Зорі А.А., Коренєв В.Д., Хламов М.Г. Методи і засоби підвищення точності електронних вимірювальних систем. – Донецьк: РВА ДонНТУ, 2004. – 140с. – с.230-236

Глава 4

МЕТОДИ І ЗАСОБИ ПІДВИЩЕННЯ ТОЧНОСТІ ВИМІРІВ ГІДРОФІЗИЧНИХ І ЕКОЛОГІЧНИХ ПАРАМЕТРІВ

4.1 ОГЛЯД ІСНУЮЧИХ МЕТОДІВ ПІДВИЩЕННЯ

ТОЧНОСТІ ІВС

Аналіз основних технічних рішень, що покладені у відомі зондуючі ІВС, дозволяє сформулювати їхні основні недоліки:

-     системи не забезпечують за рахунок низької дискретності відліків необхідне просторове розділення за глибиною при реєстрації тонкої структури і мікроструктури полів;

-     просторове розділення первинних вимірювальних перетворювачей температури, ПЕП і швидкості недостатнє, а характеристики просторового розділення цих ПВП не погоджені між собою для комплексних досліджень;

-     ПВП температури мають значну (від часток до одиниць секунд) постійну часу, що не тільки обумовлює значні динамічні похибки вимірів температури в шарі термоклину і перешарованих тонкоструктурних зонах, але й призводить до непогодженості інерційних властивостей вимірників температури і ПЕП (окрім зондів «Істок-5» і «Марк-III»);

-     непогодженості інерційних властивостей вимірників і просто­рового розділення ПВП обумовлюють значні похибки розрахунків вторинних параметрів в реальному часі при вимірюваннях у високоградієнтних ділянках і прошарках;

-     ПВП температури з високою просторовою роздільною здатністю і малою інерційністю не мають достатню стабільність статичних характеристик перетворення в робочих умовах експлуатації;

-     точність вимірів тонко- і мікроструктурних параметрів гідрофізич­них полів в існуючих ІВС (окрім «Марк-III» і «Істок-5») невисока через недостатню чутливість вимірювальних каналів;

-     зонди, як правило, орієнтовані на виконання СТД-вимірів і не забезпечують повномасштабних комплексних вимірів градієнтів параметрів, тонкої структури і турбулентності.

Аналіз існуючих засобів зондування океану показав, що, незважаючи на значний досвід, накопичений в дослідженнях, проектуванні і розробці інформаційно-вимірювальних систем, вони проектуються без врахування комплексних технічних вимог і виготовляються в одиничних примірниках, часто не проходять системної метрологічної атестації, створені на різно­рідній елементній базі і не забезпечують стандартних форматів інформа­ційних слів і спряжень із ЕОМ. Це ускладнює функціональне погодження їх між собою і з ЕОМ при необхідності автоматизованого обміну даними.

Основними напрямками і першочерговими завданнями вдоскона­лення ІВС вертикального зондування слід вважати:

-     підвищення точності вимірів і чутливості вимірювальних каналів середніх, пульсаційних значень і градієнтів параметрів гідрофізичних полів;

-     покращення і погодження просторових роздільних здатностей, динамічних і точнісних характеристик первинних вимірювальних перетворювачів;

-     підстроювання й оптимізація параметрів підсистем ІВС до харак­теристик досліджуваного середовища (оптимізація градієнтомет­ричної бази).

Проблема підвищення точності вимірів не нова. До порівняно недавнього часу вона серйозно цікавила лише метрологів і вирішувалася у застосуванні, головним чином, до лабораторних статичних вимірів. Основну частку сумарної похибки результатів вимірів складала при цьому власна похибка засобів вимірів, що застосовувалися, тобто інструментальна похибка. Звідси випливали і методи, що застосовувалися для підвищення точності.

Подальша інтенсифікація і розширення області вимірів, посилення вимог до точності результатів вимірів і умов експлуатації засобів вимірів викликали численні дослідження і розробку нових принципів побудови вимірювальних систем і засобів підвищення їхньої точності. Сформувалися два самостійних мало пов'язаних між собою напрямка досліджень, націле­них на підвищення точності результатів вимірів при жорстких умовах експлуатації засобів вимірів і тих, що змінюються. Перший напрямок пов'язаний з вивченням і вдосконаленням методів вимірів з метою вра­хування і виключення можливих методичних похибок вимірів. Другий — з розробкою нових принципів побудови вимірювальних систем, адекватних відзначеним вище вимогам [215, 216].

Велику різноманітність сучасних методів підвищення точності засобів вимірів можна поділити на дві групи [216]: методи, що забезпечують усунення або зведення до мінімуму причин виникнення похибок; методи, направлені на зниження рівня існуючих похибок.

Для усунення причин виникнення похибок застосовують конструк­тивно-технологічні методи (підвищення якості матеріалів, деталей, збірки, регулювання і т.д.) і захисно-запобіжні, що забезпечують зменшення похибок від впливу зовнішніх впливаючих величин (термостатування, екранування, амортизацію та ін.). Методи першої групи часто називають також консервативними. Вони забезпечують стабілізацію статичної характеристики перетворення засобу вимірювання перерахованими вище способами [216].

Застосування конструктивно-технологічних і захисно-запобіжних методів зменшення похибок вимірювальних каналів і первинних вимірю­вальних перетворювачів гідрофізичних і екологічних ІВС обов'язкове [118, 123, 217, 218, 219]. Їх прагнуть використовувати в першу чергу, тому що вони попереджують появу похибок або не припускають перевищення допустимого значення простим шляхом при мінімальному ускладненні структури. Однак через високу вартість матеріалів і комплектуючих виробів, недостатній рівень розвитку технологій і виробництва засто­сування тільки цих засобів недостатнє.

