Авторы: В.Д. Коренев, А.А.Зори , М.Г. Хламов
Источник: Донецк, РВА ДонНТУ, 2004г.
Анализ основных технических решений, заложенных в известные зондирующие ИИС, позволяет сформулировать их основные недостатки:
– системы не обеспечивают за счет низкой дискретности отсчетов требуемое пространственное разрешение по глубине при регистрации тонкой структуры и микроструктуры полей;
– пространственное разрешение первичных измерительных преобразователей температуры, УЭП и скорости недостаточно, а характеристики пространственного разрешения этих ПИП не согласованы между собой для комплексных исследований;
– ПИП температуры обладают значительной (от долей до единиц секунд) постоянной времени, что не только обуславливает значительные динамические погрешности измерений температуры в слое термоклина и переслоенных тонкоструктурных зонах, но и приводит к несогласованности инерционных свойств измерителей температуры и УЭП (кроме зондов «Исток-5» и «Марк-III»);
– несогласованности инерционных свойств измерителей и пространственного разрешения ПИП обуславливают ощутимые погрешности расчетов вторичных параметров в реальном времени при измерениях в высокоградиентных участках и прослойках;
– ПИП температуры с высокой пространственной разрешающей способностью и малой инерционностью не обладают достаточной стабильностью статических характеристик преобразования в рабочих условиях эксплуатации;
– точность измерений тонко- и микроструктурных параметров гидрофизических полей в существующих ИИС (кроме «Марк-III» и «Исток-5») невысока из-за недостаточной чувствительности измерительных каналов;
– зонды, как правило, ориентированы на выполнение СТД-измерений и не обеспечивают полномасштабных комплексных измерений градиентов параметров, тонкой структуры и турбулентности.
Анализ существующих средств зондирования океана показал, что, несмотря на значительный опыт, накопленный в исследованиях, проектировании и разработке информационно-измерительных систем, они проектируются без учета комплексных технических требований и изготавливаются в единичных экземплярах, зачастую не проходят системной метрологической аттестации, созданы на разнородной элементной базе и не обеспечивают стандартных форматов информационных слов и сопряжений с ЭВМ. Это затрудняет функциональное согласование их между собой и с ЭВМ при необходимости автоматизированного обмена данными.
Основными направлениями и первоочередными задачами совершенствования ИИС вертикального зондирования следует считать:
– повышение точности измерений и чувствительности измерительных каналов средних, пульсационных значений и градиентов параметров гидрофизических полей;
– улучшение и согласование пространственных разрешающих способностей, динамических и точностных характеристик первичных измерительных преобразователей;
– подстройка и оптимизация параметров подсистем ИИС к характеристикам исследуемой среды (оптимизация градиентометрической базы).
Проблема повышения точности измерений не нова. До сравнительно недавнего времени она серьезно интересовала лишь метрологов и решалась применительно, главным образом, к лабораторным статическим измерениям. Основную долю суммарной погрешности результатов измерений составляла при этом собственная погрешность применяемых средств измерений, т.е. инструментальная погрешность. Отсюда вытекали и применявшиеся методы повышения точности.
Дальнейшая интенсификация и расширение области измерений, ужесточение требований к точности результатов измерений и условий эксплуатации средств измерений вызвали многочисленные исследования и разработку новых принципов построения измерительных систем и методов повышения их точности. Сформировались два самостоятельных, мало связанных между собой, направления исследований, нацеленных на повышение точности результатов измерений при жестких и изменяющихся условиях эксплуатации средств измерений. Первое направление связано с изучением и совершенствованием методов измерений с целью учета и исключения возможных методических погрешностей измерений. Второе – с разработкой новых принципов построения измерительных систем, адекватных отмеченным выше требованиям.
Большое разнообразие современных методов повышения точности средств измерений можно разделить на две группы: методы, обеспечивающие устранение или сведение к минимуму причин возникновения погрешностей; методы, направленные на снижение уровня существующих погрешностей.
Для устранения причин возникновения погрешностей применяют конструктивно-технологические методы (повышение качества материалов, деталей, сборки, регулировки и т.д.) и защитно-предохранительные, обеспечивающие уменьшение погрешностей от воздействия внешних влияющих величин (термостатирование, экранирование, амортизацию и др.). Методы первой группы часто называют также консервативными. Они обеспечивают стабилизацию статической характеристики преобразования средства измерения перечисленными выше способами
Применение конструктивно-технологических и защитно-предохрани-тельных методов уменьшения погрешностей измерительных каналов и первичных измерительных преобразователей гидрофизических и экологических ИИС обязательно . Их стремятся использовать в первую очередь, так как они предотвращают появление погрешностей или не допускают превышения допустимого значения простым путем при минимальном усложнении структуры. Однако из-за высокой стоимости материалов и комплектующих изделий, недостаточного уровня развития технологий и производства применение только этих методов недостаточно.
