- •Содержание
- •Определения
- •Обозначения и сокращения
- •Введение
- •1 Нормирование метрологических характеристик средств измерений
- •1.1 Общие положения
- •1.2 Характеристики, предназначенные для определения результатов измерений (без введения поправки)
- •1.3 Характеристики погрешностей си
- •1.5 Динамические характеристики си
- •1.4 Характеристики чувствительности си к влияющим величинам
- •1.6 Типовые динамические модели линейных аналоговых си
- •2 Методы определения динамических характеристик си
- •3 Системы и установки для экспериментального определения динамических характеристик средств измерений
- •3.2 Требования, предъявляемые к испытательным сигналам
- •3.3 Требования, предъявляемые к регистрирующим приборам
- •4 Методы обработки экспериментальных динамических характеристик средств измерений
- •4.1 Метод предварительной оценки и контроля динамических характеристик си
- •4.2 Аппроксимация экспериментальной переходной характеристики конечным числом показательных функций
- •4.3 Применение регрессионного анализа для определения динамических характеристик си
- •4.3.1 Математические аспекты реализации регрессионного анализа
- •4.3.2 Выбор функции регрессии
- •4.3.3 Системы дифференциальных уравнений для различных динамических моделей си
- •4.3. 4 Реализация регрессионного анализа
- •4.4 Полулогарифмический метод определения параметров переходной характеристики
- •4.5 Графоаналитический метод с использованием характерных точек динамических характеристик
- •5 Определение переходных функций средств измерений по передаточным функциям
- •6 Фильтрация сигналов измерительной информации
- •6.1 Сигналы измерительной информации
- •6.2 Электрические фильтры
- •6.3 Спектральные характеристики сигналов
- •7 Сглаживание данных эксперимента
- •7.1 Линейное сглаживание
- •7.2 Нелинейное сглаживание
- •7.3 Функции сглаживания данных в Mathcad 2000
- •7.4 Сглаживание характеристики скользящим усреднением
- •8 Обработка результатов наблюдений при определении динамических характеристик средств измерений
- •9 Критерии адекватности динамических характеристик средств измерений
- •Список использованных источников
3.3 Требования, предъявляемые к регистрирующим приборам
Из числа метрологических характеристик регистрирующих приборов, которые необходимо обязательно учитывать при экспериментальном определения ДХ ИСИ, следует выделить следующие:
а) предел допускаемого
значения основной погрешности
регистрирующего прибора
;
б) амплитудно-частотную
характеристику
;
г) диапазон частот
входного сигнала, при котором осуществляется
его регистрация с погрешностью не более
.
Если нижний предел диапазона частот
равен
(или,
что то же самое,
),
то необходимо знать верхнее предельное
значение частоты входного сигнала, при
котором осуществляется его регистрация
с погрешностью не более
.
д) время реакции
;
е) постоянную
времени
.
При выборе регистрирующего прибора по его метрологическим характеристикам можно использовать те же рекомендации, что приведены в ГОСТ 8.256 и ГОСТ 8.508.
В частности, соотношение (3.6) примет следующий вид:
![]()
а соотношение (3.7 ) запишется как
(3.10)
Соотношение (3.10) использовано из рекомендаций ГОСТ 8.508, в котором не приведено обоснование данного условия.
Попробуем получить математически обоснованные соотношения между метрологическими характеристиками ИСИ и регистрирующего прибора для обеспечения заданной точности определения динамических характеристик ИСИ.
Рассмотрим простейший случай, когда динамические модели ИСИ и регистрирующего прибора описываются апериодическим звеном 1-го порядка.
Фрагмент блок-схемы измерительной системы для этого случая представлен на рисунке 3.8.

Р
![]()
![]()


![]()
![]()
![]()
![]()
![]()


![]()
![]()
![]()
![]()
![]()


![]()
![]()
![]()
![]()
![]()


![]()
![]()
![]()
![]()
![]()


![]()
![]()
![]()
![]()
![]()


![]()
![]()
![]()
![]()
![]()


![]()
![]()
![]()
![]()
![]()


![]()
![]()
![]()
Если
,
то выходной сигнал
будет являться переходной характеристикой
ИСИ, по которой легко определить значение
постоянной времени
по методу 63,2 %. А именно, по данному методу
значение постоянной времени любого
апериодического звена 1-го порядка
определяется как время от начала
переходного процесса до момента времени,
когда его выходной сигнал достигнет
63,2 % от своего установившегося значения
(см. рисунок 3.9).

Рисунок 3.9
Однако в силу
инерционности регистрирующего прибора
им регистрируется сигнал
,
который не совпадает с сигналов
,
причем расхождение тем больше, чем
больше отношение
.
Из рисунка 3.9 следует, что:
(3.11)
Если
,
то из (3.21) с учетом (1.2) можно получить
(3.12)
Введем обозначение
или
.
Тогда (3.12) можно переписать в следующем
виде:
![]()
или
.
(3.13)
Обозначим через
постоянную
времени ИСИ, определенную по методу
63,2 % при наличии инерционности
регистрирующего прибора. Тогда
относительная погрешность определения
постоянной времени ИСИ будет определяться
формулой
(3.14)
В таблице 3.3
приведены результаты расчета погрешности
по формуле (3.14) с учетом (3.13) в зависимости
от значений коэффициента
.
Таблица 3.3
|
|
|
|
0,001 0,01 0,05 0,1 0,2 0,5 |
0,105 1,005 5,136 10,53 22,17 58,50 |
Из таблицы 3.3 следует, что для определения постоянной времени ИСИ по методу 63,2 % с помощью измерительной системы, представленной на рисунке 3.8, с погрешностью, например, не более 1 % необходимо иметь регистрирующий прибор с постоянной времени в 100 и более раз меньшей по сравнению с постоянной времени ИСИ.
Однако на практике значительная часть регистрирующих приборов имеют передаточную функцию колебательного звена 1-го порядка. Примерами таких РП являются все самопишущие приборы типа А 550, светолучевые осциллографы со светолучевыми гальванометрами, а также электроннолучевые осциллографы, в том числе, с запоминанием.
Рассмотрим случай, когда динамическая модель ИСИ описывается апериодическим звеном 1-го порядка, а РП – колебательным звеном 1-го порядка.
Фрагмент блок-схемы измерительной системы для этого случая представлен на рисунке 3.10.
![]()
![]()
![]()




