CC BY
59
Чернецов М.В.
СОВРЕМЕННЫЕ ТЕНДЕНЦИИ ПОСТРОЕНИЯ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ
Рассмотривая этапы развития и совершенствования средств измерений (СИ) в историческом аспекте, где следует выделять приоритет тех или иных видов измерений согласно принятым классификациям, т.е. выделять прямые, косвенные, совокупные и совместные измерения отметим следующие тенденции и этапы.
Первый этап характеризуется использованием измерительных приборов, которые осуществляют непосредственно прямые измерения без автоматизации вспомогательных функций, выполняемых оператором, который, объективно, прямо или косвенно присутствует во всех процедурах измерений, например, в простейших случаях выполняя операции сравнения, уравновешивания и т.п. Число таких величин, которые могут быть измерены путем простых прямых измерений, достаточно ограничено. К фундаментальным величинам согласно системе (SI - System Internationals) относятся величины представленные в табл. 1.1.
Среди приведенных в табл. 1.1 величин, как показывают их определения, непосредственно путем прямых измерений можно измерить величины, обозначенные по поз. 2, 5, 6, 9. Например, согласно
определению (поз. 1) Для измерения длины требуется знать давление (вакуум) и меру времени (1/299792458 долю секунды), т.е. дополнительно провести измерение указанных величин Аналогичная картина характерна и в случае измерения силы электрическиго тока, когда дополнительно необходимо высокоточно знать неизменющийся характер тока, который при прохождении по двум параллельным прямолинейным проводникам бесконечной длины и ничтожно малой площади кругового поперечного сечения, расположенным в вакууме на расстоянии в 1 м один от другого, вызывал бы на каждом участке проводника длиной 1 м силу взаимодействия, равную 2-10-7 Н, т.е. требуется измерять целый ряд физических величин относящихся к разряду производных величин пространств и времени, производных единиц механических величин и т.п.
Таблица 1.1. Основные единицы измерений в системе SI.
Единица
№№ по з Намен. вел-ны Нимено вание Обозначение Междуна Определение
родное
1 Длина Метр m м Метр равен расстоянию, проходимому в вакууме плоской электромагнтной волной за 1/299792458 долей секунды
2 Масса Кило- kg кг Килограмм равен массе международного прототипа
грамм килограмма
3 Время секунд а s с Секунда равна 9192631770 периодам излучения, соответствующего переходу между двумя сверхтонкими
уровнями основного состояния атома цезия-133 Ампер равен силе неизменющегося тока, который при
Сила элек трическо го тока прохождении по двум параллельным прямолинейным проводникам бесконечной длины и ничтожно малой площади
4 Ампер A А кругового поперечного сечения, расположенным в вакууме на расстоянии в 1 м один от другого, вызывал бы на каждом участке проводника длиной 1 м силу взаимодействия, равную 2-10-7 Н
5 Термодин амич. темпе-ра Кель- вин K К Кельвин равен 1/273,16 части термодинамической температуры тройной точки воды
6 Количест Моль равен количеству вещества системы, содержащей столько же структурных элементов, сколько содержится
во Моль mol моль атомов в углероде-12 массой 0.012 кг. При применении
вещества моля структурные элементы должны быть специфицированными группами частиц.
7 Кандела равна силе света в заданном направлении
Сила Канде- cd кд источника, испускающего монохроматическое излучение
света ла частотой 540-1012 Гц, энергетическая сила которого в этом направлении составляет 1/683 Вт/ср
8 Плоский Радиан rad рад Радиан равен углу между двумя радиусами окружности,
угол длина дуга между которыми равна радиусу
9 Стерадиан равен телесному углу с вершиной в центре
Телесный угол Стерад иан sr ср сферы, вырезающему на поверхности сферы площадь, равную площади квадрата со стороной, равной радиусу сферы
Простейший морфологический анализ показывает, что прямые измерения на практике встречаются крайне редко. Основное назначение прямых измерений - обеспечение единства измерений согласно ГСИ.
