Энциклопедия АСУ ТП Спонсор проекта: Skip Navigation LinksЭнциклопедия АСУ ТП : 4 Измерительные каналы Соспонсор:




Робот BotEyes




Промышленные контроллеры RealLab!

4. Измерительные каналы

Измерительные каналы являются наиболее сложной частью систем автоматизации и требуют глубоких знаний для получения достоверных результатов измерений. Качество полученных данных зависит не только от погрешности средств измерений, вовремя выполненной поверки или калибровки, но, в большей степени, от корректности методики измерений, правильности выполнения системы заземления, экранирования и кабельной разводки. Измерительные каналы систем автоматизации, в отличие от измерительных приборов, создаются в "полевых условиях", что является причиной появления ошибок, наличие которых не всегда удается обнаружить. Множество проблем возникает при выполнении статистической обработки результатов измерений, при необходимости достичь предела разрешающей способности системы, при выполнении косвенных, совместных и многократных измерений.

Для получения достоверных результатов требуются знания в области метрологии, математической статистики, теории случайных процессов, теории информации и электроники. Это самостоятельные объемные области знаний, которые являются темой множества учебников и монографий. Поэтому ниже рассматриваются только наиболее важные вопросы измерений в промышленной автоматизации, которые часто понимаются неправильно или неоднозначно.

4.1. Основные понятия

4.1.1. Определения основных терминов

Метрология использует понятия, которые требуют точных и однозначных определений. С течением времени происходит уточнение понятий и их определения закрепляются в стандартах, рекомендациях по стандартизации и метрологических инструкциях. Основные термины и определения современной метрологии установлены в рекомендациях по метрологии РМГ 29-99 [РМГ], введенных в действие 1 января 2001 г. взамен ГОСТ 16263-70.

Измерение - это совокупность операций, обеспечивающих нахождение соотношения измеряемой величины с ее единицей измерения и получение значения этой величины. Измерение выполняется с помощью технического средства, хранящего единицу физической величины.

Контроль - это операции по определению соответствия характеристик изделия установленным нормам. Контроль включает в себя проведение измерений, испытаний или проверки характеристик изделия. Результатом контроля является заключение о соответствии или несоответствии. Может быть получено несколько градаций состояния соответствия. Контроль характеризуется достоверностью, т.е. степенью доверия к его результатам. Если контроль выполняется с помощью средств измерений, он называется измерительным контролем.

Индикатор - это техническое средство, предназначенное для установления наличия какой-либо физической величины или превышения уровня ее порогового значения. Например, индикатор может выдавать сигнал о превышении уровня загазованности котельной порогового значения.

Измерительная система - совокупность функционально объединенных мер, измерительных приборов, измерительных преобразователей, ЭВМ и других технических средств, размещенных в разных точках контролируемого объекта и т.п. с целью измерений одной или нескольких физических величин, свойственных этому объекту, и выработки измерительных сигналов в разных целях.

Примером измерительной системы может быть радионавигационная система для определения местоположения различных объектов, состоящая из ряда измерительно-вычислительных комплексов, разнесенных в пространстве на значительное расстояние друг от друга.

В зависимости от назначения измерительные системы разделяют на измерительные информационные, измерительные контролирующие, измерительные управляющие и др.

Измерительно-вычислительный комплекс (ИВК) - функционально объединенная совокупность средств измерений, ЭВМ и вспомогательных устройств, предназначенная для выполнения в составе измерительной системы конкретной измерительной задачи.

Измерительный канал - совокупность технических средств измерительной системы, которая выполняет законченную функцию от восприятия измеряемой величины до получения результата измерения, выраженного числом или соответствующим ему кодом.

Точность измерений - основная характеристика качества средств измерений, которая характеризует степень близости результата измерения к истинному значению измеряемой величины. Точность можно представить как величину, обратную модулю относительной погрешности, однако количественное выражение точности используется редко, обычно говорят "высокая точность, низкая точность", а для численного описания точности используют понятие погрешности.

Погрешность измерений - величина отклонения результата измерения от истинного значения измеряемой величины.

Предел допускаемой погрешности - границы зоны, за которую не должна выходить погрешность с вероятностью, равной единице. Параметр средства измерений.

Косвенные измерения - измерения, при которых результат определяется по известной зависимости между искомой величиной (т. е. величиной, которую надо найти) и измеряемыми величинами. Например, измерение сопротивления путем измерения напряжения и тока с последующим нахождением их отношения является косвенным измерением.

Совместные измерения - проводимые одновременно измерения двух или нескольких неодноименных величин для определения зависимости между ними. Например, измерение вольтамперной характеристики диода. Для определения параметров зависимости обычно используют метод наименьших квадратов.

Совокупные измерения - проводимые одновременно измерения нескольких одноименных величин, при которых искомые значения величин определяют путем решения системы уравнений, получаемых при измерениях этих величин в различных сочетаниях. Пример: измерение сопротивления двух резисторов по результатам измерения измерений суммарного сопротивления их последовательного и параллельного соединения.

Инструментальная, или аппаратная погрешность - погрешность средства измерения. Делится на основную и дополнительную.

Основная погрешность измеряется и нормируется в нормальных условиях эксплуатации (при температуре 20 ºС, атмосферном давлении 760 мм. рт. ст., относительной влажности 60 % - по ГОСТ 8.395 [ГОСТ]).

Дополнительная погрешность учитывает влияние внешних факторов - температуры, давления, напряжения источника питания, влажности, утечки входных каскадов измерительного преобразователя и др.

Погрешность метода измерений (методическая погрешность) - Составляющая систематической погрешности измерений, обусловленная несовершенством принятого метода измерений. Погрешность метода иногда называют теоретической погрешностью.

Динамическая погрешность возникает, когда измеряемая величина не постоянна во времени. Для ее описания используют, например, импульсную или переходную характеристику средства измерения или их изображения по Лапласу и Фурье. Увеличивается при приближении частоты измеряемого сигнала к границе полосы пропускания измерительного канала.

Систематическая погрешность - погрешность, величина которой остается постоянной от измерения к измерению и которая может быть обнаружена с помощью поверки или калибровки и затем скомпенсирована. Примером является погрешность нелинейности термопары, которая компенсируются с помощью таблиц поправок в контроллере измерительного модуля.

Систематические погрешности обычно изменяются с течением времени (дрейфуют), что делает необходимым периодическую калибровку измерительных приборов. Эти изменения вызваны процессами старения и износа элементов измерительных устройств. Старение может привести к увеличению погрешности в 1,25...2,5 раза [Новицкий]. Систематические погрешности выявляются путем сравнения результатов измерений с аналогичными результатами, выполненными образцовым прибором или путем измерений с помощью других приборов, работающих на иных физических принципах.

Систематическая погрешность являются случайной величиной на множестве приборов одного типа и детерминированной для отдельного образца средства измерений. Поэтому в паспорте прибора она может быть указана в виде математического ожидания и среднеквадратического отклонения.

Случайные погрешности не могут быть предсказаны, т.е. являются случайными величинами. Они обнаруживаются в виде различия результатов отдельных измерений при многократных измерениях. Основной их причиной являются помехи внутри измерительного прибора и собственные шумы электронных компонентов. В эксплуатационной документации указывают среднеквадратическое отклонение случайной составляющей погрешности или, для более точного описания, нормализованную автокорреляционную функцию или функцию спектральной плотности. Некоррелированные случайные погрешности могут быть уменьшены путем усреднения результатов многократных измерений.

Промах - погрешность результата отдельного измерения, входящего в ряд измерений, которая для данных условий резко отличается от остальных результатов этого ряда. Иногда вместо термина "промах" применяют термин "грубая ошибка" измерений.

Абсолютная погрешность измерительного прибора определяется как разность между измеренным с его помощью и точным значением измеряемой величины. Абсолютная погрешность имеет размерность измеряемой величины.

Относительная погрешность выражается в процентах от текущего значения измеряемой величины.

Порог чувствительности - наименьшее значения физической величины, начиная с которого может осуществляться ее измерение данным средством.

Приведенная погрешность - это отношение абсолютной погрешности к верхнему пределу диапазона измерений для симметричных диапазонов измерений или к ширине диапазона для несимметричных.

Если абсолютная погрешность не изменяется при изменении измеряемой величины, то для ее учета она складывается с результатом измерений. Такая погрешность называется аддитивной. Примером аддитивной погрешности является погрешность, вызванная смещением нуля операционного усилителя.

Погрешность может увеличиваться с ростом значений измеряемой величины. Такую погрешность учитывают путем умножения результата измерений на величину погрешности и называют мультипликативной. Примером мультипликативной погрешности является погрешность коэффициента передачи измерительного преобразователя. Мультипликативная относительная погрешность является постоянной величиной. Мультипликативная и аддитивная погрешности обычно являются параметрами линейной зависимости, позволяющей рассчитать результирующую погрешность средства измерений. Итоговая абсолютная погрешность измерений находится по формуле

,

(4.1)

где - мультипликативная погрешность, - аддитивная погрешность, - значение измеряемой величины.

