СТРУКТУРА И ХАРАКТЕРИСТИКИ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРИБОРОВ И СИСТЕМ

Общие требования, предъявляемые к измерительным приборам при проектировании, следующие:

1. Погрешности приборов не должны превосходить допустимых значений, которые определяются областью применения и возможностью технической реализации. Погрешности, возникающие в условиях эксплуатации, должны компенсироваться автоматически;

2. Элементы прибора должны быть, по возможности, детектирующими, для чего мощность выходных сигналов предыдущих элементов должна быть значительно больше потребной мощности входных сигналов последующих элементов;

3. Приборы должны обладать достаточной чувствительностью, надежностью, малым потреблением энергии, малой массой и габаритами.

Измерительный прибор в соответствии со своим назначением осуществляет преобразование входного измерительного сигнала x(t)в выходной y(t):

(1.1)

где x(t) и y(t) – векторные величины; F(x) – номинальная функция преобразования.

функция преобразования - зависимость информативного параметра выходного сигнала изделия от информативного параметра его входного сигнала с учетом внешних влияющих

физических величин;

Принято считать, что функция F(x) осуществляет весь спектр математических операций, включая и интегродифференцирующие.

В реальных измерительных приборах функция преобразования зависит не только от сигнала x(t),но также от возмущения ξ(t), наложенного на сигнал x(t), от помех η(t),действующих на параметры прибора q, от погрешностей Δq, возникающих вследствие неточностей изготовления измерительного прибора, и от помех ν, возникающих в самом приборе (моменты трения, паразитные ЭДС и др.), т. е.

y(t)=F[x,ξ, q(η), ν], (1.2)

где ξ, η, q(η), ν – векторы.

Обобщенная функциональная схема, отображающая зависимость (1.2):

Измеряемыми величинами, на основе которых формируется полезный сигнал x(t), являются параметры первичной информации, такие как, давление, температура, количество и расход топлива, расстояние, скорости, ускорения, деформации, вибрации и т. д. К числу вредных возмущений относятся перегрузки, вибрации, электрические и магнитные поля, неконтролируемые вариации температуры, давления, влажности окружающей среды и др. Все эти возмущения вносят погрешности в показания прибора.

Прибор должен воспроизводить измеряемые величины с допустимыми погрешностями. При этом слово "воспроизведение" понимается в самом широком смысле: получение на выходе прибора величин, пропорциональных входным величинам; формирование заданных функций от входных величин (квадратичная, логарифмическая шкалы и др.); получение производных и интегралов от входных величин; формирование на выходе слуховых и зрительных образов, отображающих свойства входной информации; формирование управляющих сигналов, используемых для управления и контроля; запоминание и регистрация выходных сигналов.

Измерительный сигнал, получаемый от контролируемого объекта, передается в измерительную систему в виде импульса какого-либо вида энергии. Можно говорить о первичных сигналах, непосредственно характеризующих контролируемый процесс, о сигналах, воспринимаемых чувствительным элементом прибора, о сигналах, подаваемых в измерительную систему и т. д. При передаче информации от контролируемого объекта к указателю прибора происходит, как правило, преобразование рода энергии сигнала, а также сигналы претерпевают ряд изменений по уровню и спектру.

Необходимость преобразования рода энергии сигнала вызывается тем, что первичные сигналы не всегда удобны для передачи, переработки, дальнейшего преобразования и воспроизведения. Например, при измерении температуры прибором, чувствительный элемент которого помещается в контролируемую среду, воспринимаемый поток тепла трудно передать, а тем более воспроизвести на указателе прибора. Этой особенностью обладают почти все сигналы первичной информации. Поэтому воспринимаемые чувствительными элементами сигналы почти всегда преобразуются в электрические сигналы, являющиеся универсальными с точки зрения их индикации, электронного хранения и передачи.

При работе измерительных приборов и систем в зависимости от скорости изменения измеряемой величины различают статический и динамический режимы измерения, для описания которых используются статические и динамические характеристики.

Статическим называется режим измерения, при котором скорость изменения измеряемой величины значительно меньше (примерно на порядок) скорости собственных динамических процессов в измерительном приборе. Если эти скорости сравнимы, то режим измерения называется динамическим.

