Пилипчук Ю.В.
Яровий В.С.
Михайлов О.В.
Скрипка А.О.

ВДОСКОНАЛЕННЯ І ОПТИМІЗАЦІЯ РОБОТИ НАУКОВО-ДОСЛІДНИХ, МЕТРОЛОГІЧНИХ ТА ВИМІРЮВАЛЬНИХ ЛАБОРАТОРІЙ – ЗАДАЧА ВІРТУАЛЬНИХ ВИМІРЮВАЛЬНИХ ПРИЛАДІВ ТА КОМПЛЕКСІВ

В статті проведено аналіз стану розвитку віртуальних вимірювальних приладів і комплексів, розглянуто можливості їх використання в науково-дослідних, метрологічних та вимірювальних лабораторіях і створення на базі даних приладів сучасних автоматизованих робочих місць. Наведено приклад побудови на базі віртуальних вимірювальних приладів автоматизованого робочого місця з повірки приладу вимірювального П-321.
The article analyzes the state of virtual instrumentation and systems, considered the possibility of their use in research, metrology and measurement laboratories and the establishment of a modern automated instrumentation data jobs. An example of construction based virtual instrumentation workstation calibration of measuring П-321.
В статье проведен анализ развития виртуальных измерительных приборов и комплексов, рассмотрены возможности их использования в научно-исследовательских, метрологических и измерительных лабораториях и создание на базе данных приборов современных автоматизированных рабочих мест. Приведен пример построения на базе виртуальных измерительных приборов автоматизированного рабочего места по поверке прибора измерительного П-321.

Ключові слова: віртуальний вимірювальний прилад, віртуальний вимірювальний комплекс, віртуальна лабораторія.

Актуальність, постановка задачі. Аналіз стану вимірювальної техніки, тенденцій її подальшого розвитку та використання на сучасному етапі показав, що поряд з розробкою та удосконаленням традиційних вимірювальних приладів все більшого значення набуває досить новий напрямок, а саме розробка та використання, так званих, віртуальних вимірювальних приладів. Цьому сприяє, по-перше, значний прогрес в розвитку засобів електронно-обчислювальної техніки (далі – ЕОТ), внаслідок якого персональні комп’ютери (далі – ПК) практично стали необхідним інструментом інженерів, науковців, викладачів; по-друге, парк засобів вимірювальної техніки (далі – ЗВТ) поповнюється та відновляється не такими темпами, як того потребують сучасні вимоги; по-третє, порушення інтеграційних зв’язків з країнами колишнього СРСР значно ускладнює процес розробки, а головне – виробництва сучасних ЗВТ. Все це потребує пошуку альтернативних способів вдосконалення парку ЗВТ, наприклад шляхом розробки та створення віртуальних вимірювальних комплексів (далі – ВВК) на базі віртуальних вимірювальних приладів (далі – ВВП).

Мета. Метою даної статті є визначити переваги та можливості використання віртуальних вимірювальних приладів у науково-дослідних, метрологічних та вимірювальних лабораторіях і довести це на прикладі створення автоматизованого робочого місця з калібрування приладу вимірювального П-321.

Основні положення. На сучасному етапі розвиток ЕОТ наштовхує на думку про використання могутнього технологічного потенціалу комп'ютеризації в справі удосконалення процесу вимірювань. Пошуки рішення привели до необхідності створення віртуальних приладів, аналоги яких вже існують за кордоном і демонструють величезні переваги перед, так званими, традиційними приладами.
Існує багато визначень ВВК, ВВП (або віртуальних інформаційно-вимірювальних приладів). Після проведення аналізу можна дати наступні визначення.
Віртуальний інформаційно-вимірювальний прилад - це комп'ютер, оснащений набором апаратних і програмних засобів, що виконує функції інформаційно-вимірювального приладу або системи, максимально наближений до вирішення завдання. У наукових дослідженнях, діагностичних, статичних і інтелектуальних системах комп'ютери використовуються для вирішення завдань управління вимірювальними експериментами, збору, реєстрації, обробки та систематизації даних, подання та зберігання результатів спостережень. При цьому частина функцій і операцій здійснюється не апаратно, а програмно за допомогою ПЕОМ. Апаратна інформаційно-вимірювальна частина приладів і систем реалізується розміри стандартної плати та автономного модуля комп'ютера.
Віртуальний прилад (ВП) являє собою комбінацію комп'ютера, універсальних апаратних засобів введення-виведення сигналів і спеціалізованого програмного забезпечення (ПЗ), яке і визначає конфігурацію і функціонування закінченої системи. По суті, в руках творця системи - конструктор, з якого інженер або дослідник може побудувати вимірювальний прилад будь-якої складності. У цьому разі вимоги завдання і відповідне цьому ПО, а не можливості приладу визначають функціональні характеристики закінченого приладу.

