Приклад 7.2

Приклад 7.1

Найти взаимоиндуктивность между двумя катушками.

Розв‘язання.

По одному из методов сначала катушки соединяют так, чтобы их магнитные поля складывались, и измеряют общую индуктивность

где – взаимоиндуктивность; и – индуктивности первой и второй катушек.

Затем катушки соединяют так, чтобы их магнитные поля вычитались, и измеряют общую индуктивность

Искомое значение определяется решением этих двух уравнений

.

É

Совместные измерения состоят в одновременном измерении двух или нескольких неодноименных величин с последующим вычислением результата путем решения системы полученных при измерениях уравнений.

Пусть, например, требуется найти температурные коэффициенты терморезистора при , где – значение сопротивления при °С; – температура окружающей среды, °С; А и В – температурные коэффициенты.

Розв‘язання.

Измерив значения сопротивлений терморезистора при значениях температуры и , определяемой с помощью термометра, и решив полученную в соответствии с данным уравнением систему из трех уравнений, найдем значения величин А и В.

Вправа 7.1

Складіть таку систему рівностей і знайдіть її розв‘язання.

É

Средство измерений – техническое устройство, используемое при измерениях и имеющее нормированные метрологические характеристики. К средствам измерений относятся меры, измерительные приборы и измерительные установки (системы). Кроме того, к средствам измерений относят измерительные преобразователи, измерительные принадлежности, служащие для расширения диапазона измерений, повышения точности измерений, дистанционной передачи результатов измерений, питания средств измерений высокостабильной электрической энергией и т. д. Иногда необоснованно расширяют применение понятия средства измерений на самостоятельно функционирующие, имеющие конкретное техническое назначение сложные устройства, хотя и решающие изме­рительные задачи. Например, радиолокационная станция, обнаруживающая цель и затем определяющая дальность до обнаруженного объекта и его угловые координаты, является также измерительным устройством. Но это устройство не следует относить к средству измерений, поскольку средство измерений не предназначено для выполнения самостоятельных функций (например, для поиска источников физической величины), а выполняет их совместно с источниками измеряемых физических величин. Этими источниками являются другие технические устройства, явления, тела и т. д.

Не следует, как это иногда пытаются делать, относить к средствам измерений и многочисленные виды испытательных установок, несмотря на то что многие из них также имеют нормированные метрологические характеристики. Например, барокамеры, термокамеры, вибростенды, центрифуги должны обеспечивать определенный диапазон и поддержание условий испытаний с заданной точностью. Но указанные средства не измеряют, а воспроизводят с теми или иными точностями и диапазонами условия испытаний (в том числе и условия измерений).

Мерой называется средство измерений в виде тела или устройства, предназначенное для хранения и (или) воспроизведения физической величины заданного размера. К мерам относятся нормальные элементы, измерительные магазины емкостей, генераторы стандартных сигналов и др. Градуированные шкалы средств измерений отображают набор мер физической величины.

Измерительный прибор представляет собой средство измерений, предназначенное для выработки под воздействием измеряемой величины сигнала измерительной информации, функционально связанного с числовым значением измеряемой величины, и отображения этого сигнала на отсчетном (индикаторном) устройстве или его регистрации.

Измерительная установка представляет собой комплекс средств измерений и вспомогательных устройств, обеспечивающий получение измерительной информации на исследуемом объекте в заданном объеме и заданных условиях. Обычно в измерительную установку входят приборы, меры, а также устройства их сопряжения, питания, обеспечения режимов измерений. Такая установка может быть с ручным управлением или автоматизированной. Дальнейшим усложнением измерительных задач, решаемых в интересах проверки работоспособности многопараметрических электронных систем в условиях их функционирования, вызвано появление термина измерительная система. В настоящее время, как правило, измерительные системы создаются автоматизированными и называются автоматизированными измерительными системами (АИС), автоматизи­рованными системами контроля (АСК) и т. д. В АСК ряд параметров может измеряться с низкой точностью (годен – негоден). В этих случаях решаются не измерительные, а контрольные задачи, и соответствующие приборы являются индикаторами, не требующими метрологической поверки.

Важную роль в средствах измерений, особенно автоматизированных, играют измерительные преобразователи (датчики), предназначенные для преобразования измерительного сигнала в форму, удобную для передачи, дальнейшего преобразования, хранения и обработки.

Измерительные преобразователи имеют нормированные метрологические характеристики, конструктивно они, как правило, оформлены в самостоятельное средство из­мерений, но иногда являются встроенной составной частью измерительного прибора. Одними из основных требований, предъявляемых к измерительным преобразователям, являются их унификация и стандартизация с целью сопряжения со средствами измерений, использования в измерительных системах, встраивания в объект измерений. Многие датчики выполняются не только для передачи преобразованной информации в отсчетное устройство, как это имеет место, например, для случая дистанционного измерения давления, но и для передачи измерительного сигнала в соответствующие каналы управления. Например, такой датчик, как гироскопический прибор, вырабатывает с высокой точностью измерительные сигналы, указывающие степень отклонения движущегося объекта, на котором установлен данный прибор, от заданного направления, и эти сигналы поступают в исполнительную управляющую систему для коррекции объекта.

