Корекція похибок ЗВТ з допомогою кодокерованих мір

Значення похибки в загальному випадку залежить від значення вхідного інформативного сигналу і для її аналізу зручно використовувати багаточленну модель [1-3, 26].

, (2.6)

де , , – відповідно адитивна, мультиплікативна та нелінійна складові похибки; - систематична та центрована складові похибки.

Коефіцієнти , , ,... є випадковими величинами або процесами, залежать від векторів параметрів вимірювального кола та факторів похибок, але не залежать від інформативного параметра X. Систематичні складові похибки завжди спотворюють результат вимірювання, а тому їх виявлення з метою врахування або ж корекції є одним із центральних питань метрології. На жаль, не існує універсального методу корекції систематичних похибок, оскільки дуже різноманітні методи, засоби і умови вимірювань [26, 26-33]. Систематичні похибки вважаються виключеними, якщо вони або сума їх не виключених залишків не перевищують половини одиниці десяткового розряду, в якому стоїть остання значуща цифра допустимої похибки результату вимірювання [3, 26]. Прогнозування часових змін похибок вимагає проведення цілого великого комплексу експериментальних досліджень в робочих умовах для засобів вимірювання певного типу [1, 3, 13].

Оскільки з використанням сучасних мікроелектронних та інформаційних технологій принципово можуть бути реалізовані малогабаритні кодокеровані міри, то для вимірювання електричних величин доцільно використовувати диференційний або компенсаційний методи [34]. При використанні диференційного методу у першому циклі отримується код N_x1 результату перетворення електричної величиниХ за умови автоматичного коригування АСП і для значення еталонного сигналу рівного нулю

, (2.7)

де - зведені до входу ЗВТ АСП, відповідно ЗВТ та кодокерованої міри; Δ_к– нескориговане значення АСП.

З допомогою коду N_x1 на виході кодокерованої міри формується електрична величина Х_е1

, (2.8)

де Х_Е – значення сигналу еталонної вхідної електричної величини кодокерованої міри; N_xm – максимальне значення коду керування міри; δ_μ – відносна похибка кодокерованої міри електричного сигналу.

У другому циклі перетворення з автоматичною корекцією АСП знаходять значення коду N_x2 результату

. (2.9)

Результат вимірювання N_x можна знайти як суму кодів N_x1, N_x2. Знехтувавши складовими третього і вищих порядків малості та враховуючи очевидну умову отримаємо

. (2.10)

Аналіз формули (2.10) показує, що при малих значеннях МСП вже при реальних для сучасних промислових приладів співвідношеннях вплив членів другого порядку малості буде нехтовно малим, тобто більше, ніж у 5 разів буде меншим від значення лінійних членів

. (2.11)

Отже, у випадку використання диференційного методу побудови ЗВТ похибка результату вимірювання електричних величин практично визначатиметься тільки похибкою δ_μ кодокерованої міри. Це дає теоретичні підстави для розроблення нового покоління ЗВТ електричних величин, в яких можна практично забезпечити оперативний контроль процесів вимірювань. Роль „чорної скриньки” у цьому випадку виконуватимуть кодокеровані міри електричних величин. Для забезпечення практичного використання цього способу оперативного контролю доцільно реалізовувати кодокеровані міри малогабаритними та переносними з використанням сучасних досягнень мікроелектронних та інформаційних технологій. При виникненні сумнівів в правдивості результатів вимірювань, отриманих з даного ЗВТ, його вмонтовану „чорну скриньку” слід демонтувати з приладу та відправити на метрологічну перевірку, а на її місце підключити перевірену „чорну скриньку”. Таким чином, процедура оперативного контролю здійснюватиметься практично безперервно, за винятком проміжків часу, потрібних для заміни „чорної скриньки”. Якщо і після заміни „чорної скриньки” із ЗВТ отримуються сумнівні результати, то слід детальніше проаналізувати реальні умови експлуатації щодо виявлення невраховуваних факторів похибок або ж, у разі отримання негативного результату, демонтувати ЗВТ і відправити його на метрологічну перевірку. За умови здійснення автоматичної корекції АСП вхідного вимірювального кола перехідні опори та залишкові контактні е.р.с. комутаційних елементів (роз`ємів) „чорних скриньок” не впливатимуть на результат вимірювання.