Рисунок 3.10 - Блок-схема измерительной системы
Устойчивые
колебательные звенья характеризуются
наличием дополнительного коэффициента
,
который называется параметром затухания
или степенью успокоения. Возможный
диапазон изменения для устойчивых
колебательных звеньев
,
но на практике обычно
.
Таким образом, на
точность определения постоянной времени
ИСИ влияют два независимых параметра
– постоянная времени
РП и его степень успокоения
.
Установление
необходимых соотношений между
,
,
и
произведен следующим образом.
Из рисунка 3.10 следует:
(3.15)
Если
,
то из (3.15) можно получить [2, с. 49]:
,
(3.16)
где

Аналогично
предыдущему случаю введем обозначение
или
.
Кроме этого, подставим в (3.16)
,
а само выражение (3.16) приравняем значению
0,632, т. е.
0,632.
После указанных подстановок и замен получим:
,
(3.17)
где

Выражение (3.17) можно упростить после раскрытия скобок и проведения сокращений до вида:
(3.18)
Как видно из (3.18)
выражение содержит две независимые
переменные (аргументы
и
)
и лишено постоянных времени ИСИ и РП.
Была сделана
попытка решить уравнение (3.18) в системе
Machcad
2000 с помощью функции
при задании
и поиску соответствующего значения
.
Однако результаты решений не обладали
однозначностью – результат вычисления
зависел
от начального значения этой переменной
при реализации вычисления выражения
(3.18) итерационным методом. Поэтому было
проведено исследование поведения
выражения (3.18) как функции двух переменных
путем построения трехмерного графика.
Выражение (3.18) исследовалось, таким
образом, в виде

На рисунке 3.11
представлен трехмерный график поверхности
функции
,
которая пересекается с плоскостью
по двум линиям
и
.
Каждая из этих линий являются совокупностью
корней уравнения (3.18). Однако линия
в диапазоне
соответствует значениям
практически равным нулю. Линия же
в том же диапазоне
соответствует значениям
,
меняющихся примерно от 1,5 до 3. Наличие
двух линий как раз объясняет неоднозначность
результатов применения функции
- в зависимости от начального значения
при заданном
вычислительной программой выдавалось
значение корня
либо из линии
либо из линии
.
Совокупность
значений
и
,
соответствующих линии
,
из дальнейшего рассмотрения исключена
ввиду малой практической значимости.
На рисунке 3.12
представлена диаграмма, изображающая
зависимость между
и
,
соответствующей линии
,
а в таблице 3.9 – та же зависимость, но
выраженная в числовых значениях.

Рисунок 3.11

Рисунок 3.12
Таблица 3.4
|
|
|
|
|
|
0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 0,8 0,9 |
1,522 1,565 1,627 1,704 1,800 1,911 2,036 2,172 2,318 |
1,632 1,670 1,723 1,795 1,883 1,986 2,105 2,234 2,367 |
1,406 1,455 1,523 1,608 1,709 1,829 1,961 2,104 2,256 |
Выбор любой
комбинации
и
из рисунка 3.12 или таблицы 3.4 обеспечит
нахождение постоянной времени ИСИ по
зарегистрированной данным РП переходной
характеристике без погрешности. Если
же задать, к примеру, погрешность
определения
в
10 %, то соответственно расширится диапазон
допустимых значений
,
соответствующих конкретному значению
.
Данный пример иллюстрируется на рисунке
3.13 граничными кривыми, а в таблице 3.4 –
дополнительными столбцами, обозначенными
как
и
.
Рассмотрим пример пользования полученными соотношениями.
Пусть ожидаемое
значение постоянной времени ИСИ
составляет 1
.
Требуется выбрать РП, обеспечивающий
определение
без погрешности и с погрешностью
10 % если известно, что параметр затухания
у выбираемых РП составляет 0,7.
Из таблицы 3.4 для
случая определения
без погрешности выбираем значение
=
2,036. Тогда
.

Рисунок 3.13
Для случая
определения
с 10-ти процентной погрешностью параметр
может меняться от 1,961 до 2,105. Это дает
диапазон значений
от 1,961 с до 2,105 с.
Полученные
соотношения могут быть использованы и
для решения обратной задачи – установлению
допустимых значений
,
определяемых по методу 63,2 %, по известным
динамических характеристикам РП (его
постоянной времени
и параметру затухания
).
Для других видов динамических моделей ИСИ и РП, входящих в измерительную систему, требуется вывод своих конкретных соотношений между их динамическими характеристиками.