Для зниження рівня існуючих похибок засобів вимірів розроблені і широко застосовуються структурні або адаптивні методи [216, 220]. Вони забезпечують високу точність засобів вимірів без застосування точних елементів і високоякісних матеріалів або, вірніше, при мінімальному їхньому використанні. Суть структурних методів полягає в раціональній побудові структури вимірювальної системи, що забезпечує зменшення впливу похибок окремих структурних ланок на вихідний сигнал; введенні корегуючих ланок, каналів обробки інформації і впливаючих величин; введенні мікропроцесорів для обробки сигналів і виключення похибок; примусовій зміні структури, параметрів і зв'язків та ін. [216].

Різноманітність структурних методів підвищення точності вимірю­вальних систем можна умовно поділити на дві групи [215, 216]: методи стабілізації статичної характеристики перетворення; методи автоматичної корекції похибок. До першої групи структурних методів можна віднести методи негативного зворотного зв'язку і методи складених параметрів. Методи автоматичної корекції похибок об'єднують методи допоміжних вимірів, методи зразкових сигналів, методи зворотного перетворення. Слід відзначити, що віднесення деяких методів до тієї або іншої групи є умов­ним. Запропонований розподіл заснований на таких ознаках — структурі й алгоритмі роботи засобу вимірювання [215].

Методи стабілізації реалізуються в схемі і конструкції власне засобу вимірювання (ЗВ) і елементи системи стабілізації є невід'ємною його частиною. При використанні цих методів алгоритм роботи ЗВ не допов­нюється спеціальними стабілізуючими операціями — вони є частиною основних операцій алгоритма роботи ЗВ.

Методи корекції реалізуються додатковою системою, яка не входить до структури власне ЗВ. При використанні методів корекції алгоритм роботи ЗВ доповнюється спеціальними корегуючими операціями. Якщо ці операції через будь-яку причину не виконуються, це не викликає пору­шення дієздатності ЗВ — воно продовжує працювати, але без корекції похибок. Порушення ж стабілізуючих властивостей алгоритму роботи ЗВ, в якому застосований метод стабілізації, веде до повного порушення його дієздатності.

В сучасних ІВС гідрофізичного і екологічного призначення широко використовуються і вдосконалюються структурні методи підвищення точності і зменшення похибок вимірювальних каналів — методи автоматичної корекції похибок, методи обробки вихідних сигналів з метою виключення випадкових складових похибок, методи виключення похибок через задання додаткових рівнянь і низка інших [123, 218]. Крім того, в бортових ЕОМ, спеціалізованих обчислювачах ІВС бажано ширше застосовувати методи цифрової обробки (цифрові методи), включаючи статистичну обробку, редагування даних, фільтрування, компенсацію динамічних похибок.

З урахуванням високих вимог до точності, що подаються океано­логами-дослідниками до гідрофізичних ІВС для вимірювання тонкої струк­тури і турбулентних характеристик, і особливо важких умов експлуатації в морському середовищі застосування відомих зазначених методів підви­щення точності недостатнє і вимагає розробки нових структурно-алгорит­мічних методів, що реалізуються на рівні ІВС у цілому. Їх можна застосовувати для існуючих і проектованих ІВС. Структурно-алгоритмічні методи засновані на використанні обчислювальної техніки, числових методів, методів оптимізації і припускають розробку додаткових, відносно простих алгоритмів, апаратних і програмних засобів.

З урахуванням сучасних вимог до вимірників щодо точності, автоматизації, стандартизації й уніфікації ІВС, низка організацій проводить роботи по створенню автоматизованих гідрофізичних систем для зонду­вання океану. Наприклад, МГІ НАН України запропонував автоматизовану вимірювальну систему [56], в якій окрім загальних принципів побудови інтегрованих мікропроцесорних підсистем враховані питання агрегативної модульної побудови. Розбивання на окремі вузли, блоки і вимірювальні канали проводилося з урахуванням стандартів, що передбачають уніфіка­цію внутрішньоблочних і міжблочних зв'язків, живлення, обміну інформацією і т. інше. Система багатоцільова, і її функціями можна варію­вати шляхом заміни модулей вимірювальних каналів або зміною алгорит­мів роботи.

Подальшим розвитком робіт, направлених на підвищення точності ІВС і реалізацію автоматизованого комплексного підходу, є роботи співро­бітників Донецького державного технічного університету, узагальнені в монографії [118], в яких запропоновані градієнтометричний метод вимірювання зі змінною базою, що адаптується до параметрів шаруватої структури досліджуваного середовища для підвищення чутливості і точності вимірів; локальні, метрологічно сумісні багатопараметричні вимірювальні перетворювачі з малою інерційністю і високим просторовим розділенням; спеціалізований обчислювальний пристрій, який забезпечує реєстрацію й обробку інформації в реальному масштабі часу, корекцію динамічних похибок вимірника температури, який керує режимами роботи автоматизованої зондової системи в процесі експерименту і виконує відпо­відно до розроблених методів автоматизоване градуювання вимірювальних каналів температури і ПЕП; системний підхід, який поєднує консервативні, структурні, цифрові, структурно-алгоритмічні, адаптивні і метрологічні принципи підвищення точності ІВС.