Потенциальная точность измерений с коррекцией на основе обратной связи с цифро-аналоговым преобразованием

Развитие измерительной техники в настоящее время определяется в основном двумя факторами: неразрывной связью со средствами использования результатов измеренийинформационными и управляющими устройствами, и компьютеризацией. Последнее выражается во включении вычислительной мощности в состав измерительной цепи и выполнении части измерительной процедуры в числовой форме. Указанные факторы привели к интенсивному развитию алгоритмического обеспечения измерений и метрологического анализа полученных результатов, что позволяет, во-первых, повышать точность измерений, и, во-вторых, гибко учитывать требования, возникающие при использовании измерительных средств в составе современной информационной и управляющей техники, обеспечивающий автоматизацию научных экспериментов, испытаний и диагностики, мониторинга и управления.

В настоящее время требования, предъявляемые к результатам измерений, а также ограничения, накладываемые на процедуры и средства измерений, все в большей степени вытекают не из конструктивно-технологических возможностей, а из особенности использования результатов измерений и свойств объекта измерений. Вместе с тем, обострилась проблема повышения точности посредством преодоления ограничений конструкторско-технологического характера, поскольку они не позволяют реализовать возможности, открываемые компьютеризацией измерений. При этом определяющими оказываются ограничения, обусловленные несоответствием реализуемых и номинальных характеристик аналоговых измерительных средств (аналоговых звеньев измерительной цепи).

Цель настоящей работы заключается в исследовании возможности коррекции погрешностей из-за отличия реальных характеристик аналоговых звеньев измерительной цепи от номинальных с помощью итеративных измерений. При этом полученные аналоговые сигналы используются в качестве образцовых.

Актуальность подобных исследований определяется необходимостью повышения точности измерений при использовании измерительных устройств, в которых доминирующими являются погрешности, обусловленные отличием реальных характеристик аналоговых звеньев измерительной цепи от номинальных.

В работе помимо вывода расчетных соотношений для оценивания характеристик погрешностей результатов измерений с учетом и без учета погрешности квантования, предложен и исследован алгоритм одновременной коррекции погрешностей из-за отличия реальных характеристик аналоговых звеньев измерительной цепи от номинальных и динамических погрешностей из-за конечности быстродействия квантователя и процессора.

В качестве базовой использован аппарат математической метрологии, сформированный в [2,3,28,29,30], а также машинного моделирования, удостоверенные экспериментально.

Научная новизна заключается: в разработке алгоритмического описания итеративных измерений с коррекцией погрешностей из-за отличия реальных характеристик аналоговых звеньев измерительной цепи от номинальныхв разработке алгоритмического обеспечения метрологического анализа результатов итеративных измерений для постоянных и переменных входных воздействий без учета и с учетом квантованияв исследовании точностных возможностей итеративных измерений с коррекциейв разработке и исследовании алгоритма одновременной коррекции погрешностей из-за отличия реальных характеристик аналоговых звеньев измерительной цепи от номинальных и динамических погрешностей из-за конечности быстродействия квантователя и процессора.

Практическая ценность работы заключается в разработке математического обеспечения итеративных измерений с коррекцией погрешностей и оценивания характеристик погрешностей. Математическое обеспечение метрологического анализа охватывает расчетные методы, имитационное моделирование и эксперимент.

Достоверность полученных результатов удостоверена экспериментально.

3.4. Выводы.

1. Принятое формализованное описание алгоритма измерений и входных воздействий обеспечивает возможность проведения всестороннего количественного анализа эффективности коррекции с помощью имитационного моделирования.

2. Проведенный метрологический эксперимент подтвердил адекватность принятых моделей реальным объектам и достоверность результатов, полученных с помощью имитационного моделирования.

3. Результаты количественного анализа с помощью имитационного моделирования подтверждают высокую эффективность коррекции погрешностей, вносимых аналоговыми звеньями измерительной цепи при постоянном на интервале измерений входном воздействии.

4. С помощью имитационного моделирования удается провести оценку эффективности коррекции в случаях, для которых не получены расчетные соотношения (например, при случайном aJ и с учетом квантования).

5. При переменном входном воздействии эффективность итерационной процедуры существенно снижается.

6. Результаты имитационного моделирования подтверждают целесообразность одновременной коррекции погрешностей, вносимых аналоговыми звеньями измерительной цепи и динамических погрешностей из-за конечности быстродействия квантователя и процессора при близком к линейному изменению входного воздействия на интервале измерений.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

.

В работе были получены следующие основные научные и практические результаты:

1. Впервые проведен детальный метрологический анализ результатов итеративных измерений с коррекцией погрешностей из-за отличия реальных характеристик звеньев измерительной цепи от номинальных;

2. Показано, что использование итеративных измерений с формированием квазиобразцовых сигналов с помощью ЦАП обеспечивает эффективную коррекцию погрешностей, обусловленных отличием реальных характеристик аналоговых преобразований от номинальных;

3.Определены предельные возможности итеративных измерений для постоянных и переменных входных воздействий без учета и с учетом квантования;

4. Проведено исследование эффективности предложенного алгоритма коррекции с подтверждением результатами машинных экспериментов, достоверность которых удостоверена физическим экспериментом;

5. Разработано алгоритмическое обеспечение количественного анализа характеристик погрешностей с использованием имитационного моделирования;

6. Показано, что конечность быстродействия квантователя и процессора приводит к появлению процессорной и итеративной динамических погрешностей, оказывающих влияние на эффективность коррекции погрешностей, вносимых аналоговыми звеньями измерительной цепи, при меняющейся на интервале выполнения итераций измеряемой величине;

7. Впервые проведено теоретическое исследование процессорной динамической погрешности и проведен анализ характеристик погрешностей результатов итеративных измерений с учетом этой компоненты полной погрешности;

8. Предложен алгоритм повышения эффективность итерационных измерений за счет выполнения одновременной коррекции погрешностей, обусловленных отличием характеристик аналоговых звеньев измерительной цепи от номинальных и процессорных и итерационных динамических погрешностей;

9. Определена область применения предложенного алгоритма коррекции процессорных и итерационных динамических погрешностей, основанного на предположении линейного изменения измеряемой величины на интервале измерений, который не может быть использован при существенном отличии этого изменения от линейного;

10. Проведена проверка результатов одновременной коррекции погрешностей, вносимых аналоговыми звеньями измерительной цепи, и процессорных и итерационных динамических погрешностей с помощью машинного эксперимента, который подтвердил результаты теоретических расчетов.

— из.