimum realized is offered and in detail described.

Key words: analog block, information-measuring system, mathematical model, metrological reliability, metrological characteristic, metrological resource.

Среди различных групп измерительных средств широкое распространение в настоящее время получили информационно-измерительные системы (ИИС). Возможность реализации в ИИС сложных алгоритмов измерения и обработки полученной информации, а также разнообразие выполняемых ими функций позволяют использовать информационно-измерительные системы во всех отраслях промышленности и производства. Однако с усложнением ИИС все большую актуальность приобретает задача обеспечения высокого уровня их метрологической надежности (МН), характеризующей способность ИИС сохранять во времени метрологические характеристики (МХ) в пределах установленных норм [1-3].

МН является показателем качества ИИС. Для количественной оценки МН основным показателем является метрологический ресурс (МР), оцениваемый временем пересечения реализаций нестационарного случайного процесса изменения во времени МХ границ поля допуска [2, 3].

Как показывают теоретические и практические исследования [2-4], МН ИИС определяется в основном метрологической надежностью входящих в их состав аналоговых блоков (АБ). Именно в АБ протекают основные процессы обработки и преобразования измеряемых физических величин.

Доказано [3], что элементная база (ЭБ), составляющая АБ, имеет тенденцию к старению, и, как результат, к отклонению значений своих параметров от номиналов. Это приводит к искажению выходных сигналов ИИС, а следовательно, к возрастанию погрешности измерения 5, являющейся основной метрологической характеристикой любых измерительных средств.

Воздействие на ИИС внешних дестабилизирующих факторов окружающей среды (ОС) значительно ускоряет процессы старения ЭБ АБ, что приводит к снижению МР как основного показателя МН ИИС.

Таким образом, имеют место две основные задачи исследования:

1) разработка метода оценки МН ИИС на этапе проектирования с учетом воздействия внешних факторов ОС;

2) разработка метода повышения МН ИИС на этапе их эксплуатации, реализуемого собственно в структуре ИИС.

Задача оценки МН ИИС решается путем построения математических моделей (ММ), связывающих процессы изменения МХ ИИС с изменением параметров комплектующих элементов исследуемых АБ, а также на математическом моделировании зависимостей параметров ЭБ АБ от внешних дестабилизирующих факторов ОС.

Оценка МН при проектировании АБ ИИС осуществляется с использованием метода аналитико-вероятностного прогнозирования [1-3]. В основу данного метода положен анализ нестационарных случайных процессов изменения во времени МХ АБ ИИС на основе их математических моделей. Такие ММ строятся с использованием статистического моделирования значений МХ по данным об изменении параметров ЭБ АБ в процессе предстоящей эксплуатации.

В данном исследовании в качестве основных факторов окружающей среды рассматриваются температура Т, влажность F, давление P и радиационное воздействие E.

Начальным этапом метода оценки МН АБ ИИС является построение ММ функционирования исследуемого блока:

у

где у ((, ф, t) - значение выходного сигнала АБ; х - входной сигнал; t - время эксплуатации ИИС; £ = ^2,...,} - вектор параметров комплектующих элементов, п - количество элементов АБ; ф = {ф1,ф2,...,фт} - вектор дестабилизирующих факторов ОС, m - количество данных факторов.

Далее проводится моделирование элементной базы рассматриваемого

АБ:

1;

Здесь 1 у (ф, t) - значение параметра у-го комплектующего элемента АБ в момент времени t и при воздействии факторов ОС ф; 10у - номинальное

значение данного элемента,' = 1, ..., п.

Следующим этапом является построение ММ МХ АБ в виде

Б

Как уже отмечалось выше, основными влияющими факторами ОС являются температура Т, влажность F, давление Р и радиационный фон Е. Тогда выражение (3) примет следующий вид:

Б = f

Модель (4) является важной составляющей исходных данных для проведения процедуры статистического моделирования, заключающейся в последовательном расчете характеристик закона распределения значений пара-

метров ЭБ исследуемых АБ и моделировании МХ в различных временных сечениях области контроля [2]. Результатом данной процедуры является совокупность значений математического ожидания МХ АБ в различные моменты времени эксплуатации mS(tl), ..., mS(ti), ..., mS(tK) и значений среднеквадра-тического отклонения оД^), ..., ..., оДЮ при варьировании значений

внешних влияющих факторов ОС [3],  = 1, ..., К, К - число временных сечений в области контроля.

По результатам статистического моделирования строится ММ изменения во времени МХ [2-4] вида:

т {г, ^, р, е , t),

[у±о {т,^,р,Е,I) = {Т,^,р,Е,I) + с • оS {Т,^,р,Е,^),

где с - коэффициент, выбираемый в зависимости от уровня доверительной вероятности, с = 3 при Р = 0,9973 с учетом нормального закона распределения метрологической характеристики.

