Методы расчета метрологических характеристик измерительных каналов информационно-измерительных систем

  • Вид работы:
    Курсовая работа (т)
  • Предмет:
    Информационное обеспечение, программирование
  • Язык:
    Русский
    ,
    Формат файла:
    MS Word
    41,11 Кб
  • Опубликовано:
    2014-11-17
Вы можете узнать стоимость помощи в написании студенческой работы.
Помощь в написании работы, которую точно примут!

Методы расчета метрологических характеристик измерительных каналов информационно-измерительных систем














КУРСОВАЯ РАБОТА

По дисциплине: «Информационно-измерительные системы»

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

. Определение структуры ИИС

2. Расчет метрологических характеристик ИК

. Экспериментальное определение значений функции преобразования ИК ИИС

4.Установление объема представительной выборки ИК ИИС

5. Установление количества точек по диапазону измерения

. Установление продолжительности межповерочных интервалов

Заключение

Список литературы


ВВЕДЕНИЕ

Цель курсовой работы - овладение методами расчета метрологических характеристик измерительных каналов информационно-измерительных систем (ИИС).

Для конкретных измерительных каналов информационно-измерительных систем или измерительно-вычислительных комплексов необходимо выполнить следующие виды работ:

1.Определить структуру ИИС и устройство сопряжения с ЭВМ.

2.Рассчитать метрологические характеристики измерительных каналов ИИС по метрологическим характеристикам компонентов:

-для нормальных условий эксплуатации - номинальную статистическую характеристику преобразования ИК - fн (x);

-определить номинальное значение поправки к показанию на выходе ИК - qик;

допустимое отклонение функции преобразования Dд ИК от номинальной.

3.Определить значения функции преобразования измерительного канала ИИС на основании результатов эксперимента (по протоколу измерений), предварительно рассчитав: S, uq, u.

4.Установить объем представительной выборки ИК.

.Установить количество исследуемых точек по диапазону измерений.

.Установить продолжительность межповерочных интервалов по критерию скорости нарастания неопределенности результата измерения.

1.Определение структуры ИИС

Исходные данные:

-число каналов - Nk = 720;

-относительная неопределенность восстановления сигнала - d = 0,5%;

относительная неопределенность преобразования АЦП - dАЦП = 0,15%;

быстродействие элементной базы - Cэ = 6×105 опер/с.

Структура ИИС и устройство сопряжения с ЭВМ определяется в зависимости от количества функциональных узлов с учетом быстродействия ЭВМ и емкости оперативно запоминающего устройства (ОЗУ).

Быстродействие ЭВМ должно быть не менее 1/CАЦП при параллельной обработке информации, т.е. Cэ >> CАЦП.

Емкость ОЗУ (QОЗУ) ЭВМ определяется из условия

QОЗУ >> CАЦПN

Выбор схемы преобразования сигнала следует осуществлять на основании результатов проверки условия теоремы Шенона:

-при последовательном преобразовании

Cэ > Cик; Cк; CАЦПN

-при параллельном преобразовании

nАЦП > CАЦПN / CЭ,

где расчет пропускной способности измерительного канала производится в предположении равенства относительной неопределенности восстановления и измерения сигнала (при равномерном законе распределения вероятности).

где fс - верхняя граница частотного спектра передаваемого сигнала

бит/с

Пропускная способность АЦП при параллельной обработке измерительной информации

бит/с.

Пропускная способность АЦП при последовательной обработке информации

бит/с.

Частота опроса измерительных каналов коммутатора ИИС:


Пропускаемая способность коммутатора ИИС:

бит/с.

Производительность источника измерительной информации

бит/с.

Так как Cэ > САЦПN, то по условию теоремы Шенона происходит параллельное преобразование сигнала.


Структурная схема ИИС представлена на рис.1.

Рис. 1. Структурная схема ИИС

2.Расчет метрологических характеристик измерительных каналов ИИС по метрологическим характеристикам компонентов

Структурная схема ИК устройства связи с объектом управляющего вычислительного комплекса, построенного на базе процессора М-6000 АСВТ-М, представленного на рис. 1.

Рис. 1. Структурная схема измерительного канала

БН - блок нормализации (БН-12А), предназначенный для преобразования сигналов датчика в унифицированный электрический сигнал;

У - усилитель сигналов низкого уровня;

АЦП - аналого-цифровой преобразователь;

К1, К2 - ключи коммутаторов первой и второй ступени.

Исходные данные:

-входной диапазон БН, Ом - 0…33

выходной диапазон У, В - 0…5

Номинальная статистическая характеристика АЦП имеет вид .

