Методическое пособие 466

10 м), ближнего (до 10 см) и сверхближнего (доли миллиметров) действия, позволяющие роботу автоматически ориентироваться в зоне обслуживания и перемещать требуемые предметы. Точность определения положения (точность позиционирования) современных роботов характеризуется погрешностью ± (0,05—0,1) мм при расстояниях 30 – 50 мм и ±1° угла поворота в пределах

180°.

1.10. Применение вычислительной техники при измерениях

При автоматизации производственных и технологических процессов требуется за ограниченное время одновременно измерять, регистрировать значительное количество параметров и перерабатывать большие потоки информации. Успешное решение этих задач во многом зависит от взаимосвязанного развития таких научных направлений, как информатика, вычислительная техника и автоматизация. Автоматизация методов и средств измерений, процессов управления, получения, хранения и анализа данных привели к созданию измерительно-вычислительных систем на основе мини-, микро- и персональных ЭВМ (компьютерных измерительных систем).

Магистрально-модульный принцип создания систем стал основным в связи с переходом на широкое использование микропроцессоров. Одно из последних достижений измерительной техники — использование в приборах встроенных микропроцессоров для решения задач управления, вычислений по определенному алгоритму и сопряжений. Создаются многофункциональные приборы, аналоговые приборы вытесняются цифровыми, выполненными на интегральных схемах, последние уменьшают габариты цифровых приборов, мощность потребления, упрощают технологию изготовления и автоматизируют их производство. Цифровые приборы, кроме визуальной индикации измерительной информации в десятичной системе, имеют выход в двоично-десятичном коде для ввода в ЭВМ и на цифропечатающее устройство, тем самым расширяется непрерывный контроль параметров систем с регистрацией контролируемых значений и сигнализацией при выходе за пределы нормы.

Наличие микропроцессорной системы дает возможность полностью автоматизировать работу цифрового осциллографа с программным управлением, что повышает эффективность экспериментального исследования многих процессов. Разнообразие задач, решаемых с помощью средств измерительной техники, влечет за собой разработку разных по структуре и назначению измерительных систем от простейших, где ЭВМ является внешним звеном, предназначенным лишь для обработки результатов измерений, до сложных структур, где мини- и микро ЭВМ используются не только для обработки информации, но и для управления. Развитие этих систем вызвано

минимальном участии человека.

Взаимообусловленное развитие измерений, электроники и вычислительной техники определяет уровень экономики в целом и общий рост производительности труда.

1.10.1. Информационно-измерительные системы и измерительновычислительные комплексы

Усложнение современного производства, развитие научных исследований привело к необходимости измерять и контролировать одновременно сотни и тысячи различных физических величин. Естественная физиологическая ограниченность возможностей человека в восприятии и обработке больших, объемов информации стала одной из причин появления таких средств измерений, как измерительные системы. Измерительные системы — это совокупность функционально объединенных средств измерений, средств вычислительной техники и вспомогательных устройств, соединенных между собой каналами связи, предназначенных для выработки сигналов измерительной информации о физических величинах, свойственных данному объекту, в форме, удобной для автоматической обработки, передачи и (или) использования в автоматических системах управления. Примерами могут служить системы, развернутые на крупных предприятиях и предназначенные для контроля технологического процесса производства какого-либо изделия, например, производства стали, электроэнергии и т.п.

В зависимости от назначения измерительные системы разделяют на измерительные, контролирующие, управляющие. По числу измерительных каналов системы подразделяются на одно-, двух-, трех- и многоканальные.

Важной их разновидностью являются информационно-измерительные системы (ИИС), предназначенные для представления измерительной информации в виде, необходимом потребителю. По организации алгоритма функционирования различают системы:

•с заранее заданным алгоритмом работы, правила функционирования которых не меняются, поэтому они могут использоваться только для исследования объектов, работающих в постоянном режиме;

•программируемые, алгоритм работы которых меняется по за данной программе, составляемой в соответствии с условиями функционирования объекта исследования;

•адаптивные, алгоритм работы которых, а в ряде случаев и структура, изменяются, приспосабливаясь к изменениям измеряемых величин и условий работы объекта.

Наиболее перспективным методом разработки и производства ИИС является метод агрегатно-модульного построения из сравнительно

должны быть решены задачи совместимости и сопряжения блоков, как между собой, так и с внешними устройствами. Применительно к ИИС существует пять видов совместимости:

•информационная, которая предусматривает согласованность входных и выходных сигналов по видам и номенклатуре, информативным параметрам и уровням;

•конструктивная, обеспечиваемая согласованностью эстетических требований, конструктивных параметров, механических сопряжений блоков при их совместном использовании;

• энергетическая, предполагающая согласованность напряжений и токов, питающих блоки;

•метрологическая, обеспечивающая сопоставимость результатов измерений, рациональный выбор и нормирование метрологических характеристик блоков, а также согласование параметров входных и выходных цепей;

•эксплуатационная, т.е. согласованность характеристик блоков по надежности и стабильности, а также характеристик, определяющих влияние внешних факторов.

Связь между блоками системы и их совместимость устанавливается посредством стандартных интерфейсов. Под интерфейсом понимается совокупность механических, электрических и программных средств, позволяющих объединять блоки в единую систему.

Структура ИИС довольно разнообразна и существенно зависит от решаемых задач.

Важной разновидностью ИИС является измерительно-вычислительные комплексы (ИВК) — функционально объединенная совокупность средств измерений, компьютеров и вспомогательных устройств, предназначенная для выполнения конкретной измерительной задачи. Основными признаками принадлежности средства измерений к ИВК являются: наличие процессора или компьютера; программное управление средствами измерений; наличие нормированных метрологических характеристик; блочно-модульная структура, состоящая из технической (аппаратной) и программной (алгоритмической) подсистем.

Техническая подсистема должна содержать средства измерений электрических величин (измерительные компоненты), средства вычислительной техники (вычислительные компоненты), меры текущего времени и интервалов времени, средства ввода-вывода цифровых и аналоговых сигналов с нормированными метрологическими характеристиками.

В программную подсистему ИВК входят системное и общее прикладное программное обеспечение (ПО), в совокупности образующие математическое

дополнительных программных средств, позволяющих работать в диалоговом режиме; управлять измерительными компонентами; обмениваться информацией внутри подсистем комплекса; проводить диагностику технического состояния. Программное обеспечение представляет собой взаимодополняющую, взаимодействующую совокупность подпрограмм, реализующих:

•типовые алгоритмы эффективного представления и обработки измерительной информации, планирования эксперимента и других измерительных процедур;

•архивирование данных измерений;

•метрологические функции ИВК (аттестация, поверка, экспериментальное определение метрологических характеристик и т.п.).

Измерительно-вычислительные комплексы предназначены для выполнения таких функций, как:

•осуществление прямых, косвенных, совместных или совокупных измерений физических величин;

•управление процессом измерений и воздействием на объект измерений;

•представление оператору результатов измерений в требуемом виде. Для реализации этих функций ИВК должен обеспечивать:

•восприятие, преобразование и обработку электрических сигналов от первичных измерительных преобразователей;

• управление средствами измерений и другими техническими компонентами, входящими в состав ИВК;

•выработку нормированных сигналов, являющихся входными для средств воздействия на объект;

•оценку метрологических характеристик и представление результатов измерений в установленной форме.

По назначению ИВК делятся на типовые, проблемные и специализированные. Типовые комплексы предназначены для решения широкого круга типовых задач автоматизации измерений, испытаний или исследований независимо от области применения. Проблемные комплексы разрабатываются для решения специфичной для конкретной области применения задачи автоматизации измерений. Специализированные ИВК предназначены для решения уникальных задач автоматизации измерений, для которых разработка типовых и специализированных комплексов экономически нецелесообразна.

Основными составными частями комплекса являются:

•компьютер с периферийными устройствами, подключенными к нему, в том числе и посредством компьютерной сети;

•программное обеспечение, представляющее собой совокупность

разного уровня;

•интерфейс, организующий связь технических устройств ИВК с компьютером;

•формирователь испытательных сигналов, которыми воздействуют на объект измерения с целью получения измерительных сигналов. Каждый такой сигнал (например, на рис. 1.21 это 1-й сигнал) вырабатывается с помощью последовательно соединенных ЦАП, и преобразователя "напряжение — испытательный сигнал" (ПНИС);

•измерительные каналы (ИК), предназначенные для преобразования в цифровой код заданного числа сигналов (К — для первого ИК и L — для N-го ИК). Структура ИК существенно зависит от решаемой задачи. Однако практически в любом случае каждый из них содержит аналоговый измерительный (АИП) и аналого-цифровой (АЦП) преобразователи. При обработке нескольких измерительных сигналов одним АЦП в состав комплекса включается коммутатор, предназначенный для поочередного подключения сигналов к входу АЦП. Коммутатор может включаться как после АИП (ИК1 на рис. 1.21), так и перед ним (ИК N на рис. 1.21).

АИП предназначен для преобразования измерительного сигнала в сигнал, однородный с входным сигналом АЦП (т.е. в напряжение), и масштабирования (усиления или ослабления) его до уровня, необходимого для проведения операции аналого-цифрового преобразования с минимальной погрешностью. При наличии нескольких измерительных сигналов (К сигналов в ИК1 на рис. 1.21) АИП состоит из К независимых последовательно соединенных первичных преобразователей и управляемых компьютером масштабируемых усилителей. Если же измерительные сигналы являются однородными физическими величинами и могут быть поочередно выбраны (коммутированы), то в ИК целесообразно использовать только один АИП (рис. 1.21 — ИК N). Он последовательно во времени проводит преобразование измерительного сигнала и последующее его масштабирование.

АЦП преобразует сигнал в цифровой код и передает его через интерфейс в компьютер. Работой всей аппаратной части ИВК управляет компьютер. Это осуществляется посредством:

77

Рис. 1.21. Структурная схема измерительно-вычислительного комплекса

•подачи управляющих сигналов различного рода;

•считывания и передачи по требуемым адресам цифровой информации (сигналы "Данные" и "Адрес" на рис. 1.21). Под "Адресом" понимается уникальный цифровой код, присвоенный конкретному блоку ИВК или его части и позволяющий компьютеру через интерфейс однозначно идентифицировать данное устройство.

По команде оператора выбирается тот или иной режим работы ИВК из числа реализованных в программном обеспечении. Компьютер рассчитывает цифровой код, описывающий заданное изменение во времени каждого из М испытательных сигналов, и в виде двоичного цифрового кода записывает в оперативные запоминающие устройства формирователя испытательных сигналов (на рис. 1.21 не показаны). Оттуда эти коды последовательно во времени циклически поступают на вход каждого из ЦАП. Формируемые на их выходах напряжения с помощью ПНИС преобразуются в требуемые физические величины, воздействующие на объект измерения.

Измерительные сигналы, представляющие собой отклик объекта измерения на испытательные воздействия, преобразуются в измерительных каналах в двоичный цифровой код и считываются компьютером. Полученные коды обрабатываются по заданным алгоритмам, в результате получается искомая измерительная информация.

Каждый ИВК — это сложное техническое устройство, поэтому содержит средства диагностики его состояния. 78

1.11. Основы метрологического обеспечения

Под метрологическим обеспечением (МО) понимается установление и применение научных и организационных основ, технических средств, правил и норм, необходимых для достижения единства и требуемой точности измерений.

Объектом МО являются все стадии жизненного цикла (ЖЦ) изделия (продукции) или услуги. Под ЖЦ понимается совокупность последовательных взаимосвязанных процессов создания и изменения состояния продукции от формулирования исходных требований к ней до окончания эксплуатации или потребления.

Так, на стадии разработки продукции для достижения высокого качества изделия производится выбор контролируемых параметров, норм точности, допусков, средств измерения, контроля и испытания. Также осуществляется метрологическая экспертиза конструкторской и технологической документации.

При разработке МО необходимо использовать системный подход, суть которого состоит в рассмотрении указанного обеспечения как совокупности взаимосвязанных процессов, объединенных одной целью – достижением требуемого качества измерений. Такими процессами являются:

установление рациональной номенклатуры измеряемых параметров и оптимальных норм точности измерений при контроле качества продукции и управлении процессами;

технико-экономическое обоснование и выбор СИ, испытаний и контроля и установление их рациональной номенклатуры;

стандартизация, унификация и агрегатирование используемой контрольноизмерительной техники;

разработка, внедрение и аттестация современных методик выполнения измерения, испытаний и контроля (МВИ);

поверка, метрологическая аттестация и калибровка контрольноизмерительного и испытательного оборудования (КИО), применяемого на предприятии;

контроль за производством, состоянием, применением и ремонтом КИО, а также за соблюдением метрологических правил и норм на предприятии;

участие в разработке и внедрении стандартов предприятия;

внедрение международных, государственных и отраслевых стандартов, а также иных нормативных документов Госстандарта;

проведение метрологической экспертизы проектов нормативной, конструкторской и технологической документации;

проведение анализа состояния измерений, разработка на его основе и осуществление мероприятий по совершенствованию МО;

подготовка работников соответствующих служб и подразделений предприятия к выполнению79контрольно-измерительных операций.

Метрологическое обеспечение имеет четыре основы: научную, организационную, нормативную и техническую. Их содержание показано на рис. 1.22. Разработка и проведение мероприятий МО возложено на метрологические службы (МС). Метрологическая служба – служба, создаваемая в соответствии с законодательством для выполнения работ по обеспечению единства измерений и осуществления метрологического контроля и надзора.