Экстраполяцией зависимостей (5) на область будущих значений времени эксплуатации оценивается МР исследуемого АБ как основной показатель МН ИИС. Точность результатов прогнозирования, очевидно, будет зависеть от адекватности построенных ММ (2) для ЭБ исследуемого блока.

Таким образом предлагается решать задачу оценки МН АБ ИИС на этапе их проектирования.

Второй не менее важной задачей является разработка метода повышения метрологической надежности информационно-измерительных систем. Осуществлять данный метод предлагается на этапе эксплуатации ИИС с применением ММ (5), разработанной на этапе проектирования АБ ИИС. Метод основывается на введении в ИИС автономной подсистемы метрологического контроля [4-6], реализуемой с применением отдельных датчиков, измеряющих значения параметров ОС, и микропроцессорного устройства, осуществляющего обработку проводимых измерительных процедур.

Такой подход обеспечит ряд преимуществ:

- контроль МХ ИИС на протяжении всего периода эксплуатации с учетом воздействия указанных внешних дестабилизирующих факторов ОС;

- построение и корректировка математической модели изменения во времени МХ с учетом параметров ОС;

- контроль дрейфа МХ и возможность достоверного прогнозирования момента наступления метрологического отказа;

- оптимальное назначение сроков проведения профилактических работ и очередных поверок.

При реализации предлагаемого метода производится вычисление погрешности при измерении, и далее вычисляется соответствующая поправочная величина, компенсирующая данную погрешность. На вход АБ подается образцовый сигнал хы(^ заведомо известного значения [4]. Микропроцессорное устройство (МПУ) сравнивает выходное значение образцового сигнала уот(0 и его истинную величину хш(0. По полученным данным МПУ вычисляет основную относительную погрешность измерения 5. Структура такой подсистемы показана на рис. 1.

УФОС

Хо;00

х,(0

К

АБ

4*

ПП — У — АЦП

К

УоМ

МПУ

уМ

-Г>

Ям Яр-1 Якор

У«(0 —

Рис. 1. Структура системы формирования образцовых сигналов: К - устройство коммутации; 1111 - первичные преобразователи;

У - усилитель; АЦП - аналого-цифровой преобразователь;

МПУ - микропроцессорное устройство; УФОС - устройство формирования образцовых сигналов; Ям - оператор масштабирования;

Яр'1 - оператор градуировочного преобразования;

Якор - оператор, реализующий процедуру коррекции

На устройство коммутации К одновременно подаются образцовый хот(^) и измеряемый хг(^) сигналы, соответствующие моменту времени Далее эти сигналы преобразуются в исследуемом АБ, и на выходе АБ формируются измеренные значения образцового Уо/(^) и исследуемого у(£) сигналов. По данным значениям вычисляется основная относительная погрешность измерения образцового сигнала 5ОТ(^):

5о, (', ) = ,/ = 1,..., *,

Хо/

где к - число временных сечений, в которых производится измерение.

Коррекция измеряемого сигнала у^) осуществляется оператором Якор, с использованием вычисленного по образцовому сигналу значения погрешности 5о/(^). В результате на выходе ИИС формируется скорректированный сигнал Угс(^). Ниже алгоритм коррекции описывается более подробно.

Вычислив погрешность измерения 8о/(^) для образцового сигнала хо/(^) в соответствии с (6), справедливо использовать эту величину и для рабочего сигнала х,(0 [4], т.е. принимается, что 5г(^) = 5о/(^). Тогда действительное значение измеряемой величины угд(^) вычисляется по следующему выражению:

8 , ) =

У )" Уд )

Отсюда следует:

Уд ) =

Уд ) У )

8/ ) + Г

Далее рассчитывается значение основной абсолютной погрешности

Ш:

) = Уд к)-У к).

Рассчитанное значение Аг(^) записывается в ПЗУ ИИС для дальнейшего анализа изменения метрологической характеристики.

г

На следующем этапе [4] осуществляется формирование соответствующей поправочной величины Zi(y). Величина поправки равна абсолютной погрешности ИИС с обратным знаком:

{У ) = "Лг{).

Далее поправочное значение г(у^) вычитается из измеренной величины Уг(^), в результате чего на выходе ИИС формируется скорректированное значение этой величины угс(^):

y i0 ) = y i )- (y ).

Структура подсистемы коррекции погрешности измерения представлена на рис. 2.