Для здійснення оперативного контролю за протіканням вимірювальних процесів ЗВТ, що вже експлуатуються, доцільно використовувати переносні кодокеровані міри (калібратори) електричних величин [35-38]. Вище було зазначено, що для забезпечення високої достовірності контролю межа допустимих значень похибки кодокерованих мір повинна бути більше, ніж у 5 разів меншою від межі допустимих значень похибки контрольованих ЗВТ. В робочих умовах експлуатації в серійних калібраторах електричних величин виникає необхідність в періодичній ручній корекції АСП, що збільшує трудоємність метрологічних робіт, збільшує час їх проведення, що, у деяких випадках, практично неприйнятно через дуже обмежений час знаходження оператора на технологічних об`єктах, наприклад, атомні електростанції [36, 38]. Тому, калібратори електричних величин доцільно забезпечувати системою автоматичної корекції АСП або ж можна використовувати метод подвійної інверсії сигналів, як це подано на рис. 2.1. для калібраторів напруги. Цей метод може використовуватись для автоматичної корекції АСП (детальніший розгляд

ДОН – джерело опорної напруги; ПП1,2 – перемикачі полярності; КПН – кодокерований подільник напруги

Рис. 2.1. - Структура калібратора напруги з корекцією адитивної складової похибки методом подвійної інверсії

основі схемотехнічних рішень вже існуючих кодокерованих мір. Коригування АСП кодокерованих мір здійснюється шляхом знаходження з допомогою ЗВТ середнього арифметичного двох його показів при однойменних положеннях перемикачів полярності ПП1 та ПП2 калібратора напруги [38]. Дійсно, при подвійній інверсії вхідного для керованого подільника КПН сигналу Е₀ та вихідного сигналу U_К калібратора, в одному із однойменних положень перемикачів ПП1 та ПП2 вихідна напруга буде рівна , а в їх протилежному положенні - . В багатьох практичних випадках межі допустимих значень похибки ЗВТ та кодокерованих мір нормуються двочленною моделлю. Тоді, за умов, що за час проведення вимірювань і робочі умови експлуатації, і похибки ЗВТ та калібратора залишаються незмінними, для визначення похибки ЗВТ необхідно провести всього чотири вимірювання при двох значеннях вихідного сигналу калібратора U_К1 і U_К2 та опрацювати їх результати

, (2.12)

де Y₁₁, Y₁₂ – покази перевірюваного (контрольованого) ЗВТ для вихідних напруг U_К11 та U_К12 калібратора, відповідно, за одного та іншого положення перемикачів полярності ПП1 та ПП2, та встановленому номінальному значенні коду керування m_1Н; Y₂₁, Y₂₂ – покази ЗВТ для вихідних напруг U_К21 та U_К22 калібратора, відповідно, за одного та іншого положення перемикачів полярності ПП1 та ПП2, та встановленні номінального значення коду керування m_2Н; D_0З – АСП ЗВТ; D_0М – АСП кодокерованої міри; к_Н– номінальний коефіцієнт перетворення ЗВТ; - коефіцієнти МСП, відповідно ЗВТ та кодокерованої міри; Е₀ – значення напруги джерела опорної напруги ДОН; m_1Н, m_2Н– номінальні значення кодів керування кодокерованої міри при встановленні значень вихідної напруги U_К1 та U_К2.

Із системи рівнянь (2.12) визначаються і коефіцієнт МСП, і АСП

, (2.13)

. (2.14)

Аналіз співвідношень (2.13) та (2.14) показує, що за виконання умови , методом подвійної інверсії коригується АСП калібратора напруги і достатньо просто визначаються АСП та МСП контрольованого ЗВТ в робочих умовах експлуатації.

Скориговане значення Δ_к АСП, після автоматичного коригування, визначатиметься вибраним методом та алгоритмом корекції, тому в подальшому слід детальніше проаналізувати граничні можливості існуючих методів корекції.

2.4.Структурні схеми калібраторів активних та пасивних електричних величин

Аналіз існуючих ЗВТ показує, що вхідними електричними сигналами є, як правило, напруга, або е.р.с., постійного та змінного струму, RLC-параметри. Ці електричні величини розділяються на активнi, які можна безпосередньо вимірювати, та пасивні, для вимірювання яких потрібно створювати тестові вимірювальні сигнали (R,L,C параметри). Відповідно, суттєво відрізняються між собою структури кодокерованих мір цих величин. В науковій літературі багатозначні міри фізичних величин отримали назву калібраторів.

Як видно з узагальнених структурних схем, структури калібраторів напруги постійного струму (рис. 2.2) та постійного струму (рис. 2.3) є дуже подібними, відрізняються лише масштабувальним вимірювальним перетворювачем або керованим генератором струму. Тому й на практиці в багатьох випадках виготовляються калібратори напруги та постійного струму.

ДОН - джерело опорної напруги; БВП - буферний вимірювальний перетворювач; КПН - кодокерований подільник; МВП - масштабувальний вимірювальний перетворювач; БК - блок керування

Вихідну напругу U_К калібратора постійної напруги подамо співвідношенням

, (2.15)

де Е₀ – вихідна напруга джерела опорної напруги; μ, М – коефіцієнт передавання, відповідно, КПН та МВП; Δ_БВП, Δ_КПН, Δ_МВП – АСП, відповідно, БВП, КПН та МВП.

