Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

КУРСОВАЯ РАБОТА

По дисциплине: «Информационно-измерительные системы»

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

1. Определение структуры ИИС

2. Расчет метрологических характеристик ИК

3. Экспериментальное определение значений функции преобразования ИК ИИС

4. Установление объема представительной выборки ИК ИИС

5. Установление количества точек по диапазону измерения

6. Установление продолжительности межповерочных интервалов

Заключение

Список литературы



ВВЕДЕНИЕ

Цель курсовой работы - овладение методами расчета метрологических характеристик измерительных каналов информационно-измерительных систем (ИИС).

Для конкретных измерительных каналов информационно-измерительных систем или измерительно-вычислительных комплексов необходимо выполнить следующие виды работ:

1. Определить структуру ИИС и устройство сопряжения с ЭВМ.

2. Рассчитать метрологические характеристики измерительных каналов ИИС по метрологическим характеристикам компонентов:

- для нормальных условий эксплуатации - номинальную статистическую характеристику преобразования ИК - f_н (x);

- определить номинальное значение поправки к показанию на выходе ИК - _ик;

- допустимое отклонение функции преобразования _д ИК от номинальной.

3. Определить значения функции преобразования измерительного канала ИИС на основании результатов эксперимента (по протоколу измерений), предварительно рассчитав: S, u, u.

4. Установить объем представительной выборки ИК.

5. Установить количество исследуемых точек по диапазону измерений.

6. Установить продолжительность межповерочных интервалов по критерию скорости нарастания неопределенности результата измерения.



1. Определение структуры ИИС

Исходные данные:

- число каналов - N_k = 720;

- относительная неопределенность восстановления сигнала - = 0,5%;

- относительная неопределенность преобразования АЦП - _АЦП = 0,15%;

- быстродействие элементной базы - C_э = 610⁵ опер/с.

Структура ИИС и устройство сопряжения с ЭВМ определяется в зависимости от количества функциональных узлов с учетом быстродействия ЭВМ и емкости оперативно запоминающего устройства (ОЗУ).

Быстродействие ЭВМ должно быть не менее 1/C_АЦП при параллельной обработке информации, т.е. C_э >> C_АЦП.

Емкость ОЗУ (Q_ОЗУ) ЭВМ определяется из условия

Q_ОЗУ >> C_АЦПN

Выбор схемы преобразования сигнала следует осуществлять на основании результатов проверки условия теоремы Шенона:

- при последовательном преобразовании

C_э > C_ик; C_к; C_АЦПN

- при параллельном преобразовании

n_АЦП > C_АЦПN / C_Э,

где расчет пропускной способности измерительного канала производится в предположении равенства относительной неопределенности восстановления и измерения сигнала (при равномерном законе распределения вероятности).

где f_с - верхняя граница частотного спектра передаваемого сигнала

бит/с

Пропускная способность АЦП при параллельной обработке измерительной информации

бит/с.

Пропускная способность АЦП при последовательной обработке информации

бит/с.

Частота опроса измерительных каналов коммутатора ИИС:

Пропускаемая способность коммутатора ИИС:

бит/с.

Производительность источника измерительной информации

бит/с.

Так как C_э > С_АЦПN, то по условию теоремы Шенона происходит параллельное преобразование сигнала.

Структурная схема ИИС представлена на рис.1.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1. Структурная схема ИИС

2. Расчет метрологических характеристик измерительных каналов ИИС по метрологическим характеристикам компонентов

Структурная схема ИК устройства связи с объектом управляющего вычислительного комплекса, построенного на базе процессора М-6000 АСВТ-М, представленного на рис. 1.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1. Структурная схема измерительного канала

БН - блок нормализации (БН-12А), предназначенный для преобразования сигналов датчика в унифицированный электрический сигнал;

У - усилитель сигналов низкого уровня;

АЦП - аналого-цифровой преобразователь;

К₁, К₂ - ключи коммутаторов первой и второй ступени.

