автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.05, диссертация на тему:Автоматизированные технологические установки для поверки стрелочных измерительных приборов

На правах рукописи

для поверки стрелочных измерительных приборов

Специальность 05.11.05 - Приборы и методы измерения электрических и магнитных величин

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Томск - 1996

Работа выполнена на кафедре радиотехники Томского политехнического университета

Научный руководитель - доктор технических наук, профессор

РОЙТМАН М.С.

Официальные оппоненты - доктор технических наук, профессор

Коряков A.M.

кандидат технических наук Темник А.К.

Ведущая организация - Научно- производственное объединение

"Техноприбор" (г.Смоленск)

Защита диссертации состоится "26" ин?мА 1996 г. в /5" часов на заседании диссертационного Совета Д 063.80.05 при Томском политехническом университете по адресу: 634004, г.Томск, ул.Савиных 3, библиотека НИИ ИН, с диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Томского политехнического университета.

Автореферат разослан " " ^ссл-Я 1996 г.

Ученый секретарь диссертационного

Совета, канд. техн. наук, доцент__Б.Б.Винокуров

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Стрелочные измерительные приборы являются наиболее массовым средством измерения, поэтому потребность в них сохраняется стабильно высокой. Кардинально решить вопросы снижения себестоимости продукции и повышения качества возможно путем перехода на автоматизированные технологии производства и, в частности, путем автоматизации контрольно- регулировочных операций. Решение задачи повышения уровня механизации и автоматизации производства стрелочных приборов предусматривается, также, отраслевой комплексной научно- технической программой по разработке и внедрению гибких производственных систем производства стрелочных электроизмерительных приборов.

На томском ПО "Манотомь", одном из крупнейших в России производителей манометров, внедряется в производство установка для автоматической поверки и разбраковки стрелочных .манометров, построенная по принципу компьютерных обучающихся измерительных систем с элементами технического зрения.

Работы в области автоматизации поверки стрелочных измерительных приборов ведутся в нашей стране и за рубежом около 30 лет, имеются многочисленные публикации и авторские свидетельства, однако серийно автоматические поверочные комплексы не выпускаются.

Анализ работ, проводимых в области автоматизации контрольно-регулировочных операций, позволил определить наиболее эффективный путь построения поверочных установок- в виДе компьютерных измерительных обучающихся систем.

Целью работы является создание автоматизированных обучающихся компьютерных измерительных установок для поверки и градуировки стрелочных приборов. Для достижения поставленной цели в диссертации решаются следующие задачи:

1. Анализ принципов функционирования и оценка эффективности существующих технических решений исходя из требований серийного производства, определение путей создания промышленных технологически х установок для автоматической поверки и градуировки стрелочных приборов.

2. Разработка принципа синтеза и математического описания алгоритмов функционирования системы, реализующих концепцию обучающихся систем. '

3. Разработка новых программных средств и технического обес-

печения автоматических поверочных установок.

4. Анализ погрешностей алгоритмов и аппаратных преобразований поверочных установок путем экспериментальных исследований и методом математического моделирования.

5. Оценка потенциальной точности установки, разработка рекомендаций по практическому использованию компьютерных измерительных установок и методы уменьшения погрешностей.

Методы выполнения исследований. Теоретическая часть работы выполнена с использованием методов: теории вероятности и математической статистики, теории распознавания, теории управления, теории погрешности, математического моделирования. Достоверность полученных научных положений, выводов и рекомендаций подтверздена экспериментальными исследованиями, опытной эксплуатацией созданных автоматизированных обучающихся компьютерных установок на предприятиях- изготовителях стрелочных приборов, в частности на Томском АООТ "Манотомь", Омском ПО "Электроточприбор", фирме "Ьи-те1" г. Зелена Гура (Польша).

Научная новизна диссертационной работы состоит в том, что:

1. На основании проведенного анализа предложена функциональная схема компьютерной установки для поверки стрелочных приборов, реализующая концепцию обучающихся измерительных систем.

Z. Разработан принцип синтеза и формализованного описания работы алгоритмов и аппаратных модулей на основе содержательных логических схем.

3. Разработаны новые алгоритмы функционирования компьютерных обучающихся измерительных установок, обладающие высокой точностью, универсальностью к различным типам поверяемых приборов и используемого измерительного оборудования, высокой скоростью работы и помехозащищенностью, обеспечивающие заданные метрологические характеристики установки после проведения процедуры обучения.