По метрологическому иерархическому признаку все средства измерений делятся на

Ø рабочие,

Ø образцовые

Ø и эталоны.

К рабочим относятся средства измерений, не предназначенные для воспроизведения и хранения единиц физических величин, а также дня передачи их размеров другим средствам измерений. К образцовым средствам измерений относятся меры, измерительные приборы (установки) или измерительные преобразователи, применяемые для поверки по ним других средств измерений (рабочих или образцовых меньшей точности). Образцовые средства измерений обычно специально разрабатываются и аттестуются. В радиоизмерительной технике, особенно при высокоточных измерениях, не удается иногда создать образцовые приборы, и в качестве их используются специально отобранные и аттестованные приборы из числа рабочих.

Эталоны представляют собой средства измерений (обычно комплекс средств измерений), предназначенные для воспроизведения и (или) хранения единицы физической величины с целью передачи ее размера низшим по точности средствам измерений (как правило, образцовым). Эталон должен быть официально утвержден Госстандартом в качестве такового. Эталон может быть государственным – исходным для страны. При этом государственный эталон является первичным, воспроизводящим или хранящим единицу физической величины, специальным, заменяющим первичный эталон для воспроизведения единицы в особых условиях. Для обеспечения нужд отраслевых метрологических служб применяются вторичные эталоны, размер единицы которым передается от первичного (специального) эталона.

В некоторых случаях, когда не представляется возможным создать эталонное средство измерений, допускается применение так называемого группового эталона, состоящего из группы однотипных средств измерений (например, образцовых или даже рабочих). Размер единицы физической величины, хра­нимой групповым эталоном, определяется в соответствии с принятым алгоритмом обработки значений физической величины, воспроизводимых отдельными средствами измерений, входящими в состав группового эталона. В настоящее время применяются достаточно сложные алгоритмы обработки, вплоть до применения методов «самообучения».

7.1.2. Свойства средств измерений и предъявляемые к ним требования.

Всем средствам измерений присущи основные свойства: метрологические, эксплуатационные, информационные и др. Наиболее важными являются метрологические свойства (характеристики) средств измерений.

К метрологическим свойствам (характеристикам) относятся точность и диапазон измерений, чувствительность, разрешающая способность, стабильность, метрологическая надежность, неинформативные параметры средства измерений (например, для универсальных вольтметров – диапазон частот, в котором возможно измерять значения переменных напряжений и токов) и др.

7.1.2.1. Точностные характеристики средств измерений

Термин точность измерений является основным, определяющим метрологические возможности средств измерений. Под точностью измерения понимается степень близости результатов измерений к истинному значению измеряемой величины. Однако на практике удобнее пользоваться для характеристики точности средств измерений термином погрешность измерений (погрешность средства измерений), отражающим отклонение результата измерений от истинного значения измеряемой физической величины.

Погрешность измерений обусловливается многими факторами: погрешностью метода; несовершенством средства измерений; влиянием условий проведения измерений; влиянием каналов связи объекта измерений со средством измерений; субъективными погрешностями оператора, настраивающего (калибрующего) средство измерений и фиксирующего его показания, и др.

Последние два фактора не относятся к погрешности средства измерений, но влияют на погрешность результата измерений.

Погрешность измерительного прибора представляет собой разность между показаниями прибора и истинным значением измеряемой величины, а погрешность меры – разность между номинальным значением меры и истинным значением воспроизводимой ею величины.

По способу числового выражения погрешности различаются на

Ø абсолютные, выражаемые в единицах измеряемой величины, и

Ø относительные, выражаемые отношением абсолютной погрешности к истинному значению измеряемой величины.

Таким образом, абсолютная и относительная погрешности вычисляются по формулам

где – показания прибора (номинальное значение меры); – истинное значение измеряемой величины (величины, воспроизводимой мерой).

Часто вместо относительной погрешности применяется понятие приведенной погрешности средства измерений, выражаемой в виде отношения абсолютной погрешности к условно принятому значению физической величины, например к значению верхнего предела измерений.

Необходимо учитывать, что истинное значение физической величины практически неизвестно. Поэтому вместо истинного значения измеряемой величины приходится в формулы погрешностей подставлять действительное значение, найденное экспериментально и настолько близкое к истинному, что для данных целей измерений может использоваться вместо него.

По характеру и причинам появления погрешности разделяются на

Ø систематические,

Ø случайные

Ø промахи.