Приведенную погрешность тоже можно представить состоящей из мультипликативной и аддитивной компоненты:

,

(4.2)

где - верхний предел диапазона измерений для симметричных диапазонов измерений или ширина диапазона для несимметричных.

Аналогично можно представить и относительную погрешность:

.

(4.3)

При малых значениях измеряемой величины погрешность измерений определяется абсолютной погрешностью, при больших - относительной.

В некоторых случаях зависимость погрешности от значения измеряемой величины является более сложной, чем это можно учесть с помощью формулы (4.1). Тогда используют более сложные зависимости. Например, для мегаомметра максимальная точность оказывается не у верхнего предела измерений, а посередине диапазона, поскольку с ростом значений измеряемой величины (сопротивления) растет входное сопротивление прибора, следовательно, с увеличением растет и погрешность измерений. В таких случаях формула для погрешности приобретает вид

, .

(4.4)

где - верхний порог чувствительности.

Нормированное значение погрешности - это величина погрешности, которая учитывает технологический разброс серии изготавливаемых измерительных приборов и является предельной для всех приборов данного типа. Погрешность любого прибора из данной серии может быть меньше предельной, но не может превышать ее. Нормированное значение погрешности заносится в паспорт прибора.

Номинальная характеристика - распространяющаяся на все средства измерений данного типа, в отличие от индивидуальной характеристики, которая распространяется только на конкретный экземпляр прибора.

Класс точности указывает нормированное значение погрешности в процентах. Однако класс точности учитывает целую совокупность метрологических характеристик, таких как, например, нестабильность погрешности в течение года, сопротивление изоляции, и др. [ГОСТ]. Класс точности 0,1 может быть присвоен прибору, имеющему погрешность 0,1%. Для указания мультипликативной погрешности класс точности помещается в кружок, для указания аддитивной погрешности указывается просто число без дополнительных символов.

Вариация показаний измерительного прибора - разность показаний прибора в одной и той же точке диапазона измерений при плавном подходе к этой точке со стороны меньших и больших значений измеряемой величины.

Диапазон измерений - область значений измеряемой величины, в пределах которых нормированы допускаемые пределы погрешности средства измерений.

Динамический диапазон - это отношение предела измерения к порогу чувствительности, обычно выражается в децибелах. Для измерений в широком динамическом диапазоне используют измерительные приборы с переключаемыми диапазонами измерений. Во время переключения диапазонов происходит изменение схемы соединения элементов, при которой динамический диапазон сдвигается в сторону больших или меньших значений измеряемой величины. В автоматизированных системах переключение диапазонов измерений выполняется автоматически, по программе, записанной в компьютер или контроллер. В качестве примера см. руководство на модуль NL-8AI (pdf, 1,2 Мб).

Воспроизводимость результатов измерений характеризует близость результатов измерений, выполненных различными средствами в разное время в разных местах. Оценка воспроизводимости позволяет выявить грубые ошибки в процессе измерений или некорректно поставленные методики измерений, влияние трудно учитываемых внешних факторов.

Калибровка - совокупность операций, позволяющих определить поправки к показаниям средства измерений или оценить погрешность этих средств.

Поверка - установление официально уполномоченным органом пригодности средства измерений к применению. Поверке подвергают средства измерений, подлежащие государственному метрологическому контролю и надзору.

4.1.2. Точность, разрешающая способность и порог чувствительности

При выборе модулей ввода-вывода аналоговых сигналов по критерию точности, разрешающей способности и чувствительности необходимо понимать различие этих терминов. Типовое заблуждение состоит в том, что "если модуль ввода имеет погрешность ±0,05%, то разрядность его АЦП более чем 12 бит плюс знак является бесполезной". Покажем, что это не так.

Точность (погрешность) характеризует степень отличия результата измерения от точного значения, связанного с эталоном единицы физической величины. Разрешающая же способность показывает, какое минимальное отклонение измеряемой величины может быть зарегистрировано измерительным прибором. Например, если модуль ввода в диапазоне измерений -10...+10 В имеет погрешность ±0,05%, то его порог чувствительности равен ±5 мВ. Однако, благодаря наличию 16-разрядного АЦП этот модуль может различить два входных сигнала, отличающихся на =0,3 мВ, т.е. его разрешающая способность в ±5/0,3=±16 раз выше порога чувствительности. Отметим, что это справедливо при условии, что уровень собственных шумов модуля ввода ниже величины младшего значащего разряда (МЗР), т.е. погрешность является чисто систематической. При большой случайной погрешности можно предпринять меры для ее уменьшения, например, с помощью усреднения результатов многократных измерений (см. раздел "Повышение точности путем усреднения результатов измерений").