4. Впервые для измерительных установок такого типа разработано программное обеспечение, построенное по модульному принципу в виде п- уровневой иерархической структуры. Рабочий алгоритм функционирования, установки формируется в процессе обучения под управлением многозадачного меню пользователя.

5. Разработаны, экспериментально проверены и внедрены методы метрологической аттестации компьютерных измерительных установок для поверки стрелочных измерительных приборов.

Практическая ценность работы состоит:

1. В разработке и внедрении в производство автоматизированных обучающихся измерительных установок для поверки и градуировки стрелочных приборов.

2. В использовании разработанных измерительных обучйю'дихся установок в виде учебно-методического комплекса для обучения студентов специальности 19.07.03 или других, в области автоматизации измерений.

3. В возможности применения используемых методов для описания и исследования алгоритмов автоматических измерительных систем.

4. В возможности использования результатов работы для поверки не только стрелочных, но и цифровых приборов, для автоматизации контрольно- регулировочных операций при производстве измерительных приборов со стрелочными индикаторами.

Реализация результатов работы. Диссертационная работа выполнена в рамках хоздоговорных тем с предприятиями г.Москвы, г.Омска, г.Томска, с фирмой "Ьише1" (Польиа). Образцы поверочных установок находятся в опытной эксплуатации на Томском АООТ "Мано-томь", Омском ПО "Электроточприбор", НИИ АВТОМАТИКА г. Екатеринбурга. Лабораторные образцы поверочных комплексов используются в качестве учебно- методического оборудования в учебном процессе на кафедре радиотехники Томского политехнического университета.

Апробация работы. Основные результаты работы были доложены и обсуждены на: Четвертой научно- практической конференции "Нераз-рушающие методы контроля на службе повышения качества продукции и экономии ресурсов", Томск, 1989; Второй Всесоюзной и Третьей международной конференциях "Измерения и контроль при автоматизации производственных процессов", Барнаул, 1991, 1994; Всесоюзной конференции ИИС-94 (Ульяновск), научных семинарах кафедры радиотехники Томского политехнического университета.

Основные положения,' выносимые на защиту:

1. На современном этапе одним из эффективных путей решения проблемы автоматизации поверки стрелочных приборов является создание компьютерных поверочных установок, реализующих концепцию обучающихся измерительных систем.

2. Алгоритмы функционирования измерительной установки в различных режимах: ' обучение, поверка, градуировка и т.д. целесообразно строить в виде п- уровневой иерархической структуры.

3. Для синтеза и формализованного описания алгоритмов предложено использовать метод содержательных логических схем, позволяющий эффективно проводить разработку новых алгоритмов, создавать программные средства и непосредственно переходить к использованию имитационного моделирования.

4. Для исследования погрешности установки наиболее эффективным является комплексный метод, включающий в себя теоретические расчеты, экспериментальные исследования и математическое моделирование. *

Публикации. По материалам диссертации опубликовано 7 работ, получено 1 положительное решение по заявке на патент.

Объем работы. Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, списка литературы из 107 наименований и 12 приложений; содержит 202 страницы машинописного текста, 76 рисунков и 5 таблиц.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы, цель диссертационной работы и основные задачи, решаемые при ее выполнении.

В первой главе проведен анализ автоматических установок для поверки и градуировки стрелочных приборов и определены основные проблемы на пути создания новых комплексов, в полной мере отвечающих требованиям производства по метрологии, быстродействию, надежности, функциональным возможностям.

В результате выделено два направления, имеющие наибольшее научное и практическое развитие: работы, проводимые в Ульяновском политехническом университете под руководством д.т.н., профессора В.А. Мишина и разработки Томского политехнического университета под руководством к.т.н. Ю.Г. Свинолупова.

Разработанные в Ульяновске автоматические поверочные установки используют в своем принципе работы электромагнитный эффект. Однако наряду с такими достоинствами, как простота и быстрота поверки, несложное технологическое оборудование, хорошо проработанная научная основа, необходимо отметить, что поверяется, по сути, измерительный механизм, вне связи стрелочного указателя со шкалой прибора, и второе- данным методом можно поверять только электроизмерительные приборы.

В Томском политехническом университете ведутся работы по нее-

ледованию и созданию компьютерных поверочных установок, реализующих концепцию обучающихся измерительных систем (рис.1).