Вихідний струм І_К калібратора постійного струму подамо співвідношенням

, (2.16)

де k_i – коефіцієнт перетворення напруга-струм керованого генератора струму КГС; ΔІ_К – АСП керованого генератора струму КГС.

Рис. 2.3. - Узагальнена структурна схема калібраторів постійного струму

Під час побудови калібраторів змінних напруги і струму, окрім стабілізації амплітуди, постають також задачі стабілізації частоти та забезпечення малих нелінійних спотворень вихідного сигналу. Тому й структура калібраторів напруги змінного струму містить дві системи стабілізації – амплітуди та частоти вихідного сигналу (рис. 2.4). Малий рівень нелінійних спотворень зазвичай досягається відповідним вибором параметрів масштабувальних елементів.

Рис. 2.4. Узагальнена структурна схема калібратора напруги змінних струму та напруги

Багатозначні міри RLC - параметрів реалізуються у вигляді кодокерованих магазинів (рис. 2.5 - рис. 2.7). Комплексний опір має властивість адитивності, тому є можливість реалізації кодокерованих магазинів опору (рис. 2.5),

Рис. 2.5. Структурна схема кодокерованого магазина опору

індуктивності (рис. 2.6) та ємності (рис. 2.7). В кодокерованих магазинах опору переважно використовується принцип шунтування масштабних резисторів електронними ключами і вихідний опір такого кодокерованого магазина з урахуванням залишкових параметрів ключів подається співвідношенням

, (2.17)

де r_ki, e_ki, r_kJ, e_kJ – опір i-го або j-го замкненого ключа та залишкова напруга на них відповідно; R_рi, R_рj – опір i-го або j-го розімкненого ключа відповідно; R_i, R_j – масштабувальні опори i-ї або j-ї кодокерованої тетради; а_і – комутаційний коефіцієнт (а_і=0 у випадку замкненого ключа, відповідно, виключеного опору з відтворюваного мірою опору, а_і=1 в протилежному випадку); І₁₂ – струм, що протікає між затискачами 1 та 2 міри опору; ω – кругова частота.

В кодокерованих магазинах індуктивності масштабні котушки індуктивності перемикаються окремими електронними перемикачами і значення комплексного опору між затискачами 1 та 2 подається співвідношенням

, (2.18)

де z_1ki, z_1pi, е_1ki – відповідно опори і-го замкненого та розімкненого перемикача і залишкова напруга у верхньому за рис. 2.6 положенні; z_2ki, z_2pi, е_2ki - відповідно опори і-го замкненого та розімкненого перемикача і залишкова напруга у нижньому за рис. 2.6 положенні; R_i, L_i – активний опір та індуктивність і-тої масштабувальної котушки індуктивності; R_Li – опір заміщувального резистора в і-му розряді встановлюваної індуктивності; І₁₂ – струм, що протікає через магазин індуктивності; m – кількість розрядів встановлюваного індуктивного опору.

Рис. 2.6. Структурна схема декади кодокерованого магазину індуктивності

Після нескладних перетворень з розкладанням знаменників виразу (2.18) в ряд та нехтуванням складових вище від другого порядку малості отримаємо такий вираз для оцінювання значення встановлюваного індуктивного опору

. (2.19)

В кодокерованих магазинах ємності масштабні елементи завдяки фундаментальній властивості ємності підключаються до виводів магазину паралельно (рис. 2.7). Після нескладних перетворень з розкладанням

Рис. 2.7. Структурна схема кодокерованого магазину ємності

знаменників виразу паралельних ланок ємнісної провідності в ряд та нехтуванням складових вище від другого порядку малості отримаємо такий вираз для оцінювання значення встановлюваної ємнісної провідності G₁₂ між затискачами 1 та 2 магазину

. (2.20)

де С_і – масштабувальна ємність і-го розряду; e_ki, z_ki, z_pi – відповідно залишкова напруга, опори замкненого та розімкненого і-го ключа; m – кількість розрядів магазину ємності; C_П – паразитна ємність між затискачами 1 та 2 магазина ємності.

Як показав проведений аналіз в багатозначних мiрах RLC-параметрів суттєву похибку вносять залишкові параметри комутаційних елементів, що обмежує їх точність та дискретність відтворення опору. Для покращення цих параметрів останнім часом запропоновані структури імітаторів RLC - параметрів, які складаються з однозначних мір, кодокерованих подільників напруги та активних буферних елементів (детальніше ці питання будуть розглянуті в наступних темах).

Поиск по сайту: