Помощь студентам в учебе
Метрологическая аттестация встроенного программного обеспечения стенда динамических характеристик датчиков давления
|
АННОТАЦИЯ 2
ВВЕДЕНИЕ 7
1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР МЕТОДОВ МЕТРОЛОГИЧЕСКОЙ
АТТЕСТАЦИИ ВСТРОЕННОГО ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ 11
1.1 Регламентация требований ко строенному программному обеспечению
средств измерений 11
1.2 Источники погрешности встроенного программного обеспечения 21
1.3 Классификация методов метрологической аттестации программного
обеспечения 28
1.4 Современные подходы к метрологической аттестации встроенного
программного обеспечения 32
2. РАЗРАБОТКА КОМПЛЕКСА ПРОГРАММНОЙ ДОКУМЕНТАЦИИ
ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ СТЕНДА ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ДАТЧИКОВ ДАВЛЕНИЯ 44
2.1 Описание стенда динамических характеристик датчиков давления 44
2.2 Руководство оператора по ГОСТ 19.505-79 48
2.3 Руководство программиста по ГОСТ 19.503-79 54
2.4 Описание программы блока управления клапанами по ГОСТ 19.402-78 60
3. РАЗРАБОТКА ПРОГРАММЫ МЕТРОЛОГИЧЕСКОЙ АТТЕСТАЦИИ
ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ СТЕНДА ДИНАМИЧЕСКИХ
ХАРАКТЕРИСТИК ДАТЧИКОВ ДАВЛЕНИЯ 66
3.1 Порядок метрологической аттестации ПО 66
3.2 Методика выполнения измерений 80
4. ИССЛЕДОВАНИЕ ВСТРОЕННОГО ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ СТЕНДА ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ДАТЧИКОВ ДАВЛЕНИЯ В ПРОЦЕССЕ ЕГО МЕТРОЛОГИЧЕСКОЙ АТТЕСТАЦИИ 85
4.1 Обработка экспериментальных данных в процессе метрологической аттестации встроенного программного обеспечения стенда динамических характеристик датчиков давления с использованием контрольных карт Шухарта 85
4.Обработка экпериментальных данных в процессе метрологической аттестации встроенного программного обеспечения стенда динамических характеристик датчиков давления с использованием метода кросс-валидации 108
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 115
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 117
ПРИЛОЖЕНИЕ А 122
ВВЕДЕНИЕ 7
1. АНАЛИТИЧЕСКИЙ ОБЗОР МЕТОДОВ МЕТРОЛОГИЧЕСКОЙ
АТТЕСТАЦИИ ВСТРОЕННОГО ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ 11
1.1 Регламентация требований ко строенному программному обеспечению
средств измерений 11
1.2 Источники погрешности встроенного программного обеспечения 21
1.3 Классификация методов метрологической аттестации программного
обеспечения 28
1.4 Современные подходы к метрологической аттестации встроенного
программного обеспечения 32
2. РАЗРАБОТКА КОМПЛЕКСА ПРОГРАММНОЙ ДОКУМЕНТАЦИИ
ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ СТЕНДА ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ДАТЧИКОВ ДАВЛЕНИЯ 44
2.1 Описание стенда динамических характеристик датчиков давления 44
2.2 Руководство оператора по ГОСТ 19.505-79 48
2.3 Руководство программиста по ГОСТ 19.503-79 54
2.4 Описание программы блока управления клапанами по ГОСТ 19.402-78 60
3. РАЗРАБОТКА ПРОГРАММЫ МЕТРОЛОГИЧЕСКОЙ АТТЕСТАЦИИ
ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ СТЕНДА ДИНАМИЧЕСКИХ
ХАРАКТЕРИСТИК ДАТЧИКОВ ДАВЛЕНИЯ 66
3.1 Порядок метрологической аттестации ПО 66
3.2 Методика выполнения измерений 80
4. ИССЛЕДОВАНИЕ ВСТРОЕННОГО ПРОГРАММНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ СТЕНДА ДИНАМИЧЕСКИХ ХАРАКТЕРИСТИК ДАТЧИКОВ ДАВЛЕНИЯ В ПРОЦЕССЕ ЕГО МЕТРОЛОГИЧЕСКОЙ АТТЕСТАЦИИ 85
4.1 Обработка экспериментальных данных в процессе метрологической аттестации встроенного программного обеспечения стенда динамических характеристик датчиков давления с использованием контрольных карт Шухарта 85
4.Обработка экпериментальных данных в процессе метрологической аттестации встроенного программного обеспечения стенда динамических характеристик датчиков давления с использованием метода кросс-валидации 108
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 115
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК 117
ПРИЛОЖЕНИЕ А 122
Для решения многих измерительных задач используются программные средства, которые используются как в управления измерительным процессом, так и для реализации функций сбора, передачи, обработки, хранения и представления результатов измерений. Расширяя возможности измерительного оборудования, программные средства могут вносить дополнительные ошибки в результаты измерений, что объясняется несовершенством используемых алгоритмов, возможностью возникновения программных или аппаратных сбоев, потерь и искажений данных.