Розглянемо переваги віртуальних приладів по відношенню до традиційних засобів вимірювання:
- економія коштів, місця і ваги;
- мобільність;
- обсяг вимірювальної інформації практично необмежений;
- простота у використанні й обслуговуванні;
- універсальність застосування;
- багаті можливості представлення і обробки інформації;
- настроюваний інтерфейс користувача;
- розширюваність;
- запис часу і коментарів разом з даними;
- автоматизація процесу вимірювань;
- вбудовані вимірювальні процедури можливості мультимедіа;
- доступ в Інтернет для розповсюдження даних по всьому світу;
- взаємодію з базами даних та інформаційними системами.

Віртуальний прилад має невеликі розміри, вагу і, як правило, низьку вартість, а для відображення інформації монітор (на сьогоднішній день кожний інженер або дослідник в роботі й так використовує ПЕОМ). Наприклад: вартість сучасних цифрових вольтметрів, у залежності від типів і метрологічних характеристик приладів, може перевищувати вартість плати збору даних на цифрові вольтметри майже у десять разів.
Завдяки невеликим габаритам та вазі ВВП разом з ПЕОМ (або краще з ноутбуком) легко можна транспортувати та швидко розгортати.
Завдяки можливостям ПЕОМ обсяг вимірювальної інформації, яка відображається, обробляється і зберігається обмежується тільки характеристиками ПЕОМ.
Обслуговування складних великогабаритних пристроїв, приладів і систем вимагає великих витрат часу, засобів і висококваліфікованого обслуговуючого персоналу. Плата збору даних відрізняється простотою у використанні й обслуговуванні, а також завдяки наявності в програмному забезпеченні системи підказок, робота з віртуальним приладом не потребує від оператора спеціальних знань.
Значною перевагою використання ПК у складі віртуального приладу є можливість створення максимально дружелюбного інтерфейсу для оператора. Зручний і зрозумілий режим підказок, звичне оформлення передньої панелі, можливість поміняти колірну гаму, усе це і багато чого іншого робить віртуальний прилад ергономічним і приємним для користувача.
Простота діалогу, можливість швидкої переконфігурації, вбудований апарат обробки даних дозволяють створювати на основі персонального комп'ютера і плати збору даних безліч різноманітних гнучких вимірювальних систем. Швидка, непроблематична взаємозамінність плати збору даних, можливість дублювання особливо важливих елементів вимірювальних систем, широкі можливості моніторингу й обробки сигналу, можливість передачі інформації, як у локальній, так і глобальній мережі – усе це вказує на універсальність віртуальних вимірювальних приладів.
ВВП можна широко використовувати у пересувних або мобільних вимірювальних та метрологічних лабораторіях. Якщо традиційні  вимірювальні прилади замінити ВВП, то це дасть змогу по-перше змінити автомобільну базу для транспортування та роботи на більш дешеву та економічну, по-друге зменшити кількість працівників, які виконують вимірювальні роботи, по-третє збільшити кількість об’єктів, які можуть одночасно обслуговуватись.
Дуже актуальним є використання ВВП у науково-дослідних установах та лабораторіях під час проведення досліджень, експериментів та випробувань. ВВП можуть одночасно виконувати велику кількість вимірювальних операцій, математичних обчислень та порівняння результатів вимірювань. Також вони є незамінними під час проведення довго плинних за часом експериментів та досліджень і під час проведення вимірювальних робіт за межами стаціонарних умов використання.
Незамінними ВВП є і в метрологічних лабораторіях. По-перше багатофункціональність їх використання дає змогу замінити велику кількість традиційних вимірювальних приладів набагато меншою кількістю ВВП. По-друге за допомогою ВВП одночасно можна проводити повірку декількох однотипних або навіть приладів різного типу, які є близькими за функціональним призначенням. По-третє за допомогою ВВП можна створювати автоматизовані робочі місця з повірки засобів вимірювальної техніки, що дасть можливість колосальної економії робочого часу.