Так как возмущение воздействия, вносимые ключами К1 и К2 пренебрежимо малы, можно считать их идеальными коммутаторами и полагать для них qк = 0. В табл.1 представлены номинальные значения поправок Bi к коэффициентам преобразования и номинальные значения поправок bi к значению функции преобразования (при xi = 0) компонентов ИК по результатам экспериментальных исследований.

Таблица 1

Номер компонентаПараметрыА, мВ/ОмаBb, В11,515006,3×10-521000-0,2703100,00918×10-3

1)Номинальная статистическая характеристика преобразования измерительного канала fн(x) может быть рассчитана с учетом мультипликативных и аддитивных составляющих номинального преобразования всех компонентов канала.

;

при i = 0, 1, 2, …, N-1


Окончательно


2)На основании исходных данных, определим номинальное значение поправки к показанию на выходе ИК - qик

;

при i= 0, 1, 2, …, N-1

В0 = (В1+А1)∙(В2 + А2)∙(В3 +А3) = (0+1,515)∙(-0,27+100) (0,009+1)=152,45

В1= (В2 + А2)∙ (В3 +А3)= (-0,27+100) ∙ (0,009+1)=100,63

В2=В3 +А3= 0,009+1= 1,009

ВN = В3= 1

Окончательно:

3)Рассчитаем допустимое отклонение функции преобразования Dд измерительного канала ИВК-7 от номинальной.

Структурная схема ИК представлена на рис. 2.

Рис. 2. Структурная схема измерительного канала ИВК-7

где У - усилитель Ф799/4; А1 = 10000 мВ/ 10 мВ = 1000

К - коммутатор Ф799/2; А2 = 1

Д - делитель напряжения; А3 = 0,9

АЦП - аналогово-цифровой Преобразователь Ф4221; А4 = 1

Исходные данные приведены в табл. 2.

Таблица 2

Номер компонентаХарактеристикаАidi, мВВходной диапазон, мВ11000100…1021100…10430,900…1044120…103

Введем обозначения

;

,

при i = 1, 2, …, N;

где ai - параметр перебора, который при каждом i = 1, 2, …, N принимает значение 0 или 1;

g - постоянная величина, зависящая от закона распределения вероятности результата измерения.

Вычисляем вспомогательные величины:

; при i = 2, 3, … N

; при i = 1, 2, … N

Сi.i+1=1

2.4=В3= 0,9


Введем функцию:


0000000100100011010001010110011110001001101010111100110111101111λ1000000001010101010101010λ2000010101010000010101010λ30000000000000000λ40202020202020202χ12100γ2100γ2102100γ2100γ2100γ2100γ2100γ200000000χ22100γ2100γ2100γ2100γ20000100γ2100γ2100γ2100γ20000χ320000000000000000χ424/γ204/γ204/γ204/γ204/γ204/γ204/γ204/γ20В10,90,9040,90,9040,90,9040,90,9040,9080,9020,9180,9020,9080,9020,900,902В20,90,90040,90,90040,90,90040,90,90040,90,90040,90,90040,90,90040,90,9004В311,00411,00411,00411,00411,00411,00411,00411,004В41111111111111111S421111111111111111S3211,00411,00411,00411,00411,00411,00411,00411,004S220,810,8130,810,8130,810,8130,810,8130,810,8130,810,8130,810,8130,810,813S120,810,8130,810,8130,0490,0490,0490,0490,810,8160,810,8160,8620,8650,860,87

3.Экспериментальное определение значений функции преобразования ИК ИИС

информационный метрологический измерительный межповерочный

В протоколе №3 «Исследований метрологических характеристик измерительных каналов информационно-вычислительной машины №500» методических указаний приведены данные 6-ти значений результата многократного и допустимое отклонение функции преобразования Dдоп ИК от номинального значения функции преобразования в каждой из точек.

Необходимо вычислить:

-S - мера неопределенности показаний ИК;

-uq - мера неопределенности поправки к показаниям ИК;

-u - мера неопределенности измеряемой величины.

Результаты измерений и расчетов занесем в табл.1.

Таблица 1

Данные в конкретных точкахРезультаты измерений в конкретных точках yjiРезультаты расчетовjxjDдоп123456Sjuqjuj1100,019,999,9810,0110,029,9710,010,0080280,00577350,0197772300,0229,9829,9730,0130,0230,0129,980,0084660,0115470,028636jxjDдоп123456Sjuqjuj3500,0349,9750,0149,9949,9850,0249,990,0076010,01732050,037834700,0269,9970,0070,0170,0269,9869,970,0076380,0115470,0276895900,0190,0190,0290,0390,0189,9990,000,0057740,00577350,01633

1)В каждой контрольной точке шкалы определим средние арифметические значения результата измерений по формуле:


где yji - результат измерения в j-ой контрольной точке, nj - число отсчетов в j-ой контрольной точке.

