98955

Характеристики качества приборов и систем

Реферат

Коммуникация, связь, радиоэлектроника и цифровые приборы

Измерения производят с помощью средств измерений – технических средств имеющих нормированные метрологические характеристики. Измерительным прибором называют средство измерений предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме доступной для непосредственного восприятия наблюдателем. Таким образом приборы и системы относятся к классу средств измерений. Отдельные виды и типы средств измерений обладают своими специфическими свойствами.

Русский

2016-07-17

260.5 KB

0 чел.

Министерство образования Российской Федерации

БИЙСКИЙ ТЕХНОЛОГИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ (ФИЛИАЛ)

Государственного образовательного учреждения высшего

профессионального образования «Алтайский государственный технический университет имени И.И. Ползунова»

Кафедра МСИА

Реферат на тему:

Характеристики качества приборов и систем

Выполнили:

студенты гр. ИИТ-02

Павлов А.Н., Новиков А.В.

Руководитель:

доцент кафедры МСИА

Сыпин Е.В.

Бийск – 2004


СОДЕРЖАНИЕ

стр.

Введение ……………………………………………………………………………………

3

1 Погрешность ………………………………...…………………………………………...

4

2 Надежность ……………………………………………………………………………….

7

3 Информационная емкость ……………………………………………………………….

9

4 Статические характеристики ……………………………………………………………

11

5 Динамические характеристики …………………………………………………………

12

Заключение …………………………………………………………………………………

15

Список использованных источников ……………………………………………………..

16


ВВЕДЕНИЕ

Измерения производят с помощью средств измерений – технических средств, имеющих нормированные метрологические характеристики.

Измерительным прибором называют средство измерений, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем.

Измерительная система – совокупность функционально объединенных измерительных, вычислительных и других вспомогательных технических средств для получения измерительной информации, ее преобразования, обработки с целью представления потребителю в требуемом виде либо автоматического осуществления логических функций контроля, диагностирования, идентификации. [1]

Таким образом, приборы и системы относятся к классу средств измерений. Отдельные виды и типы средств измерений обладают своими специфическими свойствами. Вместе с тем средства измерений имеют некоторые общие свойства и характеристики, которые позволяют сопоставлять средства между собой. К таким характеристикам относятся характеристики качества, включающие в себя погрешность, надежность, информационную емкость, статистические и динамические характеристики.

Целью написания реферата является, во-первых, поиск источников, освещающих тему реферата; во-вторых, подробное рассмотрение характеристик качества приборов и систем.


1
Погрешность

Важнейшей характеристикой средства измерений является погрешность, которую оно вносит в результат измерения, или, как принято говорить, погрешность средства измерений. Погрешность измерительного прибора представляет собой разность между показаниями прибора и истинным значением измеряемой величины. [1]

По способу числового выражения погрешности различают на абсолютные, выражаемые в единицах измеряемой величины, и относительные, выражаемые отношением абсолютной погрешности к истинному значению измеряемой величины. Таким образом, абсолютная и относительная погрешности вычисляются по формулам (1.1) и (1.2):

;

(1.1)

,

(1.2)

где  – показание прибора;

– истинное значение измеряемой величины.

Часто вместо относительной погрешности применяется понятие приведенной погрешности средства измерений, выражаемой в виде отношения абсолютной погрешности к условно принятому значению физической величины, например к значению верхнего предела измерений.

Необходимо учитывать, что истинное значение физической величины практически неизвестно. Поэтому вместо истинного значения измеряемой величины приходится в формулы погрешностей подставлять действительное значение, найденное экспериментально и настолько близкое к истинному, что для данных целей измерений может использоваться вместо него. [2]

Для измерительных преобразователей погрешность может быть определена как по входу, так и по выходу преобразователя. Погрешность преобразователя по входу

,

(1.3)

где  – функция, обратная номинальной статической характеристике преобразователя ;

– действительное значение входной величины;

– действительное значение выходной величины.

Погрешность преобразователя по выходу

.

(1.4)

Погрешности средства измерений зависят от внешних условий (влияющих величин), поэтому их принято делить на основную и дополнительные. Основной погрешностью средства измерений называют погрешность в условиях, принятых за нормальные для данного средства. Дополнительные погрешности средства измерений возникают при отклонении влияющих величин от нормальных значений (нормальных областей значений).

Если статическая характеристика преобразования средства измерений имеет вид

,

(1.5)

где y – выходная величина;

x — входная величина;

– влияющие величины,

то изменение выходной величины  определяется не только изменением измеряемой величины , но и изменениями влияющих величин . В этом случае

.

(1.6)

В выражении (1.6) второй и последующие члены правой части являются составляющими погрешности. Если изменения влияющих величин находятся в пределах нормальных условий, то все указанные составляющие входят в состав основной погрешности. При отклонении влияющих величин за пределы нормальных условий приращения указанных составляющих образуют дополнительные погрешности от изменения величин .

Функции , , … ,  называются функциями влияния, в которых , , … ,  – нормальные значения влияющих величин; , , … ,  – влияющие величины, для которых определяют дополнительные погрешности. Производные , , … ,  называются коэффициентами влияния.