Круг задач, решаемых в диссертации, и не имеющих аналогов в предыдущих разработках, в следующем:

- разработка концепции и алгоритма обучения измерительной установки. обеспечивающих формирование требуемых метрологических характеристик путем целевой параметровой настройки алгоритмов;

- разработка метода синтеза и формализованного описания алгоритмических и программных блоков в виде функционально законченных модулей, реализующих отдельные процедуры и режимы работы установки, совместимые по входным и выходным параметрам, с целью объединения их в единую измерительную систему;

- разработка технических средств (блок ввода и обработки изображения, интерфейсы измерительных средств, формирователи тестовых сигналов) для работы в составе комплекса;

- разработка алгоритмов группового метода поверки;

- разработка и экспериментальная проверка методов метрологической аттестации установок подобного типа.

Во второй главе разработано алгоритмическое обеспечение обучающихся компьютерных установок для поверки и градуировки стрелочных приборов, принцип синтеза и формализованного описания работы алгоритмических и аппаратных модулей.

За основу был взят и развит применительно к системам данного типа метод содержательных логических схем алгоритмов, позволяющий детализировать алгоритм до любого уровня, систематизировать процесс проектирования и непосредственно создавать модель системы для исследования методом имитационного моделирования.

Алгоритмическое обеспечение построено в виде трехуровневой иерархической структуры, в которой алгоритмы нижнего и среднего уровня выполняют информационные преобразования, а алгоритмы верхнего уровня формируют структуру алгоритмического обеспечения и устанавливают информационные связи между блоками.

Наиболее функционально полная структура алгоритмического обеспечения закладывается разработчиком на этапе проектирования, а формирование рабочих алгоритмов, обеспечивающих заданные метрологические характеристики, производится на этапе обучения.

Классическая теория обучения была доработана с учетом требований, предъявляемых к обучающимся компьютерным измерительным

Ци*) <1ЧВ) И(и*>0)[цхк1=1/м-£х1) ЦГл.ЕЯ ш(з>ьЯ [Нат^/ба.Ь^/бЬ)*

х1(Фт=агс1е ат)1(Лп) ы(т>пТ]ф№: ^¡})«>(Е)

а) алгоритм расчета положения стрелочного указателя

Ф(В) ЦЩ.УГ->р,Лр,?,Ь») Ф№:Р1,1!>1) 1(Р1,Фг->Х!,У1)[Ф(«: («1 ,У15А<1(Л<1*))ФСК:1 .Ул) )х

1 I

*|2(Фк=агс1е((ус-ук)/(хс-Х|<))ШЕ1,йф) Ы(фк^ф<фк<фк-Л<р)1ии>т71ф(3:<<м) Ф(Е)

б) алгоритм расчета угла наклона оцифрованного штриха

Ф(В)Ф(К:0,Н,Хц,уц)1(К(х,у)=1(Нш(х,у))[7|гсвяз:<Р(х,у)>к)«(3>ЬД<Зтах)[Т(Кз()!.У)=0)]НЦ)^

хиСЗ>Ь)| КГ^Ои^Д^запр) Шу1п=(Х1+У1)''иСх1п»СУ1-*1>/»^7к=1>| I Ср=С0У(х,у)//{0Х" Иу) 1 Н

<1 (рп=СОУ(х,у)/'/(Пх-Оу)) 1 (Лр=|рп-1-рп| )ш(Лр^тах) (х,у)=0)]и(п>пт1п)]Ф(1»/:ЕггогЖЕ)

в)алгоритм фильтрации помех 4

Ф(В)[ ЦЧХ-Х±ПЛХ) ЦХхОтйХ^АКпДхЬА^) [(Ох) ш(п>П0>ах71ф(И:<Хх(Лх)))]||<](Р:пЛу)>х

х| |< 1 (Р:пДу>11< I(Р:пДв)>11< 1 (Г:пйт>I(Гпс®:х.хс,Ус) НЛх"Хсб-Хс.Лу=Усб-Ус) НЗ:А(<р)) Ф(Е) г)'алгоритм компенсации погрешности от перемещения прибора

Ф(В)и(<^^0)Г[фЫ:(х4,у3),Ас1(Ас1*))Ф(Р:Р(х1,у1))1(Р:11)1)1(1:1)и(1>т)]Ц{|р1) ,ф1=1/пг£ф1к)]х