Систематические погрешности представляют собой такие составляющие погрешности средства измерений, которые при неоднократном использовании средства измерений остаются постоянными или изменяются закономерно. Эти погрешности поддаются изучению и учету, в силу чего результат измерений может быть уточнен путем внесения поправок. Более того, стремятся создать средство измерений таким образом, чтобы исключить влияние систематических погреш­ностей.

Систематические погрешности обусловлены неточной градуировкой средств измерений, неправильной установкой прибора, несовершенством метода измерений, применением приближенных формул (в частности, в тех случаях, когда измерительный прибор обрабатывает измерительную информацию) и т. д. Установкой нуля отсчета, калибровкой измерительных приборов перед соответствующим измерением добиваются исключения (или уменьшения) систематических погрешностей. При этом в настоящее время все чаще применяются автоматические методы коррекции систематических погрешностей, увеличивающие точность и производительность измерений.

Случайные погрешности изменяются непредвиденным (случайным) образом при проведении повторных измерений одной и той же физической величины. В отличие от систематических случайные погрешности невозможно исключить из результата измерений. Но многократные измерения одной и той же величины позволяют уменьшить случайную составляющую погрешности путем нахождения среднего ее значения (результат каждого измерения является случайной величиной) и дисперсии.

Промахи представляют собой погрешности, существенно превышающие присущие данному средству измерений систематические и случайные погрешности. Они возникают или из-за неисправностей средства измерений, или из-за грубых ошибок оператора. При обнаружении промаха соответствующий результат измерений должен быть исключен как неверный.

Погрешности, возникающие в нормальных условиях работы средств измерений [температура окружающей среды 20 ± 5 °С, атмосферное давление
кПа ( мм рт. ст.), относительная влажность воздуха ], называются основными. В технических условиях на радиоизмерительные приборы обычно указываются также дополнительные погрешности, представляющие собой дополнительное изменение основной погрешности за счет изменения внешних условий относительно нормальных. Так, довольно часто указывается дополнительная погрешность за счет измене­ния температуры (относительно нормальной).

7.1.2.2. Технические характеристики средств измерений.

Помимо точностных характеристик средства измерений характеризуются

Ø диапазоном измерений (для измерительных приборов),

Ø допустимыми условиями применения,

Ø чувствительностью,

Ø быстродействием,

Ø стабильностью,

Ø помехозащищенностью,

Ø надежностью,

Ø входным (выходным) сопротивлением,

Ø потребляемой мощностью и др.

Диапазон измерений представляет собой область значений измеряемой величины, в пределах которой нормированы погрешности средства измерений.

Условия измерений (обычно рабочие условия) содержатся в технических условиях на средство измерений и указывают на возможность проведения измерений с допустимыми изменениями метрологических характеристик. Рабочие условия измерений определяются назначением и степенью устойчивости метрологических характеристик данного средства измерений. Для унификации применяемых средств измерений рабочие условия измерений нормируются соответствующими государственными стандартами. Оценка условий измерений производится путем определения пределов изменения влияющих величин, т. е. величин, оказывающих влияние на результаты измерений.

К таким величинам относятся температура, давление и влажность окружающей среды; частота (диапазон частот), при которой производится измерение; механические нагрузки при транспортировании; напряжение и частота питающей сети; напряженность магнитного (электрического) поля, в котором находится средство измерений, и др. Наиболее часто в технических условиях на средство измерений указываются допустимые пределы рабочей температуры, относительная влажность (при той или иной температуре), напряжение и частота источников питания (с допустимыми отклонениями).

Чувствительность средства измерений представляет собой способность реагировать на изменения входного сигнала и оценивается отношением изменения выходного сигнала к вызвавшему его изменение входному сигналу. Например, чувствительность каналов отклонения луча осциллографов измеряется в миллиметрах на вольт.

Быстродействие характеризуется интервалом времени, необходимым для производства единичного измерения. Современные цифровые электронные приборы имеют быстродействие в несколько сотен, тысяч и даже сотен тысяч измерений (операций) в секунду, тогда как приборы со стрелочным индикатором позволяют производить одно измерение за несколько секунд. I

Стабильность отражает постоянство во времени метрологических показателей средства измерений. Часто эта характеристика представляется обратной величиной – нестабильностью показателей во времени.

Например, для квантовых стандартов частоты пользуются понятиями кратковременной нестабильности частоты (за 1 с) и долговременной нестабильностью частоты (за 1 сут).

Помехозащищенностью называется способность электронного средства измерений сохранять в процессе измерений свои характеристики при наличии внешних радиопомех.

