3 Системы и установки для экспериментального определения динамических характеристик средств измерений

3.1 Структурная схема системы для экспериментального определения динамических характеристик СИ

На рисунке 3.1 изображена структурная схема системы (установки) для экспериментального определения ДХ. Для простоты будем в дальнейшем называть эту систему – измерительной системой.

ГИС – генератор испытательного сигнала;

ИСИ – исследуемое СИ;

РП – регистрирующий прибор;

ИДС ИСИ – имитатор динамического свойства ИСИ

Рисунок 3.1 – Структурная схема измерительной системы

ГИС является по существу динамической мерой, предназначенной для воспроизведения соответствующего задачам эксперимента стандартного испытательного сигнала , совпадающего по виду с входным сигналом ИСИ. Например, если ИСИ является датчиком температуры воды, то ГИС должен воспроизводить стандартный испытательный сигнал в виде соответствующего изменения температуры воды во времени.

РП – это регистрирующий прибор, который производит запись и сохраняет на каком-либо носителе информации выходной сигнал с ИСИ . Виды регистрации, применяемой в современных измерительных приборах, весьма разнообразны. В самопишущих приборах широко используются запись чернилами на диаграммной ленте или бумаге. В осциллографах применяют запись на фотопленке и фотобумаге. В настоящее время все шире используют магнитную запись на магнитной ленте или магнитном диске. Достоинством такой записи состоит в большой плотности записи, широком частотном диапазоне, в возможности повторного использования носителя информации, удобстве обработки данных на ЭВМ. Однако для получения видимого изображения на мониторах ЭВМ кривых регистрируемых величин требуются применять специальные дополнительные программы.

ИДС ИСИ – это средство, предназначенное для воспроизведения динамических свойств ИСИ и имеющее возможность включения его в измерительную цепь вместо ИСИ. В качестве ИДС ИСИ применяют как технические, так и программные средства, которые используют, как правило, на этапе отладки и калибровки измерительной системы.

3.2 Требования, предъявляемые к испытательным сигналам

Испытательный сигнал, в соответствии с определением из [1], является переменным сигналом измерительной информации с известным законом изменения и используется для экспериментального определения МХ СИ.

Для определения ДХ СИ используют переменный испытательный сигнал, который называется характеристическим испытательным сигналом.

Характеристическими испытательными сигналами являются:

а) для определения переходной характеристики – единичная ступенчатая функция;

б) для определения импульсной характеристики – дельта-функция;

в) для определения частотной характеристики – гармоническая функция.

Характеристические испытательные сигналы принципиально отличаются от входных воздействий вида

(3.1)

которые используются в теории автоматического управления.

Отличие заключается в том, что воздействия вида (3.1) являются математическими абстракциями и на практике физически реализованными быть не могут. Характеристические же испытательные сигналы могут быть реализованы техническими средствами.

Действительно, в соответствии с математическими определениями

Т.е. входной сигнал вида в момент временимгновенно изменяется отдо, а входной сигнал видав тот же момент времени достигает бесконечно большой амплитуды при бесконечно малой длительности. Естественно, такие сигналы на практике техническими средствами реализованы быть не могут.

Аналогичная ситуация складывается со входным сигналом вида . Если рассматривать генераторы электрических синусоидальных сигналов, то они характеризуются, в частности, степенью нелинейных искажений гармонического выходного сигнала, стабильностью и искажением формы генерируемого сигнала.

Степень нелинейных искажений выражается коэффициентом гармоники, равным отношению среднеквадратичного напряжения суммы всех гармоник сигнала, кроме первой, к среднеквадратичному напряжению первой (основной) гармоники, и обычно указывается в НТД на генератор в процентах.

Еще большие трудности складываются при необходимости воспроизвести синусоидальное изменение, например, давления и температуры жидкости или газа, концентрации веществ, вязкости и т. п.

В [1] дано определение характеристического испытательного сигнала – как сигнала, который является обобщением для некоторого семейства сигналов и его характеристики соответствуют предельным параметрам сигналов этого семейства.

Рассмотрим примеры реализации характеристических испытательных сигналов.

Пример 1. Характеристический испытательный сигнал вида единичной ступенчатой функции имеет вид:

(3.2)

а его графическое изображение приведено на рисунке 3.2.

Рисунок 3.2

Как следует из вышеприведенного определения, функция (3.2) является обобщением для семейства сигналов с различными значениями параметра и эта функция приближается кпри.

Пример 2. Характеристический испытательный сигнал вида единичной ступенчатой функции имеет вид:

(3.3)

а его графическое изображение приведено на рисунке 3.3.

