Методика исключения влияния параметров нестационарности на динамические характеристики средств измерений

Аннотация

В.П. Иосифов

Статья посвящена актуальной проблеме учета влияния нестационарности параметров измерительных преобразователей на динамические характеристики.
Ключевые слова: средства измерений, датчики, динамические характеристики.

05.11.01 - Приборы и методы измерения по видам измерений

Для того чтобы учитывать изменчивость параметров нестационарности коэффициентов уравнений, описывающих динамический режим измерительных преобразователей, необходимо учесть это в физической модели с дальнейшим учетом этих изменений в математической модели. В связи с этим, необходимо и выбрать алгоритмы решений соответствующих уравнений, описывающих динамический режим. И, наконец, необходимо знание об изменчивости или знание о законах изменчивости параметров, входящих в описание динамического режима измерительного преобразователя.
Рассматриваемые в статье параметры нестационарности имеют медленный характер, то есть в ходе одного или нескольких измерений они не меняются, а изменения параметров осуществляется в течение длительного времени эксплуатации.
Остановимся на примере мембранных измерительных преобразователей датчиков давлений.
Основной эффект изменения параметров вносит коэффициент демпфирования колебаний мембраны. Динамический режим мембранных измерительных преобразователей описывается дифференциальным уравнением второго порядка:

или

,         (1)
, .

где m- масса мембраны, k – коэффициент демпфирования колебаний мембраны, c-жесткость мембраны, Y(t)- текущее значение прогиба мембраны, P(t)- измеряемое давление, ϖ₀ -собственная частота мембраны, ε₀- относительный декремент затухания.
Для таких измерительных преобразователей влияющими параметрами являются коэффициент демпфирования колебаний мембраны и коэффициент жесткости мембраны, которые с течением времени, в ходе длительной эксплуатации изменяются. На это влияют и условия эксплуатации. В основном датчики давлений эксплуатируются в сложных условиях (большой и частый перепад давлений, температуры, сложные вибрационные условия и т. д.). Скудна информация о характере и законах изменения рассматриваемых параметров, а также и экспериментальные данные.
Следующий параметр подверженный к изменениям - собственная частота колебаний мембраны. Хотя и о собственной частоте мембранных преобразователей можно найти информацию, но в основном приводятся данные о методах расчета. Значения собственных частот, полученные посредством расчетов, отличаются от действительных очень сильно (порядка нескольких десятков процентов). Поэтому при применении таких преобразователей необходимо экспериментально определять собственные частоты мембран.
Возвращаясь к изменчивости параметров измерительных преобразователей в динамическом режиме, отметим, что основная задача учета изменчивости этих параметров заключается в том, что их учет позволит повысить точность и достоверность показаний измерительного преобразователя.
Очень часто, особенно в последнее время, многие исследователи решение метрологических задач пытаются разрешить с  применением более точных математических алгоритмов. Этот вопрос очень сложный и до конца еще не исследованный. Метрологическая задача определения характеристик, с последующим применением полученных значений в задачах измерения состоит из множества процедур. Поэтому сводить весь комплекс процедур только к решению математических алгоритмов – полностью некорректно с любой точки зрения. Отсюда возникают задачи рассмотрения вопросов влияния точности алгоритмов приближенных вычислений на эффективность исследования параметрической изменчивости в измерительных преобразователях.
Особо хочется отметить, то, что в задачах идентификации характеристики средств измерений, в частности измерительных преобразователей опираются на физические модели, которые стремятся максимально упростить, что в свою очередь сильно упрощает как алгоритмы оценивания параметров, так и процедуры восстановления измеряемых величин.
В первую очередь, при рассмотрении подобных задач необходимо задаться требованиями к точности описания динамического режима конкретных измерительных преобразователей. Далее необходимо рассмотреть физическую модель средств измерений, описываемыми с заданной точностью. И по выбранной физической модели составляется математическая модель. Простое упрощение математической модели не самоцель, хотя и к этому надо стремиться. Для выбранной математической модели необходимо разработать способы, методы и алгоритмы решений, опять же с требуемой точностью. Требования к точности нельзя необоснованно завышать, это повлечет за собой усложнение физической модели, математической модели, что в свою очередь усложнит способы, методы и алгоритмы нахождения динамических характеристик измерительных преобразователей средств измерений.
Причем усложнит не только математические алгоритмы, как многие ошибочно считают, но и физическую модель, и особенно, возможность физической реализации способов нахождения этих параметров.
Предлагаемый способ устранения влияния параметрической нестационарности заключается в том, что в процессе измерений можно подать на вход измерительного преобразователя дополнительный сигнал с известными характеристиками.
Для мембранных измерительных преобразователей давления, которые  описываются уравнениями (1) подаем на вход дополнительный сигнал вида

,
.

Импульсная характеристика для этих измерительных преобразователей имеет вид
,
где , a=ϖ₀ε₀, .
Показания будут равны
Y(t)=y₁(t)+y₂(t)
,
а для дополнительного воздействия показания будут равны
.

Если измерения отклика на дополнительное воздействие провести на достаточно длительном периоде времени по сравнению с переходными характеристиками самого измерительного преобразователя, то регистрируемая величина будет равна

, где  
Амплитуда регистрируемой составляющей будет равна

И из полученного соотношения получим
.

И далее уже в уравнении (1) можно использовать вновь полученное значение коэффициента ε₀. Значение частоты дополнительного воздействия необходимо выбрать намного меньше, чем собственная частота самой мембраны.
Метод дает возможность вычислить параметр ε₀ . Несмотря на это, нельзя обольщаться такой методикой, и нужно ее применить особо осторожно. Причем желательно для каждого типа измерительных преобразователей экспериментальное подтверждение полученных результатов. Возникает вопрос, а что, если дополнительное воздействие сделать в виде суммы нескольких косинусоид с различными частотами. Тогда можно было бы, и определить все коэффициенты соотношения (1).  Для этого надо было бы, чтобы частоты перекрывали весь частотный диапазон рабочих частот измерительного преобразователя. А реализация таких откликов, особенно в диапазоне высоких частот невозможен, в силу нереализуемости. Поэтому выше было предложено выбор частоты ϖ₁ на низких частотах. Такой подход можно применить с целью получения более достоверных результатов вычислений ε₀ , например, усреднить полученные результаты ε₀.
Такой подход можно применить и для измерительных преобразователей других порядков, а также и для измерительных преобразователей с распределенными параметрами.

Заключение

Проблема нахождения амплитуды отклика измерительного преобразователя на дополнительное воздействие очень проста. Можно выходной сигнал пропустить через полосовой фильтр, настроенный на частоту дополнительного воздействия, и тогда на выходе мы получим нужную нам составляющую.
В заключение можно сказать, что задача исключения влияния нестационарных свойств некоторых параметров, позволяет уменьшить меру неопределенности при восстановлении измеряемого сигнала по показаниям измерительного преобразователя, уменьшает погрешности нестационарной составляющей.

Список использованной литературы.

1.М.А. Щербаков, В.П. Иосифов. Разработка методик обработки откликов с датчиков с короткой длительностью. Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Сер. Технические науки, 2006, №6, с.245-252.
2.М.А. Щербаков, В.П. Иосифов. Восстановление входного сигнала по результатам идентификации динамических характеристик СИ . Известия высших учебных заведений. Поволжский регион. Сер. Технические науки, 2007, №3, с.3-8.
3.Иосифов В.П. Анализ математических моделей измерительных преобразований. Вестник Северо-Кавказского государственного университета, 2005, №4, с. 82-88.
4.Иосифов В.П. Исследование математических моделей измерительных преобразователей датчиков механических величин. Научно-технический журнал. Автоматизация, телемеханизация и связь в нефтяной промышленности. –М: ОАО «ВНИИОЭНГ», 2006.-№2.-С.15-19.
5.Иосифов В.П. Разработка методов синтеза СИ с требуемыми динамическими характеристиками. Научно-технический журнал. Автоматизация, телемеханизация и связь в нефтяной промышленности. –М: ОАО «ВНИИОЭНГ», 2006.-№12. .-С.21-23
6.Иосифов В.П. Рекуррентная процедура метода наименьших квадратов в задачах гидрогеологического моделирования. Научно-технический журнал. Автоматизация, телемеханизация и связь в нефтяной промышленности. –М: ОАО «ВНИИОЭНГ», 2007.-№3,С.31-32
7.Иосифов В.П. Применение параметрических методов спектрального анализа в измерительных процедурах. Москва. Энергоатомиздат -2002г. 150 C.