Надежность представляет собой свойство средства измерений функционировать при сохранении метрологических и других показателей в заданных пределах и режимах работы. Обычно надежность характеризуется свойствами безотказности, ремонтопригодности, долговечности, сохраняемости. Для средств измерений показатели безотказности характеризуются средней наработкой на отказ (среднее значение наработки средства измерений между отказами) и вероятностью безотказной работы за заданный промежуток времени. В качестве показателя ремонтопригодности для средств измерений обычно нормируется среднее время восстановления. Долговечность средств измерений оценивается гамма-процентным ресурсом (наработка, в течение которой средство измерений не достигнет предельного состояния с вероятностью процентов) и сроком службы (календарной продолжительностью эксплуатации средства измерений до предельного состояния). Предельное состояние наступает тогда, когда обычные виды ремонта не позволяют поддерживать работоспособность прибора на требуемом уровне. В технических требованиях на средство измерений задаются обычно оба показателя долговечности, поскольку гамма-процентный ресурс определяется наработкой прибора (независимо от календарного времени эксплуатации), а срок службы – календарным временем эксплуатации (независимо от наработки). Обычно в технических требованиях под сроком службы понимается среднее его значение.

Средства измерений до поступления на эксплуатацию могут длительное время находиться на хранении. В связи с этим в технические требования часто включается в качестве показателя сохраняемости средний срок сохраняемости или гамма-процентный срок сохраняемости.

Входное (выходное) сопротивление определяет влияние средства измерений на характеристики объекта измерений или другие приборы при их подключении друг к другу. На высоких частотах входная цепь средства измерений представляет собой электрический контур и входное сопротивление является комплексным (входным импедансом), зависящим от частоты, на которой производится изменение. Обычно это сопротивление характеризуется раздельно активной и реактивной составляющими импеданса (например, омическим сопротивлением и емкостью). Для согласования выходного сопротивления с нагрузкой стремятся предусмотреть возможность его изменения (путем переключения).

В последнее время радиотехнические средства измерений при характеристике их технических и конструктивных особенностей относят к тому или иному поколению. При этом к первому по­колению относят приборы с ручным управлением, применением электронно-вакуумных приборов и объемного монтажа элементов (резисторов, конденсаторов и др.). Ко второму поколению относят приборы с ручным управлением, полупроводниковыми приборами с применением как объемного, так и печатного монтажа элементов. Третье поколение характерно применением микросхем и микросборок, одно- и двухслойных печатных плат, полуавтоматическим управлением (автоматическая установка нуля, самокалибровка). К четвертому поколению относят средства измерений, имеющие автоматическое управление от встроенного микропроцессора и использующие микросхемы и микросборки большой степени интеграции, а также многослойные печатные платы. Обычно критерием отнесения средства измерений к соответствующему поколению являются наиболее характерные его черты: например, приборы со встроенным микропроцессором независимо от других технологических особенностей обычно относят к четвертому по­колению.

7.1.3. Перспективы развития средств измерений в электронике.

Средства измерений, применяемые в электронике и получившие общее наименование радиоизмерительных приборов (РИП), достигли достаточно высокого уровня развития. Они, в большинстве своем, имеют наивысшие точности (по сравнению со средствами измерений других физических величин – электрических, механических, тепловых и т. д.). Более того, развитие средств измерений физических величин неэлектрического характера все более приближается по принципиальному и конструктивному выполнению к РИП: неэлектрическая величина с помощью измерительных датчиков преобразуется в электрическую (иногда в достаточно широком диапазоне частот), и в дальнейшем процесс усиления, преобразования и регистрации измерительной информации основывается на принципах и методах электронных средств измерений. Это направление развития получает широкое распространение, поскольку позволяет автоматизировать процесс измерений, унифицировать и стандартизовать различные виды средств измерений, обеспечить метрологическую, конструктивную, информационную, энергетическую и эксплуатационную совместимость средств измерений между собой и с объектами измерений.

Уровень развития и особенно точностные характеристики РИП часто предопределяют возможность или невозможность разработки и внедрения в производство новых технологических процессов, создания новых электронных устройств и систем. В ряде случаев даже механическое производство зависит от точности измерений физических величин, позволяющих оценить процессы в радиоэлектронных устройствах. Без применения высокоточных цифровых вольтметров в настоящее время невозможно достигнуть прецизионных точностей обработки деталей на автоматизированных металлорежущих станках и т. д.

В связи с этим происходит непрерывное повышение точности и расширение диапазона измерений РИП. Так, рабочие вольтметры постоянного тока с индикацией по стрелочному прибору разработок второй половины ХХ века в пределах измерений от тысячных долей милливольта до нескольких десятков вольт имели основную погрешность измерений от 1.5 до 6%, в более широких пределах измерений (от единиц микровольт до сотен вольт) – доли процента, а лучшие образцы – тысячные доли процента. Цифровые вольтметры постоянного тока в широких пределах измерений имели основные погрешности от нескольких сотых до нескольких десятых долей процента, приборы разработок конца ХХ века – сотые доли процента, а лучшие образцы – десятитысячные доли процента.

