автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.15, диссертация на тему:Обеспечение единства динамических измерений

п в од

[1 ! I Ч Г,

1 ' - ; • 5

НАУЧНО-ПРОИЗВОДСТВЕННОЕ ОБЪЕДИНЕНИЕ "ВСЕРОССИИСКИИ ОРДЕНА ТРУДОВОГО КРАСНОГО ЗНАМЕНИ НАУЧНО-ИССЛЕЦОВАТЕЛЬСКИИ ИНСТИТУТ МЕТРОЛОГИИ имани Д. И. МЕНДЕЛЕЕВА"

Ва правах рукописи

ГРАНОВСКИИ Валерий Анатольевич

УДК 389:53.082.13

ОБЕСПЕЧЕНИЕ ЕДИНСТВА ДИНАМИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИИ

Специальность: 05.11.15 - метрология и метрологическое обеспечение

Автореферат диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

С.-Петербург 1993

ИМ

Работа выполнена в Институте проблем транспорта Российской академии наук.

Официальные оппоненты: доктор технических наук, профессор Э. И, Цветков; доктор технических наук, профессор И. Б. Челпано6; доктор технических наук, профессор X. Ф. Юдин.

Ведущая организация - ВНИИ метрологической службы

Защита диссертации состоится « Т » июня 1993 года в 10 часов на заседании Специализированного совета Д 041.03.01 в залэ васедвний ШО "ВНИИМ им. Д. И. Менделеева" по адресу: 198005, 0.-Петербург, Московский пр., 19.

О диссертацией махно ознакомиться в библиотеке ВНИИМ им. Д. И. Менделеева.

Автореферат разослан * 21 » апреля 1993 г.

Ученый секретарь Специализированного совета, кандидат технических наук

В. Я. Алексеев

ОЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность проблемы. Динамические измерения, то есть измерения с использованием средств измерений в динамическом реазмэ получают все большее распространение в научных исследованиях, технике и производство. Эти измерения связаны, в первую очередь, с изучением закономерностей протекания физических процессов в исследуемых объектах, с анализом качества функционирования и возможностей управления объектами и процессами. Поэтому роль динамических измерений особенно велика, во-первых, во многих отраслях техники и производства, в которых вакны быстропротекаодив процессы и необходимо производить испытания и наладку новых машин, приборов и аппаратов, и, во-вторых, в областях науки, связанных с исследованием структуры материи, анализом и синтезом новых веществ и материалов, изучением объектов в экстремальных условиях. Часто динамические измерения имеют целью, в рамках начального этапа исследований объекта, формирование его модели и в этом смысле они предшествуют статическим измерениям.

Актуальность вопросов динамических измерений, возникающих на практике в различных областях измерений, - одна из причин выделения их в самостоятельный раздел метрологии. Другая, не менаа важная, причина состоит в том, что для решения основных задач динамики при измерениях используется универсальный математический аппарат, который инвариантен относительно физической природа измеряемых величин. Этот факт позволяет рассматривать указанные задачи как общие для многих областей измерений и разрабатывать общие метод}; их решения. Он же создает принципиальную возможность использовать в различных областях измерений результаты, которые получены в той или иной конкретной области.

В последние два десятилетия формирование теории динамических измерений как раздела метрологии шло весьма интенсивно благодаря работам, проводимым в нашей стране в институтах Госстандарта, отраслевых ИИ и на кафедрах вузов. Этому яа во многой способствовали Всесоюзные симпозиумы "Динамические измерения", проведенные в Ленинграде в 1975, 1978, 1981, 1984, 1988 гг. Работа по динамическим измерениям развернуты и за рубеяом: в Польша,■ Германии, США, Италии и других странах.-

В связи с многогранностью проблемы и ое значимостью в США в NTST учреждена в 1974 г. рабочая группа по динамическим элоктрическкм измерениям.

Признание мировой научно-технической общественностью важности данного направления выразилось в том, что вопросы динамические измерений были включены самостоятельным разделом в программу VII (Лондон, 1976), VIII (Москва, 1980) и других конгрессов IMEK0.

Развитие направления связано с усилиями многих ученых и специалистов, среди которых слэдует выделить А. М. Азизова, В. А. Боднера, Д. А. Браславского, М. Д. Бренера, М.А. Быховского, U. Д. Вайсбанда, В. Г. Васильева, А. Н. Гордова, Ю. П. Дробышева, Н. А. Жалудеву, А. И. Заико, Г. И. Кавалэрова, Е. Д. Колтика, В.В. Леонова, С.М. Мандельштама, A.C. Немировского, B.C. Пеллинца, Ю.Н. Солодкзша, Г.Н. Солопченко, Д.Ф. Тартаковского, Р.Р.Харченко, В. М. Хруыало, Я. И. Хургина, Э. И. Цваткова, И. Б. Челпанова, Н. А. Чехонадского, К. П. Широкова, Б.А. Школьника, В.П. Яковлева. Усилиями втих специалистов сформированы научные школы в институтах Госстандарта (ВНИИМ им. Д. И. Менделеева, СКИИМ), в высшей школе (СПбГТУ, СП6ГЭ1У, МАИ и др.), В отраслевых институтах (ЦНИДИ, ЦНИИ им. А. Н. Крылова, ВНИИИТ и др.). За рубежом наиболее активно проводили исследования L. W. Brickie, R. 0. Love, R. Hagel, A. Metal, R. Т. Nash, S. Scoczowaki, С. H. Sprague, A. Xuchowaki, H. R. Loos, V. Strejc, W. Gltt, D. Hofímarm, M. Kraus, P. Proíos, H. Strobel, E.-G. Woacíml.

В. многочисленных опубликованных работах решены важные вопросы динамических измерений, относящиеся к задачам определения динамических свойств средств измерений и оценивания погрешностей, а также к методологии.. Разработан ряд отраслевых нормативных документов; в ГОСТ 8.009 включены в качестве метрологических динамические характеристики средств измераниК.

Однако проблема обеспечения единства динамических измерений как специфическая комплексная проблема метрологии ранее (до работ автора) не ставилась. Это сниаало уровень достоверности отдельных результатов и в целом - эффективность проводимых исследований. В итоге, несмотря на большое число конкретных проработок, единство динамических измерений ни в отраслевом, ни в прелестном (по областям измерений), ни, тем более, в общегосударственном аспектах не обеспечено. В то же время практика кооперации в науке, технике и производстве настоятельно требует обеспечения сопоставимости' результатов исследований, испытаний и контроля, что невозможно без обеспечения единства данамичэских измерений.

Работа выполнялась в соответствии с Программой фундаментальных исследований по метрологии АН СССР (РАН) на

1991-1995 гг., Программой метрологического обеспечения Минтяжмаша на 1986-1990 гг., Программой фундаментальных исследований по метрологии до 2005 г. Госстандарта, планами НИР ИПТ РАН, ИГО "ВНИИМ им. Д. И. Менделеева", ЦНИДИ, СЗПИ, планом НИОКР Минвуза РСФСР, планом важнейших работ ШО "Система", планом государственной стандартизации.

Цель и задачи работы. Цель представленной работы состоит в обеспечении единства динамических измерений путем создания теоретической и методической основы решения проблемы, включая методологию динамических измерений, определение динамических характеристик средств измерений, воспроизведение и передачу размеров единиц в динамическом режиме, оценивание и коррекцию динамических погрешностей.

Для достижения поставленной цели необходимо было решить задачи:

системного анализа проблемы;

разработки методологических основ метрологии в области динамических измерений;

разработки методов оценивания точности динамических измерений, представляющих собой научную основу методик расчета погрешностей;

системного исследования и ' разработки общих методов и алгоритмов определения полных динамических характеристик аналоговых средств измерений;

■ создания теоретических основ построения систем воспроизведения и передачи размеров единиц средствам измерений в динамическом режиме;

комплексной разработки организационно-правовых основ обеспечения единства динамических измерений;

создания программных средств для решения задач обеспечения единства динамических измерений.

Положения, выносимые на защиту: принципы и постулаты теории измерений; обобщенная метрологическая модель динамического измерения; аналитические выражения и зависимости для оценок погрешностей найденных прямым методом импульсных, переходных и частотвдх характеристик средств измерений с 1--, 2- и 3-парвметрическими дифференциальными уравнениями, а также с заранее неизвестными уравнениями до 3-го порядка вкличителыю;

аналитические выражения для оценивания погрешностей

импульсной характеристики сродства измерений, найденной путем дискретизации интегрального уравнения свертки, и показатели обусловленности полученного матричного уравнения;

метод определения параметров дифференциального уравнения средства измерений путем многократного дифференцирования;

адаптивный метод нахождения б аналитической форме полных динамических характеристик средства измерений, характеризующихся минимальным числом параметров, с оптимизацией по квадратическому критерию невязки с добавлением штрафных функций;

научные основы методов оценивания точности определения полных динамических характеристик косвенным методом;

результаты анализа систем передачи размера единицы от эталона рабочему средству измерений в динами юском ракимэ;

научнш основы и созданные на их базе методики априорного и апостериорного оценивания динамических погрешностей измерений постоянных величин, измерительного преобразования и измерений с регистрацией;

метрологический подход к коррекции выходим сигналов средств измерений в динамическом р&яг.ме, основанный на введении и использовании понятий толерантного и оптимального обратных операторов, обе оттачивающих получение оценок входного сигнала средства измерений, соответственно, с требуемой и наивисавй точность», а такге алгоритм построения толоранткыг операторов;

подсистема терминов для области динимичиских измерений, входящая в метрологическую герминосистему;

принципы организационно-правового обеспечения единства динамических измерений;

принципы программного обоспеча;гия единства динамических измерений. •

Метода исследований. Поставленные задачи решены в диссертации путем системных- и аналитических исследований с использованием теории динамических систем, теории идентификации, теории регуляризации, теории автоматического 'управления, аппарата функционального анализа, матричной алгебры, дифференциальных и интегральных уравнений, о также путем математического нзделирования на вычислительных машинах и постановки экспериментов а лабораторных и производственных условиях. Научная новизна работы.