Рисунок 3.3

Как следует из вышеприведенного определения, функция (3.3) является обобщением для семейства сигналов с различными значениями параметра и эта функция также приближается кпри.

Пример 3. Характеристический испытательный сигнал вида единичной ступенчатой функции имеет вид:

(3.4 )

а его графическое изображение приведено на рисунке 3.4.

Как следует из вышеприведенного определения, функция (3.4) является обобщением для семейства сигналов с различными значениями параметра и эта функция приближается кпри.

Рисунок 3.4

Пример 4. Характеристический испытательный сигнал вида дельта-функция имеет вид:

(3.5)

а его графическое изображение приведено на рисунке 3.5.

В качестве одного из способов реализации испытательного сигнала вида (3.5) является использование двух биполярных симметричных сигналов вида (3.2), сдвинутых относительно друг-друга на время , что иллюстрируется рисунком 3.6.

Рисунок 3.5

Рисунок 3.6

В [1] приведено определение для стандартного испытательного сигнала, который является испытательным сигналов, имеющий регламентированную форму и нормированные параметры. Ступенчатый и импульсный стандартные испытательные сигналы представляют собой (с точностью до масштабного коэффициента) реализацию соответствующих характеристических сигналов.

Регламентированная форма стандартного испытательного сигнала определяется искомой динамической характеристикой СИ, а именно:

а) для определения переходной характеристики – единичная ступенчатая функция;

б) для определения импульсной характеристики – дельта-функция;

в) для определения частотной характеристики – гармоническая функция.

Что касается нормированных параметров испытательных сигналов, то в стандартах и НТД не обнаружено четких и конкретных рекомендаций (требований) к их выбору и установлению значений. Единственная информация, которую можно использовать для установления нормированных параметров испытательных сигналов, обнаружена в ГОСТ 8.256 и ГОСТ 8.508.

В ГОСТ 8.256 в пункте 4.4 говорится: «Требования к испытательным сигналам, обусловленные необходимой точность определения динамических характеристик средств измерений, устанавливают в стандартах или технических условиях на средства измерений».

В ГОСТ 8.508 в разделе «Общие методы оценки и контроля метрологических и точностных характеристик» указывается:

«2.2 Методы ориентировочной оценки (контроля) метрологических и точностных характеристик допускается применять на стадиях разработки и изготовления изделий, оговоренных преамбулой настоящего стандарта.

2.3 Не допускается применять методы ориентировочной оценки (контроля) метрологических и точностных характеристик при проведении государственных (приемочных и контрольных), приемо-сдаточных, приемочных, квалификационных, периодических и типовых испытаний изделий, а также при их метрологической аттестации и поверке.

Предел допускаемого значения основной погрешности образцовых средств измерений при ориентировочной оценке (контроле) метрологических и точностных характеристик должен быть не более 25 % предела допускаемого значения основной погрешности испытуемого изделия».

В том же стандарте в приложении 4 «Методы предварительной оценки и контроля динамических характеристик» в пункте 4.1 говорится: «Для оценки параметров ... проводят предварительный эксперимент, в результате которого на вход изделия подают перепад входного сигнала с погрешностьюи временем нарастания, не превышающимвремени установлениявыходного сигнала».

Из приведенных выдержек, с учетом действующих на сегодня терминов, определений и обозначений, можно сделать следующие выводы.

1 В качестве нормированных параметров стандартного испытательного сигнала, воспроизводимого ГИС, могут выступать:

а) погрешность воспроизведения формы испытательного сигнала;

б) время нарастания испытательного сигнала от начального до конечного постоянных уровней – для ступенчатого стандартного испытательного сигнала;

в) время нарастания от начального уровня до максимального значения, время выдержкии время убываниемдо начального уровня – для импульсного стандартного испытательного сигнала;

г) максимальное значение (амплитуда) испытательного сигнала.

2 При предварительной и ориентировочной оценки динамических характеристик СИ необходимо выдерживать условие:

(3.6)

где - предел допускаемой основной погрешности ординат

испытательного сигнала;

- предел допускаемой основной погрешности исследуемого СИ.

Причем по соотношению (3.6) должны сопоставляться либо погрешности конкретных экземпляров СИ и ГИС, либо погрешности СИ и ГИС данного типа.

3 Требования к стандартным испытательным сигналам, обусловленные необходимой точность определения динамических характеристик СИ, при проведении государственных, приемо-сдаточных, приемочных, периодических и типовых испытаний, а также при их метрологической аттестации и поверке, устанавливают в стандартах или технических условиях на СИ. Требования к пределу допускаемой основной погрешности ординат испытательного сигнала должны быть не хуже условия (3.6).