Але використання віртуальних приладів поки зустрічає деякі труднощі. Одна з них носить чисто суб'єктивний характер. Це звичка роботи з приладами, що мають звичайні органи управління і блоки збору і представлення інформації. Збереженню цієї звички сприяє і політика фірм, що виробляють традиційну контрольно-вимірювальну апаратуру. Аналіз технічних можливостей найбільш сучасніших осцилографів, генераторів сигналів і інших приладів деяких фірм, показує, що згадані прилади фактично реалізують вивернуту концепцію віртуальних інструментів, коли вимірювальний прилад сполучається з комп'ютером не за рахунок інтерфейсу, а шляхом "вбудовування" ПК у корпус приладу. У деяких випадках компанії  будують вимірювальні прилади навколо комп'ютерного процесора, а в деяких створюють спеціалізовані процесори, але суть від цього не змінюється: успіхи мікроелектроніки у створенні елементної бази із субмікронними розмірами елементів дозволяють розмістити в одному корпусі вимірювальний прилад і ПК. Це розширює універсальність застосування вимірювальної апаратури нового покоління, але подібна практика відповідним чином відбивається на ціні та складності управління такими приладами.
У той же час можливо вирішувати проблеми оснащення вимірювальних лабораторій за допомогою високопродуктивних і водночас дешевих плат збору даних, що вбудовуються в ПК. Таким чином, у даний час можна говорити про еру віртуальних приладів, в основі яких лежить з'єднання аналогово-цифрового перетворювача з ПК.
Перспективним є підхід, в основу якого покладений принцип поєднання ПК з платою збору даних (ПЗД), основними елементами якої є аналогово-цифровий перетворювач (АЦП) і перетворювач код-код (ПКК). Можливо включення до складу ПЗД мікропроцесорного контролера, який виконує функції управління, синхронізації та підтримки програмного забезпечення (ПЗ).
В загальному випадку віртуальний прилад складається з двох компонентів: пристрою управління та обробки інформації, тобто персонального комп'ютера, і плати збору даних. Перший компонент, а саме ПК, не потребує капітальних затрат на його виготовлення або придбання, тому що є необхідним атрибутом сучасності, і є обов’язковим інструментом на майже на кожному робочому місці. Тому будемо розглядати його, як вже існуючий, компонент віртуального вимірювального приладу. Другий компонент, а саме плата збору даних (ПЗД) в загальному випадку містить: мультиплексор, АЦП, мікроконтролер, порт RS-485, запам’ятовуючий пристрій, перетворювач напруги та фільтр. Таким чином можна вважати, що апаратурна складова віртуального приладу є визначеною і далі доцільно зосередити увагу на програмному забезпеченні приладу.
Широковідомий пакет “LabWiEW” реалізує розглянутий підхід до побудови віртуальних приладів, але має суттєві недоліки в плані візуалізації процесу вимірювань та відображенні результатів вимірювань. Програмне середовище “LabWiEW” хоча і дозволяє відобразити передню панель обраного ЗВТ, але не дає можливості оператору вносити зміни, корегувати зовнішній вигляд і функціональні можливості обраного приладу. Таким чином, актуальності набуває питання, пов’язане з візуалізацією процесу вимірювань, тобто розробки віртуального приладу, зовнішній вигляд та функціональні можливості якого можна б було коректувати як під час розробки, так і в процесі роботи. Аналіз існуючих інтерактивних програмних середовищ показав, що задача візуалізації може бути вирішеною за допомогою таких пакетів програмного забезпечення, як C+, С++, Visual Basic тощо, які мають практично однакові можливості й відрізняються покладеною в основу формалізованою мовою програмування.
Приведемо приклад проведення повірки приладу вимірювального П-321 за допомогою традиційних ЗВТ, а потім за допомогою ВВП.