Учитывая возрастающую надежность механических, электрических и электронных компонентов средств измерений (СИ) можно сделать вывод, что качество измерений все в большей степени определяется правильной работой программного обеспечения (ПО) [1].
Программное обеспечение является неотъемлемой частью современных технических средств, предназначенных для измерений, контроля и мониторинга сложных и крупных промышленных объектов, включая опасные, коммерческого учета различных ресурсов. Под измерительным программным обеспечением (ИПО) понимаются программы (совокупность программ) средств измерений, технических систем и устройств с измерительными функциями, реализующие сбор, передачу, обработку, хранение и представление измерительной информации, а также программные модули и компоненты, необходимые для функционирования этих программ. Программное обеспечение средств измерений, испытаний и контроля, предоставляя возможность выполнения их основных функций, в случае не- выявленных ошибок может быть причиной серьезного социального и/или экономического ущерба. Необходимость и сравнительная простота модернизации программного обеспечения, добавление новых функций и расширение измерительных задач могут приводить к изменению характеристик программ и средств измерений (СИ), снижая достоверность результатов. Кроме того, возможна фальсификация результатов измерений и несанкционированный доступ к настройкам программного обеспечения и данным. Таким образом, ИПО влияет на окончательный результат и погрешность измерений и степень этого влияния должна оцениваться. Процедура такого оценивания реализуется в форме испытаний измерительного программного обеспечения.
Качество и надежность СИ традиционно обеспечиваются проведением их испытаний и утверждением типа, периодической поверкой или калибровкой, сертификацией. В настоящее время свойства ПО как самостоятельного объекта не оцениваются с помощью этих процедур, а оцениваются только в составе СИ. Однако особенности функционирования ПО, его высокая мобильность ведут к необходимости рассматривать его как самостоятельный объект оценки. В связи с этим высокую актуальность приобретает задача метрологической аттестации ПО. Эта задача не может быть решена в рамках традиционных подходов к верификации (сверка) программных средств, поскольку свойства ПО интересны в данном случае не сами по себе, а в их связи с функционированием СИ. Анализ состояния данной проблемы показал, что в нашей стране, несмотря на значительное количество статей и монографий по вопросам влияния программных средств и вычислительных устройств на достоверность результатов измерений отсутствует единый и систематизированный подход к решению задачи метрологической аттестации ПО [2].
Проблеме испытаний ИПО в последние годы уделяется самое серьёзное внимание со стороны авторитетных международных метрологических организаций (OIML, WELMEC, COOMET) и национальных метрологических институтов (NPL, PTB, NIST, ВНИИМС, ВНИИМ им. Д.И. Менделеева).
Несмотря на наличие нормативных документов по испытаниям ИПО, при разработке документации и проведении испытаний возникают проблемы, связанные с несогласованностью и несовершенством этих документов. Требуют решения задачи практического применения существующих рекомендаций, уточнения процедур испытаний на законодательном уровне, разработки конкретных методик испытаний измерительного программного обеспечения, используемых в различных областях промышленности, и т.д. Проблема выбора требований и методов испытаний ИПО определяется многообразием технических средств. В результате испытаний должно быть установлено, что измерительное программное обеспечение соответствует требованиям нормативных документов и обладает заявленными характеристиками. Для установления такого соответствия необходимо выбрать процедуру испытаний, определить требования и методы испытаний, разработать программу и методику испытаний, согласующуюся с нормативными документами и учитывающую современные требования, предъявляемые к ИПО.
