Испытательная лаборатория. Немного подробнее и конкретнее (Часть 4)

Автор: Кондратьев А.В.

Перейдём теперь к другой измерительной области и другой задаче – измерениям сигналов, являющихся следствием акустоэлектрических преобразований (СИ АЭП).

Как многократно упоминалось в самых разных публикациях эти самые сигналы АЭП рассматриваются в двух формах существования:

НЧ АЭП – сигналы речевого диапазона частот, «прямой» АЭП.

ВЧ АЭП – сигналы радиочастотного диапазона, они же сигналы штатных автогенераторов, входящих в состав исследуемых тех. средств, модулированные речевыми сигналами.

В настоящей публикации ограничимся областью НЧ АЭП, поскольку ВЧ АЭП отдельная тема и вполне самостоятельная САИС для оценки (измерения) таких сигналов.

Итак, НЧ АЭП, «по старинке» часто именуемыми «микрофонным эффектом». Действительно, по результату – электрическому сигналу, пропорциональному звуковому давления и с той же частотой все физические эффекты, приводящие к этому явления, аналогичны тем, которые положены в основу работы нормального микрофона. Правда, обычно весьма «плохому», с весьма низким коэффициентом преобразования, хотя бывают и исключения. Но это уже за пределами рассматриваемой области.

Раз речь заходит об измерении переменного напряжения (или, строго по ГОСТ – напряжения переменного тока), то «правильное средство измерения такой физической величины – вольтметр. Об этом уже писалось не раз (например, весьма подробно, здесь: http://daily.sec.ru/publication.cfm?pid=35713). Здесь же подробно рассмотрен вопрос о том, какими именно техническими параметрами должно обладать такое средство измерения. Поэтому не будем повторяться и сразу перейдём к конкретному рассмотрению.

На что следует обратить внимание прежде всего?

В общем-то и об этом уже писалось. Но напомнить не вредно :) Измерения, которые приходится выполнять, чаще всего находятся в «нановольтовом» диапазоне амплитуд. Значения в единицы мкВ уже считаются очень большими и «лёгкими» в измерениях. И это в диапазоне частот от первых сотен Гц, где наводки от сети промышленного электропитания составляют, как правило, не менее единиц мВ. Не говоря уже о том, что всяческих иных источников погрешностей при измерениях столь малых величин просто устрашающее количество :(

Именно поэтому вопросы конструирования автоматизированного средства измерения в этой области крайне сложны и противоречивы по своей сути. Разработка основного блока САИС «Талис-НЧ» велась два года (начиная с 2007 года), а его доработка и модификация продолжается и сейчас, спустя уже более 6 лет. И не буду утверждать, что все проблемы полностью решены…

В качестве таких основных проблем можно назвать три (уже упоминались, но…):

• необходимый, крайне низкий уровень собственных шумов измерительного канала;
• «микрофонные» эффекты элементов измерительного канала;
• создание (формирование) акустического тест-сигнала не сопровождающегося электрическими и/или магнитными полями.

Первая из этих проблем решена вполне успешно. Причём для очень высокого входного сопротивления нашего «вольтметра». Здесь стоит упомянуть, что за последние пару лет были проведены сравнительные испытания основного блока «Талис-УНЧ» в сравнении с продукцией ряда фирм, в том числе и зарубежных.. Таких, например, как хорошо известный всем специалистам вольтметром Unipan, изделия фирмы SIGNAL RECOVERY (модели 5184 и 5186), предварительные усилители TDA («Zetlab») и P301 и рядом других изделий аналогичного назначения. По результатам испытаний комбинация из уровня собственных шумов и входного сопротивления для «Талис-УНЧ» осталась непревзойдённой. С полным отчётом по этим испытаниям можно ознакомится на нашем форуме.

Вторая проблема значительно сложнее. Типовая схема измерений такова, что всегда измерительные кабели и сам предварительный усилитель находятся в акустическом поле тест-сигнала, вблизи испытуемого изделия. А это значит, что они не имеют права «микрофонить» больше, чем самый слабый из измеряемых сигналов. Борьбы с этим явлением у нас идёт всю историю создания и эксплуатации САИС семейства «Талис-НЧ-хх».

Причём тщательным (иногда неоднократным!) испытаниям подвергается каждое изделие. А уж сколько сил приходится положить при исчезновении на рынке какого-либо электронного комплектующего и подборе его замены… Но зато мы уверены, что если пользователь правильно собрал схему измерения и выявил сигнал, например, со значением в 115 нВ, то это действительно «образовалось» в исследуемом техническом средстве, а не где-то «по дороге» :)

То же самое следует сказать и о последней проблеме. В общем и целом она решена. Наш акустический излучатель (колонка) УЭК-1 вместе с усилителем «Шорох-2МИ» и штатным кабелем вполне обеспечивает необходимое звуковое давление акустического тест-сигнала и при этом имеет весьма низкие значения побочных электрических и магнитных полей (полей рассеяния). Не буду утверждать, что это идеальное решение. Есть и более новая разработка, с большей мощностью, расширенным частотным диапазоном и ещё меньшими полями. Однако большого спроса на неё не оказалось, а трудоёмкость изготовления на порядок выше… Тем не менее сравнительные испытания с аналогичными изделиями УЭК-1 показали явное преимущество последней (прежде всего по уровню полей рассеяния). Так что её весьма существенные вес и габариты не случайны. Это обычная физика, обмануть которую невозможно :)

Итак, будем считать, что о наиболее существенных преимуществах данных САИС сказано достаточно. Теперь конкретнее. Семейство САИС «Талис-НЧ-хх» представлено двумя изделиями: «Талис-НЧ-М1» и «Талис-НЧ-Лайт». Чем же они различаются?

«Талис-НЧ-М1» - это «полная» автоматизированная система, которая способна выполнить весь объём измерений (инструментальной оценки) и расчёта результатов. Поэтому в её составе присутствует и основной измерительный канал (сетевой пробник «Талис-НЧ-ПП», блок фильтра-усилителя «Талис-УНЧ», блок АЦП «БСП-М1» и хост-ПЭВМ), и канал формирования акустического тест-сигнала (УЭК-1, «Шорох-2МИ», звуковая карта хост-ПЭВМ), и вспомогательный измерительный канал – «шумомер» для измерения звукового давления акустического тест-сигнала (микрофон TSM130E20, анализатор НЧ «БСП-М1» и хост-ПЭВМ). Как и положено для такого изделия эта система утверждена как тип средства измерения (Свидетельство об утверждении типа средств измерения RU.C.34.018.A № 49712. Действ до 31 января 2018 г.). Причём в описании типа указаны обе её «ипостаси», что она является и вольтметром и шумомером одновременно. Причём одновременно официализовано и управляющее ПО, поскольку оно является одним из элементов измерительных каналов.

Именно такая, «полная» система способна выполнять сформированное оператором «задание» в полностью автоматическом режиме. То есть измерить и оценить уровень фоновых акустических шумов, уровень помех в линии, к которой она подключена (или «на порту»). Если эти уровни не превышают определённых значений – приступить к измерениям. По заданному в задании алгоритму облучать исследуемое «железо» тест-сигналом заданных частот, измерять их звуковое давление, измерять значения сигналов АЭП и всё это записывать «в память». Присутствие оператора при этом не только не нужно, но и, зачастую, вредно. В основном с точки зрения акустики, особенно если (а это весьма рекомендуется!) измерения проводятся в заглушенной акустической камере. Наличие вблизи человека достаточно заметно влияет на распределение акустических полей и может служить дополнительным источником погрешностей.

САИС «Талис-НЧ-Лайт» - это только основной канал измерения и ничего более. То есть только селективный вольтметр. Собственно, именно в качестве такового он и предлагается. Управляется он тем же самым ПО. Но вот рабочие вкладки, относящиеся к каналу формирования тест-сигнала и измерения его звукового давления функционировать не будут. Точнее, звуковая карта ПЭВМ, разумеется, нужные электрические сигналы сформирует. А уж чем усиливать и чем излучать решать придётся совсем отдельно… И тип средства измерения для «Талис-НЧ-Лайт» - это только вольтметр переменного тока и ничего более (Свидетельство об утверждении типа средств измерений RU.C.34.018.A№ 43810).

Да, наши САИС выполнены во многом совместимыми. И если к той же хост-ПЭВМ подключить, например, САИС «Шёпот», загрузить некоторые дополнительные драйверы, то ПО «Талис-НЧ-хх» «увидит» и канал измерения звукового давления(точнее – шумомер L&D). Он будет выполнять свои функции и управляться совершенно правильно. И при этом САИС «Талис-НЧ-М1» не возникнет. «шумомер» в системе есть, работает, но другого типа. А система сертификации штука жёсткая, она устанавливает и определённую комплектацию. Кроме того, для такой «самодеятельной» системы не будет существовать зав. № хххх, не будет Свидетельства о первичной поверке. Как говориться «Закон суров, но это Закон!». Правда, остаётся ещё возможность указать, что измерения выполнялись вполне отдельными САИС «Талис-НЧ-Лайт» и «Шёпот» у каждой из которых с точки зрения метрологии всё оформлено в соответствии с Законом.

Что же касается формирования акустического тест-сигнала, то в тракт измерения он не входит. Формально препятствий к применению чего-то иного, кроме «связки» из УЭК-1 и «Шорох-2МИ» нет. Но все возможные погрешности от наводок на исследуемое изделие не слишком тщательно экранированными устройствам пользователь в этом случае берёт на себя ;)

Обратимся теперь, хотя бы кратко, к возможностям САИС.

Как уже упоминалось, основной измерительный канал состоит из аналоговой и цифровой частей. Аналоговая представлена блоком фильтра-усилителя «Талис-УНЧ». Это устройство обеспечивает первичное усиление сигналов, фильтрацию рабочей полосы частот и адаптивное подавление помех с частотами промышленной электросети. Именно аналоговое, поскольку только такое решение обеспечило и малые собственные шумы, и огромный динамический диапазон. Кроме того только такими методами можно было обеспечить уникальное свойство системы – измерять сигналы с уровнем меньше 1 мкВ в линиях электросети «под напряжением» 220 В.