2)В каждой контрольной точке вычисляется стандартное отклонение (мера неопределенности, оцениваемая по типу А):



4)В каждой контрольной точке вычисляется мера неопределенности измеряемой величины:


Принимаем коэффициент охвата k = 2.

5)По результатам расчетов строятся дискретные значения функции преобразования с учетом полученных значений uj. Мера неопределенности входного параметра считается пренебрежимо малой.

4.Установление объема представительной выборки ИК ИИС

Объем представительной выборки измерительных каналов, предназначенных для исследования каждого из параметров, рассчитывается по формуле


где N - число ИК, составляющих генеральную совокупность;

t - коэффициент Стьюдента, в зависимости от доверительной вероятности (предполагается нормальный закон распределения);

b - допускаемое отклонение репрезентативности в процентах, определяемая по данным опытной эксплуатации ИК ИИС.

По данным эксплуатации допускаемое отклонение репрезентативности b = 10% должна гарантироваться с вероятностью Р = 0,954.

Для нормального закона распределения вероятности при Р = 0,95 t = 2.

Объем представительной выборки измерительных каналов предназначенных для исследования давления и уровня при количестве каналов - 35

Для исследования расхода при количестве каналов - 85, объем представительной выборки

Для исследования температуры при количестве каналов - 360, объем представительной выборки будет

5.Установление количества точек по диапазону измерения

По результатам опытной эксплуатации получены следующие значения поправок по диапазону измерения q(xi), Гц (табл. 4).

Таблица 4

xi, Гц102030405060708090100q(xi), ´10-3 Гц-35-36-35-33-33-36-31-30-30-33

Требуемый запас по точности в соответствии с НТД k1 = 5.

Необходимо определить количество исследуемых точек по диапазону измерений.

В качестве исходных данных для определения количества точек по диапазону измерений используем значения измеряемой величины x1, x2, x3,…, xn в интервале [10, 100] и значения поправок в этих точках q(x1), q(x2), q(x3),…, q(xn), которые получены в результате предварительных испытаний ИК в период опытной эксплуатации.

Общее количество точек, в которых необходимо проводить исследование, определяется по формуле

(1)

где n - номер высшей существенной гармоники;

g- число точек на полупериоде высшей существенной гармоники (g = 1 или 2).

Для определения n надо провести гармонический анализ q(xi) ИК. Амплитуды гармонических составляющих кривых q(xi) определяются разложением функции в ряд Фурье на интервале [10, 100] и расчетом его коэффициентов bk.

Оценка значимости коэффициентов производится следующим образом.

Выбираем две точки исследования на полупериоде высшей учитываемой гармоники разложения. При этом условии максимальное отклонение поправки q от ее наибольшего значения определяется в соответствии с равенством:

(2)

По значению max½q½2,n и заданному предельному значению ½qик½ делается заключение о достаточности выбранного количества точек или о его уменьшении до количества, обеспечивающего требуемый запас по точности k1, который оговорен в НТД на конкретный ИК.

Если (3)

то для расчета необходимого количества исследуемых точек по диапазону измерения следует брать номер высшей существенной гармоники.

Если

то номер n уменьшается до значения, обеспечивающего требуемый запас точности.

1. Расчет амплитуд десяти гармоник по формуле:

(4)

b1= -0.037562 =-0.00193=-0.010754= -0.001565= -0.006356 = -0.00035

b7 = -0.002058 = -0.000079 = -0.00001510 = -0.00071

Из формулы (2): max |θ|2,1 = - 0.010894;

max |θ|2,2 = -0,00055;

max |θ|2,3 = -0,00312;

max |θ|2,4 = -0,00045;

max |θ|2,5 = -0,00184;

max |θ|2,6 = -0,0001;

max |θ|2,7 = -0,0006;

max |θ|2,8 = -0,0002; |θ|2,9 = -0,00000;4

max |θ|2,10 = -0,00021

6.Установление продолжительности межповерочных интервалов ИК ИИС

При использовании критерия скорости изменения отклонения выходного сигнала от номинального значения VD(t0,1)i за время, равное M[t0,1]i, i-ю оценку межповерочного интервала ИК определяют по формуле:


где k1 - коэффициент интенсивности работы ИК (при непрерывном цикле, равном 24 часа, k1 = 1; при периодическом цикле - 0,8¸0,9);

k2 - коэффициент, учитывающий условия эксплуатации ИК (при отсутствии повышенных вибраций и температуре k2 = 1; при повышенных вибрациях и температуре окружающей среды относительно тех, которые указаны в НТД на ИИС, принимается равным 1,1¸1,2);

- предельное значение неопределенности результата измерения по аттестату МВИ;

D0 - неопределенность результата измерения, соответствующая установленной норме точности ИК;

VD(t0,1)i - скорость нарастания неопределенности результата измерения


где M[t0,1]i - среднее арифметическое значение времени t0,1 наработки ИК, в течение которого произошло изменение неопределенности результата измерения на 0,1.

Исходные данные:

-диапазон измерения 0…500°С;

-неопределенность результата измерения по конструкторской документации, D0 = ±5,0°С;

-предельное значение неопределенности результата измерения по аттестату МВИ, = 3,65°С;

количество исследуемых ИК, N = 1000;

заданная доверительная вероятность безотказной работы, Рн.з.(t) = 0,95;

допускаемая неопределенность определения времени наступления метрологического отказа, Dt = 340;

количество ИК, не соответствующих установленной норме точности, L = 56.

Оценить интервал времени между поверками ИК температуры, если метрологическая аттестация показала, что изменяется следующим образом (табл. 2).

Таблица 2

№ интервала123456789101112,°С3,803,823,863,903,913,923,933,943,963,973,994,00

1)Интенсивность метрологических отказов


2)Вероятность безотказной работы ИК в точке P(t) на середине интервала [1; Pн.з.(t)]


3)Значение времени t¢, соответствующее данной точке


4)Изменение вероятности безотказной работы по метрологическим отказам за интервал времени [tk, tk+1]


5)Интервалы времени, за которые вероятность безотказной работы будет изменяться с дискретностью DР:


где i = 1…12;1 = 664,2; t2 = 1330,9; t3 = 2000,2; t4 = 2671,9; t5 = 3346,2; t6 = 4021,0; t7 =

4702,4; t8 = 5384,4; t9 = 6069,0; t10 = 6756,2; t11 = 7446,1; t12 = 8138,7.

6)Время наработки ИК, в течение которого Di изменилось на 0,1


где Di - разность между наибольшими значениями неопределенности ИК в момент времени ti и пределом допускаемой неопределенности результата измерения .

t(0,1)1 = 1620,9; t(0,1)2 = 2865,1; t(0,1)3 = 3484,9; t(0,1)4 = 3909,7; t(0,1)5 = 4707,0; (0,1)6 = 5448,4; t(0,1)7 = 6139,9; t(0,1)8 = 6786,5; t(0,1)9 = 7154,4; t(0,1)10 =

= 7714,1; t(0,1)11 = 8000,1; t(0,1)12 = 8492,6.

7)Математическое ожидание

8)Расчет межповерочного интервала


В году 8760 часов, следовательно, межповерочный интервал 8760/660000 = 1,7 года.

За межповерочный интервал принимают T =Tn, если ≤ D0 и T = Tn-1, если ≥ 0.

Т.к. 3,65 < 5, то T = Tn = 1,7 года.


ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Измерение метрологических характеристик ИК ИИС состоит в проведении многократного измерения выходного сигнала в разных точках диапазона в условиях, максимально приближенных к реальным рабочим условиям эксплуатации ИИС.

На вход ИК подают последовательность значений сигнала в пяти контрольных точках шкалы от минимального значения до максимального и регистрируют значения выходных сигналов.

Нормируемыми метрологическими характеристиками измерительных каналов (ИК) являются:

·номинальная статистическая функция преобразования ИК - fн (x);

·номинальное значение поправки к показанию на выходе ИК - qик;

·допустимое отклонение функции преобразования Dд ИК от номинальной;

·неопределенность показаний ИК - S;

·неопределенность поправки к показаниям ИК - uq;

·неопределенность измеряемой величины - u.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1.Информационно-измерительные системы: Рабочая программа, задания на курсовую работу. - СПб.: СЗТУ, 2011.

2.Благовещенская М.М., Злобин Л.А. Информационные технологии систем управления технологическими процессами. - М.: Высшая школа, 2009.-768 с.

.Цифровые системы управления. А.Е. Краснов, Л.А. Злобин, Д.Л. Злобин. Учебник для высших учебных заведений 2012.

Похожие работы на - Методы расчета метрологических характеристик измерительных каналов информационно-измерительных систем

 

Не нашел материал для своей работы?
Поможем написать качественную работу
Без плагиата!