I (оденете ма образцовых сигналов

Счетчик времен и Регистратор значений Г, F, И, L

тг

xJi'U""

Н

t

Вычислен не относительной погрешности

" МПУ

ш

т

)

TAfcnulfni.uuu

Измерительный

т

Вычисление поправки

Вычисление абсолютной погрешности

Ф.)

KoppL'KUiiM

й

УЖ)

Периферия

Рис. 2. Структура подсистемы коррекции в составе ИИС

Описанная методика обладает значительным преимуществом - возможностью коррекции модели изменения во времени МХ АБ ИИС (5) с учетом условий эксплуатации. Для реализации данного преимущества необходимо записывать значения исследуемой метрологической характеристики, рассчитанные по ММ (5) на этапе проектирования, а также фиксировать значения МХ, полученные при реализации метода с использованием образцовых сигналов на этапе эксплуатации [4]. Также должна осуществляться запись значений внешних факторов ОС, соответствующих значениям МХ, т.е. в ИИС происходит формирование базы данных, содержащей все указанные величины.

Структурная схема описанной ИИС с подсистемами автокоррекции и формирования образцовых сигналов представлена на рис. 3.

Данный рисунок иллюстрирует принцип функционирования предлагаемой информационно-измерительной системы. На вход измерительного канала ИИС INPUT подается измеряемая контролируемая величина х,. Одновременно в ИК поступает образцовая величина хо, от подсистемы образцовых сигналов (ПОС). Преобразованные в ИК сигналы оцифровываются аналого-

цифровым преобразователем (АЦП) и по шине данных (ШД 1) подаются в микропроцессорное устройство (МПУ) для дальнейшего преобразования.

OUTPUT

INPUT Периферия

Рис. 3. Структура ИИС со встроенной функцией метрологического контроля

В МПУ алгоритмически реализуются подсистемы вычисления относительной (ВОП) 8ог- и абсолютной (ВАП) Аг- погрешностей. Процессор рассчитывает поправочную величину z(y), и осуществляется процедура коррекции погрешности измерения. Скорректированный сигнал yic поступает на выход информационно-измерительной системы OUTPUT по шине данных (ШД 4) посредствам используемого интерфейса.

Одним из ключевых элементов данной ИИС является автономная система контроля параметров ОС (АСК). Данная подсистема осуществляет контроль внешних влияющих факторов T, F, P, E. Для каждого фактора предусмотрен отдельный измерительный канал - ИК Т, ИК F, ИК Р и ИК Е. Также необходимо наличие счетчика времени t, задающего точки контроля. Контролируемые параметры коммутируются в шине данных (ШД 2) и подаются в АЦП для преобразования в цифровой сигнал. Далее процессор ЦП обрабатывает полученные данные и записывает их в постоянное запоминающее устройство (ПЗУ). АСК осуществляет непрерывный обмен данными с МПУ и подсистемой контроля метрологической характеристики (ПКМХ) по шине данных (ШД 3). ПКМХ, в свою очередь, также обменивается информацией с микропроцессорным устройством через шину данных (ШД 4). Это осуществляется с целью коррекции значений МХ, а в дальнейшем - с целью коррекции многофакторной ММ (5) изменения во времени МХ АБ ИИС.

Датчики, отвечающие за преобразование значений внешних факторов в электрический сигнал, являются основными элементами ИК. В измеритель-

ном канале ИК T предлагается использовать термодатчик TD5A фирмы Honeywell International. Преимущество использования этого датчика заключается в его оптимальных параметрах: температурный диапазон измерения от -50 °C до +150 °C; входная сила тока 1 мА; линейность ±0,15 %; напряжение питания 9 В. В качестве альтернативного варианта может рассматриваться термодатчик TMP17 фирмы Analog Devices. Этот элемент имеет схожие характеристики с TD5A и также удовлетворяет требованиям точности и надежности измерения.

Контроль влажности ОС целесообразно осуществлять с применением датчика SHT71 фирмы Smiths Detection. Этот датчик имеет широкий диапазон рабочей температуры - от -50 °C дo +125 °C и способен измерять влажность от 0 до 100 %. При этом нелинейность этого элемента крайне мала - 0,1 %. Время отклика составляет 8 секунд. Напряжение питания +3,3 В.

Для измерения давления ОС предлагается использовать в ИК P датчики DMP 331 и LPS001WP фирмы ST Microelectronics. Эти преобразователи имеют широкий диапазон измерения давления и способны корректно функционировать при температуре от -50 °C дo +105 °C. Также данные преобразователи имеют удобный интерфейс SPI и I2C.

Уровень радиационного воздействия предлагается контролировать микропроцессорным дозиметром ДКГ-РМ1203М. Целесообразность применения данного устройства аргументируется возможностью его интеграции с АРМ или ИИС. Широкий диапазон измерения и высокий класс точности являются основными преимуществами данного дозиметра.

