Нормирование динамических характеристик

Средств измерений

В состав нормальных условий, при которых определяется основная погрешность, входит определенный частотный спектр входного сигнала или конкретная функция спектральной плотности. Для СИ, частотный диапазон которого охватывает нулевую частоту, основная погрешность, как правило, определяется при неизменном во времени входном сигнале. Такая погрешность является статической. Если информативный параметр входного сигнала изменяется во времени в заданной полосе частот, то в качестве частотного спектра нередко принимают определенную частоту из этой полосы. Найденная при этом основная погрешность будет квазистатической.

Любое отличие частотного спектра входного сигнала от принятого вызывает динамическую погрешность. Выделение этих погрешностей практически целесообразно тогда, когда изменение частотного спектра входного сигнала СИ приводит к существенному изменению точности. Это означает, что для одного и того же СИ при каком-либо одном частотном спектре входного сигнала нужно учитывать динамическую погрешность, а при другом в этом нет необходимости.

Решение вопроса о том, учитывать погрешность как статическую (квазистатическую) или как динамическую, зависит не только от частотного спектра входного сигнала. Важным фактором является также соотношение между отличием частотного Спектра от нормального и инерционностью СИ. Именно это соотношение определяет уровень динамической погрешности по отношению к статической.

Для описания динамических погрешностей используются следующие характеристики:

1. Полная динамическая характеристика аналоговых СИ, в качестве которой используют одну из характеристик: переходную, импульсную переходную, амплитудно-фазовую, амплитудно-частотную, совокупность амплитудно-частотной и фазочастотной, передаточную функцию. Все они подробно рассмотрены в разд. 11.3.

Полную динамическую характеристику нормируют путем установления номинальной и пределов допускаемых отклонений от нее. Нормировать следует такую характеристику, которая может быть относительно просто определена экспериментально.

2. Частные динамические характеристики аналоговых СИ, которые можно использовать как линейные. К ним относятся время реакции, коэффициент демпфирования, постоянная времени и др.

3. Частные динамические характеристики АЦП и цифровых измерительных приборов, время реакции которых не превышает интервала между двумя измерениями, соответствующего максимальной частоте (скорости) измерений, а также ЦАП. К ним относятся время реакции, погрешность датирования отсчета, максимальная частота измерений и др. Под частной динамической характеристикой СИ понимается функционал или параметр полной динамической характеристики.

4. Динамические характеристики аналого-цифровых СИ, время реакции которых больше интервала меяуду двумя измерениями, соответствующего максимально возможной для данного типа средств измерений частоте (скорости) измерений. К ним относятся полные динамические характеристики эквивалентной аналоговой части аналого-цифровых СИ, погрешность датирования отсчета, максимальная частота (скорость) измерений и др.

Под временем реакции понимается:

• для показывающего измерительного прибора — время установления показаний;

• для ЦАП или многозначной управляемой меры — время, прошедшее с момента подачи управляющего сигнала до момента, начиная с которого выходной сигнал преобразователя или меры отличается от установившегося значения не более, чем на заданное значение;

• для АЦП и цифрового измерительного прибора — 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 установившего показания или значения выходного кода на величину, не превышающую заданное значение.

Погрешностью датирования отсчета АЦП или цифрового измерительного прибора называется случайная величина — интервал времени, начинающийся в момент начала цикла преобразования (запуска) АЦП или прибора и заканчивающийся в момент, когда значения изменяющихся измеряемой величины и выходного цифрового сигнала на данном цикле преобразования оказались равны. При этом значения выходного цифрового сигнала АЦП и показания цифрового измерительного прибора выражены в единицах измеряемой величины. Эта погрешность обусловлена наличием времени задержки запуска АЦП, временем автоматического определения полярности измеряемого сигнала, временем выбора пределов измерения, временем преобразования и т.п. При измерении (преобразовании) постоянной во времени величины погрешность датирования отсчета равна нулю.

В отличие от полных частные характеристики не позволяют вычислить динамическую составляющую погрешности измерений. Используя их, можно лишь приближенно сопоставить свойства СИ с условиями измерений.

Частные динамические характеристики нормируют путем установления номинальных характеристик и пределов допускаемых отклонений от них.

Для ЦАП и многозначных мер может нормироваться переходная характеристика или время реакции, поскольку при использовании таких СИ обычно необходимо знать, через какое время после подачи сигнала управления можно считывать установившееся значение выходной величины.

Особую группу СИ составляют АЦП, у которых выходной сигнал изменяется дискретно в соответствии с управляющей частотой дискретизации. Как правило, в этих устройствах все переходные процессы и процесс преобразования заканчиваются за время, которое меньше минимального интервала дискретизации. Поэтому для них часто достаточно нормировать время реакции. При длительных переходных процессах во входных цепях, когда время реакции АЦП больше минимального интервала между двумя измерениями, целесообразно нормировать динамические характеристики только аналоговой части АЦП, т.е. такие же, как для аналоговых СИ.

Пример 12.1. Для средств измерений температуры характерным динамическим свойством является тепловая инерция, поэтому большинство из них представляют собой динамические звенья первого порядка. Их динамические MX нормируются путем указания номинальных переходной и импульсной переходной функций и допустимых отклонений от них.

Номинальные функции могут задаваться аналитическими выражениями

где К_н — номинальный статический коэффициент преобразования. Однако ввиду сложности подбора аналитического выражения чаще их задают графически, как показано на рис. 12.2. Допустимые от номинальных функций отклонения могут быть представлены различными способами:

• заданием аналитических выражений, описывающих верхнюю (h_Hmax(t) и g_нmax(t) на pис. 12.2) и нижнюю (h_Hmin(t) и g_Hmin(t) на рис. 12.2) допустимые границы для значений нормируемой функции. Если вид временной зависимости, описывающей границы значений нормируемой функции, отличается от нее самой только значениями коэффициента К_н, то могут нормироваться допустимые отклонения его значений К_нmах и K_нmin;

• построением графических зависимостей h_Hmax(t), g_Hmax(t), h_Hmin(t) и g_Hmin(t) (см.рис. 12.2), описывающих верхнюю и нижнюю допустимые границы для значений нормируемой функции;

• указанием допустимых отклонений D₊ и D_ от номинальной функции в отдельные моменты времени.

Рис. 12.2. Номинальные переходная и импульсная переходная

функции и допустимые отклонения от них, указанные

различными способами