динамические измерения. Ярославский государственный технический университет
 Скачать 104.51 Kb.
|
|
Министерство образования и науки РФ Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования «Ярославский государственный технический университет» Кафедра «Технология металлов» Работа защищена с оценкой __________ ____________ Е. Ф. Трофимов ____________ Динамические измерения Расчетно-графическая работа (реферат) По курсу «Автоматизация изменений, испытаний и контроля» ЯГТУ 200503.65-024 Р Задание выполнила студентка гр. ЭСК-52 ____________ Т. В. Серова ____________ 2013 Содержание: Введение…………………………………………………………………………...3 Статистические и динамические измерения……………………………………5 Классификация и основные характеристики измерений………………………7 Теорема Котельникова…………………………………………………………...9 Фильтр и динамическая погрешность………………………………………….10 Список литературы………………………………………………………………13 Введение Измерение - совокупность операций для определения отношения одной (измеряемой) величины к другой однородной величине, принятой за единицу, хранящуюся в техническом средстве (средстве измерений). Получившееся значение называется числовым значением измеряемой величины, числовое значение совместно с обозначением используемой единицы называется значением физической величины. Измерение физической величины опытным путём проводится с помощью различных средств измерений - мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей, систем, установок и т. д. Измерение физической величины включает в себя несколько этапов: 1) сравнение измеряемой величины с единицей; 2) преобразование в форму, удобную для использования (различные способы индикации). Принцип измерений - физическое явление или эффект, положенное в основу измерений. Метод измерений - приём или совокупность приёмов сравнения измеряемой физической величины с её единицей в соответствии с реализованным принципом измерений. Метод измерений обычно обусловлен устройством средств измерений. Динамическое измерение - измерение величины, размер которой изменяется с течением времени. Быстрое изменение размера измеряемой величины требует ее измерения с точнейшим определением момента времени. Признаком, по которому измерение относят к статическому или динамическому, является динамическая погрешность при данной скорости или частоте изменения измеряемой величины и заданных динамических свойствах СИ. Предположим, что она пренебрежимо мала (для решаемой измерительной задачи), в этом случае измерение можно считать статическим. При невыполнении указанных требований оно является динамическим. Динамическая погрешность измерений - погрешность результата измерений, свойственная условиям динамического измерения. Динамическая погрешность появляется при измерении переменных величин и обусловлена инерционными свойствами средств измерений. Динамической погрешностью средства измерений является разность между погрешностью средства измерений в динамических условиях и его статической погрешностью, соответствующей значению величины в данный момент времени. При разработке или проектировании средства измерений следует учитывать, что увеличение погрешности измерений и запаздывание появления выходного сигнала связаны с изменением условий. Статические и динамические погрешности относятся к погрешностям результата измерений. В большей части приборов статическая и динамическая погрешности оказываются связаны между собой, поскольку соотношение между этими видами погрешностей зависит от характеристик прибора и характерного времени изменения величины. Статистические и динамические измерения Рассмотренные режимы работы средств измерений приведены на рис. 1. Измерения постоянных величин в установившемся режиме, а также измерения в стационарном режиме изменяющихся во времени процессов относят к статическим. Измерения постоянных величин в переходном режиме, меняющихся во времени величин в стационарном режиме, а также любые измерения в нестационарном режиме как самих величин, так и параметров протекающих во времени процессов относят к динамическим.  Рис. 1. Связь между характером измерений и режимами работы средств измерений. При статических измерениях имеется возможность воспользоваться градуировкой шкалы отсчетного устройства по известным входным воздействиям. Связь между входным воздействием и откликом на него устанавливается функцией преобразования средств измерений. При динамических измерениях существенную роль играют инерционные свойства средств измерений. Они учитываются его динамическими характеристиками, которые могут быть полными и частными. Полные динамические характеристики исчерпывающим образом описывают инерционные свойства средств измерений. К ним относятся: уравнения динамики, передаточная функция, комплексный коэффициент преобразования (совокупность амплитудно-частотной и фазо-частотной характеристик), переходная характеристика, импульсная характеристика. Частные динамические характеристики отражают лишь некоторые инерционные свойства средств измерений. Это отдельные параметры полных динамических характеристик или некоторые величины, определяющие динамику протекающих процессов: время установления показаний, ширина пропускания частот и т.д. На динамические характеристики средств измерений устанавливаются нормы. Соответствие этим нормам проверяется при поверке средств измерений. С этой целью в качестве входных воздействий используются так называемые испытательные сигналы. Наиболее распространенные из них – это единичная ступень, единичный импульс, монохроматическое колебание, показанные на рис. 2.  Рис. 2. Испытательные сигналы: а – единичная ступень; б – единичный импульс; в – монохроматическое колебание Переходная характеристика экспериментально определяется как отклик средства измерений на входное воздействие в виде единичной ступени. Импульсная характеристика экспериментально определяется как отклик средства измерений на входное воздействие в виде единичного импульса. При экспериментальном определении динамических характеристик приходится считаться с тем, что реальные сигналы отличаются от теоретических моделей. Возможно, более точное воспроизведение испытательных сигналов составляет главную проблему метрологического обеспечения динамических измерений. Классификация и основные характеристики измерений Классификация измерений:
Равноточные измерения - определенное количество измерений любой величины, произведенных аналогичными по точности средствами измерений в одинаковых условиях. Неравноточные измерения - определенное количество измерений любой величины, произведенных отличными по точности средствами измерений и (или) в различных условиях.