I. Впэрпые реализованный системный подход к решении проблемы обеспечения единства динамических измерений.

2. Комплексная разработка методологических основ метрологии в области динамических измерений.

3. Комплексное исследование и разработка общих методов определения полных динамических характеристик аналоговых средств измерений, и том числе нового адаптивного метода.

4. Создание Епервые теоретических основ построения систем воспроизведете и передачи размеров единиц средствам измерений в динамическом режиме.

5. Реализованный впервые системный анализ задачи оценивания точности динамических измерений и разработка методов оценивания.

6. Разработка организационно-правовых основ обеспечения единства динамических измерений, в том числе создание комплексов исходных нормативных и учебно-методических документов.

7. Комплексная разработка новых программных средств для решения задач обеспечения единства динамических измерений.

Новизна научно-технических решений, заключающихся в коррекции переменного выходного сигнала измерительного преобразователя на основе использования его отклика на известный испытательный сигнал, преобразовании разности частот генераторов синусоидальных напряжений в импульсную кодовую последовательность динамическим способом переноса спектра в высокочастотную область с помощью пяраметрона, определении в локальной шкале времени моментов поступления радиосигналов точного времени путем фиксации максимальной производной сигнала при его нарастании подтверждена 5-ю авторскими свидетельствами на изобретения.

Практическая ценность роботы. Результаты проведенного з диссертации комплексного исследования принципиальных теоретических и методических вопросов обеспечения единства динамических измерений позволяют:

повысить точность динамических измерений;

повысить точность аттестации и поверки средств измерений в динамическом режиме;

получать обоснованные рекомендации по разработке эталонов и образцовых средств измерений;

' в каждой конкретной области измерений эффективно решать конкретные задачи, возникающие при осуществлении измерений в динамическом режиме, а также "переносить" решения конкретных задач из одной области измерений в другую.

Реализация всего перечисленного позволит повысить результативность и эффективность метрологической деятельности.

Внедрение и реализация результатов -работы. Полученные в диссертации научные результаты внедрены в практику и реализованы следующим образом.

Разработаны основополагающие нормативно-методические документы, составляющие правовую базу обеспечения единства динамических измерений. Комплекс документов объединен в рекомендации "ГСИ. Динамические измерения. Обзрю положения".

Положения исходных документов и конкретные научные результаты работы использованы при разработке отраслевых документов:

Методики экспериментального определения динамических характеристик измерительных систем с внутренними шумами по импульсным переходным функциям (Уфимский авиационный институт, * ГР Т5090363, инв. Я Б 806605), включенной е разработанные филиалом ЦИАМ методические указания 97-84 "Методы, алгоритмы и программы определения погрешности результатов испытаний ГТД. Общие требования" (Минавиапром, 1984);

ОСТ 11 068.023-77 "СОЕИМ. Средства измерений и контроля параметров изделий. Нормируемые метрологические характеристики" (Минэлектронпром);

ОСТ 11 068.027-79 "СОЕИМ. Средства измерений и - контроля параметров изделий. Типовые методы определения характеристик погрешности" (Минэлектронпром);

ОСТ 11 091.482-82 "СОЕИМ. Методические указания по расчету показателей точности измерений параметров ИЗ!" (Минэлектронпром);

РД 11 8.0021-88 "СОЕИМ. Средства измерений и контроля параметров изделий. Нормируемые метрологические и точностные характеристики и методы их определения" (Минэлектронпром);

РД 11 8.0020-88 "СОЕИМ. Методические указания по расчету показателей .точности измерений параметров ИЭТ" (Минэлектронпром);

Методических указаний "Оценивашм погрешностей динамических измерений, выполняемых с помощью линейных впалогагш: средств изморений с сосредоточенными параметрами. Оба^.е положения", разработанных в НПО "ВНИИМ им. Д. И. Менделеева" по х/д 55-86.

Положения исходных документов положены в основу разработки РД 50 148-79 "Методические указания. Нормирование и определение динамических характеристик аналого-цифровых преобразователей мгновенного влектрического напряжения и тока" (Госстандарт).

Результаты работы использованы при разработке проектов международных документов МОЗМ: СП21/СД2 "Средства измерений. Принципы экспериментального опрэделэния динамических

а

характеристик"; СП21/СД2 "Средства измерений. Метрологические характеристики динамических свойств, подлежащие нормированию"; СП21/СД6 "Экспериментальное определение метрологических характеристик измерительных каналов систем. Основные принципы".

Разработан пакет прикладных программ "Диметр", который позволяет в диалоговом режиме обрабатывать данные динамических измерений с целью решения метрологических задач, возникающих при обеспечении единства динамических измерений.

Усовершенствованы учебные планы вузовской подготовки по профилирующим курсам специальностей: 19.06 - метрология, стандартизация и управление качеством; 19.01 - приборы точной механики; 23.01 - радиотехника. В рамках специализации "Радиотехнические устройства и системы в метрологии" специальности ?3.01 введена дисциплина "Динамические измерения", обеспеченная методическим сборником, учебным пособием и методическими указаниями к выполнению лабораторных работ.

Разработанные в диссертации методы определения динамических характеристик средств измерений и оценивания динамических погрешностей измерений использованы при исследованиях средств измерений механических, электрических, температурных и физико-химических величин. В частности, исследование динамических свойств быстродействующих газоанализаторов типа ГУМ позволило выявить линейный и нелинейный компоненты его модели, определить параметры компонентов, на этой основе внести изменения в документацию прибора и учесть полученные результаты при пересмотре ГОСТ на газоанализаторы. Определение динамических характеристик измерительных преобразователей переменных давлений безмембранного типа с нэохлэждэемым корпусом, используемых для контроля параметров рабочего процесса в цилиндрах судовых дизелей дало возможность отработать алгоритм диагностирования дизелей. Исследования динамических свойств стробоскопических и импульсных вольтметров позволили обосновать предложения по определению и нормированию динамических характеристик средств измерений мгновенных, напряжений с предельным быстродействием (в полосе частот до 1 ГГц). На основе определения частотных характеристик фазометра 02-16 решены вопросы нормирования его свойств и установления рабочего диапазона. Исследование динамических свойств пленочного термоприемника ■ дало возможность решить вопрос аппроксимации его динамической характеристики с помощью модели с сосредоточенными параметрами, содержащей лигаь три коэффициента, а

также найти подходящую однопараметрнчеикую модель типа "полуинерционного" звана. Исследование динамики сульфидно-кадмиевого измерительного фоторезистора, обладающего существенно нелинейными свойствами, в рабочих условиях позволило определить линейную модель и оптимизировать на ее основе режим работы содержащего резистор фотогалъвансу.етрического усилителя.

Результаты работы использованы также при создании и исследовании автоматизированной системы длл поверки цифровых измерительных компонентов СПА-1, установки для измерений мгновенных значений периодических импульсных напряжений УИМС, устройства для измерений времени установления ДАП, образцового углового акселерометра с цифровым выходом АУЦ-0', устройства для измерений неравномерности вращения 12Ш--6.

Апробация работы. Основное содержат« работы доложено я сбсузедено на 20 международных, всесоюзных и республиканских конгрессах, конференциях, симпозиумах, совещаниях (на которые представлено в общей сложности 30 докладов), в том число Весоюзной конференции "Методы л средства автоматизации научного эксперимента" (Лэнинград, 1.972), cetótuape "Вопросы теории я ггроектирования преобразователей информации" (Киев, 1973), 1-м -5-м Всесоюзных симпозиумах "Динамические измерения" (Ленинград, 1975, 1978, 198;, 1984, 1938), конференции "Ыэтодо и средстве преобразования сигналов" (Рига, 1976), 8tti IKEXQ Vi'orLd. Oongreag (üoscow, 1978), 4-й республиканской конференции га метрологи? (Тбилиси, 1978), 3-м Всесоюзном семинаре и б-й Всесоюзно? конференции "Проблема метрологического обеспечения систэь обработки измерительной информации" (Москва, '960, 1987), Всесоюзном семинаре "Фундаментальные проблемы метрологии' (Ленинград, 1.981 ), 2-м и 3-ы Есасоюзных совещаниях по теоретическо! метрологии (Ленинград, 1984, 1986), 4-м Всесоюзном симпозиуме "Методы теории идентификации в задачах измерительной техники i метрологии" (Новосибирск, 1985), 3-й Всеакадзмичвской школе пс проблемам стандартизации и метролог™ (Тбилиси, 1985), Всеакадемическом семинаре по проблемам стандартизации и метрологи; (Ташкент, 1986), Всесоюзной конференции "Системные исследования i автоматизация в метрологическом обеспечении ИИС и управлешс качеством" (Львов, 1986), IMEKO/TC-8 Symposium (Berlin, 1986) Научен симпозиум с ыездународно участие "Измервзния-88" (Soíla. 198в;.