При измерениях напряжения переменного тока в диапазоне частот от 10 Гц до 1 ГГц лет двадцать назад высокоточными рабочими приборами считались аналоговые вольтметры с погрешностью в несколько процентов, а в настоящее время имеются рабочие приборы с погрешностью измерений в несколько долей процента. Для цифровых вольтметров переменного тока в указанном диапазоне частот некоторые приборы имеют погрешность сотые и даже тысячные доли процента.

Примерно такое же положение существует и для других видов средств измерений в электронике: измерительных генераторов, частотомеров, фазометров и т. д. Особенно быстро возрастали требования к точности частотновременных измерений. Еще 20 – 30 лет назад погрешность измерений частоты, определяемая, в частности, долговременной нестабильностью прибора, составляла , а в настоящее время с помощью квантовых стандартов частоты появилась возможность довести ее до значения примерно .

Наряду с требованиями к точности приборов все больше предъявляются требования к их быстродействию, производительности. В связи с этим широкое распространение получили цифровые приборы, позволяющие наряду с высокими показателями точности обеспечить быстродействие, высокую производительность измерений, программное управление приборами, сопряжение с ЭВМ.

В цифровых приборах измеряемая величина преобразуется в дискретную форму, представляется в цифровом коде, и результат измерений, как правило, отображается в цифровом виде. Это обусловило, наряду с указанными выше преимуществами цифровых приборов, снижение субъективных ошибок при производстве измерений, возможность выдачи результатов измерений с помощью печатающих устройств.

Появление новых принципов и методов измерений, расширение диапазонов измерений привело вместе с тем к расширению номенклатуры применяемых радиоизмерительных приборов, которая классифицируется сейчас более чем на 100 подгрупп и видов. Основными видами являются измерители напряжений и токов, параметров электрических цепей и трактов, мощности, частоты, формы сигналов, их спектров, а также измерительные генераторы. За последние годы широкое развитие получили приборы для измерения характеристик случайных процессов, логические анализаторы (для определения правильности структуры цифровых меток, потока цифровых данных в контрольных точках электронных цифровых устройств, в том числе и цифровых измерительных приборов) и др.

Быстро растут технические возможности измерения характеристик формы и спектра сигналов. Цифровые методы обработки измерительной информации с помощью встроенных в осциллографы микропроцессоров (или ЭВМ) позволили уменьшить погрешность измерений до 1 … 2 % и отображать на экране (или дисплее ЭВМ) не только форму (спектр) измеряемого сигнала, но и сопровождать отображение некоторыми цифровыми значениями измеряемой величины. В результате современный осциллограф может выполнять дополнительно некоторые функции цифрового вольтметра, мультиметра, частотомера, анализатора спектра.

Быстрыми темпами развивается направление анализаторов сигналов в реальном масштабе времени. Эти приборы все большее распространение находят не только как анализаторы спектра сигналов, но и как измерители амплитудных и фазочастотных характеристик радиоэлектронных устройств, функций корреляции, когерентности, плотностей распределения вероятности случайных последовательностей потоков информации и др. Анализаторы сигналов по схемно-конструктивным решениям различны: используется быстрое преобразование Фурье, сжатие временного масштаба с использованием рециркуляционных линий задержки, дисперсионных линий задержки и др.

Широкие возможности анализаторов сигналов используются в радиолокации, радионавигации, гидроакустике, радиосвязи, медицинской технике, телевидении и многих других направлениях науки и техники. Большие перспективы сулит применение анализаторов сигналов для целей диагностирования работоспособности сложных технических систем.

Переход к построению цифровых средств измерений, как, впрочем, и цифровой радиоэлектронной аппаратуры привел к необходимости создания особого класса средств измерений – логических анализаторов. Появление этого класса средств измерений вызвано, прежде всего, быстрым развитием интегральной микроэлектроники – появлением интегральных микросхем с большой степенью интеграции (БИС) и интегральных микросхем со сверхбольшой степенью интеграции (СБИС), а также микропроцессоров, которые стали основой новых поколений средств вычислительной техники, аппаратуры связи, средств радиоизмерений и др. Вероятно, в радиоизмерительную технику микропроцессоры пришли раньше, чем в другие радиоэлектронные устройства. Применение БИС, в том числе микропроцессоров, расширяет функциональные возможности радиоэлектронных устройств, обеспечивает их автоматизацию.

Вместе с тем контроль радиоэлектронных устройств с широким применением БИС, СБИС и микропроцессоров (последние сами выполняются на основе специализированных БИС) становится достаточно сложной проблемой, так как в одной БИС сконцентрированы сотни, тысячи, десятки тысяч отдельных элементов, объединенных в схемы, играющие роль сложных блоков. А возможность доступа к «контрольным точкам» внутри БИС невозможна. Более того, если такая возможность и имелась бы, то все равно с помощью обычных измерительных приборов (вольтметров, частотомеров и др.) контролировать состояние работоспособности узлов и блоков, входящих в БИС, можно было бы только частично и не всегда с достаточной достоверностью. Действительно, в контрольной точке какого-либо узла (например, микропроцессора) токи, напряжения, частота сигналов могут находиться в нормальных пределах, а узел – в неработоспособном состоянии: поток цифровых данных не соответствует алгоритму работы узла. Таким образом, создание аппаратуры с широким применением БИС требует создания принципиально новых средств измерений, какими и являются различные виды логических анализаторов, которые контролируют работу логических схем, как бы наблюдают за потоком данных, выявляя сбои и отклонения от заданного алгоритма. Так, анализаторы микропроцессоров позволяют контролировать прохождение потоков данных по адресным, информационным и управляющим шинам в реальном масштабе времени. Обычно такой анализатор имеет режим сравнения с правильным потоком цифровых данных. Заметим, что в последнее время для проверки работоспособности (диагностики) объекта измерений с помощью логических анализаторов, а также с помощью анализаторов сигналов, все чаще стремятся использовать математические модели заведомо исправных (правильных) объектов измерений. Такие модели представляют собой сравнительно упрощенное математическое отображение реального объекта измерений, позволяющее при аппаратном сравнении измеренных показателей объекта измерений с показателями математической модели определить адекватность показателей модели и объекта измерений. Это позволяет сделать вывод об исправности объекта измерений или, наоборот, обнаружить некоторую неадекватность и получить информацию об элементе объекта измерений, имеющем отклонение от идеала, т. е. обнаружить отказ соответствующего элемента объекта. Подобный способ измерений обладает идентифицируемостью – возможностью определения соответствия математической модели реальному объекту по измеряемым входным и выходным его сигналам, управляемостью – возможностью объекта измерений «реагировать» на изменения входных сигналов соответствующими изменениями параметров, наблюдаемостью – возможностью по выходному сигналу получить необходимую информацию о внутренних процессах и параметрах объекта измерений.

Быстрое развитие теории идентификации и оценивания позволяет надеяться, что для диагностирования состояния объектов измерений и их элементов будут созданы достаточно удобные для практического применения логические анализаторы в сочетании с устройствами вычислительной техники. На этом пути будут решаться самые сложные, в настоящее время пока что нереализованные задачи диагностирования сложных радиоэлектронных устройств с практически любой детализацией оценки состояния их работоспособности.

Все большее применение находят сигнатурные анализаторы, преобразующие последовательности двоичных сигналов, идущих от контролируемой аппаратуры, в четырехзначные шестнадцатеричные ключевые коды – сигнатуры. Измеренные значения сигнатур сравниваются с эталонными, представленными так называемой сигнатурной картой. Ошибка в двоичной последовательности прослеживается путем просмотра элементов схемы в обратном порядке до обнаружения элемента с правильными входными, но ошибочными выходными сигналами. Некоторые типы сигнатурных анализаторов позволяют диагностировать цифровые электронные устройства на уровне отдельного элемента.

Как известно, измерительные приборы хранят меру физической величины (средство измерений, предназначенное для воспроизведения и/или хранения физической величины одного или нескольких заданных размеров, значения которых выражены в установленных единицах и известны с необходимой точностью.), с которой и сравнивается измеряемое значение этой величины. При этом часто приходится поверять эту меру по эталонной (образцовой), чтобы убедиться в точности выполняемых измерений. С ростом требований к точности измерений все чаще возникает вопрос: нельзя ли меру не только хранить, но при любом измерении воспроизводить, тогда не будет необходимости поверять соответствующее средство измерений (по крайней мере в течение длительного времени). С этой целью в средство измерений должны быть встроены вечные меры, не меняющие своих качеств в зависимости от условий и времени проведения измерений. Подобные вечные меры присутствуют в ряде физических явлений и эффектов. Так, например, известное применение нашел эффект Джозефсона, состоящий в том, что в условиях сверхнизких температур через туннельный (джозефсоновский) контакт, образованный двумя различными сверхпроводниками, разделенными тонким ( см) слоем диэлектрика, при нулевой разности потенциалов протекает постоянный ток. Если к туннельному контакту приложить постоянную разность потенциалов, то через контакт потечет переменный ток с частотой, пропорциональной разности потенциалов.