М[[ФЫ: (XI ,ул),АСКАЙл) 1 1 о(1>тп^ ] 1(А(<|>ОЖ«: А^ ),АсЦАс1**) ЖЕ}

д) алгоритм градуировки

системам. Основное отличие измерительных систем от систем распознавания, для которых разрабатывалась теория обучения, состоит в том. что результатом работы такой системы является измерение (считывание показания со шкалы прибора) с минимальной (или не больше заданной) погрешностью, а непосредственно сам процесс распознавания объекта (стрелочного индикатора, оцифрованной отметки) является только этапом измерительного процесса. Поэтому исходя из цели работы системы задача обучения, как вариант, будет звучать следующим образом: среди характеристических функций Р(х,л) найти по обучающей последовательности фиксированной длины 1 такую функцию Г(х, гс*), при которой можно было бы утверждать, что средне-квадратическая погрешность измерения входной величины х^ не превышает е с вероятностью Р, не меньшей заданной Рзад:

РоЦ/И ЕЦ/Ь Е(ш-Р(хп,й*))?<) < е) > Р3ад (1)

где х1з- з-ая реализация изображения прибора после подачи Ьго входного сигнала,

вектор оптимальных параметров управления (алгоритма)

поверки,

ы- расчетное значение входного сигнала, Р(х^,с<*)- измеренное значение Ьго входного сигнала при заданных параметрах вектора

1=1,...М- порядковый номер входного сигнала. 3=1,...Ь- количество реализаций на каждом 1-ом сигнале. Функция Р(хи,«) по сути дела является алгоритмом измерения, который имея в качестве входного сигнала оптическое изображение Хи, при заданных параметрах вектора ос* выдает на выходе измеренное значение Ьго входного сигнала. Для поверки стрелочных приборов ставится более жесткое условие:

Рг(1/Ь Е(ы-Р(хи,оОг) « г) > Ргац, (2)

т.е. чтобы погрешность измерения в каждой точке измерения не превышала заданную.

Погрешность измерения представляется в виде функции 5и-зм=а>-Р(Х1з,а^(5сл,8сис.бдоп). ГД? 5сл" случайная погрешность. 5,;ис~ систематическая погрешность и 5доп- дополнительная погрешность от смещения прибора относительно базового положения, зафиксированного на обучении.

Взаимная сеязь составляющих погрешности измерения бИзм определяет порядок их минимизации в процедуре обучения. Минимум пог-

решности достигается при оптимальных параметрах вектора ос, определяемых посредством реккурентной процедуры: «к(сп^г.. . .ут)=ак_1(сп,у1.. .у3к_1. ..ут)-г(к,й1), (3) где сп - постоянные параметры вектора «,

значение переменного параметра Vj на к-ом шаге, значение переменного параметра Уд на (к-1)-ом шаге, «к,ак-1- значение вектора параметров « на к-ом и (к-1) шаге соответственно,

г(к,«1)- значение к-го шага итерации.

В качестве критерия качества обучения принят средний риск:

рг 1 -(ш-Р(Х1з.с(*))2/2б2

(?=1-Р0=1- - е с1(и-Р(хи,а*) (4)

б

Критерием оптимальности параметров вектора о выбран минимум дисперсии значения угла наклона указателя.

На заключительном этапе обучения, после определения всех параметров, проводится контрольная поверка и рассчитывается погрешность измерения установки бИзм- Поверка производится посредством воспроизведения обучающей последовательности при параметрах вектора «, определенных на обучении. Обучение считается успешно завершенным при достижении качества (4) не ниже требуемого. Структурная схема алгоритма обучения и■содержательная логическая схема приведены на рис.3.

Положение стрелочного указателя для приборов с секторной или круговой шкалой однозначно определяется его углом наклона относительно центра вращения. Алгоритм расчета положения стрелочного указателя (рис.2а) имеет два варианта: первый основан на поэлементном вычитании исходного В0(х,у) и текущего В(х,у) изображений шкалы прибора с получением разностного 1?(х,у), содержащего изображение указателя, вычислении методом наименьших квадратов средней линии указателя и угла наклона. По второму варианту электронное окно, ограничивающее формат вводимого изображения, устанавливается отдельно для каждой поверяемой отметки, что позволяет сразу вычислять угол наклона указателя, так как он является единственным информативным элементом в кадре. Зависимость показаний прибора Ах от угла наклона стрелочного указателя ^ определяется уравнением шкалы, получаемым на этапе обучения.