В качестве микропроцессорного устройства МПУ рассматривается ПЛИС EPM9560ARI208-10 семейства Max 9000 фирмы-производителя Altera. Данная ПЛИС имеет следующие основные характеристики: тип памяти -EEPROM; число макроячеек - 560; задержка - 10 нс; количество входов/выходов - 153; диапазон рабочей температуры от -50 °C дo +100 °C. Преимуществом данного микропроцессора является возможность распараллеливания выполняемых операций, а также высокая скорость обработки получаемых данных. ПЛИС EPM9560ARI208-10 осуществляет управление всеми функциональными узлами информационно-измерительной системы.

Реализация АЦП оптимально осуществляется 12-разрядными микросхемами AD7874SQ фирмы Analog Devices. Аналоговые сигналы, полученные с датчиков, преобразуются АЦП и передаются в процессор ЦП в виде двоичного кода. Обработанные данные записываются в ПЗУ и параллельно подаются на вход мультиплексора HI1-0546-2 фирмы-производителя Intersil. МПУ опрашивает данный мультиплексор, и в соответствии с комбинаций командных сигналов от ПЛИС HI1-0546-2 выдает необходимый параметр.

Для реализации подсистемы подачи образцовых сигналов (ПОС) целесообразно использовать управляемый операционный усилитель (ОУ). Преимуществом такого подхода является отсутствие жестких требований к данному ОУ. Разработчик выбирает его тип в зависимости от области применения и требований к ИИС.

В связи с однотипностью архитектуры большинства ПЗУ жесткие требования к ним также отсутствуют.

Шины данных ШД1-ШД4 предлагается реализовать на основе интерфейсов RS-232, RS-485 и CAN, характеризующихся высокой скоростью пере-

дачи данных и высокой степенью помехозащищенности, а также простотой реализации протоколов и невысокой стоимостью.

Таким образом, предлагаемое дополнение структуры информационно-измерительной системы позволяет на стадии эксплуатации реализовать метод оценки и повышения метрологического ресурса как основного показателя метрологической надежности АБ и ИИС в целом.

Список литературы

1. Мищенко, С. В. Метрологическая надежность измерительных средств / С. В. Мищенко, Э. И. Цветков, Т. И. Чернышова. - М. : Машиностроение, 2001. - 218 с.

2. Чернышова, Т. И. Математическое моделирование при анализе метрологической надежности аналоговых блоков информационно-измерительных систем / Т. И. Чернышова, В. В. Третьяков // Вестник Тамбовского государственного технического университета. - 2014. - Т. 20, № 1. - C. 42-47.

3. Нистратов, М. И. Разработка методов оценки и повышения метрологической надежности средств неразрушающего контроля теплофизических свойств объектов с учетом условий эксплуатации : дис. ... канд. техн. наук : 05.11.13 / Нистратов Михаил Игоревич. - Тамбов : Тамбов. гос. техн. ун-т, 2011. - 147 с.

4. Чернышова, Т. И. Метод повышения метрологического ресурса аналоговых блоков информационно-измерительных систем / Т. И. Чернышова, В. В. Третьяков // Вестник Тамбовского государственного технического университета. - 2015. -Т. 21, № 2. - C. 242-249.

5. Metrology in industry: the key for quality / ed. by French College of Metrology. -ISTE, 2006. - 270 p.

6. Sachenko, A. Sensor Drift Prediction Using Neural Network / A. Sachenko, V. Kochan, V. Turchenko // Proceeding of the International Workshop on Virtual and Inteligent Measurement System (VIMS' 2000). - Annapolis (USA), 2000. - 381 р.

Чернышова Татьяна Ивановна

доктор технических наук, профессор, директор Института энергетики, приборостроения и радиоэлектроники, Тамбовский государственный технический университет

E-mail: energo@nnn.tstu.ru

Chernishova Tatiana Ivanovna doctor of technical sciences, professor, director of Institute of power engineering, instrument engineering and radio electronics, Tambov State Technical University

Третьяков Владимир Владиславович аспирант,

Тамбовский государственный технический

университет

E-mail: vvt_89@mail.ru

Tretiakov Vladimir Vladislavovich

post-graduate student,

Tambov State Technical University

УДК 681.2:53.088 Чернышова, Т. И.

Реализация методов оценки и повышения метрологической надежности в структуре информационно-измерительных систем / Т. И. Чернышова, В. В. Третьяков // Модели, системы, сети в экономике, технике, природе и обществе. - 2016. -№ 1 (17). - С. 326-334.