Научная новизна.
Разработан и исследован новый метод для метрологической аттестации встроенного программного обеспечения стенда динамических характеристик датчиков давления.
Практическая ценность.
1. Выявление источников погрешности ПО стенда калибровки датчиков давления, работающих в динамическом режиме.
2. Реализация метода метрологической аттестации встроенного программного обеспечения стенда динамических характеристик датчиков давления. Выполнение цифрового моделирования и экспериментальное исследование разработанных алгоритмов и методик позволят:
• Повысить степень надежности и достоверности встроенного ПО.
• Осуществить достоверную проверку соответствия ПО стенда установленным требованиям;
• Разработать и исследовать новые методы обработки экспериментальных данных, полученных в ходе метрологической аттестации встроенного программного обеспечения стенда динамических характеристик датчиков давления.
Учитывая возрастающую надежность механических, электрических и электронных компонентов средств измерений (СИ) можно сделать вывод, что качество измерений все в большей степени определяется правильной работой программного обеспечения (ПО) [1].
Программное обеспечение является неотъемлемой частью современных технических средств, предназначенных для измерений, контроля и мониторинга сложных и крупных промышленных объектов, включая опасные, коммерческого учета различных ресурсов. Под измерительным программным обеспечением (ИПО) понимаются программы (совокупность программ) средств измерений, технических систем и устройств с измерительными функциями, реализующие сбор, передачу, обработку, хранение и представление измерительной информации, а также программные модули и компоненты, необходимые для функционирования этих программ. Программное обеспечение средств измерений, испытаний и контроля, предоставляя возможность выполнения их основных функций, в случае не- выявленных ошибок может быть причиной серьезного социального и/или экономического ущерба. Необходимость и сравнительная простота модернизации программного обеспечения, добавление новых функций и расширение измерительных задач могут приводить к изменению характеристик программ и средств измерений (СИ), снижая достоверность результатов. Кроме того, возможна фальсификация результатов измерений и несанкционированный доступ к настройкам программного обеспечения и данным. Таким образом, ИПО влияет на окончательный результат и погрешность измерений и степень этого влияния должна оцениваться. Процедура такого оценивания реализуется в форме испытаний измерительного программного обеспечения.
Качество и надежность СИ традиционно обеспечиваются проведением их испытаний и утверждением типа, периодической поверкой или калибровкой, сертификацией. В настоящее время свойства ПО как самостоятельного объекта не оцениваются с помощью этих процедур, а оцениваются только в составе СИ. Однако особенности функционирования ПО, его высокая мобильность ведут к необходимости рассматривать его как самостоятельный объект оценки. В связи с этим высокую актуальность приобретает задача метрологической аттестации ПО. Эта задача не может быть решена в рамках традиционных подходов к верификации (сверка) программных средств, поскольку свойства ПО интересны в данном случае не сами по себе, а в их связи с функционированием СИ. Анализ состояния данной проблемы показал, что в нашей стране, несмотря на значительное количество статей и монографий по вопросам влияния программных средств и вычислительных устройств на достоверность результатов измерений отсутствует единый и систематизированный подход к решению задачи метрологической аттестации ПО [2].
Проблеме испытаний ИПО в последние годы уделяется самое серьёзное внимание со стороны авторитетных международных метрологических организаций (OIML, WELMEC, COOMET) и национальных метрологических институтов (NPL, PTB, NIST, ВНИИМС, ВНИИМ им. Д.И. Менделеева).
Несмотря на наличие нормативных документов по испытаниям ИПО, при разработке документации и проведении испытаний возникают проблемы, связанные с несогласованностью и несовершенством этих документов. Требуют решения задачи практического применения существующих рекомендаций, уточнения процедур испытаний на законодательном уровне, разработки конкретных методик испытаний измерительного программного обеспечения, используемых в различных областях промышленности, и т.д. Проблема выбора требований и методов испытаний ИПО определяется многообразием технических средств. В результате испытаний должно быть установлено, что измерительное программное обеспечение соответствует требованиям нормативных документов и обладает заявленными характеристиками. Для установления такого соответствия необходимо выбрать процедуру испытаний, определить требования и методы испытаний, разработать программу и методику испытаний, согласующуюся с нормативными документами и учитывающую современные требования, предъявляемые к ИПО.