При поверке приборов с индивидуальной градуировкой дополнительно определяется угол наклона оцифрованного штриха. Реализова-

R-ÍXj ,yi>

"О

s о

со

-1- -2- -3i -4-j

Ф(И:б,{Ii>,1, I (F.-бсл.бсис) I(F:PonT= — I(F:L,Rn)

n.m.ß.w*) ■CP:min ö(P)>)

Ь(ш*)Ф(В)Ф(Н:б,{11>,п,т,0,(|)*)1(Р:бсл,бсис) I(F:PonT=-(P:min 5(Р)}) I (F:L,Rn) Iw(<*i<max) fT^F:«*)?

1

XI ( 5=и£(Ф1-<р)2/Ю w (б<бСд Л ы(<а*=0) (T(Fotm: Ропт > L > Rn » б 5 ot*)J (F: n,M) I(F:F(<¡>i))x xüj(/i/m-í:(Aí-F(<Pí))z<6chc7] I(Qi=|Aj-ni I )u(maxQi<5/Ki) f$?W:Error)p(W;cí*) Ф(Е)

ны три способа (рис.26). По первому способу фрагмент изображения, содержащий штрих, сканируется в полярных координатах из рассчитанного центра вращения по углу вдоль радиуса с построением гистограммы распределения. За угол наклона штриха принимается угол сканирования с наибольшим количеством реализаций. По второму способу сканирование осуществляется в декартовых координатах с шагом, равным шагу решетки квантования изображения. Наилучшие результаты дает третий способ- корреляционно- экстремальный. При этом на этапе обучения создается образец каждой поверяемой отметки Ротм(Ф.р) путем выполнения операции логического "ИЛИ" между п вводимыми фрагментами и за угол наклона штриха принимается угол, соответствующий максимуму корреляции между текущим фрагментом ек(ф.р) и образцом р0тм(4>.р)-

Алгоритм фильтрации (рис.2в) построен по приоритетному принципу, т. е. в первую очередь удаляются помехи, имеющие наибольшую вероятность появления. На этапе ввода бинарного изображения в ЭВМ проводится геометрическая и взвешивающая фильтрация без анализа качества изображения, удаляющая случайные помехи, обусловленные нестабильностью теледатчика. Затем проверяется качество фильтрации и при наличии неудаленных помех вступает в действие медианный фильтр с параметрами: размером окна п*п и функцией преобразования центрального элемента Рцсю. В последнюю очередь, при необходимости, в работу включается корреляционный фильтр, проверяющий на связанность каждую точку изображения. Практически, при использовании многооконного способа ввода изображения, достаточно действия геометрической и взвешивающей фильтрации.

Разработан алгоритм компенсации погрешности от линейных и угловых перемещений прибора относительно считывающего блока (рис.2г). Это позволило на основе зависимости погрешности измерения от изменения положения прибора, полученной на этапе обучения, корректировать показания прибора при поверке с учетом его рассчитанного местоположения. Данный метод компенсации погрешности отражен в заявке [1].

Алгоритм.группового метода поверки позволяет повысить производительность поверки за счет подачи тестового сигнала и снятия информации с нескольких приборов одновременно.

Алгоритм градуировки (рис.2д) формирует массив данных, используемых для изготовления индивидуальной шкалы прибора, либо

для определения типа шкалы из стандартного ряда, соответствующего данному измерительному механизму, с минимальной погрешностью.

Режим поверки (разбраковка или допусковый контроль) определяется оператором, в соответствии с этим определяются параметры, значения которых вносятся в итоговый протокол. В качестве метода поверки используется метод калибратора с отсчетом показаний по шкале прибора, так как он не требует трудоемкой операции совмещения указателя с поверяемой отметкой шкалы, предполагающей некоторый итерационный процесс.

Для каждого алгоритма в диссертации построены структурная схема и содержательная логическая схема, время работы алгоритмических блоков сведено в общую таблицу для сравнительного анализа.