С помощью эффекта Джозефсона можно получить, например, меру ЭДС. В зависимости от достигнутой точности эта мера может быть эталоном единицы напряжения – вольта, образцовой мерой или рабочим измерительным средством. Встроенная в вольтметр, такая мера придает прибору новые качества: поскольку в нем имеется вечная мера, воспроизводящая единицу физической величины, то такой прибор обладает метрологической независимостью от образцовых или эталонных средств измерений – поверять его до израсходования технического ресурса не требуется. В настоящее время широкому внедрению эффекта Джозефсона препятствует отсутствие миниатюрных хранителей жидкого гелия, которые не требовалось бы заполнять в течение хотя бы одного года. Несомненно, в недалеком будущем подобные миниатюрные хранители будут созданы, что позволит встраивать в средства измерений напряжения вечные меры на основе эффекта Джозефсона.

Следует ожидать также применения в измерительной технике квантового эффекта Холла, состоящего в том, что при охлаждении холловских контактов до температуры жидкого гелия и помещении их в сильное магнитное поле сопротивление будет принимать строго квантованные значения при изменении падения напряжения на холловских контактах, не зависящее от геометрических размеров структур металл – окисел – кремний, от объемной концентрации примесей в кремниевой подложке, от типа полупроводников и ряда других факторов. Таким образом, представляется возможным получить вечные меры сопротивления. Нетрудно понять, что, имея меры ЭДС и сопротивления, можно при их совместном применении получать вечные меры других физических величин.

Весьма быстрыми темпами развивается парк радиоизмерительных приборов четвертого поколения. Эти приборы, выполненные преимущественно на БИС и СБИС, имеют цифровой выход на канал общего пользования (как для управления приборами извне, так и для передачи измеренных значений физических величин во внешнее регистрирующее устройство или во внешнюю память). Они, как правило, имеют встроенный микропроцессор, служащий для управления всеми функциями прибора в соответствии с заданной оператором программой. Это позволило автоматизировать измерительные операции, производить самокалибровку и самопроверку прибора, обработку результатов измерений. Подобные приборы, называемые иногда интеллектуальными, позволяют существенно повысить точность измерений (за счет многократного повторения измерений значения физической величины, исключения субъективных ошибок оператора, возможности учета дополнительных погрешностей и др.), быстродействие измерений, надежность результатов измерений (самокалибровка и самопроверка практически исключают получение неверных результатов). Встраивание микропроцессоров обещает в ближайшее время привести к созданию приборов для коллективных методов измерений, когда один и тот же прибор по выбору оператора может приобретать свойства вольтметра, частотомера, осциллографа, измерительного генератора и др. С помощью таких много­функциональных, виртуальных приборов можно проводить измерения также по определенной программе, задаваемой оператором или извне контроллером. Все задачи по восприятию программы измерений, перестраиванию субмодулей и отдельных схем прибора в необходимое сочетание для выполнения различных функций, организации измерений выполняет встроенный микропроцессорный набор. Таким образом, встраивание микропроцессоров в радиоизмерительные приборы создает практически неограниченные возможности для развития качественных показателей средств измерений.

Важным при этом является достаточно высокая надежность приборов четвертого поколения, достигаемая высокой степенью интеграции применяемых БИС и СБИС, почти полным исключением из конструкции приборов малонадежных механических узлов, существенное сокращение количества паяных соединений.

В ближайшем будущем внутренние соединения в радиоизмерительных приборах будут выполняться на основе волоконно-оптических линий связи. Применение волоконно-оптических линий связи позволяет увеличить пропускную способность, исключить влияние внешних и внутренних электромагнитных помех, обеспечить электрическую изоляцию между узлами, уменьшить массу и габаритные размеры линий связи, повы­сить их надежность.

Все большее распространение в мировой практике получает создание радиоизмерительных приборов, совместимых между собой и приспособленных к объединению (агрегатированию) в автоматизированные измерительные системы для решения большого числа измерительных задач. Подобные АИС, создаваемые (иногда просто собираемые) на основе объединения стандартных, серийных средств измерений общего применения через стандартную информационную магистраль, могут извне управляться с помощью контроллера или ЭВМ. Централизованно обрабатываемая информация, поступающая с различных приборов, в необходимой форме отображается на экране дисплея или печатается. Результаты измерений могут храниться в устройствах памяти ЭВМ.

В АИС одновременно могут определяться многие характеристики объекта измерений. Более того, если раньше с помощью дискретных приборов измерялись те или иные значения физических величин, то с помощью АИС можно измерить как значения физических величин (в том числе их изменение во времени), так и характеристики физических процессов, сопровождаемых одновременным или неодновременным изменением во времени и пространстве многих физических величин. При этом некоторые характеристики физических процессов могут измеряться как характеристики случайных процессов.

