double arrow

Оценка точности результатов измерения с использованием информационных подходов

Классификация информационно- измерительных систем по степени сложности, особенности оценки точности информационно- измерительных систем

Следует сформулировать предпосылки, способствовавшие тому, что совершенствование измерительной техники, приводит к все более широкому использованию информационно- измерительных систем. В первую очередь, это внедрение микропроцессоров и персональных компьютеров с их высоким быстродействием, большими объемами памяти, стандартными интерфейсами и т.п. Важной предпосылкой также является разработка блочно- модульных автоматизированных информационно- измерительных систем для исследований, испытаний, диагностики, производственного контроля. Новая элементная база позволяет реализовывать требуемые системы в достаточно компактной форме. Очевидно, что перечисленных причин было бы недостаточно, если бы не появилось такое направление, как измерительное программирование, объединяющее все информационные процессы, происходящие в рамках информационно- измерительной системы.

В зависимости от назначения и сложности структуры информационно- измерительные системы могут быть разделены на системы, дающие информацию только о числовых значениях ряда измеряемых величин; системы автоматического контроля, сообщающие о нарушениях режима; системы диагностики, не только контролирующие, но и сообщающие о причинах нарушений, отказов; системы распознавания образов (идентификации), например, дающие информацию о классификационных признаках объектов контроля. Также находят применение стандартные информационно- измерительные системы, состоящие из определенного набора средств измерения и решающие однотипные задачи. Объект исследования, для которого создана конкретная информационно- измерительная система, определяет ее назначение, требуемые функциональные возможности, технические параметры и характеристики.

Поскольку переход к цифровым средствам измерения привел к созданию автоматизированных измерительных систем с использованием микропроцессоров [32-34], в настоящее время автоматизированные измерительные системы могут быть построены на основе различных методов организации алгоритма их функционирования.

Для автономных непрограммируемых приборов, как правило, заранее задается алгоритм работы, они работают по жесткой программе и измеряют определенные параметры и характеристики сигналов (автоматически выполняется только часть измерений – определяется полярность входного сигнала, устанавливается предел измерения и т.д.). Такие системы можно использовать только для исследования объектов, характеризуемых постоянным режимом.

Гибкие измерительные системы предусматривают возможность перепрограммирования, т.е. изменения алгоритма работы. К ним относят системы, обеспечивающие измерения различных физических величин или изменение режима измерений без изменения приборной части системы.

Разновидностью гибких измерительных систем являются измерительно- вычислительные комплексы, объединяющие компьютер, измерительные приборы, устройства отображения информации, эти системы предусматривают программное управление средствами измерений, имеют блочно- модульную структуру. Как правило, эти системы предназначены для прямых, косвенных, совместных или совокупных измерений различных физических величин, представления полученных результатов в нужном виде и управления процессом изменения, возможно, за счет воздействия на объект измерения. В зависимости от области использования различают типовые (предназначенные для разнообразных измерений), проблемные (предназначенные для конкретной области измерений) и специализированные (для узкоспециальных измерений) измерительно- вычислительные комплексы.

В адаптивных системах могут меняться как алгоритм работы, так и структура в соответствии с измеряемыми величинами и характеристиками исследуемого объекта.

Интеллектуальные системы характеризуются способностью к модификации в соответствии с меняющимися требованиями и работой в реальном масштабе времени. Эти системы можно индивидуально программировать для выполнения конкретных задач, используя программируемый терминал для ввода параметров конфигурирования. Эти системы включают такие средства анализа информации, как дисплей для визуализации символов команд, цифровые индикаторы, клавиши переключения видов работы и т.д.

Использование персональных компьютеров и современного математического и программного обеспечения способствовало широкому распространению компьютерно – измерительных систем, называемых виртуальными информационно- измерительными системами, виртуальными приборами (Virtual Instruments). Такие системы могут выполнять все функции специализированного измерительного оборудования, сохраняя такие достоинства компьютера, как гибкость и перенастраиваемость интерфейса. Эти системы объединили измерительную, информационную и компьютерную технику.

Виртуальный прибор создается на базе компьютера, включает аппаратные средства ввода-вывода сигналов и специализированное программное обеспечение, определяющее конфигурацию и функционирование системы. Программная часть виртуального прибора может создать на дисплее виртуальную панель управления реального измерительного прибора (вольтметра, осциллографа, анализатора спектра, генератора и пр.), которая становится панелью управления виртуального прибора [32], при этом виртуальный прибор выполняет функции реального прибора. Виртуальный прибор может содержать только те индикаторы и органы управления, которые необходимы для данной задачи. Виртуальная модель может быть многократно перестроена в процессе работы. Виртуальные кнопки, ручки, переключатели отличаются от реальных тем, что изменение их положения осуществляется с помощью «мыши» или клавиатуры.

Виртуальные приборы могут иметь последовательную или параллельную структуру (архитектуру). При последовательной структуре блоки системы, преобразующие сигналы, работают в последовательном режиме. При параллельной структуре прибор состоит из параллельных каналов измерения, каждый из которых имеет отдельные блоки преобразования сигналов, при этом только процессор компьютера работает в режиме мультиплексирования.

Наиболее известными виртуальными приборами являются системы LabVIEW,BridgeVIEW,LookOut. Кроме того, можно пользоваться библиотеками виртуальных приборов. Однако необходимо иметь в виду, что в данном случае виртуальным прибором называется соответствующая программа.