Третья глава посвящена анализу погрешностей компьютерных измерительных установок. Для анализа таких сложных измерительных систем, какими являются компьютерные поверочные установки, использовался комплексный метод, включающий: теоретический анализ-для построения и расчета структурных схем и некоторых частных погрешностей, экспериментальное определение погрешности измерения установки путем метрологической аттестации и анализ методом математического моделирования потенциальной точности установки и влияния на погрешность измерения я-гтабильности отдельных параметров, которое невозможно определить другими методами. Уравнение измерения установки:

Д=Ч-1 (1?/у»)-Р(х,у) * [Н(х,у) • А(х,у) ■Кнел'Кнс" Кус'Р' б(х,у) ' ■Кнч'Ралу'Рэвм^. (5)

где Д- погрешность измерения установки,

Ч" входной сигнал, поступающий на измерительный механизм

прибора,

1(1?/»»)- функция преобразования входного сигнала в показание по шкале прибора,

Р(х,у)- непрерывное изображение шкалы прибора, М(х,у)- функция преобразования оптической системы, А(х,у)- апертурная характеристика телевизионной камеры, Кнел" коэффициент нелинейности телевизионного растра, Кнс- коэффициент нестабильности развертки, Кус- коэффициент усиления видеосигнала, Р- функция' бинаризации-изображения, 5(х,у)- дискретизирующая функция.

Кнч~ коэффициент нестабильности частоты дискретизации, Ралу- функция арифметико- логического преобразования, Рэвм- алгоритм преобразования информации в ЭВМ.

Информативным параметром, измеряемым в ходе поверки, является угол поворота стрелочного указателя, который однозначно определяет показания прибора в соответствии с уравнением шкалы. В погрешность, которой обладает подготовленная к работе, т.е. прошедшая обучение измерительная установка, входят погрешности отдельных аппаратных и программных модулей, возникающие на всех этапах обучения и погрешность, обусловленная геометрическим расположением поверяемого прибора относительно считывающего блока. Погрешность измерения установки, согласно правила суммирования некоррелированных погрешностей, запишется в виде:

Л = к^ЕСбсис.шк.бсис.алг.з2)+ бсис.Геом.+

' _•_ (6)

+ К'/Е (бСд.тУэ2+ бсл.БВШ^'бсл.итс. о^+5Сл.алг. л^)«

где Л- основная погрешность измерения,

5сис.шк.з~ систематическая погрешность уравнения шкалы, бсис.алг. з~ систематическая погрешность алгоритма измерения ,

5сис.геом.~ систематическая . погрешность, обусловленная смещением прибора относительного базового положения, бел.ТУ]- случайная погрешность теледатчика, бсл.Бвш- случайная погрешность блока ввода изображения, бсл.итс.^- случайная погрешность источника тестового сигнала,

5сл.алг.а~ случайная погрешность алгоритма измерения, К- энтропийный коэффициент, 3- номер этапа обучения. Дальнейшее преобразование (6) приводит к виду:

Д = 5СИС + К-бел. (7)

а бСис и 5Сл в этом случае являются, соответственно, систематической и случайной погрешностями установки после обучения.

Систематическая составляющая погрешности 5сис определяется как среднее значение относительного смещения средних значений 3 положения стрелочного указателя К статистик порядка N в довери-

гельном интервале Рд, полученных на 1-той числовой отметке шкалы прибора относительно среднего Бо, полученного в режиме обучения

(нулевой статистики):

N =2 /(1 - Рд), (8)

Б = <1/(Н - 1)>' Е Б! | Рд = 0,95, (9)

бсис = шах {(Бо " 51)/ЗбО-ЮО>, 1=1,К. (10)

Случайная составляющая основной погрешности 5СЛ определяется как значение половины диапазона от максимального до минимального значений углов положения стрелочного указателя на 1-той числовой отметке шкалы, представленной статистикой порядка N в доверительном интервале 0,95:

бел. = <0,5-(51тах- 31пип)/360}-100% | Рд=0,95 (11) Результаты метрологической аттестации показали значение случайной погрешности 0.08% и систематической- 0.004%.

Анализ гистограмм распределения показал, что оно подчиняется нормальному закону и, следовательно, значение энтропийного коэффициента К для Р=0.95 равно 1.8. Таким образом полная погрешность измерения установки Д равна 0,15%.

Методом математического моделирования исследовалось влияние наиболее существенных дестабилизирующих факторов- нестабильности телевизионной развертки и шага решетки дискретизации на ширину доверительного интервала средней ошибки определения угла наклона указателя.