Исходные данные:

- входной диапазон БН, Ом - 0…33

- выходной диапазон БН, мВ - 0…50

- выходной диапазон У, В - 0…5

Номинальная статистическая характеристика АЦП имеет вид .

Так как возмущение воздействия, вносимые ключами К₁ и К₂ пренебрежимо малы, можно считать их идеальными коммутаторами и полагать для них _к = 0. В табл.1 представлены номинальные значения поправок B_i к коэффициентам преобразования и номинальные значения поправок b_i к значению функции преобразования (при x_i = 0) компонентов ИК по результатам экспериментальных исследований.

Таблица 1

Номер компонента	Параметры
	А, мВ/Ом	а	B	b, В
1	1,515	0	0	6,310-5
2	100	0	-0,27	0
3	1	0	0,009	1810-3

1) Номинальная статистическая характеристика преобразования измерительного канала f_н(x) может быть рассчитана с учетом мультипликативных и аддитивных составляющих номинального преобразования всех компонентов канала.

;



при i = 0, 1, 2, …, N-1

Окончательно

2) На основании исходных данных, определим номинальное значение поправки к показанию на выходе ИК - _ик

;

при i= 0, 1, 2, …, N-1

В⁰ = (В₁+А₁)•(В₂ + А₂)•(В₃ +А₃) = (0+1,515)•(-0,27+100) (0,009+1)=152,45

В¹= (В₂ + А₂)• (В₃ +А₃)= (-0,27+100) • (0,009+1)=100,63

В²=В₃ +А₃= 0,009+1= 1,009

В^N = В³= 1

Окончательно:

3) Рассчитаем допустимое отклонение функции преобразования _д измерительного канала ИВК-7 от номинальной.

Структурная схема ИК представлена на рис. 2.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2. Структурная схема измерительного канала ИВК-7

где У - усилитель Ф799/4; А₁ = 10000 мВ/ 10 мВ = 1000

К - коммутатор Ф799/2; А₂ = 1

Д - делитель напряжения; А₃ = 0,9

АЦП - аналогово-цифровой Преобразователь Ф4221; А₄ = 1

Исходные данные приведены в табл. 2.

Таблица 2

Номер компонента	Характеристика
	Аi	i, мВ	Входной диапазон, мВ
1	1000	10	0…10
2	1	10	0…104
3	0,9	0	0…104
4	1	2	0…103

Введем обозначения

;

,

при i = 1, 2, …, N;

где _i - параметр перебора, который при каждом i = 1, 2, …, N принимает значение 0 или 1;

- постоянная величина, зависящая от закона распределения вероятности результата измерения.

Вычисляем вспомогательные величины:

; при i = 2, 3, … N

; при i = 1, 2, … N

С_i.i+1=1

C_2.4=В₃= 0,9

Введем функцию:

	0000	0001	0010	0011	0100	0101	0110	0111	1000	1001	1010	1011	1100	1101	1110	1111
л1	0	0	0	0	0	0	0	0	10	10	10	10	10	10	10	10
л2	0	0	0	0	10	10	10	10	0	0	0	0	10	10	10	10
л3	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0
л4	0	2	0	2	0	2	0	2	0	2	0	2	0	2	0	2
ч12	100г2	100г2	100г2	100г2	100г2	100г2	100г2	100г2	0	0	0	0	0	0	0	0
ч22	100г2	100г2	100г2	100г2	0	0	0	0	100г2	100г2	100г2	100г2	0	0	0	0
ч32	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0	0
ч42	4/г2	0	4/г2	0	4/г2	0	4/г2	0	4/г2	0	4/г2	0	4/г2	0	4/г2	0
В1	0,9	0,904	0,9	0,904	0,9	0,904	0,9	0,904	0,908	0,902	0,918	0,902	0,908	0,902	0,90	0,902
В2	0,9	0,9004	0,9	0,9004	0,9	0,9004	0,9	0,9004	0,9	0,9004	0,9	0,9004	0,9	0,9004	0,9	0,9004
В3	1	1,004	1	1,004	1	1,004	1	1,004	1	1,004	1	1,004	1	1,004	1	1,004
В4	1	1	1	1	1	1	1	1	1	1	1	1	1	1	1	1
S42	1	1	1	1	1	1	1	1	1	1	1	1	1	1	1	1
S32	1	1,004	1	1,004	1	1,004	1	1,004	1	1,004	1	1,004	1	1,004	1	1,004
S22	0,81	0,813	0,81	0,813	0,81	0,813	0,81	0,813	0,81	0,813	0,81	0,813	0,81	0,813	0,81	0,813
S12	0,81	0,813	0,81	0,813	0,049	0,049	0,049	0,049	0,81	0,816	0,81	0,816	0,862	0,865	0,86	0,87

3. Экспериментальное определение значений функции преобразования ИК ИИС

информационный метрологический измерительный межповерочный

В протоколе №3 «Исследований метрологических характеристик измерительных каналов информационно-вычислительной машины №500» методических указаний приведены данные 6-ти значений результата многократного и допустимое отклонение функции преобразования _доп ИК от номинального значения функции преобразования в каждой из точек.

Необходимо вычислить:

- S - мера неопределенности показаний ИК;

- u - мера неопределенности поправки к показаниям ИК;

- u - мера неопределенности измеряемой величины.

Результаты измерений и расчетов занесем в табл.1.

Таблица 1

Данные в конкретных точках	Результаты измерений в конкретных точках yji	Результаты расчетов
j	xj	доп	1	2	3	4	5	6	Sj	uj	uj
1	10	0,01	9,99	9,98	10,01	10,02	9,97	10,01	0,008028	0,0057735	0,019777
2	30	0,02	29,98	29,97	30,01	30,02	30,01	29,98	0,008466	0,011547	0,028636
j	xj	доп	1	2	3	4	5	6	Sj	uj	uj
3	50	0,03	49,97	50,01	49,99	49,98	50,02	49,99	0,007601	0,0173205	0,03783
4	70	0,02	69,99	70,00	70,01	70,02	69,98	69,97	0,007638	0,011547	0,027689
5	90	0,01	90,01	90,02	90,03	90,01	89,99	90,00	0,005774	0,0057735	0,01633

1) В каждой контрольной точке шкалы определим средние арифметические значения результата измерений по формуле:

где y_ji - результат измерения в j-ой контрольной точке, n_j - число отсчетов в j-ой контрольной точке.

2) В каждой контрольной точке вычисляется стандартное отклонение (мера неопределенности, оцениваемая по типу А):

3) В каждой контрольной точке вычисляется мера неопределенности поправки к показаниям ИК, вычисляемая по типу В. При этом в качестве математической модели неопределенной ситуации принимается равномерный закон распределения вероятности:

4) В каждой контрольной точке вычисляется мера неопределенности измеряемой величины:

Принимаем коэффициент охвата k = 2.

5) По результатам расчетов строятся дискретные значения функции преобразования с учетом полученных значений u_j. Мера неопределенности входного параметра считается пренебрежимо малой.

4. Установление объема представительной выборки ИК ИИС

Объем представительной выборки измерительных каналов, предназначенных для исследования каждого из параметров, рассчитывается по формуле

где N - число ИК, составляющих генеральную совокупность;

t - коэффициент Стьюдента, в зависимости от доверительной вероятности (предполагается нормальный закон распределения);

b - допускаемое отклонение репрезентативности в процентах, определяемая по данным опытной эксплуатации ИК ИИС.

По данным эксплуатации допускаемое отклонение репрезентативности b = 10% должна гарантироваться с вероятностью Р = 0,954.

Для нормального закона распределения вероятности при Р = 0,95 t = 2.

Объем представительной выборки измерительных каналов предназначенных для исследования давления и уровня при количестве каналов - 35

Для исследования расхода при количестве каналов - 85, объем представительной выборки

Для исследования температуры при количестве каналов - 360, объем представительной выборки будет

5. Установление количества точек по диапазону измерения

По результатам опытной эксплуатации получены следующие значения поправок по диапазону измерения (x_i), Гц (табл. 4).

Таблица 4

xi, Гц	10	20	30	40	50	60	70	80	90	100
(xi), 10-3 Гц	-35	-36	-35	-33	-33	-36	-31	-30	-30	-33

Требуемый запас по точности в соответствии с НТД k¹ = 5.

Необходимо определить количество исследуемых точек по диапазону измерений.

В качестве исходных данных для определения количества точек по диапазону измерений используем значения измеряемой величины x₁, x₂, x₃,…, x_n в интервале [10, 100] и значения поправок в этих точках (x₁), (x₂), (x₃),…, (x_n), которые получены в результате предварительных испытаний ИК в период опытной эксплуатации.

Общее количество точек, в которых необходимо проводить исследование, определяется по формуле

(1)

где n - номер высшей существенной гармоники;

g - число точек на полупериоде высшей существенной гармоники ( = 1 или 2).

Для определения n надо провести гармонический анализ (x_i) ИК. Амплитуды гармонических составляющих кривых (x_i) определяются разложением функции в ряд Фурье на интервале [10, 100] и расчетом его коэффициентов b_k.

Оценка значимости коэффициентов производится следующим образом.

Выбираем две точки исследования на полупериоде высшей учитываемой гармоники разложения. При этом условии максимальное отклонение поправки от ее наибольшего значения определяется в соответствии с равенством:

(2)

По значению max_2,n и заданному предельному значению _ик делается заключение о достаточности выбранного количества точек или о его уменьшении до количества, обеспечивающего требуемый запас по точности k¹, который оговорен в НТД на конкретный ИК.

Если (3)

то для расчета необходимого количества исследуемых точек по диапазону измерения следует брать номер высшей существенной гармоники.

Если

то номер n уменьшается до значения, обеспечивающего требуемый запас точности.

1. Расчет амплитуд десяти гармоник по формуле:

(4)

b₁= -0.03756

b₂ =-0.0019

b₃=-0.01075

b₄= -0.00156

b₅= -0.00635

b₆ = -0.00035

b₇ = -0.00205

b₈ = -0.00007

b₉ = -0.000015

b₁₀ = -0.00071

Из формулы (2): max |и|_2,1 = - 0.010894;

max |и|_2,2 = -0,00055;

max |и|_2,3 = -0,00312;

max |и|_2,4 = -0,00045;

max |и|_2,5 = -0,00184;

max |и|_2,6 = -0,0001;

max |и|_2,7 = -0,0006;

max |и|_2,8 = -0,0002;

max |и|_2,9 = -0,00000;4

max |и|_2,10 = -0,00021

6. Установление продолжительности межповерочных интервалов ИК ИИС

При использовании критерия скорости изменения отклонения выходного сигнала от номинального значения V(t_0,1)_i за время, равное M[t_0,1]_i, i-ю оценку межповерочного интервала ИК определяют по формуле:



где k₁ - коэффициент интенсивности работы ИК (при непрерывном цикле, равном 24 часа, k₁ = 1; при периодическом цикле - 0,80,9);

k₂ - коэффициент, учитывающий условия эксплуатации ИК (при отсутствии повышенных вибраций и температуре k₂ = 1; при повышенных вибрациях и температуре окружающей среды относительно тех, которые указаны в НТД на ИИС, принимается равным 1,11,2);

- предельное значение неопределенности результата измерения по аттестату МВИ;

₀ - неопределенность результата измерения, соответствующая установленной норме точности ИК;

V(t_0,1)_i - скорость нарастания неопределенности результата измерения

где M[t_0,1]_i - среднее арифметическое значение времени t_0,1 наработки ИК, в течение которого произошло изменение неопределенности результата измерения на 0,1.