Публикации. . По теме диссертации опубликовано свыше 70-ti

печатных работ, в том числе две монографии, учебное пособие, получено 5 авторских свидетельств на изобретения.

Структура и объем работы. Диссертация оформлена в виде двух книг, первая из которых содержит основной текст, иллюстрации, таблицы и перечень использованных источников, а вторая приложения. Основной текст состоит из введения, семи глав и заключения.

Приложения содержат материалы по построению терминосистемы, разработке комплекса исходных нормативных документов, совершенствованию учебных программ и разработке программ для ЭВМ, а также акты внедрения.

Объем диссертации: основной текст - 401 стр., библиография -616 наименований, приложения - 339 стр., рисунков - 46, таблиц -17.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТУ

Во введении показана роль и место динамических измерений как обширного и непрерывно расширяющегося класса измерений и, соответственно, актуальность проблемы обеспечения их единства. Документально подтверждена связь метрологической проблематики, обусловленной измерениями в динамическом режиме, с исследованиями, проводимыми в рамках общесоюзных и отраслевых целевых программ. Представлена ретроспектива становления теории динамических измерений как перспективной области метрологии и метрологического обеспечения. Отмечен вклад многих ученых, проводивших исследования в рамках приборостроения, а также смешгях областей - кибернетики, теории автоматического управления, математики. Показана назревшая потребность комплексного подхода к проблеме обеспечения единства динамических измерений, имещего целью обобщить конкретные результаты и сделать их достоянием многих областей измерений. Данная работа отвечает этой потребности.

В первой главе дан анализ проблематики динамических измерений и обеспечения их единства.

Анализ базируется на исходном представлении о динамических измерениях как разновидности измерений, объединенных одним признаком - необходимостью учитывать и использовать динамические характеристики средств измерений. В соответствии о втим, к динамическим следует отнести измерения, связанные с решением

следующих, измерительных и метрологических задач:

измерительное преобразование переменного сигнала; регистрация изменяющейся величины;

измерение постоянной величины в переходном режиме о экстраполяцией полученных данных;

измерение однократной реализации величины; воспроизведение переменой величины.

Некоторые специалисты к динамическим относят также измерения постоянных параметров процессов.

Анализ направлен на выявление специфики задач, связанных с основными аспектами методологии: исходными понятиями, аксиоматикой, классификацией измерений и средств измерений, моделированием метрологических объектов.

Наличие ряда трактовок понятия динамического измерения обусловлено. поиском адекватного критерия выделения категории измерений, отвечающего интуитивным представлениям практиков. Любой критерий должен отражать факт зависимости результата измерения и его точности от характера изменений входного воздействия средства измерения в течение времени измерения. Указанная зависимость определяется динамическими свойствами средства измерений.

Развитие аксиоматики в теории динамических измерений возможно лишь на основе сбщеметрологических принципов, отсутствие которых традиционно компенсировалось использованием общих принципов гносеологии. Аксиоматика метрологии необходима для определения исходных понятий, оптимального их отграничения и правильного учета специфики измерений как способа познания и вида деятельности.

Классификация динамических измерений необходима в силу их сложности (многофакторности): результативность разрабатываемых методов обусловлена разграничением измерительных ситуаций. Классифицирование средств измерений определяется сложным характером их взаимодействия с объектом исследований при динамических измерениях.

Объектами моделирования являются динамическое измерение и его компоненты: объект исследований, средство измерений, метод измерений, влияющие факторы. Объект исследований характеризуют.как источник . (генератор) входного воздействия (сигнала), прадставляыдего собой носитель потенциальной измерительной информации. Если измеряемая величина - активная, то входной сигнал совпадает с ней по физической природе; если - пассивная, то сигнал создается другой величиной - активной, которая известным образом

связана с измеряемой. Средство измерений моделируют обычно как преобразователь сигнала, дэйствущэго на информационный вход средства. Входной сигнал и измеряемая величина в общем случае не товдественны, что обусловливает стремление определить (ввести) динамические характеристики, которые бы выражали свойства средства по отношению к измеряемой величине, а не входному сигналу. Модель метода измерений в общем случае включает принцип действия средства измерений и алгоритм обработки данных. Синтез модели динамического измерения на основе моделей компонентов требует использования мощного и сложного математического аппарата.

В общем случае информативный параметр г выходного сигнала у средства измерений, используемого в динамическом режиме, и соответствующие оценки г, у определяются парами преобразований:

у = В 1х; 7[£П; г = Ф {у; Н1£П;

у = В Сх; ?[£]}; 2 = Ъ {у; ИС£1, г),

где В, В - номинальный (требуемый) и действительный операторы преобразования сигналов; х = х (1;) - выходной сигнал объекта исследований; х = х(г) - входной сигнал средства измерений; Ф, Ф -номинальный (требуемый) и действительный функционалы, определяпдиэ требуемый информативный параметр сигнала; £ - вектор влияпцшс величин; V, V - номинальный (требуемый) и действительный операторы преобразования влияющих величин; я, г - выходной импеданс средства измерений и входной импеданс нагрузки.

Обобщенное представление (1) приводит к сложному описании динамических свойств средств измерений. Для упрощения используют традиционный для метрологии подход, в соответствии о которым рассматривают оператор В и функционал Ф как параметрические (В^,

у = в^ {х); ъ - Ф^ {у); у » В£ Ш; г - Ф£Г {?}.

(2)

Конкретные способы описания динамических свойств средств измерений определяются формами представления оператора В, которые обусловлены, в первую очередь, основными дихотомическими классами моделей средств измерений: линейными - нелинейными, аналоговыми -цифровыми, с сосредоточенными и с распределенными параметрами. Дан

обзор способов описания указанных моделей и форм оператора В, а также соответствующих этим формам динамических характеристик средств измерений. Наиболее подробно аппарат моделей разработан для линейных аналоговых средств измерений с сосредоточенными параметрами, которые являются наиболее массовыми. Приведены связи между различными формами оператора В для указанных средств.

Рассмотренный модели средств измерений служат основой для представления и нормирования их динамических свойств. В свою очередь, нормирование неразрывно связано с определением и контролем динамических свойств. Методы определения динамических свойств средств измерений заимствуют из теории идентификации систем автоматического управления. Для использования в метрологических целях эти методы, как правило, требуют модификации и развития. В работе дан анализ известных методов идентификации на соответствие сформулированным метрологическим требованиям.

Проблема оцо!швания и коррекции ногрешносгей динамических измерений обусловлена, в конечном итоге, несовершенством динамических свойств используемых средств измерений. Формально, причиной возникновения динамической погрешности слухит отличие в выражениях (1), (2) действительного оператора В от '¡ребуемого В, а такие наличие ненулевых действительных, операторов преобразования влияющих величин V, Ни комплексных имподансов \ч, г. В тех случаях, когда речь идет о регистрации переменного сигнала или ого измерительном преобразовании без изменения Ф^рмы, моаю говорить, что причиной появления динамической погранаости является несоответствие динамических свойств средств измерений гпантралышы свойствам входного сигнала. В общем случае погрешность динамического измерения

а = 2 - а =

~ г. ~ ~ _ (3)

- О 1В [х; 1И£]; я, г) - Ф (2 1х; V<€>3;

Из (3) следует, что, во-первых, оценивание погрешности, в отсутствие полных и точных сведений о входном сигнале, ставит вопрос о выборе подходящей его оценка, во-вторых, выделение "динамической" составляющей погрешности в общем случав невозможно. Первая задача ыокат быть снята за счет градуировки средства измерений с помощью типовых испытательных сигналов и решена путем расчленения погрешности на составляющие и оценивания каждой на ооново доступных сведений о входном сигнале. Вторая задача

решается для измерений с регистрацией или другим линейным преобразованием переменного сигнала. В этом случае погрешность

в - X - X »

= В~1П(К/К)Вх + (1/К) У(£)]|г/(я + г)|) - К Вх,

(4)

где В-' - оператор, обратный требуемому оператору преобразования В; К - статический коэффициент преобразования средства измерений. В случае, если можно пренебречь влиянием нагрузки «г), а

также ввести поправки на воздействия влиявдих величин, получаем упрощенное выражение

0 а ({^ + БдЭх, (5)

где ^ - относительная погрешность статического коэффициента Преобразования; ев = В-1В - 1 =1 - В-1В - символическое выражение "относительной погрешности" оператора преобразования. Таким образом, при линейном преобразовании входного сигнала удается разделить статическую и динамическую составляющие погрешности.

