Методы повышения точности средств измерений

Методы повышения точности СИ

Основной тенденцией развития средств измерительной техники является приведение их параметров в сопоставимость с параметрами эталонов, т.е. предъявляются все более жесткие требования к точности и стабильности показаний.

Конструктивные методы повышения точности заключаются в подборе элементов средства измерения, отработке конструкции, подборе материалов. Они не дают желательного результата вследствие экономической нецелесообразности (высокая стоимость конструкции конструкторов) или бесперспективность вообще (значительная часть этих методов уже исчерпана).

Другая группа методов повышения точности СИ основана на введении в систему избыточности, позволяющую улучшить дополнительную информацию не только об измеряемой величине но и о погрешностях, допускаемых при измерениях, и тем самым исключить их из результатов измерений. Эти методы позволяют использовать менее точные конструктивы для выполнения  для выполнения СИ, основанным на введении избыточности относятся методы образцовых мер, методы обратных преобразований и тестовые методы.

Методы образцовых мер состоят в отключении измеряемой величины от входа СИ и подключении на ее место образцовых мер.

[Бромберг Э.М., Куликовский К.Л. Тестовые методы повышения точности измерений.-М.:Энергия,1978 – 176с.]

При измерении электрических величин это удобно, но только в случае линейности градуировочной характеристике, а в случае ее нелинейности необходимо подключать на вход СИ набор мер. Если же измеряемая величина неэлектрическая, то метод образцовых мер становится сложным в применении, а чаще вообще невозможным. Например, для весо- и силоизмерительной техники, этот метод предлагает наличие образцовых гирь или силозадающих устройств. Без демонтажа СИТ с объекта измерений подключение этих мер ко входу невозможно.

[Андрианова О.И., Черепащук Г.А. Применение тестовых методов для повышения точности тензорезисторных силоизмерительных устройств]

при методах обратных преобразований, в том числе итерационных, необходим точный обратный преобразователь. Для неэлектрических величин создание такого преобразователя довольно затруднительное.[1]

Выше описанные методы могут успешно применяться и не создавать затруднений при их использовании для измерения электрических величин, но для измерения электрических величин, но для измерения неэлектрических величин практически невозможен.

Еще одна группа методов, основанная на использовании дополнительных преобразований– тестов, результаты которых обрабатываются по специальному алгоритму. Тестовые методы имеют как много общего с методами образцовых мер и итерационными методами и ряд преимуществ перед ними. В формировании тестов участвует измеряемая величина. Это позволяет преобразовывать тесты без ее отключения от входы СИ. Тестовые методы позволяют сократить число вспомогательных величин, необходимых для реализации алгоритма повышения точности, так как сама измеряемая величина транспонирует тесты  в тот участок диапазона изменения измеряемой величины, где осуществляется данное измерение.[1]

Рассмотрим математическую модель измерительного устройства. СИ состоит из набора измерительных преобразователей (ИП), каждый из которых связывает по определенной функциональной зависимости выходную величину со входной. Градуровочная характеристика СИ в общем случае имеет вид:

,     (1)

где х- измеряемая величина;

у – выходная величина;

– параметры градуировочной характеристики.

На практике реальная градуировочная характеристика отличается от номинальной, причем параметры являются случайными функциями времени. Они зависят от условий окружающей среды, параметров источников питания, дрейфа и старения отдельных ИП.

В таком случае номинальная градуировочная характеристика имеет вид:

,       (2)

а реальная:

,        (3)

где – номинальные значения параметров градуировочной характеристики;

 – реальные значения параметров градуировочной характеристики.

Т.о. погрешность результата измерений определяется из соотношения:

  (4)

Анализируя выражение (4) можно увидеть, что сводя к нулю разности ,,…, т.е. повышение стабильности параметров можно повысить конструктивно. В этом случае СИ состоит только из тех ИП, которые необходимы для процесса измерения, и не содержит избыточности. Но как было замечено выше, конструктивные  методы перспектив не имеют.

Методы, основанные на введении в систему избыточности заключаются в следующем. Для уменьшения некоррелированной составляющей погрешности используются методы многократных измерений и многоканальных измерений.

В первом случае метод позволяет значительно уменьшить некоррелированную составляющую погрешности, но при этом коррелированная составляющая не уменьшается, а в ряде случаев даже наоборот увеличивается. [1].

Второй метод более эффективный, но его структурная избыточность усложняет СИ и повышает его стоимость.

Для уменьшения коррелированной составляющей погрешности используются итерационные методы, методы, основанные на использовании образцовых мер, и тестовые методы.

Итерационные методы заключаются в поочередном подключении на вход СИ измеряемой величины и преобразованной величины с выхода СИ. Увеличение количества подключений в N раз снижает столько же  коррелированную составляющую погрешности, но при этом  увеличивает некоррелированную составляющую.[1].

Метод образцовых мер заключается в последовательном подключении ко входу СИ измеряемой величины х и n значений меры. После чего решается система из (n+1)  уравнения относительно измеряемой величины х. Для измерения неэлектрических величин метод затруднен тем, что требуется набор мер, которые не всегда есть в наличии и требуется отключения измеряемой величины от входа СИ, что не всегда возможно. [1].

При тестовых методах процесс измерения состоит из (n+1) тактов. В I такте преобразуется измеряемая величина х, а в других тесты – каждый из которых является функцией измеряемой величины х. Получаем систему уравнений:

                  (5)

Для решения системы уравнений (5) необходимо определить параметры математической модели СИ .

Тестовые методы пригодны при измерении неэлектрических величин, в частности, при измерении массы и силы, т.к. они не требуют демонтажа СИ с объекта измерения и измеряемая ФВ участвует в формировании тестов. Например, возможно использовать тестовый сигнал, который равен сумме измеряемой силы и дополнительной образцовой силы F+F₀. При решении системы (5) видно, что искомые параметры математической модели не зависит от измеряемой величины F. [2].

Этот метод пригоден для использования в силоизмерительных устройствах, так как не требует их демонтажа с объекта измерения.