Статической характеристикой измерительного прибора (системы) называют функциональную зависимость между установившимся значением измеряемой величины x и выходного сигнала y:

(1.7)

Эта зависимость получила название функции (уравнения) преобразования, которая может задаваться аналитически, таблично или графически.

При описании и оценке погрешностей измерительных приборов и систем различают заданную, расчетную (номинальную) и экспериментальную статические характеристики.

Заданная статическая характеристика – это функциональная зависимость между x и y,заданная техническими требованиями или техническим заданием на проектирование измерительного прибора или системы:

(1.8)

Нулевые индексы здесь означают, что функция (1.8) является идеальной, и вычисленное по этой зависимости значение y₀ (при данном x) является абсолютно точным.

Расчетной статической характеристикой называют полученные расчетным путем уравнение, выражающее функциональную зависимость y не только от x, но и от параметров измерительного прибора (системы) и внутренних дестабилизирующих факторов:

y_расч =f(x, q₁,…, q_m, q_m+₁, … ,q_n), (1.9)

где q₁, …, q_m – параметры измерительного прибора; q_m₊₁, …, q_n – внутренние дестабилизирующие факторы.

К параметрам q₁, …, q_m относятся влияющие на формирование выходного сигнала геометрические размеры деталей и физические параметры материалов (плотность, модуль упругости, вязкость, удельное электрическое сопротивление, магнитная проницаемость, диэлектрическая постоянная и т. п.). Если ИП используется при косвенных измерениях, то в число параметров q₁, …, q_m могут входить также параметры, характеризующие косвенный метод измерения.

К внутренним дестабилизирующим факторам q_m+1, …, q_n относятся вредные внутренние воздействия, которые могут иметь место в реальной конструкции ИП. Например, если ИП содержит подвижную систему, то к числу внутренних дестабилизирующих факторов относятся все виды вредных сил и моментов сил, нарушающих равновесие подвижной системы (силы и моменты трения в опорах, направляющих и шарнирных соединениях; силы и моменты от неуравновешенности подвижной системы; силы и моменты от взаимодействия подвижной системы с магнитными и электрическими полями; аэродинамические и гидродинамические силы и моменты, связанные с обтеканием подвижной системы газом или жидкостью; гидростатические силы и моменты, связанные с плавучестью подвижной системы). Если ИП содержит электрические цепи, то к числу вредных внутренних воздействий относятся паразитные термоэлектродвижущие силы, возникающие в точках соединений проводников из разных материалов, паразитные электрические токи, возникающие из-за наводок и утечек, и т. п.

Помимо внутренних дестабилизирующих факторов, ИП подвергается воздействию большого числа внешних дестабилизирующих факторов z₁, …, z_к.

Если все внутренние параметры равны их номинальным значениям

(q₁=q₁₀, … q_m=q_m₀), а внутренние дестабилизирующие факторы отсутствуют (q_m₊₁=…=q_n=0), то уравнение (1.9) превращается в номинальную расчетную характеристику:

y_{расч. ном} =f(x, q₁₀, …, q_m₀), (1.10)

с помощью которой производят согласование параметров измерительного прибора (системы).

Экспериментальная характеристика измерительного прибора (системы) – это функциональная зависимость между x и y, найденная путем испытаний одного или нескольких изготовленных образцов прибора:

y_эксп =f_эксп(x).

Наибольшее и наименьшее значение измеряемой величины называют соответственно нижним и верхним пределами измерения. Интервал между нижним и верхним пределами измерения называют диапазоном измерений. Абсолютная величина диапазона измерения

x_д=|x_в - x_н|,

где x_в и x_н – верхний и нижний пределы измерения.

Абсолютная величина диапазона измерения может быть выражена в единицах выходного сигнала:

y_д=|y_в - y_н|,

где y_ви y_н– значения, соответствующие x_ви x_н.

При выходе x за пределы диапазона измерения величина y обычно остается постоянной из-за наличия в измерительной системе ограничений.