Динамические измерения можно рассматривать как совместные измерения различных величин и времени, поэтому обеспечение их единства предполагает передачу средствам измерений, наряду с размером единицы измеряемой величины, также размера единицы времени (частоты). В общем случае измеряемая величина и время неразрывно связаны в средстве измерений и эта связь определяет его динамические свойства. Таким образом, нахождение динамических свойств средства измерений ознвчает передачу ему размеров единиц измеряемой величины и времени в их необходимой взаимосвязи. Установление иерархической соподчинэнности средств измерений по их! динамическим свойствам возможно лишь применительно к сигналам определенных фиксированных форм (соответственно, спектрального состава). Уквзаннне сигналы должны определять выбор испытательных сигналов, а в частных случаях - использоваться в качестве испытательных.

Результаты анализа проблематики динамических измерений, выявившие специфику основных метрологических задач, позволили сформулировать проблему обеспечения единства динамических измерений как актуальную проблему метрологии и метрологического обеспечения. Проблема является комплексной и требует решения во всех аспектах: научно-методическом, организационно-правовом и техническом. Сформулированы указанные выше задачи работы.

Во второй главе разработаны методологические

основы обеспечения единства' динамических измерений, включая аналиь структуры и элементов динамического измерения, разработку научных основ создания понятийного аппарата, формулирование принципов и аксиоматики.

Модель измерения формируется как совокупность двух рядоь элементов, относящихся, соответственно, к реальности и к еь отражению. Первый ряд содержит: объект исследований с выделенной в нем физической величиной; средство измерений, взаимодействующее с объектом; условия измерений, влияющие на объект и средство измерений; совокупный отклик средства на все воздействия (еыходной сигнал); вычислительные средства, с помощью которых производят обработку данных с целью получения результата измерения и оценки его погрешности. Второй ряд включает в себя: модель объекта, содержащую модель физической величины, на осноев которой формируют понятие измеряемой величины - конкретного параметра модели объекта; модель средства измерений, на которой вводят его метрологические характеристики; модель результатов наблюдений, и алгоритм обработки данных. Элементы обоих рядов связаны между собой посредством: цели измерения и обусловленной ею априорной информацией; метода измерений, который определяет содержание экспериментальных процедур и алгоритма обработки; результата измерения и оценки погрешности.

Динамические измерения характеризуются изменчивостью объекта и выделенной физической величины во времени, изменяющимися условиями, переменными входным и выходным сигналами средства измерений, сложностью метода и, как следствие этих факторов -большим объемом данных и необходимостью слоакной их обработки. Сложным реальным элементам динамического измерения отвечают адекватные . по сложности модели, заимствуемые из теории динамических систем, а также соответствующие математические методы исследований и обработки данных.

Динамическое измерение имеет, кроме морфологической, также временную структуру. В ней выделяют ' три основных етапа: подготовку, измерительный эксперимент, обработку данных. На этапе подготовки формулируют измерительную задачу, планируют и обеспечивают требуемые условия. Сложность динамического измерения обусловливает особую важность этапа подготовки, в первую очередь, формирования модели объекта и понятия измеряемой величины. Выбор измеряемой величины может быть неоднозначным даже прв фиксированной модели объекта.

При рассмотрении измерения как процесса преобразования измерительной информации его " содержание описывается алгоритмом преобразования, состоящим из двух частей: преобразования измерительного сигнала в совокупность данных наблюдений и преобразования данных в совокупность результата измерения и оценки его погрешности. ПерЕое преобразование осуществляют с помощью средства измерений, Еторое - путем обработки данных. Как правило, преобразования несоизмеримы по точности. Стремление к повышению точности обусловливает тенденцию сужения аппаратурной и расширения вычислительной частей алгоритма. Противоположную тенденцию вызывает стремление к упрощении процедуры измерения, что достигается за счет сужения области применения средства измерений. Указанное противоречие снимается за счет включения в состав средств измерений вычислительных устройств.

Создание мотодологической базы предполагает разработку понятийного аппарата. Системный путь решения задачи предусматривает разработку ядра терминологической системы - группы взаимосвязанных терминов и взаимосогласованных их определений. В основу разработки положены принципы преемственности и практической направленности на решение метрологических • задач. Совокупность вводимых терминов расматривается как часть общеметрологическоЗ терминосистемы, базирующейся на общепринятых понятиях:"измерение", "средство измерений", "метрологическая характеристика", "погрешность измерения" (ГОСТ 16263-ТО, Международный словарь метрологических терминов В1КР/СЕ1/130/01М1). Вводимые понятия согласованы также с исходными терминами, заимствованными из смежных дисциплин. Креме того, определения понятий должны быть не абстрактно-теоретическими, а конструктивными и позволять решать конкретные задачи. Это относится в осноеном к динамическим характеристикам средств измерений; соответствующие понятия согласованы с Публикацией 50 (351) МЭК и ЦЦ ЫОЗМ СП 21/СД2. Структура терминосистемы отвечает сущности проблемы обеспечения единства динамических измерений; . введены разделы: сигналы, измерения . и режимы, средства измерений, динамические характеристики, метода определения динамических характеристик, погрешности динамических измерений. Разработанная терминосистема составила содержание рекомендации МИ 1951 -88 (Приложение 1).

Присущая динамическим - измерениям сложность измерительных задач, соответственно, методов и средств их решения, выдвигает дополнительный стимул к разработке аксиоматика метрологии, которая

должна учитывать специфику этих измерений. Сормулирование аксиом метрологии затруднено в силу ряда причин: наличия существенного субъективного элемента и особо тесной связи теории и практики в метрологической деятельности, сложности фундамента метрологии, опирающегося на гносеологию, теоретическую физику и математику, а также тесного переплетения метрологии и приборостроения. Указанные причины побуждают к установлению принципов, независимых от изменений в практической метрологической деятельности и могущих служить основой сравнительно более гибкой системы постулатов теоретической метрологии. Конкретизация основных положений теории познания с учетом особенностей измерительного процесса приводят к формулировке следующих метрологических принципов: измеримости конкретных свойств объектов;

единства объективного и субъективного е понятии измеряемой величины;

обусловленности результата измерения экспериментальной обстановкой и априорной информацией;

единства объективного и субъективного в структуре измерений; неопределенности измерительной информации; относительной инвариантности результата измерения. На эти принципы опираются следующие постулаты теории измерений:

а - в рамках принятой модели объекта исследования существует определенная измеряемая величина и ее истинное значения; р - измеряемая величина постоянна;

7 - существует несоответствие измеряемой величины исследуемому свойству объекта (пороговое несоответствие измеряемой Ееличины);

О - всегда существует возможность повысить точность измврений. •

Первые два постулата имеют осоооа значение для динамических измерений и к ним непосредственно адресуются следствия из этих постулатов:

а^ - для данной физической величины* объекта исследования существует множество измеряемых величин (соответственно, их истинных' значений);

Р^ - для измерения при переменной физической величине необходимо определить ее постоянный параметр (измеряемук величину)'.

В третьей глпве исследована задаче определения динамических характеристик средств измерений, знанж

которых необходимо для проведения измерений в динамическом режиме.

Определение характеристик включает в себя: воспроизведение (определение) испытательного сигнала, регистрацию выходного сигнала исследуемого средства измерений (отклика на испытательный сигнал), обработку данных (испытательного и выходного сигналов) с целью определения требуемой характеристики и оценивания погрешности ее определения. В связи с зтиш процедурами возникают теоретические задачи анализа методов и создания алгоритмов обработки данных при определении динамических характеристик, установления требований к испытательным сигналам, установления требований к характеристикам измерительных устройств, используемых при определении динамических характеристик средств измерений. Указанные задачи имеют смысл как общие для полных динамических характеристик, определение которых является наиболее трудным.

Нахождение из экспериментальных данных полной характеристики формально сводится к определению из операторного уравнения динамики средства измерений (1.2) неизвестного оператора В по известным испытательному сигналу х и отклику средства измерений у. Анализ известных методов позволил выявить, в качестве перспективных для разработки з интересах метрологии, метода: дискретизации интегрального уравнения свертки и многократного интегрирования дифференциального уравнения , средства измерений. Поскольку области применения этих методов ограничены, то актуальна задача создания универсального метода, отвечающего полностью сформулированным метрологическим требованиям.

При определении динамических характеристик средств измерений предпочтительны детерминированные испытательные сигналы как более точно воспроизводимые по сравнению со случайными. Среди детерминированных выделяются характеристические сигналы: единичная ступень, дельта-импульс, гармонический сигнал. Отклики средств измерений на эти сигналы представляют переходную, импульсную и частотные характеристики. Методы, в которых используются характеристические сигналы, называют прямыми, другие - косвенными..

Качество испытательных сигналов определяется их временными (спектральными) свойствами и. точностью воспроизведения (определения). Для характеристических и некоторых скомбинированных из них сигналов возможно установление лишь совокупных требований к точностным и спектральным свойствам. Если задана норма допускаемой погрешности нахождения характеристики прямым методом 0дОП и известна оценка нормы погрешности регистрации выходного сигнала

О , то образуя разность

7 |]Одоп|| - Ц0у/»|| = ||О0||, (6)

получим, что ЦОдй выражает допускаемую погрешность нахождения характеристики, обусловленную неидеальностью испытательного сигнала. Что касается нехарактеристических сигналов, используемых в косвенных методах определения характеристик, то требования к . их точностным и спектральным свойствам могут быть сформулированы раздельно. Наиболее общее соотношение, выражающее требование к точностным свойствам испытательного сигнала, можно получить из операторного уравнения (1.2). Вводя в него погрешности Сх, Оу, Св и переходя к нормам, получим

||0у|| + ЦОВЦ II1 II

Вбх < —-- -1 -1 • /7)

||(В + СВ) 1 1

Цреобрвзуя (Т) и усиливая неравенство, получим в симметричной форме

ЙОЦ (ЗуЦ/ЦуИ + ||0В|1/||В||

- ----- , (8)

8*1 1 - 1(ав||/Цвй

при условии Ц6В|/||В || < 1. Оценки, полученные из неравенств (7 К (8) имеют практический смысл для случаев, когда норма оператора в близка к единице (динамически точные средства измерений). Во временной области (7) принимает форму неравенства:

Jg(t-T)ax(T)tnj^/ JigwicK

« е, (8)

о

где е - максимальный модуль допускаемой погрешности определения импульсной характеристики g(t).

Конкретные требования к испытательным сигналам установлены в рамках разработки конкретных методов.

Требования к спектральным свойствам испытательных сигналов устанавливаются, исходя из представления о том, что "хорошим" испытательным сигналом, в отличие от рабочего, должен считаться тот, который достаточно сильно искажается при преобразовании в исследуемом средстве измерений. Указанные требования можно выразить неравенством ВОдщИ ? d, где d -заданный уровень погрешности. В операторной форме для средств измерений, предназначенных для масштабного преобразования х, 20

|(В - I )х| > d. (9)

В случае, если динамические свойства средства измерений (оператор В) выражены о помощью амплитудно- и фазочастотних характеристик А(ш), ф(ш), а погрешность характеризуется нормой в 12, неравенство (9) примет вид:

со

|[а2(ш) - 2А(ш)созФ(ш) + l]x2(d))did > d. (10)

о

Неравенство (9) конкретизировано для случая исследования свойств средства измерений в конечном диапазоне частот.

Для 7-ми типовых сигналов (с линейным, экспоненциальным и косинусоидальным нарастанием до установившегося значения; импульсных прямоугольной, треугольной, синуоовдальной и косинусоидальной форм) получено 14 соотношений, выражающих требования к амплитудному спектру. Указанные соотношения включены в Рекомендации МИ 2090-90 (Приложение 2).

Прямые методы определения полных динамических характеристик средств измерений являются наиболее достоверными. Однако реальный испытательный сигнал всегда отличен от характеристического, и требуется оценить погрешности, обусловленные 'беидеальностью испытательных сигналов. Для типовых испытательных сигналов .(о линейным и экспоненциальным нарастанием, импульсных прямоугольной и треугольной форм, а также бигврмонических - суммы первой и второй гармоник) и типовых динамических звеньев 1-го и 2--го порядков получены оценки погрешностей (максимальные, средние по модулю и средние квадратические) прямого определения переходной, импульсной, амплитудно- и фазочастотной характеристик средств измерений. Оценки представлены в форме 19-ти аналитических выражений, а также 141-й зависимости от параметров звеньев. Они позволяют также определить, при заданной точности, параметры требуемого испытательного сигнала. Указанные соотношения и зависимости представлены в форме 25-ти графиков и 29-ти таблиц в Рекомендации НИ 2090-90 (Приложение 2).

В том случае, когда реальный испытательный сигнал существенно отличается от характеристического, и отклик на него исследуемого средства не может служить достаточно точной оценкой искомой характеристики, приходится использовать косвенный метод. Одним из самых простых является метод дискретизации уравнения свертки.

Принцип метода заключается в дискретизации интеграла свертки в интегральном уравнении Фредгольма первого рода и решении полученного матричного уравнения динамики средства измерений

Y = At * X G, (11)

где At - период дискретизации сигналов; У и G - векторы-столбцы, составленные из значений выходного сигнала y(t) и искомой импульсной характеристики g(t) средства измерений в равноотстоящие моменты времени; X - матрица значений испытвтельного сигнала x(t), форма которой обусловлена выбранной интерполяционной формулой.

При определенном уровне погрешностей влементов матрицы х она может оказаться критически обусловленной (не будет гарантировано отличие от нуля ее определителя при любых реализациях элементов) и решение

в - (At КГ1СХ)"1У С 12)

не будет иметь смысла. Достаточным условием отсутствия критической обусловленности является неравенство

п - Р(С) < 1, (13)

где П - фактор критической обусловленности; р(*) - спектральный радиус; С - |Х~1|ЙХ|- матрица обусловленности, в матрицы |Х-1| и ОХ составлены, соответственно, из абсолютных значений элементов матрицы х~1 и верхних границ погрешностей этих элементов.

Для ряда испытательных сигналов получены оценки максимального числа отсчетов, при котором соблюдается условие (13). Например, для полусинусоидального импульса максимальное число отсчетов находится в диапазоне между 16-ю (П = 0,49) и 32-мя (Q - 4,04). Поскольку фактор критической обусловленности уменьшается с увеличением периода дискретизации, в диапазон частот, в котором исследуется устройство, при этом сужается, то выбор испытательного сигнала должен явиться результатом компромисса.

При отсутствии критической обусловленности импульсную характеристику можно оценить с погрешностью

II0GH * [МПО-At.«)"1 + 16||]0/(1-П), (14)

где 0 и \ - верхние границы погрешностей определения входного и ныходного сигналов. Более точные оценки для верхних границ погрешностей А^ нахождения значений импульсной характеристики даются соотношениями:

= + 8'0)Ьк/(1 - П), к = 1,п, (16)

п п —

где & 18^1; Ък 1ьк±1 • Ьк1 ~ элемент матрицы X .

Метод многократного интегрирования дифференциального уравнения средства измерений

УШ + 1а±у(1)(1;) = Кх(г) + 2Ь3хи,(г) (16)

позволяет перейти к линейной алгебраической системе относительно коэффициентов а , Ь (1 = 1,...,п; ] ■ 1,..., ш; пкп): ± 3

фп+1 <*>+ <к> - к,фп+1 <к>.+ <*>• <17>

к - 1,п+т,

где Ни® - интегралы соответствующей кратности от у (г) и 1(1;); к - номер промежутка интегрирования для последнего интеграла. Матричная форма уравнения (172 _ _

Я<А = Г, (18)

где д - вектор-столбец искомых коэффициентов а±, Ь^. При ненулевом определителе ]п| система (18) имеет единственное решение

А = 1Г1Г, _ (19)

которое справедливо лишь в случае, если я не является критически обусловленной, т. е. выполняется условие (13), где

с = |«ея, _ (20)

¡Я-1) и бя составлены, соответственно, из модулей элементов Н-1 и погрешностей элементов Я.

Погрешности решения (19) находятся из выражения:

ЗА = (I - С)-1 (С«А + |Н_1|«0р, (21)

где 1 - единичная матрица.

Для реализации (метода не требуется ЭВМ, и его можно использовать для контроля динамических свойств средств измерений о несложными моделями. Метод чувствителен к систематическим погрешностям в исходных данных, в связи с чем предлогов алгоритм введения поправок в результаты вычислений по формула (19).

Сформулированным в работе- метрологическим требованиям полностью отвечает разработанный адаптивный метод нахождения полных динамических характеристик средств измерений. Он основан на построении иерахической по сложности системы моделей, пошаговый перебор которых с определением на каждом шаге оптимальных коэффициентов приводит в результате к нахождению простейшей по

структуре передаточной функции. Направление перебора определяется следующими, в порядке значимости, факторами: количество коэффициентов, наличие дифференцирующих звеньев, порядок дифференциального уравнения. Иерархическая система включает в себя

23 передаточные функции от простейшей однопараметрической до 5-параметрической функции 3-го порядка. В методе используется 5 типовых сигналов, которыми аппроксимируется реальный сигнал.

Корректность метода по Тихонову доказана путем построения компактного класса корректности в на основе критерия М. Риссз.

Оптимизация осуществляется по квадратическому критерию невязки, в однозначность решения оптимизационной задачи обеспечивается добавлением к квадратическому функционалу штрафных функций. Эти функции вводятся на основе установленных в работе 28-ми соотношений между оптимальным коэффициентом передаточной функции 1-го порядка и коэффициентом первой частной дроби в разложении передаточной функции в цепную дробь, а также 142-х аналитических выражений для границ областей поиска оптимальных коэффициентов. Найденная оптимальная передаточная функция пересчитывается в другие полные динамические характеристики с оцениванием погрешностей коэффициентов.

Разработаны модификации метода: для представления исходных данных в цифровой форме - с нахождением непосредственно импульсной характеристики; для средств измерений с распределенными параметрами, моделируемых с помощью уравнения теплопроводности. Метод реализован в виде комплекса программ, включенных в ФАЛ Госстандарта, и представлен в Рекомендации МИ 2090-90.

Метод использован для исследований динамических свойств оредств измерений механических, электрических, температурных, физико-химических величин. В результате найдены (неизвестные) I уточнены модели средств измерений, что позволило более достовернс оценить их точность и усовершенствовать документацию. Например, для газоанализаторов, термоприемников и фоторезисторов погрешност! аппроксимации моделей уменьшена в б - 10 раз.

В четвертой главе рассмотрены вопрос! воспроизведения и передачи размеров единиц средствам измерений ] динамическом режиме, включая динамическую градуировку и поверку.