Исходные данные:

- диапазон измерения 0…500С;

- неопределенность результата измерения по конструкторской документации, ₀ = 5,0С;

- предельное значение неопределенности результата измерения по аттестату МВИ, = 3,65С;

- количество исследуемых ИК, N = 1000;

- средняя продолжительность эксплуатации ИК, = 10000;

- заданная доверительная вероятность безотказной работы, Р_н.з.(t) = 0,95;

- допускаемая неопределенность определения времени наступления метрологического отказа, t = 340;

- количество ИК, не соответствующих установленной норме точности, L = 56.

Оценить интервал времени между поверками ИК температуры, если метрологическая аттестация показала, что изменяется следующим образом (табл. 2).

Таблица 2

№ интервала	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
,С	3,80	3,82	3,86	3,90	3,91	3,92	3,93	3,94	3,96	3,97	3,99	4,00

1) Интенсивность метрологических отказов

2) Вероятность безотказной работы ИК в точке P(t) на середине интервала [1; P_н.з.(t)]

3) Значение времени t, соответствующее данной точке

4) Изменение вероятности безотказной работы по метрологическим отказам за интервал времени [t_k, t_k+1]

5) Интервалы времени, за которые вероятность безотказной работы будет изменяться с дискретностью Р:

где i = 1…12;

t₁ = 664,2; t₂ = 1330,9; t₃ = 2000,2; t₄ = 2671,9; t₅ = 3346,2; t₆ = 4021,0; t₇ =

4702,4; t₈ = 5384,4; t₉ = 6069,0; t₁₀ = 6756,2; t₁₁ = 7446,1; t₁₂ = 8138,7.

6) Время наработки ИК, в течение которого _i изменилось на 0,1

где _i - разность между наибольшими значениями неопределенности ИК в момент времени t_i и пределом допускаемой неопределенности результата измерения .

t_(0,1)1 = 1620,9; t_(0,1)2 = 2865,1; t_(0,1)3 = 3484,9; t_(0,1)4 = 3909,7; t_(0,1)5 = 4707,0;

t_(0,1)6 = 5448,4; t_(0,1)7 = 6139,9; t_(0,1)8 = 6786,5; t_(0,1)9 = 7154,4; t_(0,1)10 =

= 7714,1; t_(0,1)11 = 8000,1; t_(0,1)12 = 8492,6.

7) Математическое ожидание

8) Расчет межповерочного интервала

В году 8760 часов, следовательно, межповерочный интервал 8760/660000 = 1,7 года.

За межповерочный интервал принимают T =T_n, если ? ₀ и T = T_n-1, если ? 0.

Т.к. 3,65 < 5, то T = T_n = 1,7 года.



ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Измерение метрологических характеристик ИК ИИС состоит в проведении многократного измерения выходного сигнала в разных точках диапазона в условиях, максимально приближенных к реальным рабочим условиям эксплуатации ИИС.

На вход ИК подают последовательность значений сигнала в пяти контрольных точках шкалы от минимального значения до максимального и регистрируют значения выходных сигналов.

Нормируемыми метрологическими характеристиками измерительных каналов (ИК) являются:

· номинальная статистическая функция преобразования ИК - f_н (x);

· номинальное значение поправки к показанию на выходе ИК - _ик;

· допустимое отклонение функции преобразования _д ИК от номинальной;

· неопределенность показаний ИК - S;

· неопределенность поправки к показаниям ИК - u;

· неопределенность измеряемой величины - u.

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ

1. Информационно-измерительные системы: Рабочая программа, задания на курсовую работу. - СПб.: СЗТУ, 2011.

2. Благовещенская М.М., Злобин Л.А. Информационные технологии систем управления технологическими процессами. - М.: Высшая школа, 2009.-768 с.

3. Цифровые системы управления. А.Е. Краснов, Л.А. Злобин, Д.Л. Злобин. Учебник для высших учебных заведений 2012.

Размещено на Allbest.ru