Чувствительностью измерительного прибора (системы) называют предел отношения приращения выходного сигнала к приращению измеряемой величины, когда последнее стремиться к нулю, или, другими словами, производную выходного сигнала по измеряемой величине:

1) чувствительность - характеристика изделия, определяемая отношением изменения выходного сигнала к вызывающему его изменению измеряемой (контролируемой) физической величины;

(1.11)

Чувствительность S может быть определена аналитически, дифференцированием уравнения (1.1) или графически с помощью касательной, проведенной в той точке характеристики, в которой определяется чувствительность. При этом

где θ – угол наклона касательной в исследуемой точке графика f(x); m_x и m_y – масштабы графика по осям x и y.

Не следует смешивать чувствительность с порогом чувствительности, определяемым как минимальное приращение измеряемой величины, при котором выходной сигнал начинает изменяться.

Если характеристика y=f(x) измерительного прибора (системы) линейна, то чувствительность одинакова во всех точках характеристики y=f(x) (S=const). Измерительный прибор, обладающий постоянной чувствительностью, имеет равномерную шкалу.

Средняя чувствительность измерительного прибора (системы) в диапазоне измерения равна отношению абсолютных величин, выраженных в единицах y и x:

где δ – угол наклона хорды, стягивающей точки статической характеристики, соответствующие нижнему и верхнему пределам измерения.

2) абсолютная аддитивная чувствительность к влияющей физической величине - чувствительность изделия, определяемая отношением максимального изменения входного сигнала при нулевом значении измеряемой (контролируемой) физической величины к изменению влияющей физической величины в пределах рабочей области значений;

3) относительная аддитивная чувствительность к влияющей физической величине - чувствительность изделия, определяемая отношением абсолютной аддитивной чувствительности к значению влияющей физической величины;

4) абсолютная мультипликативная чувствительность к влияющей физической величине - чувствительность изделия, определяемая отношением приращения коэффициента преобразования к вызвавшему его приращение значению влияющей физической величины;

5) относительная мультипликативная чувствительность к влияющей физической величине - чувствительность изделия, определяемая отношением абсолютной мультипликативной

чувствительности к значению влияющей физической величины;

Динамические характеристики измерительного прибора и системы характеризуют процесс измерения в случае, когда измеряемая величина x=f(t)меняется во времени. При этом часто принимается, что параметры измерительного прибора (системы) за время измерения остаются неизменными. В этом случае динамические характеристики измерительного прибора (системы) описываются линейным дифференциальным уравнением с постоянными коэффициентами, например, вида

(1.12)

Применим к уравнению (1.12) преобразование Лапласа и тогда получим

(a_n pⁿ+a_n-₁ p^n-¹+…+a₀)Y(p)=X(p);

Y(p) и X(p) – изображения по Лапласу выходного y(t) и входного x(t) сигналов.

Последнее выражение можно переписать в виде

(1.14)

- операторная чувствительность – передаточная функция измерительного прибора (системы),

Зная дифференциальное уравнение (1.12) или операторную чувствительность W(p)измерительного прибора (системы) можно определить реакцию y(t)на заданное изменение измеряемой величины x(t).

При анализе динамических характеристик измерительных приборов и систем используют следующие типовые входные воздействия:

1.Единичная функция 1[t] (функция включения или функция Хевисайда), реакция на которую характеризует переходный процесс (переходную характеристику прибора)

ε(t)=L^-1{W(p)/p}, (1.15)

где L^-1 – символ обратного преобразования Лапласа.

2.Входное воздействие в виде δ-функции (функции Дирака), реакция на которую характеризует импульсную характеристику прибора (системы)

h(t)= L^-1{W(p)}. (1.16)

3.Гармоническая функция x(t)=X_m e^-j^ωt, где X_m и ω – амплитуда и круговая частота изменения входного сигнала. Выходной сигнал Y(t) измерительного прибора, рассматриваемого в виде линейной системы, также изменяется по гармоническому закону

Y(t)= Y_m e^-j^ω^t-^φ⁽^ω⁾, (1.17)

где Y_m – амплитуда, φ(ω) – фазовый сдвиг выходного сигнала по отношению к входному.

В этом случае частотные свойства измерительного прибора (системы) определяются его комплексной чувствительностью (частотной передаточной функцией)

W(jω)=A(ω)e ^j^φ(ω). (1.18)

Зависимость модуля частотной передаточной функции от частоты A(ω) определяет амплитудно-частотную характеристику прибора (системы); зависимость ее аргумента от частоты φ(ω) определяет фазо-частотную характеристику.

Для данной цели необходимо определить на этапе проектирования частотный диапазон прибора или системы - диапазон частот, в котором обеспечивается заданная неравномерность амплитудно-частотной характеристики.

К важным динамическим характеристикам приборов относят время переходного процесса – промежуток времени, прошедший с момента подключения или изменения измеряемой величины до момента, когда отклонение указателя от установившегося значения не превышает 5 % длины шкалы.

Не путать: время преобразования (отклика) - интервал времени от момента начала изменения входного сигнала до момента появления соответствующего выходного сигнала;

Характеристики надежности

Важной характеристикой измерительных приборов и систем является надежность.

Рассмотрим термины, используемые при выборе показателей надежности приборов и систем.

Надежность прибора (системы) – способность сохранять заданные характеристики при определенных условиях в течение заданного времени. Выход значения параметров и характеристик прибора за пределы нормы считается отказом. Отказ измерительного прибора (системы) может наступить, если его действительная погрешность станет больше ее нормированного значения, определяемого классом точности.

Примечание. Надежность является комплексным свойством, которое в зависимости от назначения объекта и условий его применения может включать безотказность, долговечность, ремонтопригодность и сохраняемость или определенные сочетания этих свойств ).

Долговечность – свойство объекта сохранять работоспособное состояние до наступления предельного состояния при установленной системе технического обслуживания и ремонта.

Ремонтопригодность – свойство объекта, заключающееся в приспособлении к поддержанию и восстановлению работоспособного состояния путем технического обслуживания и ремонта.

Сохраняемость – свойство объекта сохранять в заданных пределах значения параметров, характеризующих способности объекта выполнять требуемые функции, в течение и после хранения и (или) транспортирования.

Отказ – состояние прибора или системы, при котором они теряют способность выполнять заданные функции.

Сбой – самоустраняющийся отказ, возникающий в результате временно действующих причин.

Внезапный отказ – отказ, характеризующийся скачкообразным изменением значений одного или нескольких параметров объекта.

Независимый отказ – отказ, не обусловленный другими отказами.

Отказы являются случайными событиями и возникают в элементах различного типа с различной интенсивностью.

Интенсивность отказов является основной характеристикой, на основе которой вычисляются другие характеристики надежности прибора или системы.

Статистическая оценка для интенсивности отказов имеет вид

где N – число объектов; работоспособных в начальный момент времени; – число объектов, отказавших на отрезке от 0 до t.

Интенсивность отказов λ задается чаще всего в расчете на один час работы, т. е. имеет размерность 1/час.

Если предположить, что отказы различных функциональных элементов прибора или системы взаимно независимы и каждый отказ носит катастрофический характер, т. е. полностью нарушает работоспособность элемента, то интенсивность отказов прибора или системы равна сумме интенсивностей отказов входящих функциональных элементов

(1.20)

где λ_i – интенсивность отказов элемента i-го типа; C_i – количество элементов i-го типа, входящих в прибор.

Вероятность исправной работы P(t) прибора или системы в течение промежутка времени t равна

P(t)=e^-^λt. (1.21)

Среднее время между соседними отказами или наработка на отказ T прибора или системы определяется как

(1.22)

После возникновения отказа работоспособность прибора или системы восстанавливается путем ремонта или устранения неисправностей. Затраты времени на восстановление отказа называется временем восстановления и складывается из времени поиска неисправности и времени замены неисправного элемента. Время восстановления является случайной величиной, характеризуемой обычно средним временем восстановления T_в.

Увеличение надежности приборов и систем может достигаться путем резервирования, в результате чего отказ одного элемента, устройства или прибора в целом не приводит к потере работоспособности, если в момент возникновения отказа исправен резервный элемент, устройство или прибор. Использование резервирования позволяет строить приборы и системы с весьма высокими показателями надежности, но при введении резервирования увеличивается стоимость, масса, габариты и величина эксплуатационных расходов.

Дата добавления: 2018-05-12; просмотров: 426; Мы поможем в написании вашей работы!

Поделиться с друзьями:

⇐ Предыдущая 1 2 345 6 Следующая ⇒

Мы поможем в написании ваших работ!