Воспроизведение единицы физической величины в дннамическо] режиме означает воспроизведение зависимости этой величины о1 времени (частоты) с наибольшей известной точностью. Это требуе решения трех специфических задач: привязки "динамической" единиц

к "статической", распространения понятия точности на совокупность величин (в общем случае бесконечномерную), удовлетворения требований к воспроизводимой зависимости, позволяющей использовать ее в качестве испытательного воздействия. Первая задача решается путем создания однопараметрического (например, ступенчатого) или стационврного (периодического) сигналов, вторая сводится к обеспечению точности по обеим координвтвм зависимости, а третья решается на основе оптимизации конкурирующих точностных и спектральных требований.

В процессе передачи размера единицы в динвмическом режима требуется, как указано выше, определять характеристику рабочего средства измерений с помощью более быстродействующего ("динамически образцового") устройства. Для средств измерений, которые могут быть использованы в статическом и динамическом режимах, наиболее целесообразно установление одной иарарятии (обычная поверочная схема) с раздельным определением статических и динамических свойств. Для устройств, которые могут быть использованы лишь в динамическом режиме (системы • о "закрытым входом") передача размера единицы и определение динамических характеристик практически неразделимы.

О целью обоснования иерархии средств измерений по динамическим свойствам в поверочных схемах проанализирована процедура последовательного определения динамических свойств в типовых схемах, возглавляемых эталонными измерительным преобразователем и генераторами испытательных сигналов (характеристических и других). Сравнение двух средств измерений по быстродействию основано на использовании неравенства:

1118,1 - х|| - [|В2х - хШ/пикИв^х - х||, ||Вгх - х||) $ 0,25. (22)

В случае выполнения неравенства быстродействие сравниваемых устройств мокно считать практически одинаковым. Если неравенство не выполняется, то при условии

цвгх - х|| $ Ц^х - х|| (23)

следует считать, что по быстродействию второе средство измерений превосходит первое. В выражениях' (22), (23) конкретная норма погрешности определяется существом измерительной задачи.

Указанные выше типовые схемы разделяются в силу традиционно различного описания динамических свойств измерительных преобразователей и генераторов сигналов. В работе обоснована

возможность единообразного описания.

Для обобщенной схемы соподчиненности средств измерений по их динамическим свойствам получены соотношения:

1 = Т7к, (24)

где г, - У,; - А1_,У1> 1 = гТй; А1 - оператор 1-го устройства; у1# х1 - отклики, на испытательный сигнал • 8± устройств 1-го и (1.-1 )-го ■ (более быстродействующего). Из соотношений (24) следует, что для реализации обобщенной иерархической схемы требуется лишь определить полные динамические характеристики средств измерений и решать аа их • основе прямую задачу динамики. При втом не требуется точно знать сигналы а ; ну то лишь, чтобы они были достаточно широкополосными.

Анализ процесса динамической градуировки средств измерений позволил установить, что она сводится н их идентификации. Лиль при использовании средства в режиме с ограниченной совокупностью рабочих сигналов возможно определение динамической градировочной характеристики как зависимости между информативными параметрами испытательных сигналов и откликов средства.

Поверка средств измерений в динамическом режиме как разновидность контроля может различаться в зависимости от формы представления контролируемой динамической характеристики. Диапазон задач повертя весьма широк - от ^змэрчниЯ отдэльгс-з: параметров отклика средства измерений (при нормировании частной или просто® по форме полной динамической характеристики) до задач? идентификации в полном объеме с использованием сложных косвеннш методов. Для средств измерений с нормированное! диаамичаско! погрешностью и частной динамической характеристикой получеш обобщенные выражения погрешностей поверки.

В пятой главе рассмотрены вопросы точносп динвмических измерений, вхлл«ач оСией янали?., оцэнкванш данамических погрешностей измерений постоянных величин динамических погрешностей измерительного преобразования 1 измерений с регистрацией, а также коррекцию динамически: погрешностей измерений.

В результате составления и анализа обобщенных выракени погрешностей динамических измерений для случаев линейных нелинейных операторных и функциональных, преобразований выявлен типы составляющих, обусловленных неидеалыюстьл статических динамичеишх свойств средств измерений, в также смешанны

составляющие. Показано, что общие метода оценивания могут Сыть разработаны для динамических погрешностей.

Задачи оценивания точности динамических измерений обусловлены разновидностями измерительных задач и требованиями к точности их решения. Для каждой измерительной задачи можно говорить об

априорном оценивании (при планировании измерения); апостериорном оценивании (с целью контроля и коррекции априорных оценок по данным эксперимента);

коррекцж отклика средства измерений (в случае, если априорные и апостериорные оценки не удовлетворяют требованиям).

Наиболее полно задача оцэшшакия формулируется для измерительного преобразования. Динамическая погрешность преобразивши определяется входным сигналом и динамическими свойствами средства измерений. Классифл;рфоваяи9 информации об обоих фал юрах позволило выявить 105 типовых задач оценивания. Анализ показал, что рашонн полностьи лазь 3 и частично - 36 задач. В работе реиолк взшш магговло вздатл априорного и апостериорного оцешмшжя для наиболее' распространениях измерительных ситуаций.

Основой алгоритмов оцешвания слугит разработанный аналитический штод нахоздышя отклика средства измерений. Он осноэа-- рполгкэаки шнаЭяой «дш средства по элементарная звеньям л входного сигнала - по олемэнтарным типовым сигналам. Отклкк у (г) выражается взвешенной суммой элементарных отклихоз казд-.й у.з которых предогавляет собой отклик 1-го ъттгкг.ри-.та у?-на яа элешатарниЛ сигнал. Получено 72

ана;г.ь.т;<1скта. выражения, позволяющих реализовать мэтод, который существенно облегчаат рэиюние формальных метрологических задач.

Измираниь посгояшоЛ величины в динамическом режиме связано с ограяиоп::-м гр^^сет агдор?н?я "I необходимостью экстраполировать полученные данные (часть переходного процесса на выходе средства измерений) к установившемуся значению. Ранее точность этого метода измеряем но и&хз лослвдог.ала. Ь работе получены общие вырезания для гэтяу.-а.тв-з и ого тк'гргшэста, которые конкретизированы для 5-ти оию^шх таловых моделей средств изглерений.

Задача оценивания динамической погрешности измерения постоя»э!.н'о параметра процесса исследована для случаев задания параметра фунггдеонплом общего вида и линейным функционалом. Получены обобщенные выражения для оценок погрешностей.

Коррекция переменного выходного сигнала средства измерений требует рвения наиболее сложной формальной задачи динамики при

измерениях - некорректно поставленной обратной задачи, что связано с использованием методов регуляризации, базирующихся на априорной информации об искомом решении. Анализ показал, что известные методы, о одной стороны, предполагают наличие априорной информации, недоступной метрологу, с другой стороны, не используют информацию, которая имеется. Иными словами, исходят в большей степени из возможностей математики, нежели из содержательной постановки метрологической задачи. Это затрудняет или делает невозможным применение разрабатываемых методов. В связи с втим в работе предложен и обоснован последовательно метрологический подход к некорректным задачам динамики при измерениях. Он основан на введении понятий толерантного и оптимального обратных операторов, преобразующих исходные данные (включая априорную информацию и выходной сигнал средства) в оценку входного сигнала. Толерантный оператор обеспечивает получение оценки с требуемой, а оптимальный - о предельной точностью. Разработан метод построения толерантного оператора на основе регуляризируюцих операторов типа свертки; метод реализуется о помощью алгоритма, включающего 34 установленных в работе аналитических выражения.

В шестой гла в е рассмотрено оганизационно-правовое обеспечение единства динамических измерений. Оно должно базироваться на двух сформулированных в работе принципах: минимальных организационных и достаточных методических изменений системы обеспечения единства измерений. Первый означает, что любое изменение существующей системы обеспечения единства измерений должно быть вынужденным, в второй провозглашает преимущество методических решений практических задач перед всеми другими. Указанные принципы реализованы при разработке комплекса исходных нормативных документов по обеспечению единства динамических измерений. В соответствии с современной концепцией развития ГСИ он должен быть представлен в одном документе: "ГСИ. Динамические измерения. Общие положения" и содержать в качестве приложений разработанные и планируемые к разработке документы, регламентирующие решение отдельных, аспектов проблемы. Комплекс документов приведен в Приложении 2.

В рамках специальностей 19.06 (метрология, стандартизация и управление качеством), 19.01 (приборы точной механики), 23.01 (радиотехника) проведена работа по совершенствованию учебных программ высшей школы с целью учета проблематики динамических измерений. Результаты представлены в Приложении 3.

Разработка программных средств решения задач обеспечения единства динамических измерений основана на сформулированных в работе принципах: взаимосвязанности задач и исходных данных, обеспечения состояния "продолжающейся разработки", ориентации на использование в тематических и испытательных подразделениях отраслевых организаций, реализации на средних по мощноати и персональных ЭВМ. Принципы положены в основу создания пакета прикладных программ "Диметр", который позволяет в диалоговом режиме решать выбранную из нескольких сотен задач, объединенных в 17 тем. Пакет реализован на СМ ЭВМ (о любой версией РАФОО); для работы необходимы два диска, в том числе жесткий о емкостью не менее 2,5 Мбайт; объем оперативной памяти - 28 Кбайт. Время решения, например, прямой задачи динамики аналитическим методом на ЭВМ СМ 1420 составляет (3-6) мин, численным методом - (2-4) мин. Результаты разработки приведены в Приложении 4.