Второй этап развития способов измерений (начиная с конца 50-х годов прочлого века) ассоциируется с бурным развитием полупроводниковой техники и сопровождается созданием целого ряда однофункциональных автоматических аналоговых приборов, которые позволяют при минимальном участии оператора выполнять косвенные и совокупные измерения. Другими словами, СИ освобождают инженера-измерителя от выполнения рутинных работ по статистической обработке данных и выполнению соответствующих вычислительных операций по нахождению значений измеряемых величин
Третий этап характеризуется интенсивным развитием цифровой вычислительной техники и созданию на ее основе целого ряда приборов и систем с новыми функциональными возможностями (этому ряду относятся информационно-измерительные системы (ИШ) и информационно-вычислительные комплексы (ИВК), виртуальные приборы (ВП) на базе персональных компьютеров (ПК), а так же специализированные устройства на базе микроконтроллеров, которые имеют встроенные 8-10 разрядные АЦП, восьми разрядные ЦАП) и объем ОЗУ до 65 Мбайт. Все в комплексе названные приборы и СИ решают задачи построения автоматизированных систем для научных исследований (АСНИ). Характерной
особенностью рассматриваемых систем является возможность измерения многих (часто неоднородных величин).
В настоящее время все более широкое применение находят так называемые интегральные датчики (ИД), которые позволяют измерять до ста параметров объектов измерений. Благодаря компактной конструкции, выполняемой на единой подложке, датчики отличаются достаточно хорошими метрологическими и техническими характеристиками. Использование достижений микроэлектроники
позволяет насыщать интегральные датчики все более сложными функциональными возможностями.
Известны рекламные публикации, в которых описаны датчики, обладающие коммуникационными
способностями позволяющими объединять их в локальные сети сбора измерительной информации. Вместе с тем следует отметить, что рассматриваемые датчики имеют достаточно специфические области применения, связанные главным образом с измерениями составов веществ, оценкой качества продуктов и в медико-биологических исследованиях, где объекты измерения характеризуются как множеством описывающих их параметров, так и множеством влияющих факторов.
Теоретической базой реализации измерений с помощью интегральных датчиков служат теория планирования экспериментов и нормативные метрологические документы, устанавливающие принципы определения характеристик математических моделей зависимостей между физическими величинами при решении измерительных задач. При этом соответствующие интерпретирующие модели, как правило, линейны по параметрам относительно системы известных базисных функций ^(*) и представляются в двух формах:
- либо в виде функции многих переменных
1 3 к
Ф,(®;X) = 7р(®;X) = £... £ ... £ в^л • (X,...,х{,...хк&),
1=-1 ]=-3 к=-К
- либо в виде дифференциального оператора (уравнения)
О
ф(©;У,У(1),...,У(и),...,У(п)) = £ вш-^ш(у(и),...,у(0)),
а=-1
где X и У - матрицы входных и выходных переменных - физических величин, выражающих причинноследственные отношения между свойствами объекта; © = |0т : т= 1,М| - множество параметров (числовых коэффициентов); Ф^(©, X) - структура модели, т.е. зависимость выходной переменной Y от выходных
переменных.
В качестве опорных значений физических величин принимают их истинные или действительные значения. Истинное значение физической величины является расчетным в рамках строгой физической теории, константы которой определены по данным измерений первичными эталонами поверочной схемы. Действительное значение физической величины является результатом ее измерения эталоном такого уровня поверочной схемы, при котором различием действительного и истинного значений в данной измерительной задаче можно пренебречь.
Как показывает анализ, в рассматриваемой постановке задачи интегральные датчики можно применять для измерений в электроэнергетике, например, для осуществления самых массовых
измерений, например,- значений мощностей, протекающих в электроэнергетических сетях. При этом в качестве объекта измерения логично использовать силовые трансформаторы и в качестве основного измеряемого параметра оценивать их акустические шумы.
Таим образом, логично сделать вывод о том, что в реальном будущем основные проблемы
измерительной техники будут решаться как задачи совокупных измерений. При этом основной движущей силой будут алгоритмические способы совершенствования средств измерений.