Погрешность измерения установкой входной величины ху, значение которой после работы операторов преобразования информации ^ равно X*, может быть записано как:

'' 'Кр1><и " Х" = трпКл-Г--КР1Хи - +

+ ---^х и " Х*)= Ли + Ла, (12)

где Ид- оператор преобразования "идеальной" модели, оператор преобразования "реальной" модели, хи~ входное воздействие, Ди- погрешность измерения, Да- погрешность алгоритма. Итоговые модели выглядят, соответственно, следующим образом: Ли1 = КРзКР2!Лч ~ КрэКр2К1Ч, (13)

Ли2 = ¡^З^М " К^г^- (14)

где оператор пространственной дискретизации, 1?2- оператор нестабильности развертки,

1?3- оператор процессорного преобразования.

Результат моделирования подтверждает высокие метрологические характеристики установки и стабильность результатов измерения. Так при условии, что 50% точек искажены нестабильностью с амплитудой 3 пиксела (при средней ширине изображения указателя <10 пикселов) погрешность измерения угла наклона указателя при доверительной вероятности Р=0.95 не превышает 0,35% (рис.6). Результат исследования влияния шага решетки дискретизации в виде зависимости максимально возможного количества одновременно поверяемых приборов от класса точности приведен на рис.7.

Оценка составляющей Да (форм. 12) проводилась по двум основным характеристикам- точности и сложности (времени работы) методом, при котором алгоритм применяется к исходным данным, полученным моделированием в соответствии с принятой моделью, адекватно отражающей свойства реальных данных.

При поверке точных приборов с индивидуальными шкалами помимо определения положения указателя для вычисления погрешности необходимо рассчитать угол наклона оцифрованного штриха, соответствующего поверяемой отметке, который определяется как угол наклона линии, являющейся продолжением штриха и проведенной к центру вращения указателя. Проанализированы две составляющие погрешности-от способа сканирования и влияние попадания в окно сканирования соседнего штриха и цифры. Модели исходных данных представляют собой программно- формируемые массивы точек, являющиеся аналогом бинарного изображения, полученного посредством блока ввода изображения. Графическое изображение исходных моделей данных для исследования вышеперечисленных составляющих погрешности при разных секторах сканирования приведено на рис.8. Соответствующие гистограммы распределения рассчитанных углов наклона штриха приведены на рис.9.

При анализе потенциальной точности установки, в качестве критерия была выбрана разрешающая способность, характеризуемая минимальным углом устойчивого определения изменения положения указателя, которая составила 0,03 градуса. Определены пути уменьшения погрешностей за счет усреднения яркости изображения, адаптивного изменения дискретности порога бинаризации, компенсации погрешности от смещения поверяемого прибора.

Рис.9

В четвертой главе разработаны технические и программные средства компьютерных измерительных установок для автоматической поверки и градуировки стрелочных приборов.

Учитывая широкую номенклатуру поверяемых приборов и связанное с этим большое разнообразие используемых технических средств разработан набор системных интерфейсов для аппаратной и программной стыковки данных средств с ЭВМ: для управления приборами с релейной коммутацией (ГЗ-121), по каналу общего пользования КОП (В1-28) и дистанционного управления ДУ (В7-34А, 43-54, С6-8), интерфейс для подключения нестандартного оборудования.

Разработан блок предварительной обработки и ввода изображения, предназначенный для преобразования аналогового сигнала теледатчика в цифровой и трансляции его в ЭВМ. Блок выполнен на стандартной плате IBM PC и имеет следующие технические характеристики: максимальный формат вводимого изображения 512x256, время ввода 20мс, кадр бинарный или полутоновой (255 и 64 градации яркости), программная установка размеров и расположения электронного окна, встроенный арифметико- логический блок, внутреннее СБУ объемом 128 Кбайт. Блок может работать с любыми серийными телекамерами со строчно- кадровой разверткой и адаптируется (при замене интерфейса) к любым типам ЭВМ.

Разработан программно- управляемый формирователь тестовых сигналов, представляющий собой замкнутую систему (задатчик, образцовое измерительное средство- вольтметр, ЭВМ) с обратной связью, метрологические характеристики которой определяются, главным образом, погрешностью вольтметра, а коррекция значения выходного сигнала осуществляется под управлением компьютера посредством итерационной процедуры по двум каналам- основному и дополнительному с дискретностью выходного сигнала ЮОмкВ. Выходной Toi^ до 1А в режиме формирователя тока, напряжение до 10В в режиме формирователя напряжения, габариты 200x200x70 мм. Такой формирователь эксплуатируется на фирме "Lumel".