4 Время нарастания (убывания) испытательного сигнала должно быть связано со временем реакцииИСИ следующим соотношением:

(3.7)

5 Максимальное значение (амплитуда) испытательного сигнала выбирается с таким расчетом, чтобы в процессе изменения выходного сигнала ИСИ его мгновенные значения не выходили за допускаемые пределы выходного сигнала (например, за пределы шкалы измерительного прибора).

6 Особенностью ХИС вида (3.5) является необходимость соблюдения следующего условия:

Данное условие вытекает из свойств дельта-функции, у которой

В условие (3.7) входит так называемое время реакции ИСИ, представляющее собой:

а) для показывающего измерительного прибора – время установления показаний;

б) для измерительного преобразователя – время установления выходного сигнала;

в) для ЦАП – время, прошедшее с момента подачи управляющего сигнала до момента, начиная с которого выходной сигнал преобразователя отличается от установившегося значения не более чем на заданное значение;

г) для АЦП – время, прошедшее с момента скачкообразного изменения измеряемой величины в сторону возрастания и одновременной подачи сигнала запуска до момента, начиная с которого показания цифрового прибора или выходной код АЦП отличаются от установившегося показания или установившегося выходного кода на значение, не превышающее заданного.

Иногда вместо термина время реакции используют термин время установления переходной характеристики СИ, представляющее собой длительность интервала времени от исходного момента до момента, начиная с которого отклонение значений переходной характеристики от установившегося значения не превышает установленного предела. Этот предел называют наибольшим допускаемым отклонением выходного сигнала СИ от установившегося значения и обычно задают равным 1 %, 2 % или 5 %. Иногда предел наибольшего допускаемого отклонения дополнительно снабжают числовым нижним индексом, соответствующему заданному проценту отклонения, например,,или

Условие (3.7) можно применять для сигналов вида (3.2) и (3.5). Для сигналов же вида (3.3) и (3.4) параметр не является временем нарастания и для них необходимо вывести свои соотношения.

Рассмотрим вывод соотношения, по образцу (3.7), для ХИС вида (3.3).

В таблице 3.1 приведены значения испытательного сигнала вида (3.3) в различные моменты времени , взятыми для удобства кратными параметру.

Таблица 3.1

	0,632	36,7
	0,865	13,5
	0,950	4,9
	0,982	1,8
	0,993	0,6

Из таблицы 3.1 видно, что наибольшее допускаемое отклонение , равное 1 %, 2 % и 5 % достигается испытательным сигналов вида (3.3) в моменты времени, равные примерно соответственно,и.

Таким образом, выражение (3.7) для испытательного сигнала вида (3.3) должно быть следующим:

(3.8)

где - время реакции испытательного сигнала, принимаемое равным

, илив зависимости от установленного значения

наибольшего допускаемого отклонения .

Следует заметить, что время реакции ИСИ должно быть в соотношении (3.8) приведено при том же значении, что и использовалось для оценки испытательного сигнала.

Рассмотрим вывод соотношения, по образцу (3.7), для ХИС вида (3.4).

В таблице 3.2 приведены значения испытательного сигнала вида (3.4) в различные моменты времени , взятыми для удобства кратными параметру.

Таблица 3.2

	0,955	4,52
	0,980	1,99
	0,990	0,99

Из таблицы 3.2 видно, что наибольшее допускаемое отклонение , равное 1 %, 2 % и 5 % достигается испытательным сигналов вида (3.4) в моменты времени, равные примерно соответственно,и.

Таким образом, соотношение (3.7) для испытательного сигнала вида (3.4) должно быть следующим:

(3.9)

где - время реакции испытательного сигнала, принимаемое равным

, илив зависимости от установленного значения

наибольшего допускаемого отклонения .

Следует заметить, что время реакцииИСИ должно быть в соотношении (3.9) также приведено при том же значении, что использовалось для оценки испытательного сигнала.

Что касается установления необходимого предела основной погрешности ординат испытательного сигнала , то можно воспользоваться соотношением (3.6), поскольку значение предела допускаемой основной погрешности ИСИ, как правило, известно.

На рисунке 3.7 представлен пример нормирования ХИС вида (3.2) с использованием основной погрешности ординат испытательного сигнала .

Рисунок 3.7 – Пример нормирования ХИС вида единичной

ступенчатой функции

Следует заметить, что основную погрешность ординат испытательного сигнала можно использовать вместо погрешности воспроизведения формы испытательного сигнала. Действительно, как видно из рисунка 3.7, если реальный испытательный сигналконкретного экземпляра ГИС не выходит за пределыотносительно своего номинального значения, то считается, что форма испытательного сигнала воспроизведена с необходимой точностью.