Научная новизна.
Разработан и исследован новый метод для метрологической аттестации встроенного программного обеспечения стенда динамических характеристик датчиков давления.
Практическая ценность.
1. Выявление источников погрешности ПО стенда калибровки датчиков давления, работающих в динамическом режиме.
2. Реализация метода метрологической аттестации встроенного программного обеспечения стенда динамических характеристик датчиков давления. Выполнение цифрового моделирования и экспериментальное исследование разработанных алгоритмов и методик позволят:
• Повысить степень надежности и достоверности встроенного ПО.
• Осуществить достоверную проверку соответствия ПО стенда установленным требованиям;
• Разработать и исследовать новые методы обработки экспериментальных данных, полученных в ходе метрологической аттестации встроенного программного обеспечения стенда динамических характеристик датчиков давления.
В ходе выполнения выпускной квалификационной работы был решен ряд задач, связанных с метрологической аттестацией встроенного программного обеспечения стенда динамических характеристик датчиков давления.
На первом этапе был проведен аналитический обзор научных и технических источников по теме работы, который показал актуальность анализа дополнительных погрешностей, которое вносит встроенное ПО средств измерений в результат измерения. Были изучены современные методы метрологической аттестации ПО. Рассмотрены современные подходы к метрологической аттестации встроенного программного обеспечения. Сделан вывод об актуальности разработки новых и модификации существующих методик метрологической аттестации программного обеспечения стенда динамических характеристик датчиков давления, созданного на кафедре информационно-измерительной техники ЮУрГУ (НИУ).
На втором этапе работы был создан комплекс программной документации стенда динамических характеристик датчиков давления, разработанный на основе требований ЕСПД. Комплекс является необходимой частью метрологической аттестации программного обеспечения и включает в себя: руководство оператора по ГОСТ 19.505-79; руководство программиста по ГОСТ 19.503-79; описание программы блока управления клапанами по ГОСТ 19.402-78.
На третьем и четвертом этапах работы производилось экспериментальное исследование ПО стенда динамических характеристик датчиков давления в соответствии с разработанной программой его метрологической аттестации (ГОСТ 8.6542015). При обработке данных эксперимента использовались методы непараметрической статистики: анализ качества по контрольным картам Шухарта и нелинейный анализ методом кросс-валидации, показавшие согласованность результатов.
Результаты анализа показали, программное обеспечение стенда динамических характеристик датчиков давления нестабильно, начиная с частоты 12,5 Гц, соответственно данное программное обеспечение вносит дополнительную погрешность в результат измерения и не прошло метрологическую аттестацию.
На первом этапе был проведен аналитический обзор научных и технических источников по теме работы, который показал актуальность анализа дополнительных погрешностей, которое вносит встроенное ПО средств измерений в результат измерения. Были изучены современные методы метрологической аттестации ПО. Рассмотрены современные подходы к метрологической аттестации встроенного программного обеспечения. Сделан вывод об актуальности разработки новых и модификации существующих методик метрологической аттестации программного обеспечения стенда динамических характеристик датчиков давления, созданного на кафедре информационно-измерительной техники ЮУрГУ (НИУ).
На втором этапе работы был создан комплекс программной документации стенда динамических характеристик датчиков давления, разработанный на основе требований ЕСПД. Комплекс является необходимой частью метрологической аттестации программного обеспечения и включает в себя: руководство оператора по ГОСТ 19.505-79; руководство программиста по ГОСТ 19.503-79; описание программы блока управления клапанами по ГОСТ 19.402-78.
На третьем и четвертом этапах работы производилось экспериментальное исследование ПО стенда динамических характеристик датчиков давления в соответствии с разработанной программой его метрологической аттестации (ГОСТ 8.6542015). При обработке данных эксперимента использовались методы непараметрической статистики: анализ качества по контрольным картам Шухарта и нелинейный анализ методом кросс-валидации, показавшие согласованность результатов.
Результаты анализа показали, программное обеспечение стенда динамических характеристик датчиков давления нестабильно, начиная с частоты 12,5 Гц, соответственно данное программное обеспечение вносит дополнительную погрешность в результат измерения и не прошло метрологическую аттестацию.