Порог чувствительности, который определяется погрешностью измерений, может быть гораздо больше, чем разрешающая способность, поскольку при определении погрешности учитывают:

  • нелинейность измерительного прибора во всем диапазоне измерений;
  • динамику процесса старения прибора;
  • технологический разброс метрологических параметров от прибора к прибору;
  • не только систематическую, но и случайную некоррелированную компоненту погрешности, которая может быть уменьшена до уровня МЗР путем многократных измерений с последующим усреднением результатов.

Разрешающая способность не зависит от перечисленных выше факторов и это объясняет ее отличие от порога чувствительности и погрешности.

Приведем несколько примеров, когда требования к погрешности на несколько порядков могут отличаться от требований к разрешающей способности.

Пример 1

Предположим, имеется релейный регулятор, который в соответствии с алгоритмом своей работы должен определить знак разности между температурой в печи и значением уставки. Если для измерения температуры используется термопара с датчиком температуры холодного спая, с погрешностью измерений 2 ºС, то для измерения температуры в диапазоне 0...100 ºС достаточно 50 уровней квантования, что может быть обеспечено 6-разрядным АЦП. Если же использовать 16-разрядный АЦП, то разрешающая способность по температуре составит =0,0015 ºС. В случае применения 6-разрядного АЦП колебания температуры в процессе регулирования не могут быть менее 2 ºС, в то время как при использовании 16-разрядного АЦП амплитуда колебаний приближается к 0,0015 ºС. Такой регулятор используется, когда важна стабильность во времени, а не точность соответствия уставке. Например, стабильность (а не точность) важна для термостатов, которые используются при калибровке термодатчиков методом сличения с показаниями образцового прибора. Напомним, что альтернативным вариантом является калибровка с помощью калибратора (задатчика), который должен иметь высокую точность (и одновременно стабильность) задания температуры.

Пример 2

В элеваторах для хранения растительного сырья наблюдается эффект самосогревания, связанный, в основном, с деятельностью микроорганизмов. Для обеспечения качества зерна абсолютное значение температуры достаточно знать с погрешностью в несколько градусов, но факт ее роста желательно фиксировать с разрешающей способностью 0,1...0,01 ºС. Высокая разрешающая способность позволяет предупредить развитие очага самосогревания на ранней стадии и расположить датчики температуры на большом расстоянии один от другого.

Пример 3

Если требуется обнаружить момент времени начала химической реакции по признаку начала роста температуры, то необходим прибор с высокой разрешающей способностью, но необязательно высокой точностью.

Пример 4

Пусть требуется оценить параметры колебательного процесса (декремент затухания колебаний, период колебаний, коэффициент нелинейных искажений, длительность переходного процесса, величину помехи на фоне полезного сигнала) - во всех перечисленных случаях находится соотношение ординат или абсцисс функции в разных ее точках, т. е. пропорции между отдельными частями графика, которые не зависят от самого значения функции. Поэтому такие измерения могут быть выполнены прибором, имеющим низкую точность, но высокую разрешающую способность. Дополнительным требованием в этом примере является достаточная линейность измерительного канала в рассматриваемом диапазоне.

Для улучшения разрешающей способности при низкой точности используется "электронная лупа" (аналогичный термин в фотоаппаратах называется "zoom"). В основе принципа работы электронной лупы лежит свойство любых нелинейностей приближаться к линейным зависимостям

(4.5)

при малых , что обеспечивает отсутствие нелинейных искажений формы исследуемого сигнала. Работа электронной лупы состоит в том, что из исследуемого сигнала вычитается некоторый постоянный уровень , а разность усиливается с помощью аналогового усилителя или квантуется АЦП с высокой разрядностью. При этом величина постоянного уровня может быть задана с низкой точностью, поскольку целью является измерение соотношений отдельных участков сигнала между собой, а не относительно единицы физической величины.

Отметим, что понятие "разрешающая способность" отсутствует в РМГ 29-99 [РМГ]. Причина, вероятно, в том, что это понятие не связано с измерением как операцией сличения с эталоном, но связано с оценкой отношений между физическими величинами, ни одна из которых не является эталоном, что не относится к измерениям в смысле РМГ 29-9911.

Точность, разрешающая способность и порог чувствительности в общем случае выше у АЦП с большим числом двоичных разрядов, хотя прямой связи здесь нет. АЦП с высокой разрядностью может иметь большой уровень шумов, высокую нестабильность источника опорного напряжения и связанную с ними низкую точность.


© RLDA Ltd. info@rlda.ru  Рейтинг@Mail.ru Спонсоры проекта: , а также