В седьмой главе представлен аналитический обзор состояния аппаратурной базы обеспечения единства динамических измерений.'

Для областей механических, температурных и электрических измерений рассмотрены исходные образцовые средства (специальные эталоны), генераторы испытательных сигналов, образцовые измерительные преобразователи, поверочные установки. Выявлена большая неравномерность развития аппаратурной базы в различных областях, которая приводит зачастую к разрыву цепи передачи размеров единиц в динамическом режиме от исходного средства, воспроизводящего переменную величину с известным законом изменения, к рабочему средству измерений, которое остается неградуированным в динамическом режиме.

В заключении сформулированы следующие Основные научные результаты:

1. На основе анализа структуры и элементов динамического измерения разработаны основы понятийного аппарата и аксиоматики в о6лес.и обеспечения единства динамических измерений.

Построена обобщенная метрологическая модель динамического измерения.

3. Исследована точность прямых методов определения полных време1шых и частотных динамических характеристик аналоговых средств измерений.

4. Исследованы и развиты известные косвенные методы определения полных динамических характеристик: дифференциального

уравнения - путем его многократного дифференцирования и импульсной характеристики - путем дискретизации уравнения свертки.

5. Разработан адаптивный метод определения с помощью типовых (или аппроксимируемых типовыми) испытательных сигналов простейшей (с минимальным числом коэффициентов) передаточной функции с пересчетом в другие полные динамические характеристики и оцениванием погрешностей найденных коэффициентов.

6. На основе анализа процесса передачи размеров единиц от исходных средств измерений в динамическом режиме установлен алгоритм передачи, включающий лишь определение полных динамических характеристик и решение прямой задачи динамики.

7. В качества основы априорного оценивания динамических погрешностей средств измерений разработан универсальный метод синтезирования отклика динамического звена на заданный сигнал как взвешенной алгебраической суммы откликов элементарных звеньев на элементарные типовые сигналы.

8. Сформулирован, обоснован и развит, метрологический подход к решению звдачи коррекции выходных сигналов средств измерений в динамическом режиме, основанный на введении понятий толерантного и оптимального обратных операторов средства измерений, обеспечивающих коррекцию, соответственно, с требуемой или предельно достижимой (в данных условиях) точностью.

9. Сформулированы принципы обеспечения единства динамических измерений: принцип минимальных организационных изменений и принцип максимальных методических изменений системы обеспечения единства измерений.

10. Сформулированы принципы программного обеспечения единства динамических измерений.

Таким образом, в диссертации разработаны теоретические и методические положения, совокупность которых, по мнению автора, можно квалифицировать как новое крупное достижение в развитии перспективного направления. - обеспечения единства динамических измерений - в метрологии и метрологическом обеспечении.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИИ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Алгоритм автоматизированной обработки данных при определении временной динамической характеристики аналогового средства измерений по экспериментально полученной частотной характеристике /Л. В. Бессчетнова, Ю. К. Выболдин, В. А. Грановский и др. - В кн.: Проблемы метрологич. обеспвч. систем обработки измерит, информации: Тез. докл. VI Всес. конф. - М.: ВНИШГРИ, 1987.

30

2. Лрутшов В. 0., Грановский В. А., Рабинович 0. Г. Нормирование и определение динамических свойств средств измерений.

- Измерительная техника, 1975, * 12.

3. Еишшков Е. м., Грановский В. А., Кравченко Г. И. Параметрический генератор в устройствах сличения образцовых мэр частоты. - Измерительная техника, 1971, Ji 5.

4. Вшпиков Е. Ы., Грановский В. А. Устройство для определения временного сдЕига. - Авт. свид. СССР, л 367407. -Балл. изоОр., 1973, Л 8.

Ь. Банников Е. М., Грановский В. А., Кравченко Г. И. Способ автоматической регистрации моментов радиосигналов точного времени.

- В кн.: Новая техника в астрономии: Матер. Пленума Комиссии по астрономии, приборостроению при Астросовето АН СССР. - Свердловск, 1970.

6. Пюсеологическио основы исходных положений метрологии /В. Л. Грановский, J!. М. Гутнер, Л. И. Довбета и др. - Измерительная техника, 1983, 'Л 1.

7. Грановский В. А. Адаптивный метод определения импульсных характеристик средств изморений. - В кн.: Динамические измерения: Тез. дом. 1-го Всес. симп. - Л.: НТО "ЕШШ км. Д. И. Менделеева", 1974.

а. 1'рановский В. А. Алгоритм определения коэффициентов дифференциального уравнения средства измерений. - В кн.: Проблемы метрологического обеспечения систем обработки измерительной информации: Тез. докл. 3-го Всес. семки. - Й.: ВНИИОТТИ, 1980.

9. Граносский 3. А. Дкнзьяпвскиэ измерения: Методич. сб. -Сев.-Зап. заочн. политехи, ин-т. - Л., 1986.

10. Грановский В. А. Динамические измерения: Основы метролепгееского обеспечения. - Л.: Знергоэтимздат, 1984.

11. Грановский Е. А. Динамические измерения: Уч. пособ. -Сев.-Зап. политехи, ин-т. - Л., 1987.

12. 1"рапоЕскиЯ В. А. Использование цепных дробей при модгьтлрсмшш динамических свойств измерительных преобразователей.

- В кн.: Методы и средства преобразования сигналов: Материала конф. - Рига: Пп-т электрон, и выч. техн. АН ЛатССР, 1976.

13. Грановский В. Л. Исследование точности прямого метода определении переходной и импульсной характеристик и разработка косвенного метода определения передаточной функции с псыоцьа типовых испытательных сигналов для линейных аналоговых средств иимороний с сосредоточенными параметра™. - Дис. на соиск. уч. степ. канд. тохн. наук. - Л.: НПО "ННИ1Ш им. Д. И. Менделеева", 1978.

14. Грановский В. А. Метод определения полных динамически* .характеристик средств измерений. - В кн.: Материалы 4-й респ. науч.-техн. конф. по метрологии. - Тбилиси: Тбил. филиал ВНИЖЛ ¡ra. Д. И. Менделеева, 1978.

15. Грановский В. А. Методика оценивания точности определения полных динамических характеристик средств измерений. Измерительная техника, 1977% й 7.

16. Грановский В. А. Методы обработки экспериментальных данных при определении динамических характеристик средств измерений. - Метрология, 1975, 1S Ь

17. Грановский В. А. Нормативное обеспечение единства динамических измерений. - В кн.: Стандартизация и метрология: Материалы Всеакад. семин. по пробл. стандартиз. и метрологии. -Ташкент: Изд-во "Фан", 1986.

18. Грановский В. А. Нормирование и определение динамических характеристик аналоговых средств измерений. - Измерительная техника, 1982, » 8.

19. Грановский В. А. О нормировании динамических свойотв

измерительных преобразователей. .- В кн.: Вопр. теор. и проектир. преобразователей информации: Материалы семин. - Киев: РДЭНТП, ИН-т кибернетики АН УСОР, 1973.

20. Грановский В. А. 0 пригодности средств измерений для работы в динамическом режиме с погрешностью, не превышающей заданную. - Тр. матрологич. ин-тов СССР, вып. 157 (217), 1975.

21. Грановский В. А. Определение импульсной характеристики средства измерений с помощью импульсного испытательного сигнала прямоугольной формы. - В кн.: Динамические измерения: Тез. докл. 2-го Всес. симп. - Л.: ВНИИМ им. Д. И. Менделеева, 1978.

22. Грановский В. А. Определение полных динамических характеристик средств измерений о помощью интегрирования входного и выходного сигналов. - Измерительная техника, 1981, а 8.

23. Грановский В. А. Особенности поверочных схем для средств динамических измерений. - В кн.: Динамические измерения: Тез. докл. 3-го Всес. симп. - Л.: НПО "ВНИИМ им. Д. И. Менделеева", 1981.

24. Грановский В. А. Принципы теории измерений. - В кн.: Стандартизация и метрология: материалы Ш Всеакад. школы по пробл. стандартиз. и метрологии. - Тбилиси: СКВ науч. приборостроения АН ГрузССР, 1985.

25. Грановский В. А. Программное обеспечение единства динамических измерений. - В кн.: Системные исслед. и автоматиз. в метрологич. обеспечении ИИС и управлении качеством: Тез. докл. Всес. конф. - Львов: ВНИИМИУС, 1986.

26. Грановский В. А. Соотношение между динамическими погрешностями средств измерений при скачкообразном и монотонном входных сигналах. - Тр. метрологич. ин-тов СССР, вып. 200 (260), 1977.

27. Грановский В. А. Способ восстановления переменного входного сигнала измерительного преобразователя. - Авт. свид. ССОР, * 468169. - ЕЮЛЛ. ИЗОбр., 1975, * 15.

28. Пшновский В. А. Способ оценивания и коррекции динамической погрешности измерительного преобразования. - в кн.: Метода теории идентификации в задачах измерит, техники и метрологии: Тез. докл. 17 Всес. симп. - Новосибирск: СНИИМ, 1985.

29. Грановский В. А. Устройство для автоматической привязки к сигналам точного времени. - Авт. свид. СССР, Jt 284702. - Бшл. изобр., 1970, * 32.

30. Грановский В. А. Устройство для определения временного сдвига. - Авт. свид. ССОР, * 31В903. - Бюлл. изобр., 1971, А 32.

31. Грановский В. А., Гутнер Л. М. Содержание принципов теории измерений. - В кн.: Анализ и формализация измерит, эксперимента. - Л.: НПО "ВНИИМ им. Д. и. Менделеева", 1986.

32. Грановский В. А., Довбета Л. И. О формулировке постулатов теории измерений. - В кн.: Фундаментальные проблемы метрологии: Материалы Всео. семин. - Л.: НПО "ВНИИМ им. Д. И. Менделеева", 1981.

33. Грановский В. А., Довбета Л. И., Лячнев В. В. Гносеологические основы исходных положений метрологии. - в кн.: Ш Всес. совещ. по теор. метрологии: Тез. докл. - Л.: НПО "ВНИИМ им. Д. И. Менделеева", 1986.

34. Грановский В. А., Домницкий В. М., Соломоник В. А. Динамические измерения в отраслях тяжелого, энергетического и транспортного машиностроения. - Измерительная техника, 1985, * 1.

35. Грановский В. А.» Коновалов В. И. Терминология динамических измерений. - В кн.: Измервания'88: Научен симпозиум с международно участие. - София: Комитет по качеството НРБ, 1988.

36. Грановский В. А., Коновалов В. И., Этингер Ю. С. Методика го терминологии в области динамических измерений. - Измерительная

техника, 1991, * 5.

37. Грановский В. А., Конопелько Л. А., Этингер I). О. Нормирование и определение динамических погрешностей приборов контроля атмосферы. - Измерительная техника, 1977, Л 9.

38. Грановский В. А., Кравченко Г. И. Устройство для преобразования разности частот. двух синусоидальных напряжений в импульсную кодовую последовательность. - Авт. свид. ССОР, А 314151. - Балл, изобр., 1971, №27.

39. Грановский В. А., Кудрявцев 0. А. Оценивание погрешностей прямых динамических измерения. - Метрология, 1981, * 1.

40. Грановский В. А., Кудрявцев 0. А. Разработка теоретических основ обеспечения единства динамических измерений. -Метрология и точные измерения, 1981, й 7.

41. Грановский В. А., Минц М. Б., Этингер Ю. С. Определение динамических характеристик сульфидно-кадмиевых фоторезисторов. -Метрология. 1982, Л ГО.

42. 1"рановский В. А., Рабинович С. Г. Автоматизация эксперимента и вопросы методологии измерений. - В кн.: Методы и средства автоматизации науч. эксперимента: Материалы Всес. конф. -М.: ЦНИИТЭИприборсстроения, 1972.

43. Грановский В. А., Рабинович С. Г. Особенности средств для статических и динамических измерений. - Тр. метрологич. ин-тов СССР, вып. 200 (260), 1977.

44. Гриновский В. А., Рабинович С. Г. Требования к испытательным сигналам, используемым для нахождения переходной и импульсно!! характеристик средств измерений. - Мвтрология и точные измерения, вып. 1, 1976.

45. 1"рановский В. А., Рабинович С. Г., Этингер С. О. Разработка общих методов определения динамических свойств средств измерений. - Метрология и измерительная техника, 1975, й 11-12.

46. Грановский В. А., Сирая Т. Н. Метода обработки данных при измерениях. - Л.: Энергоатомиздат, 1990.

47. Грановский в. А., Талиттенка Г. П. Анализ динамических режимов аналоговых средств измерений с помощью импульсно-частотных характеристик и периодических функций Грина. - В кн.: Ш Всес. соващ. по теоретич. метрологии: Тез. докл. - Л.: НПО "ВНИИМ им. Д. И. Менделеева'', 1986.

48. ГрансЕский В. А., Ушаков И. Е. Динамические измерения: Методам, указ. по выполн. лаборат. работ. - Л.: Сев.-Зап. политехи, ин-т, 1989.

49. Грановский В. А., Штерн И. М. Метрологический подход к некорректным задачам в области динамических измерений. Метрология, 1990, Л 6.

50. Грановский В. А., Штерн И. М., Этингер Ю. 0. Аналитический метод решения прямей задачи динамики при детерминированных входных сигналах средств измерений. Метрология, 1991, .»63.

51. ГраноЕажй В. А., Этингер О. С. Алгоритмы определения полных динамических характеристик линейных аналоговых средств измерений с сосредоточенными параметрами. - Метрология, 1978, Я 9.

52. Грановский В. А., Этингер в. С. Исследование адаптивного метода определения передаточных функций средств измерений. - В кн.: Динамические измерения: Тез. докл. 1-го Всес. симп. - Л.: ВНИИМ им. Д. И. Менделеева, 1974.

53. Грансьский В. А., Этингер Ю. С. Методика определения динамических свойств средств измерений. - Метрология, 1974, Л 10.

54. Грановский В. А., Этингер I). С. Методика оценивания логрешностей прямого метода определения частотных характеристик. -И кн.: Физич. проблемы точных измерений: Материвлы 2-го Всес. оовещ. по теоретич. метрологии. - Л.: Энергоатомиздат, 1984.

55. Грановский В. А., Этингвр В. С. Нормативная база обеспечения единства динамических измерений. - Измерительная техника, 1985, Л 1.

56. Грановский В. А., Этингер Ю. С. Нормативно-технические документы по общим вопросам обеспечения единства динамических измерений. - В кн.: Динамические измерения: Тез. докл. 4-го Всес. симп. - Л.: НПО "ВНИИМ им. Д. И. Менделеева", 1984.

5Т. Грановский В. А., Этингер D. С. Обеспечение единства динамических измерений. - В кн.: Динамические измерения: Тез. докл. 5-го Всес. симп. - Л.: Н1Ю "ВНИИМ им. Д. И. Менделеева", 1988.

58. Грановский В. А., Этингер D. С. Обеспечение единства динамических измерений. - Измерительная техника, 1990, № 1.

59. Грановский В. А., Этингер Ю- С. Оценивание и коррекция динамической погрешности средства измерений. - В кн.: Исслед. в области оценивания погрешностей измерений. - Л.: НПО "ВНИИМ им. Д. И. Менделеева", 1986.

60. Метрологические вспекты проблемы динамических измерений /Е. М. Аристов, В. А. Грановский, В. С. Пеллинец и др. -Измерительная техника, 19Т8, А 4.

61. Основные задачи метрологического обеспечения динамических измерений /Ю. В. Тарбеев, А. Н. Гордов, В. А. Грановский и др. -Измерительная техника, 1979, # 4.

62. Основные понятия теории динамических измерений /К. П. Широков, В. 0. Арутюнов, В. А. Грановский и др. _ Измерительная техника, 1975, Л 12.

63. Семенов Л. А., Грановский. В. А., Сирая Т. Н. Обзор основных проблем теоретической ■ метрологии. - В кн.: фундаментальные проблемы метрологии. - Л.: НПО "ВНИИМ им.' Д. И. Менделеева", 1981.

64. Состояние и перспективы развития динамических измерений i отраслях энергетического, тяжелого и транспортного машиностроения /В. И. Балакин, Н. М. Марков, D. В. Тарбеев, В. А. Грановский, В, М. Домницкий, В. А. Соломоник. - В кн.: Динамические измерения: Тез. докл. 4-го Всес. симп. - Л.: НПО "ВНИИМ им. Д. И, Менделеева", 1984.

65. Состояние и перспективы развития работ по проблема( динамических измерений /Ю. В. Тарбеев, В. А. Грановский, Е. Д Колтик и др. - В кн.: Динамические измерения: Тез. докл. З-п Всес. симп. - Л.: НПО "ВНИИМ им. Д. И. Менделеева", 1981.

66. Терминология динамических измерений /А. А. Брагин, В. А Грановский, В. И. Коновалов и др. - В кн.: Ш Всес. совещ. га теоретич. метрологии: Тез. докл. - Л.: НПО "ВНИИМ им. Д. И Менделеева", 1986.

67. Широков К. II., Арутюнов В. 0., Грановский В. А. и др Основные понятия теории динамических измерений. - В кн. Динамические измерения: Тез. докл. 1-го Всес. симп. - Л.: ВНИИ им. Д. И. Менделеева, 1974.

68. Широков К. П., Грановский В. А., Рабинович С. Г. и др Основные понятия теории динамических измерений. - В кн.: Материал 3-й Респ. науч.-техн. конф. по метрологии. - Тбилиси: ТФ ВНИИМ т Д. И. Менделеева, 1974.

69. Granov3ky V. А., Etinger Yu. S. Dynamic Calibration с Measuring Instruments. - Proc. of the IKEKO/TC-8 Symp. - Brl. 1986.

70. Metrologlcal Aspects of the Dynamic Measurement Proble /Е. M. Aristo?, v. A. Granovsky, W. S. Pellineta, et al. - Ad IMEKO. - Budapest: Publishing House of the Hungarian Acad, с Sei., 1979.