В зависимости от режима работы (статического или динамического) используемого средства измерений различают погрешности в статическом режиме (статические погрешности) и погрешности в динамическом режиме. В статическом режиме измеряемая величина и выходной сигнал, по которому оценивают результат измерения, являются неизменными во времени. В динамическом режиме выходной сигнал изменяется во времени. Инерция (тепловая, механическая, электрическая) средства измерений приводит к тому, что выходной сигнал не может правильно реагировать на быстрые изменения входной измеряемой величины, искажая таким образом представление о характере этих изменений. Погрешность, обусловленную инерционными свойствами, называют динамической погрешностью и определяют ее как разность между погрешностью в динамическом режиме и статической погрешностью, соответствующей значению измеряемой величины в данный момент времени.

Погрешности средств измерений могут иметь систематические и случайные составляющие.

Систематические погрешности представляют собой такие составляющие погрешности средства измерений, которые при неоднократном использовании средства измерений остаются постоянными или изменяются закономерно. Эти погрешности поддаются изучению и учету, в силу чего результат измерений может быть уточнен путем внесения поправок. Более того, стремятся создать средство измерений таким образом, чтобы исключить влияние систематических погрешностей.

Случайные составляющие приводят к неоднозначности показаний. Поэтому случайные составляющие погрешностей средств измерений стараются сделать незначительными по сравнению с другими составляющими. Большинство серийных измерительных приборов обладает этим свойством. Однако в приборах высокой чувствительности и точности случайная составляющая может быть соизмерима с систематической.

Важной характеристикой средств измерений является вариация выходного сигнала, под которой понимают разность между значениями информативного параметра выходного сигнала, соответствующими одному и тому же действительному значению входной величины при двух направлениях медленных изменений входной величины в процессе подхода к выбранному значению входной величины.

По зависимости от измеряемой величины погрешности средства измерений разделяют на аддитивные и мультипликативные.

Аддитивные (абсолютные) погрешности не зависят от измеряемой величины. Мультипликативные (абсолютные) погрешности изменяются пропорционально измеряемой величине. Могут быть составляющие, имеющие более сложную зависимость от измеряемой величины, например, так называемые погрешности от нелинейности статической характеристики преобразования.

Различают погрешности конкретного экземпляра средства измерений и погрешности типа средств измерений. Тип средств измерений – совокупность средств измерений, имеющих одинаковые устройство, функциональное назначение и нормируемые характеристики.

Погрешность конкретного средства измерений характеризует только данный экземпляр средства измерений. Такая погрешность, обычно известная только для средств измерений, изготовленных в единичном экземпляре, или малой партией, или для специально поверенных средств измерений. Погрешность типа средств измерений характеризует всю совокупность экземпляров данного типа. Погрешность любого экземпляра данного типа не может превышать погрешности типа. Для приборов массового производства указывается погрешность типа. [1]

2 Надежность

Одной из важных характеристик средства измерения является метрологическая надежность, под которой понимают сохранение точностных характеристик средства измерений в заданных пределах в установленный период его эксплуатации при определенных внешних условиях окружающей среды. С понятием надежности связано понятие отказа – нарушения работоспособности средства измерений. Различают внезапный отказ, когда средство измерений полностью теряет свою работоспособность, например, вследствие обрыва цепи, и постепенный отказ, когда с течением времени метрологические характеристики выходят за допустимые пределы. [1]

Между тем такое понимание надежности является условным. Действительно, если имел место выход погрешности прибора за допускаемое значение только в одной точке диапазона измерений, то это еще не говорит о невозможности использования данного прибора для измерений. Это тем более справедливо, если прибор многопредельный или предназначен для измерений многих физических величин.

В связи с этим появился интерес к понятию «метрологическая надежность». Но полного решения этот вопрос еще не получил.

В качестве одного из способов описания метрологической надежности можно использовать задание изменения во времени пределов допускаемой систематической погрешности прибора, математического ожидания и среднего квадратического отклонения систематической погрешности средств измерений данного типа, их допускаемого среднего квадратического отклонения случайной погрешности и допускаемого значения суммарной погрешности; допускаемых значений вариации выходного сигнала или показаний прибора; входного импеданса средств измерений или выходного импеданса преобразователя; динамических характеристик средств измерений; функции влияния.

Выбор из перечисленных характеристик целесообразного набора должен обусловливаться спецификой рассматриваемого средства измерений и условий его эксплуатации. Существенной задачей в этом вопросе будет разработка математической модели развития процессов погрешности во времени для каждого вида нормируемой характеристики прибора. [3]

Применяют следующие показатели надежности: безотказность, ремонтопригодность (для восстанавливаемых средств измерений), долговечность.

Для средств измерений показатели безотказности характеризуются средней наработкой на отказ (среднее значение наработки средства измерения между отказами) и вероятностью безотказной работы за заданный промежуток времени. При этом имеется в виду не только выход из строя какого-либо элемента средства измерения и соответственно прекращение его работы, но и обязательное сохранение метрологических характеристик (погрешности, чувствительности, быстродействия и др.) при указанных условиях. Обозначив через  время от момента включения средства измерения в работу до момента, когда по каким-либо причинам оно вышло из строя или уже не отвечает своим метрологическим параметрам, а через t рассматриваемый промежуток времени,  – случайная величина и поэтому

,

(2.1)

где  – вероятность того, что данное средство измерения будет работоспособно в рассматриваемый промежуток времени. Применяются и другие вероятностные характеристики (например, время восстановления и др.).