Метрологическое обеспечение

на конституционной норме (ст. 71), которая устанавливает, что в федеральном ведении находятся стандарты, эталоны, метрическая система и исчисление времени, и закрепляет централизованное руководство основными вопросами законодательной метрологии, такими, как единицы ФВ, эталоны и связанные с ними другие метрологические основы. В развитие этой конституционной нормы приняты законы «Об обеспечении единства измерений» и «О стандартизации»,

Основными целями Закона «Об обеспечении единства измерений», принятого в 1993г., являются:

установление правовых основ обеспечения единства измерений в РФ;

содействие прогрессу на основе создания и применения государственных эталонов единиц ФВ;

регулирование отношений государственных органов управления с юридическими и физическими лицами по вопросам изготовления, выпуска, эксплуатации, ремонта, продажи и импорта средств измерений;

защита прав и законных интересов граждан, установленного правопорядка и экономики РФ от отрицательных последствий недостоверных результатов измерений;

гармонизация российской системы измерений с мировой практикой.

Закон закрепляет ряд основных понятий метрологии. Одним из главных является единство измерений – состояние измерений, при котором их результаты выражены в узаконенных единицах величин и погрешности измерений не выходят за установленные границы с заданной вероятностью. Кроме этого, в Законе даны определения таких понятий, как средство измерений, эталон единицы величины, метрологическая служба, метрологический контроль и надзор, поверка и калибровка средства измерений, сертификат об утверждении типа средств измерений, аккредитация на право поверки средств измерений, лицензия на изготовление (ремонт, продажу, прокат) средств измерений, сертификат о калибровке. Приведенные определения соответствуют официальной терминологии Международной организации законодательной метрологии (МОЗМ).

Закон устанавливает, что государственное управление деятельностью по обеспечению единства измерений в РФ осуществляет комитет Российской Федерации по стандартизации, метрологии и сертификации (Госстандарт России), и определяет его цели, задачи, компетенцию, ответственность и полномочия.

Закон «Об обеспечении единства измерений» укрепляет правовую основу для международного сотрудничества в области метрологии. Положения настоящего Закона были расширены Государственной системой обеспечения единства измерений (ГСИ), представляющей собой комплекс нормативных документов межрегионального и межотраслевого уровней, устанавливающих правила, нормы, требования, направленные на достижение и поддержание единства измерений в стране (при требуемой точности), утверждаемых Госстандартом страны. Основными объектами ГСИ являются:

единицы ФВ; государственные эталоны и общесоюзные поверочные схемы;

нормы точности измерений; способы выражения и формы представления результатов и показателей

точности измерений; методики выполнения измерений;

методики оценки достоверности и формы представления данных о свойствах веществ и материалов;

требования к стандартным образцам свойств веществ и материалов; термины и определения в области метрологии; организация и порядок проведения государственных испытаний СИ,

поверки и метрологической аттестации СИ и испытательного оборудования; калибровки СИ, метрологической экспертизы нормативно-технической, проектной, конструкторской и технологической документации, а также экспертизы и данных о свойствах материалов и веществ.

Текущая метрологическая деятельность регламентируется постановлениями Правительства РФ. Наиболее важными из принятых в последнее время постановлений являются следующие:

Об организации работ по стандартизации, обеспечению единства измерений, сертификации продукции и услуг (с изменениями от 12 января 1996г.) (утверждено постановлением Правительства РФ от 12.02.94 №100);

Положение о порядке создания и правилах пользования федеральным фондом государственных стандартов, общероссийских классификаторов техникоэкономической информации, международных (региональных) стандартов, правил, норм и рекомендаций по стандартизации, национальных стандартов зарубежных стран;

Положение о порядке опубликования государственных стандартов и общероссийских классификаторов технико-экономической информации;

Положение о государственных научных метрологических центрах;

Порядок утверждения положений о метрологических службах федеральных органов исполнительной власти и юридических лиц;

Порядок аккредитации метрологических служб юридических лиц на право поверки средств измерений;

Положение о метрологическом обеспечении обороны в Российской Федерации;

Постановление об утверждении положения о Государственном комитете РФ по стандартизации и метрологии (от 07.05.99 №498).

Для реализации положений законов «Об обеспечении единства измерений» и «О стандартизации», а также постановлений Правительства РФ разрабатываются и принимаются подзаконные акты – нормативные документы – документы, устанавливающие правила, общие принципы или характеристики, касающиеся различных видов деятельности или их82результатов (ГОСТ Р 1.12 – 99).