Однократное измерение - измерение, произведенное один раз. Многократное измерение - измерение одного размера величины, результат этого измерения получают из нескольких последующих однократных измерений (отсчетов).
Динамическое измерение - измерение величины, размер которой изменяется с течением времени. Быстрое изменение размера измеряемой величины требует ее измерения с точнейшим определением момента времени. Например, измерение расстояния до уровня поверхности Земли с воздушного шара или измерение постоянного напряжения электрического тока. По существу динамическое измерение является измерением функциональной зависимости измеряемой величины от времени. Статическое измерение - измерение величины, которая принимается в соответствии с поставленной измерительной задачей за неизменяющуюся на протяжении периода измерения. Например, измерение линейного размера изготовленного изделия при нормальной температуре можно считать статическим, поскольку колебания температуры в цехе на уровне десятых долей градуса вносят погрешность измерений не более 10 мкм/м, несущественную по сравнению с погрешностью изготовления детали.
Технические измерения- измерения с целью получения информации о свойствах материальных объектов, процессов и явлений окружающего мира. Технические измерения проводят, как правило, при помощи рабочих средств измерений. Однако нередко к проведению особо точных и ответственных уникальных измерительных экспериментов привлекают эталоны. Метрологические измерения- измерения для реализации единства и необходимой точности технических измерений.
Относительное измерение - измерение отношения величины к одноименной величине, занимающее место единицы. Например, относительным измерением является определение активности радионуклида в источнике методом измерения ее отношения к активности радионуклида в ином источнике, аттестованном как эталонная мера величины. Абсолютное измерение - это измерение, основанное на прямых измерениях одной или нескольких основных величии и (или) использовании значений фундаментальных физических констант.
Прямое измерение - это измерение, проведенное при помощи средства измерений, хранящего единицу или шкалу измеряемой величины. Как пример, измерение длины изделия штангенциркулем, электрического напряжения вольтметром и т.п. Косвенное измерение - измерение, когда значение величины определяют на основании результатов прямых величин, функционально связанных с искомой. Совокупные измерения - когда проводят измерения одновременно нескольких однородных величин, когда значения этих величин находят путем решения системы уравнений, получаемых при измерениях различных сочетаний этих величин. Классический пример совокупных измерений - калибровка набора гирь по одной эталонной гире, проводимая путем измерений различных сочетаний гирь этого набора, и решения полученных уравнений. Совместные измерения - проводимые одновременно измерения двух или нескольких разнородных величин для определения зависимости между ними. Теорема Котельникова В системах автоматизации самой распространенной операцией является дискретизация сигнала по времени. Выбор частоты дискретизации опирается на теорему Котельникова, которая распространяется на любые сигналы с ограниченным спектром. Если спектр сигнала ограничен частотой  , то частота отсчетов должна быть в 2 раза выше, чтобы сигнал можно было восстановить без потери информации. Иначе говоря, если самая высокочастотная гармоника в спектре сигнала имеет период T, то на один период гармоники должно приходиться 2 отсчета при дискретизации сигнала. При этом непрерывный сигнал преобразуется в импульсный без потери информации.Отметим несколько особенностей применения теоремы. Во первых, в теореме Котельникова предполагается, что сигнал  будет восстановлен с помощью замены каждого отсчета функцией  , т.е.
где  - интервал между отсчетами,  - номер отсчета,  - время. Однако на практике такую функцию реализовать невозможно, поскольку ее спектральная характеристика является идеально прямоугольной и для ее получения требуется фильтр с идеально прямоугольной АЧХ. Поэтому восстановление сигнала после дискретизации выполняют с помощью фильтров невысоких порядков.Во-вторых, сигналы с ограниченным спектром имеют бесконечную протяженность во времени, а реальные сигналы, ограниченные во времени, имеют неограниченный частотный спектр, поэтому разложение их в ряд Котельникова требует пренебрежения частью спектра, лежащего выше частоты .В-третьих, теорема Котельникова предполагает, что при дискретизации сигнала использованы импульсы бесконечно малой длительности. Указанные факторы являются причиной того, что на практике частоту дискретизации выбирают в несколько раз выше, чем требуется в соответствии теоремой Котельникова. Теорема Котельникова позволяет оценить предельную пропускную способность измерительного канала с известной полосой пропускания  . Если средство измерений имеет погрешность  , то количество различимых уровней при измерении величины  будет равно  , а количество информации с мерой Хартли, полученное при однократном измерении, будет равно  . Если систематическая составляющая погрешности исключена и преобладает случайная составляющая с дисперсией  , то количество различимых уровней следует искать как отношение мощностей, т.е. количество информации будет равно  , где  - мощность сигнала,  - мощность погрешности. Поскольку в соответствии с теоремой Котельникова сигнал со спектром шириной должен быть дискретизирован с частотой 2 , чтобы сохранить всю содержащуюся в нем информацию, то для сигнала длительностью  потребуется  отсчетов. Следовательно, измерительный канал с полосой позволяет передать отсчетов, каждый из которых содержит  бит информации, т.е. пропускная способность канала (количество передаваемой информации в единицу времени) составит  , бит/с. Величина  называется базой сигнала, а  - объемом сигнала,  , -динамическим диапазоном.Фильтр и динамическая погрешность Измеряемая величина в системах автоматизации обычно не является постоянной во времени. Поэтому возникает вопрос, насколько медленно она должна изменяться, чтобы погрешность измерения не превышала заданного значения. Для ответа на этот вопрос используется понятие динамической погрешности. Нормированию динамических погрешностей уделено недостаточно внимания как в нормативной литературе, так и в эксплуатационной документации средств измерений. Так, динамические характеристики, необходимые для оценки динамической погрешности. как правило, отсутствуют в пользовательской документации на модули аналогового ввода, за редким исключением. Оценка величины динамической погрешности является сравнительно сложным процессом. Проблема возникает потому, что динамическая погрешность зависит не только от динамической модели измерительного канала, но и от формы измеряемого сигнала. Основными источниками динамической погрешности являются естественная инерционность физических процессов, протекающих в датчиках, процессы заряда входной емкости измерительного устройства, инерционность фильтров, использованных для устранения алиасного эффекта и подавления помех в измерительном канале. Для количественного описания динамических свойств измерительного канала используют линейные динамические модели в виде дифференциальных уравнений, операторных передаточных функций, импульсных переходных характеристик или реакций на единичный скачок, амплитудно-частотные и амплитудно-фазовые характеристики (ГОСТ 8.256). Описание этих моделей может быть указано в эксплуатационной документации на средство измерений. Идентификацию динамической модели средства измерений выполняет его разработчик, используя те же методы, что и при идентификации объекта управления. В некоторых случаях, например, когда уравнения динамической модели пользователю известны, могут быть заданы только коэффициенты уравнений, постоянные времени, время реакции (время установления), коэффициент демпфирования, полоса пропускания по уровню 0,707 и др. Для модулей аналогового ввода может быть также задана погрешность положения отсчета измеряемого сигнала на оси времени. Рассмотрим типовую динамическую модель измерительного канала (рис. 3), которая включает в себя модели датчика  и модуля ввода аналоговых сигналов  . Передаточная функция обычно представляет собой произведение передаточных функций антиалиасного фильтра (стоящего до АЦП) и цифрового режекторного фильтра после АЦП. Измерительный преобразователь часто входит в состав модуля ввода. Рис.3- Динамическая модель измерительного канала. При проектировании системы автоматизации динамические характеристики ее звеньев можно выбрать так, что инерционность всего измерительного канала будет определяться инерционностью самого медленного звена. Это существенно упрощает процесс оценки величины динамической погрешности. Например, при измерении температуры самым инерционным звеном должен быть датчик (инерционность термопар характеризуется постоянной времени десятки секунд и намного превышает инерционность модуля ввода (доли секунды)). Многоканальные средства измерений бывают двух типов: с коммутацией источников сигнала и с параллельно работающими каналами. В первом случае на входе модуля ввода используется аналоговый коммутатор (рис. 1), во втором случае коммутатор не используется, а многоканальность достигается применением нескольких одинаковых каналов с одновременно работающими АЦП. В системе с параллельно работающими каналами можно считать, что сигнал на входе средства измерений действует неограниченно долго. При коммутации каналов сигнал объекта измерений  действует, пока ключ коммутатора замкнут. Описание динамической погрешности этих двух типов систем имеет свои особенности.Список использованной литературы. ГОСТ 8.256 Интернет ресурс. http://www.bookasutp.ru/Chapter4_3.aspx http://knowledge.allbest.ru/physics.html http://ru.wikipedia.org/wiki/%C8%E7%EC%E5%F0%E5%ED%E8%E5 http://abc.vvsu.ru/Books/metrolog_standar_i_sertif/page0006.asp |
,