Пользовательский графический интерфейс системы весьма функционален и насыщен элементами управления.

Верхнее (на «скрине») окно, окно «Задания» позволяет определить конфигурацию средств измерений, входящих в конкретную САИС (вкладка «Оборудование»). Сформировать задание на измерение со всеми его параметрами, включая данные исследуемого тех. средства (вкладки «Параметры задания» и «Измерения»).

Как видим, конкретный набор элементов измерительного тракта весьма широк и выпадающие перечни могут пополняться и корректироваться.

Предусмотрено несколько алгоритмов задания частот акустических тестовых сигналов (на центральных частотах октав, заданное количество частот на каждой октаве, с заданным постоянным шагом по частоте и т. д.). Списки частот при выборе этих алгоритмов генерируются «в один клик». Разумеется, оператор может создать список и вручную или загрузить его из текстового файла.

Кроме того в этом же окне появляются результаты выполнения задания (таблица слева) где «зелёной галочкой» система отмечает результаты (строки таблицы) в которых она «уверена», что воздействие акустического тест-сигнала привело к появлению в точке измерения (в линии или «на порту») сигнала НЧ АЭП и этот сигнал явно превышает уровень помех. Знак вопроса означает «сомнение» системы и требует проверки вручную. Перечёркнутый красный круг означает, что «с точки зрения системы» на данной частоте сигнал АЭП не выявляется.

Во втором рабочем окне системы «Измерения» мы видим построенный спектр всего того, что наличествует в точке подключения. Этот спектр можно перемещать по частоте, растягивать и сжимать, менять диапазон отображаемых амплитуд и делать множество операций, позволяющих увидеть сигнал самым наглядным образом. Вообще все элементы управления этого окна предназначены для предварительного «ручного» поиска сигналов АЭП и сбора данных для правильного формирования рабочего «задания». Естественно, любой сигнал найти и измерить можно и вручную.

Ну и финал работы (конкретной серии измерений) – расчёт результатов. Здесь проявляется ещё раз разница между двумя системами. Нажав кнопку «Расчёт» и, затем, кнопку «Протокол» пользователь условный спектр всех измеренных сигналов увидит в любой системе. И жёлтым цветом в каждом столбце гистограммы будет выделена часть сигнала, с точки зрения системы принадлежащая именно сигналу АЭП (синим цветов выделен уровень помех). А вот в появившемся «Протоколе» есть существенная разница.

В САИС «Талис-НЧ-Лайт» будут выведены только все исходные данные (парметры при измерениях, данные исследуемого ТС, всё, что оператор ввёл в поля при формировании «задания) и таблица сигналов. Самих результатов расчёта не будет. А вот в САИС «Талис-НЧ-М1», если был правильно инсталлирован расчётный модуль, будет и результат расчёта.

Не будем здесь и сейчас объяснять почему именно так сделано, но полный расчёт результата возможен только в «Талис-НЧ-М1» и на аттестованной ПЭВМ.

Если же в Вашем распоряжении только «Талис-НЧ-Лайт», то нужно дополнить результаты измерения сигналов АЭП ещё и результатами измерения звукового давления акустического тес-сигнала и выполнить расчёт вручную в соответствии с методикой. Что, впрочем, вполне выполнимо.

Так же, как и в САИС «Сигурд» встроены многочисленные проверки правильности ввода данных оператором, напоминания ему о тех или иных действиях, которые необходимо выполнить в процессе измерений. Как уже упоминалось выше, учитывая существенное влияние на результаты погрешностей, вызванных как акустическими, так и электрическими помехами, система самостоятельно оценивает их уровни и сообщает оператору, если условия измерения оказываются некорректными.

Рассказывать все подробности конфигурации САИС и создания «задания», естественно невозможно, да и не нужно. Важно то, что в системе сделано очень многое для того, чтобы найти, выделить и правильно измерить любой сигнал из тех, которые предусмотрены действующими нормативными документами.

В заключение было бы логично сравнить описываемую систему с существующими аналогами. Однако это не удаётся сделать. Просто потому, что ни по техническим характеристикам (не по единичным, а в комплексе), ни по функционалу, до настоящего времени аналогичных систем на российском рынке не появилось.

Пожалуй нелишним будет упоминание о том, что как система «Талис-НЧ-хх» в целом, так и отдельные её элементы (экранированный акустический излучатель, блок «Талис-УНЧ», АЦП БСП-1 в различных модификациях) постоянно эксплуатируются в нашей испытательной лаборатории. И при их отсутствии возможности наши сузились бы весьма и весьма существенно. Мы уже не первый год практически не пользуемся нановольтметрами «Unipan» (несмотря на их наличие и рабочее состояние), отказались от применения НЧ анализатора R&S UP-300 (используем только встроенный генератор). Работать системой «Талис…» намного быстрее, нагляднее и удобнее. Это не значит, что у нас самих нет к системе никаких претензий :) Конечно, всегда есть что изменить, улучшить, добавить. Но всему своё время, пожелания копим до следующей сертификации ;)

Продолжение следует