Среди преимуществ виртуальных измерительных приборов следует назвать такие, как возможность использования разнообразных прикладных компьютерных программ, обеспечивающих решение различных метрологических задач (обработку и анализ сигналов, получение результатов измерений от различных датчиков, управление объектами и процессами); возможность передачи полученных результатов по локальным и глобальным компьютерным сетям; возможности совершенствования графического интерфейса пользователя для обеспечения эффективного взаимодействия с системой; возможность использования различных устройств для регистрации результатов измерений.

При анализе точности информационно- измерительных систем, оценке точности результатов, полученных с помощью этих систем, необходимо иметь в виду некоторые особенности по сравнению с оценкой точности результатов измерения, полученных с помощью отдельного средства измерения.

Информационно- измерительные системы представляют собой комплекс элементов, выпускаемых различными предприятиями. Даже если эти элементы имеют отечественное происхождение и точность этих элементов определена в соответствии со стандартом на классы точности средств измерений, возможны различные варианты задания значений допустимых погрешностей, точности. Если в систему входят средства измерений различных зарубежных фирм, количество этих вариантов увеличивается. Чтобы сопоставить точность отдельных элементов, рассчитать суммарную величину погрешности, результирующую точность, приходится изучать не только документацию на средства, входящие в систему, но и нормативно- техническую документацию фирм- изготовителей, определять характеристики системы по параметрам входящих элементов линейным или вероятностным суммированием с учетом коэффициентов влияния или на основании экспериментальной оценки точностных и метрологических характеристик системы для каждого отдельного экземпляра.

Использование информационно- измерительной системы будет эффективным в том случае, если система будет предусматривать возможность расширения номенклатуры входящих в нее элементов. В то же время любой дополнительный элемент вносит дополнительные погрешности, тем самым, снижает точность. В частности, даже регистрирующее устройство вносит погрешности, которые должны быть учтены. В систему могут входить подвижные элементы, расположенные на подвижных объектах, это также усложняет анализ точности. Отдельные элементы системы могут быть дистанционно разделены, при этом возникает необходимость учета влияния передающих каналов на погрешности измерений.

Чувствительные элементы, датчики измерительных приборов, входящих в информационно- измерительную систему часто располагают непосредственно в контролируемой среде, при этом помимо измеряемых параметров на них действует большое число маскирующих, шумовых факторов, что значительно усложняет анализ точности и соответствующих погрешностей измерения.

Часто в информационно – измерительные системы входят средства измерения, измерительные приборы, измеряющие физические величины, но при этом целью системы является получение информации о субъективных характеристиках. Например, прибор измеряет функцию передачи модуляции, по которой оценивается четкость изображения, на основании измерения электрического напряжения делается вывод о яркости источника света и т.д. При оценке точности такой системы необходимо иметь психофизические зависимости между физическими, техническими параметрами и соответствующими субъективными характеристиками, а также значения погрешностей, которые возникают при использовании этих зависимостей.

Также недоразумения могут возникнуть, когда одним из важнейших требований к информационно- измерительной системе является требование быстродействия. Необходимо иметь в виду, что это требование противоречит возможности получения, обработки, воспроизведения комплексной и полной информации.

Если не учитывать вышеприведенные особенности оценки точности информационно- измерительных систем, результирующие погрешности могут быть настолько велики, что система не сможет дать достоверных сведений о контролируемом объекте.

Носителями измерительной информации могут быть только такие сигналы, изменение которых во времени нельзя точно предсказать заранее. Любая зависимость, точно определяемая до поступления сигнала, не сообщает ничего нового – не несет информации. Количество информации зависит от степени неопределенности сигнала до его приема. Неопределенность уменьшается после приема измерительного сигнала (после измерения). Таким образом, мерой информации является степень устранения неопределенности, степень увеличения вероятности наступления какой-то возможности. Достоверность информации равнозначна вероятности Р =1, это значение исключает возможность ошибок, помех. Степень неопределенности, в свою очередь, определяется энтропией.

В соответствии с теорией информации [35] количество информации, получаемой при каком-либо измерении, равно

,

где - энтропия измеряемой величины до измерения,

- энтропия измеряемой величины с учетом доверительного интервала, энтропия погрешности.

Используя информационный подход, рассчитаем погрешность измерения, имеющую место при использовании измерительного прибора с диапазоном измерения от X­ до X2. Будем считать, что вероятность попадания результата до и после измерения распределена в соответствии с равновероятностным законом.

Дифференциальная функция распределения вероятности появления измеряемой величины до проведения измерения

Дифференциальная функция попадания результата измерения на определенный участок диапазона измерения измерительного прибора после измерения

где - результат измерения, - интервал неопределенности.

Энтропия дискретных случайных величин равна

случайная величина может рассматриваться как непрерывная, ее энтропия

Энтропия до и после проведения измерения в этом случае будет равна

Полученное за счет измерения количество информации

.

Величина N показывает, какое количество интервалов неопределенности шириной размещается в диапазоне измерений измерительного прибора.

Графическое изображение полученных результатов приведено на рис.3.

Рис. 3. Дифференциальные функции распределения вероятности попадания измеряемой величины и результата ее измерения в определенный участок диапазона измерений измерительного прибора

Если вероятность попадания результата измерения после измерения распределена в соответствии с нормальным законом, т.е. дифференциальная функция распределения вероятности описывается выражением

тогда энтропия результата измерения с учетом погрешностей

Таким образом, интервал неопределенности будет равен Величина полученного с использованием информационных подходов интервала неопределенности соответствует интервалу, рассчитываемому с помощью неравенства Чебышева при вероятности примерно 0,95.


Понравилась статья? Добавь ее в закладку (CTRL+D) и не забудь поделиться с друзьями:  



Сейчас читают про: