3.7. Нормирование динамических погрешностей средств измерений

Нормированные динамические характеристики (ДХ) СИ долж­ны позволять проводить оценивание погрешностей измерений при любых изменениях сигналов. При этом необходимо, чтобы эти ха­рактеристики экспериментально определялись, поверялись и конт­ролировались достаточно простыми способами. Однако основное тре­бование, которому должны отвечать ДХ, состоит в том, чтобы по ним можно было оценить динамические погрешности измерений в рабочих условиях эксплуатации СИ.

Динамические свойства СИ не только влияют на динамичес­кую составляющую погрешности измерений, но могут изменять и статические погрешности, например, измерительных систем, если СИ входят в их комплект.

Д ля СИ, которые могут рассматриваться как линейные, в качестве полных ДХ выбирается одна из числа следующих: переходная, импульсная, амплитудно-фазовая или амплитудно-частотная характеристики; передаточная функция.

Поскольку эти характеристики взаимосвязаны между собой, то в каждом конкретном случае нормируют ту из них, которую проще получить и контролировать. Наиболее просто ДХ опреде­лять прямыми методами. В этом случае при использовании стан­дартных испытательных сигналов (ступенчатого, импульсного, гар­монического) отклик исследуемого СИ совпадает соответственно с переходными, импульсными или частотными характеристиками. Основной недостаток прямых методов состоит в том, что получен­ные оценки характеристик могут быть представлены только в виде графиков или таблиц без аналитического описания.

Косвенные методы позволяют получить аналитические выра­жения для нормируемой ДХ.

Для моделирования динамической составляющей как цифро­вых, так и аналоговых СИ наиболее удобны АФХ и передаточные функции. В частности, для расчета MX измерительных каналов ИС при последовательном соединении СИ (усилителей, коммутаторов, АЦП и др.) передаточная функция ИС находится как произведение составляющих передаточных функций СИ, при параллельном — как их сумма, а при наличии обратных связей — по формулам табл. 2.5. Это относится и к АФХ.

Определение импульсной переходной характеристики ИС при пос­ледовательном соединении СИ осуществляется по уравнению свертки, а при параллельном — уравнению суммы импульсных функций.

Полные ДХ нормируют все виды СИ, предназначенные для работы с изменяющимися входными сигналами. Исключение со­ставляют электронные осциллографы, для которых разрешается нормировать частные ДХ.

АЦП являются нелинейными СИ, и невозможно описать их ДХ какой-либо одной полной ДХ, как для линейных СИ. Весь комп­лекс частных ДХ можно разделить на две группы. К первой группе относят временные ДХ, которые определяют максимальную про­должительность процесса преобразования (периодичность отсчета) и необходимы для правильного использования АЦП в составе из­мерительных систем: время преобразования

Т , время задержки запуска (время переходного процесса во входных устройствах) t время цикла кодирования t_k. Ко второй группе относят ДХ, позво­ляющие оценить границы погрешности в динамическом режиме: время задержки (опережения) отсчета, неравномерность амплитуд­но-частотной характеристики (АЧХ). Приведенные характеристики в совокупности обладают достаточной полнотой для оценки дина­мических погрешностей нелинейных СИ при произвольном виде входного сигнала.

Время преобразования (или время реакции, время установления показания) Т — есть период от начала преобразования скачкооб­разного входного сигнала до момента, при котором сигнал на выходе отличается от номинального не более чем на значение статической погрешности. Это время складывается из времени задержки запуска и времени цикла кодирования (для АЦП). Время цикла кодирования характеризует продолжительность процесса преобразования аналого­вого сигнала в код. Оно не зависит от характера сигнала и определя­ется при постоянном испытательном сигнале.

При фиксировании мгновенного значения сигнала результат преобразования (отсчет) относят к конкретному моменту време­ни (заданный момент отсчета). Однако реально полученный код всегда будет соответствовать другому моменту времени (действи­тельный момент отсчета).

Интервал времени между заданным и действительным момента­ми отсчета назван задержкой (опережением) отсчета t₃₀, которая, наряду со скоростью изменения сигнала, в ряде случаев определяет значение погрешности, вызванной изменением сигнала. Время г_зо в большинстве случаев зависит от диапазона и

скорости изменения входного сигнала; его целесообразно нормировать комплексом двух характеристик: систематической составляющей (аналог поправки) t, которая не зависит от названных выше факторов, а имеет физи­ческий смысл чистого сдвига по времени, времени датирования t_d, которое представляет собой временную неопределенность.

Динамические свойства цифровых СИ (ЦСИ) могут влиять на результат измерения в двух случаях: при исследовании с помо­щью ЦСИ зависимости некоторой величины от времени и при работе ЦСИ с коммутированием измеряемых величин.

Наличие конечного времени преобразования входного сигна­ла в ЦСИ приводит к неточности фиксации момента времени, к которому надо отнести результат измерения. Как правило, эта не­точность не превышает времени цикла, но вызывает динамическую погрешность — погрешность датирования отсчета (или апертурное время).

Практические рекомендации по расчету инструментальной погрешности СИ в эксплуатации сводятся к следующему:

• при технических измерениях оценка погрешностей измере­ний должна быть произведена до проведения самих измерений по нормированным MX. По НМХ может быть рассчитана только ин­струментальная составляющая. Для этого предусмотрены модели погрешности I (п. 3.6);

• практически для серийно выпускаемых СИ редко нормиру­ется комплекс характеристик, достаточный для расчетов по мето­дике РД 50—453—84. Как правило, в эксплуатации документы на СИ содержат данные по одному из вариантов:

• предел допускаемой основной погрешности;

• предел допускаемой систематической составляющей основной погрешности и предел допускаемой СКО случайной составляющей основной погрешности;

• предел допускаемой основной погрешности и предел допус­каемой СКО случайной составляющей основной погрешности.

Кроме приведенных характеристик, в ЦСИ указывают шаг квантования, а иногда предел вариации (гистерезиса), а также содержится указание предела допускаемой дополнительной по­грешности от изменения влияющих факторов.