Для снижения уровня существующих погрешностей средств измерений разработаны и широко применяются структурные или адаптивные методы. Они обеспечивают высокую точность средств измерений без применения точных элементов и высококачественных материалов или, вернее, при минимальном их использовании. Сущность структурных методов заключается в рациональном построении структуры измерительной системы, обеспечивающей уменьшение влияния погрешностей отдельных структурных звеньев на выходной сигнал; введении корректирующих звеньев, каналов обработки информации и влияющих величин; введении микропроцессоров для обработки сигналов и исключения погрешностей; принудительном изменении структуры, параметров и связей и др.
Многообразие структурных методов повышения точности измерительных систем можно условно разделить на две группы: методы стабилизации статической характеристики преобразования; методы автоматической коррекции погрешностей. К первой группе структурных методов можно отнести методы отрицательной обратной связи и методы составных параметров. Методы автоматической коррекции погрешностей объединяют методы вспомогательных измерений, методы образцовых сигналов, методы обратного преобразования. Следует отметить, что отнесение некоторых методов к той или другой группе является условным. Предложенное разделение основано на следующих признаках – структуре и алгоритме работы средства измерения.
Методы стабилизации реализуются в схеме и конструкции собственно средства измерения (СИ) и элементы системы стабилизации являются неотъемлемой частью его. При использовании этих методов алгоритм работы СИ не дополняется специальными стабилизирующими операциями – они являются частью основных операций алгоритма работы СИ.
Методы коррекции реализуются дополнительной системой, не входящей в структуру собственно СИ. При использовании методов коррекции алгоритм работы СИ дополняется специальными корректирующими операциями. Если эти операции по какой-либо причине не выполняются, это не вызывает нарушения работоспособности СИ – оно продолжает работать, но без коррекции погрешности. Нарушение же стабилизирующих свойств алгоритма работы СИ, в котором применен метод стабилизации, ведет к полному нарушению его работоспособности.
В современных ИИС гидрофизического и экологического назначения широко используются и совершенствуются структурные методы повышения точности и уменьшения погрешностей измерительных каналов – методы автоматической коррекции погрешностей, методы обработки выходных сигналов с целью исключения случайных составляющих погрешностей, методы исключения погрешностей путем задания дополнительных уравнений и ряд других. Кроме того, в бортовых ЭВМ, специализированных вычислителях ИИС желательно шире применять методы цифровой обработки (цифровые методы), включая статистическую обработку, редактирование данных, фильтрацию, компенсацию динамических погрешностей.
С учетом высоких требований по точности, предъявляемых океанологами-исследователями к гидрофизическим ИИС для измерения тонкой структуры и турбулентных характеристик, и особо трудных условий эксплуатации в морской среде применение известных указанных методов повышения точности недостаточно и требует разработки новых структурно-алгоритмических методов, реализуемых на уровне ИИС в целом. Их можно применять для существующих и проектируемых ИИС. Структурно-алгоритмические методы основаны на использовании вычислительной техники, численных методов, методов оптимизации и предполагают разработку дополнительных, относительно простых алгоритмов, аппаратных и программных средств.
С учетом современных требований к измерителям по точности, автоматизации, стандартизации и унификации ИИС, ряд организаций проводит работы по созданию автоматизированных гидрофизических систем для зондирования океана. Например, МГИ НАН Украины предложил автоматизированную измерительную систему, в которой кроме общих принципов построения интегрированных микропроцессорных подсистем учтены вопросы агрегативного модульного построения. Разбивка на отдельные узлы, блоки и измерительные каналы проводилась с учетом стандартов, предусматривающих унификацию внутриблочной и межблочной связей, питания, обмена информацией и т.п. Система многоцелевая, и ее функциями можно варьировать путем замены модулей измерительных каналов, либо изменением алгоритмов работы
Дальнейшим развитием работ, направленных на повышение точности ИИС и реализацию автоматизированного комплексного подхода, являются работы сотрудников Донецкого государственного технического университета, обобщенные в монографии , в которых предложены градиентометрический метод измерения с переменной базой, адаптирующейся к параметрам слоистой структуры исследуемой среды для повышения чувствительности и точности измерений; локальные, метрологически совместимые многопараметрические измерительные преобразователи с малой инерционностью и высоким пространственным разрешением; специализированное вычислительное устройство, обеспечивающее регистрацию и обработку информации в реальном масштабе времени, коррекцию динамических погрешностей измерителя температуры, которое управляет режимами работы автоматизированной зондовой системы в процессе эксперимента и выполняет в соответствии с разработанным методом автоматизированную градуировку измерительных каналов температуры и УЭП; системный подход, сочетающий консервативные, структурные, цифровые, структурно-алгоритмические, адаптивные и метрологические принципы повышения точности ИИС.