Перелік операцій, які виконують під час проведення повірки згідно діючої методики повірки, наведений у таблиці:

При виконанні повірки за методикою повірки слід використовувати засоби повірки (робочі еталони та допоміжне обладнання), зазначені у таблиці:

Найменування засобів калібрування	Тип	Метрологічні характеристики
Частотомір електронно-лічильний	ЧЗ–38	0,1 Гц - 150 МГц. Похибка частоти кварцового генератора не більше ±2*10-7.
Вольтметр універсальний цифровий	В7–16А	100 мкВ - 1000 В ±(0,2-0,45) 20 Гц – 50 МГц 0,1 Ом - 10 МОм
Мілівольтметр середньоквадратичних значень	В3-48А	10 Гц - 50 МГц 0,3 мВ – 300 В ± (2,5 – 10)%
Вимірювач коефіцієнту нелінійних викривлень	С6–11	(0,03-100) %,  20 Гц - 200 кГц; (0,1-100) %,  20 кГц - 200 Гц ±(0,05 Кrп+0,05)% при f: 20 Гц - 200 Гц; ±(0,05 Кrп+0,02)%  при f: 200 Гц - 20 кГц ±(0,1 Кrп+0.1)%  при f: 20 кГц - 200 кГц
Генератор сигналів низькочастотний	ГЗ–109	20 Гц-200 кГц ±(1+50/f)% ±(2+50/f)% 15 В на Rн=50 Ом
Міст для вимірювання повних провідностей	МПП–300	10 Ом – 10 кОм (0,2 – 300) кГц (0,75 – 3) %

Всі вказані у таблиці засоби вимірювання мають достатньо великі габарити та вагу, для їх розміщення необхідне окреме робоче місце (стіл приблизно 1.5 м2 враховуючи, що ПЕОМ, який потрібен для обробки результатів вимірювання та відпрацювання протоколів розміщується окремо), живлення напругою змінного струму 220 В.
Під час проведення повірки необхідно окремо для кожного пункту повірки збирати, а відповідно і розбирати схему. Згідно діючих норм часу на проведення повірки приладу П-321 необхідно 3 людино-години.
Розглянемо тепер повірку даного приладу за допомогою ВВП.
Перелік метрологічних параметрів, що повіряються залишається незмінним.

Перелік апаратурної складової:
1. USB-Частотомір, генератор, осцилограф, аналізатор спектру в одному (заміняє Ч3-38, Г3-109, С6-11)
2. USB-Мультиметр (заміняє В7-16А, В3-48А, МПП-300).

Живлення, відображення, обробка та зберігання результатів повірки, а також автоматизоване заповнення формалізованого протоколу здійснюється ПЕОМ. Необхідне місце – не більше 0.5 м2.
Під час проведення повірки схема збирається один раз, приблизний час на повірку – не більше 1 людино-години, можливість підключення одразу 3 приладів одночасно.
Також є практично необмеженою сфера використання розроблених віртуальних приладів, тобто на їх основі можна будувати вимірювальні системи для досліджень не тільки автономних засобів вимірювань, а і автоматизованих вимірювальних комплексів та систем, параметри та зовнішній вигляд яких можна коректувати як на стадії розробки, так і в процесі роботи.

Висновки. Отже в даній статті чітко визначені переваги та можливості використання віртуальних вимірювальних приладів у науково-дослідних, метрологічних та вимірювальних лабораторіях і доведено це на прикладі створення автоматизованого робочого місця з повірки приладу вимірювального П-321.
На сьогоднішній день неможливо всі засоби вимірювальної техніки замінити ВВП за різними причинами, але майбутнє вимірювань за ВВП та ВВК.