Для увеличения производительности поверки решалась задача формирования оптимального тестового сигнала путем моделирования переходного процесса измерительного механизма прибора в зависимости от формы входного сигнала и экспериментальной проверки результатов. В итоге время перемещения указателя между отметками сократилось в четыре раза по сравнению с использованием линейно-

возрастающего сигнала .

Программное обеспечение построено по модульному принципу и реализовано в виде меню пользователя. Обучение происходит в диалоговом режиме путем прохождения всех необходимых пунктов, при этом программа автоматически контролирует маршрут пользователя, активизируя соответствующие пункты меню. После обучения оптимальные значения параметров поверки для каждого типа прибора записываются в соответствующие файлы и используются в дальнейшем для поверки приборов данного типа.

Программное обеспечение написано на языке С++, часть процедур, требующих наибольшего быстродействия реализована на АССЕМБЛЕРЕ. Результаты поверки приборов отображаются в протоколе и сохраняются в файле- архиве для дальнейшей статистической обработки.

В приложениях приведены копии документов, подтверждающих внедрение результатов работы в производство и учебный процесс, тексты основных программ, принципиальные схемы разработанных технических средств.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

1. Проведен анализ технических решений автоматических измерительных установок для поверки и градуировки стрелочных приборов, с целью определения наиболее современных и эффективных решений для производства. Показана перспективность построения поверочных установок в виде компьютерных обучающихся систем с использованием технического зрения.

2. Разработаны алгоритмы функционирования измерительных установок для поверки стрелочных приборов, реализующие концепцию обучения, и методика синтеза алгоритмов с формированием информационных и логических связей в режиме обучения.

3. Проведено комплексное исследование погрешностей установки. Определены пути уменьшения погрешностей за счет усреднения яркости изображения, адаптивного изменения дискретности порога бинаризации, компенсации погрешности от смещения поверяемого прибора.

4. Разработано прикладное программное обеспечение, построенное по модульному принципу. Основная программа выполнена в виде меню пользователя и осуществляет работу в диалоговом режиме.

5. Разработаны технические средства: блок предварительной обработки и ввода изображения в ЭВМ, специализированный программно-

управляемый формирователь тока (напряжения), комплект системных интерфейсов.

6. Разработаны и внедрены в производство установки для поверки стрелочных приборов.

7. Разработан и внедрен в учебный процесс ТНУ учебно- методический комплекс.

Основное содержание диссертации отражено в следующих публикациях:

1. Пол. реш. на заявку N4845941/21-071153 от 28.06.90 Способ автоматической поверки стрелочных измерительных приборов/ Свино-лупов Ю.Г., Плотникова Т.Б., Удут Д.Л., Седов Э.Н.

2. Седов Э.Н. Устройство предварительной обработки и ввода изображения в ЭВМ.//ПСУ, 1994. N8.

3. Свинолупов Ю.Г., Седов Э.Н. Автоматизированный компьютерный комплекс для контроля характеристик специализированного измерительного прибора.//ПСУ, 1994. N6.

4. Плотникова С.Б., Свинолупов Ю.Г., Седов Э.Н. Автоматизированный контроль характеристик специализированного измерительного прибора./Тез. докл. Четвертой научно- практической конференции "Неразрушащие методы контроля на службе повышения качества продукции и экономии ресурсов", Томск, 1989г.

5. Свинолупов Ю.Г., Седов Э.Н. Оптимальное формирование тестового сигнала при автомагической поверке стрелочных электроизмерительных приборов./ Тез. докл. Третьей Международной конференции "ИКАПП-94", Барнаул, 1994г., Том 1, часть 2, с.133

6. Свинолупов Ю.Г., Седов Э.Н., Автоматизированный измерительный комплекс для поверки приборов П321М./ Тез. докл. Всесоюзной конференции "ИКААП-91", Барнаул, 1991г., с.43.

7. Свинолупов Ю.Г., Седов Э.Н. Автоматизированные установки для поверки и градуировки стрелочных приборов.//ПСУ,1995. N2,с.30-34.

8. Свинолупов Ю.Г., Седов Э.Н., ИИС для поверки стрелочных измерителей тока./Тез. докл. конференции "ИИС-94", Москва,1994г., с.127.

Подписано к печати 22.05.96 г.

Заказ N . Тираж 100 экз.

Ротапринт ТПУ, 634004, Томск, пр.Ленина, 30.