При построении АИС в большинстве случаев целесообразно использовать блочно-модульный принцип построения, когда отдельные программно-управляемые приборы – модули могут объединяться через общую магистраль (канал общего пользования) в функционально необходимом сочетании. Естественно, каждый прибор-модуль может применяться и автономно. Образно говоря, в этом случае появляется возможность из ограниченного числа разрозненных, но обладающих совместимостью «кубиков» построить большое число различных по функциональным возможностям «зданий» – АИС. Специальными (в редких случаях) могут быть только вспомогательные устройства, например контроллеры, коммутаторы, подсоединяющие к АИС каналы объекта измерений, измерительные преобразователи. Уже более 20 лет прилагаются усилия по созданию таких АИС. В нашей стране и за рубежом получили распространение несколько стандартов для агрегатирования приборов-модулей в АИС. Наибольшее распространение получили стандарт КАМАК (сокращение от английских слов Computer Application to Measurement and Control, т. е. применение ЭВМ для измерений и управления) и стандарт МЭК 625.1 Международной электротехнической комиссии [9].

Мы здесь не будем подробно рассматривать эти стандарты. Отметим только, что каждый из них имеет свои достоинства и свои недостатки в основном по технической реализации АИС. Функциональные возможности одного и другого практически одинаковы.

Универсальные АИС, создаваемые на основе изложенных принципов (особенно на основе приборно-модульного принципа), имеют существенные преимущества перед так называемыми индивидуальными АИС (АСК), которые специально создаются для контроля работоспособности тех или иных объектов радиоэлектронной аппаратуры. Во-первых, модульность конструкции АИС на стандартном интерфейсе дает возможность легко изменять структуру измерительных задач, подсоединяя к каналу общего пользования (КОП) вместо одних приборов-модулей другие. Во-вторых, при внесении конструктивных (вплоть до принципиальных) изменений в контролируемый объект индивидуальная АИС обычно также требует соответствующих конструктивных (вплоть до принципиальных) изменений, в то время как в АИС на стандартном интерфейсе достаточно изменить программу управления при необходимости подсоединить дополнительные приборы-модули. В-третьих, метрологически приборы-модули всегда обеспечены (включены в соответствующую государственную поверочную схему), а измерительные приборы индивидуальной АИС во многих случаях метрологически вообще не обеспечены. В-четвертых, при необходимости приборы-модули отстыковываются от АИС и применяются автономно. В-пятых, разработка индивидуальной АИС требует большого времени, а изготовление АИС достаточно дорого. Создание универсальных АИС с использованием серийно выпускаемых приборов-модулей и ЭВМ обходится с меньшими затратами сил и средств: индивидуальным в таких АИС является программное обеспечение применительно к конкретному объекту измерений и в некоторых случаях – создание измерительных преобразователей (датчиков), коммутаторов.

К недостаткам универсальных АИС иногда относят наличие избыточной информации, в частности по точности измерений, обеспечиваемой приборами-модулями. Действительно, многие индивидуальные АСК при контроле работоспособности радиоэлектронной аппаратуры дают общую информацию годен – негоден, в норме – не в норме, т. е. не требуют высокой точности измерений. Однако когда АСК дал сигнал о негодности для отыскания неисправности приходится применять другие измерительные приборы с достаточной точностью, приборы-модули или им соответствующие. Следовательно, помимо АСК для обслуживания образцов радиоэлектронной аппаратуры требуется иметь еще и достаточный парк дискретных приборов. Автоматизированная измерительная система на основе стандартного интерфейса и серийных дискретных приборов-модулей совмещает в себе функции АСК низкой точности и дополнительного парка дискретных приборов, поскольку такая АИС может иметь два режима работы: контроля и измерений. В режиме контроля производятся с точностью, обеспечиваемой приборами-модулями, измерения параметров контролируемого объекта, но в соответствии с программой на оконечном устройстве (печатающем устройстве, дисплее и т. д.) индицируется только упрощенная информация (годен – не годен, в норме – не в норме). Поскольку результаты измерений занесены в память ЭВМ, то в режиме измерений отражаются результаты измерений по всей программе или только результат измерений параметров неисправного блока (узла). Кроме того, индивидуальные АСК обычно применимы только при одном из видов обслуживания объекта измерений (например, перед непосредственным применением). Универсальные АИС применимы и при других видах обслуживания (профилактических работах с углубленным контролем, ремонтных работах и т. д.). При этом изменяется только программа управления, а конструкция во многих случаях не изменяется.

В настоящее время для обеспечения простоты и удобства построения АИС на стандартном интерфейсе создаются стандартные (специализированные) контроллеры, обеспечивающие управление отдельными приборами-модулями и имеющие два режима работы: программирования и измерений. В режиме программирования оператор, имеющий средний уровень подготовки по математическому программированию, вырабатывает, редактирует и отлаживает необходимую (исходную) программу измерений.

Выше мы уже отметили, что метрология включает в себя как составную часть теорию и методы оценки погрешностей. Поскольку и в радиотехнике, и в радиосвязи борьба с погрешностями занимает существенное место, мы рассмотрим более подробно, чем в подразделе 7.1, основные виды погрешностей.

Дата добавления: 2014-11-18