В настоящее время в технических условиях на любое средство измерения указываются требования к характеристикам надежности. Например, за t = 1000 ч величина p(t) должна быть не менее 0,85, т. е. . [4]

В качестве показателя ремонтопригодности стандарт устанавливает среднее время восстановления средства.

Долговечность средств измерений оценивается гамма-процентным ресурсом (наработка, в течение которой средство измерений не достигает предельного состояния с вероятностью γ процентов) и сроком службы (календарной продолжительностью эксплуатации средства измерений до предельного состояния). Предельное состояние наступает тогда, когда обычные виды ремонта не позволяют поддерживать работоспособность прибора на требуемом уровне. В технических требованиях на средство измерения задаются обычно оба показателя долговечности, поскольку гамма-процентный ресурс определяется наработкой прибора (независимо от календарного времени эксплуатации), а срок службы – календарным временем эксплуатации (независимо от наработки). Обычно в технических требованиях под сроком службы понимают среднее его значение. [2]

3 Информационная емкость

Информационная емкость – это максимальное количество информации, которое может быть передано от данного прибора в единицу времени

,

(3.1)

,

(3.2)

,

(3.3)

где  – средняя неопределенность передаваемого сообщения (априорная);

– средняя неопределенность принимаемого сообщения (апостериорная);

T – время передачи информации;

,  – априорная и апостериорная энтропии, приходящиеся на единицу времени.

Для дискретного (цифрового) прибора, передающего m сообщений за время Т, каждое из которых имеет длительность , информационная емкость равна

,

(3.4)

где  – время передачи всех m отдельных сообщений.

Тогда при

.

(3.5)

Например, для сигналов, имеющих два состояния (m = 2),

.

(3.6)

Минимальное значение  ограничено предельным значением полосы пропускания канала передачи .

При передаче информации простейшими двоичными сигналами и когда форма импульса не важна, выбирают . Тогда

.

(3.7)

Пропускная способность канала также может быть определена на основе теоремы Котельникова. Если известно, что верхняя частота частотного диапазона , то количество информации в каждом отсчете при равномерном распределении величины x в диапазоне  и погрешности , равно:

.

(3.8)

Пропускная способность определится как

.

(3.9)

Теоретически информационная емкость при наличии помех определяется согласно формуле Хартли-Шеннона

,

(3.10)

где  – ширина полосы частот;

– средняя мощность сигнала;

– средняя мощность помех с нормальным законом распределения амплитуд и равномерным спектром в полосе частот.

Из равенства (3.10) следует, что при  информационная емкость близка к нулю. С уменьшением  емкость С неограниченно возрастает, но на практике это невозможно из-за наличия различных аппаратурных погрешностей. [5]

4 Статические характеристики

Различают статические и динамические свойства средства измерений. Статические свойства средства измерений проявляются при статическом режиме его работы, т. е. когда выходной сигнал средства считается неизменным при измерении; динамические свойства – при динамическом режиме работы средства измерений, при котором выходной сигнал средства изменяется во времени при его использовании. [1]

Статическая характеристика средства измерения – это функциональная зависимость между входной и выходной величинами:

.

(4.1)

Характеристики средств измерений подразделяют на заданную, расчетную и экспериментальную.

Заданная характеристика идеально отражает связь между x и y:

.

(4.2)

Расчетная характеристика имеет вид

,

(4.3)

где  – конструктивные параметры, характеризующие средство измерения;

– внутренние дестабилизирующие факторы (термо ЭДС, трение в опорах и др.).

Если значения параметров  соответствуют заданным значениям , … , , а внутренние дестабилизирующие факторы , то характеристику называют расчетно-номинальной:

.

(4.4)

По этой характеристике обычно осуществляют согласование элементов средства измерения.

Экспериментальная характеристика может быть установлена на основе эксперимента [4]

.

(4.5)

5 Динамические характеристики

Динамические характеристики – характеристики инерционных свойств средства измерения, определяющие зависимость выходного сигнала средства измерений от меняющихся во времени величин: параметров входного сигнала, внешних влияющих величин, нагрузки. Динамические свойства средства измерений определяют динамическую погрешность. Реальные средства измерений обладают динамическими (инерционными) свойствами из-за наличия элементов, запасающих энергию, например подвижных элементов, обладающих определенной массой, и упругих элементов в электромеханических приборах, емкостей и индуктивностей в измерительных цепях и т.д., что приводит к более сложной зависимости между x(t) и у(t).

В зависимости от полноты описания динамических свойств средств измерений различают полные и частные динамические характеристики.

Полная динамическая характеристика – характеристика, однозначно определяющая изменения выходного сигнала средства измерений при любом изменении во времени информативного или неинформативного параметра входного сигнала, влияющей величины или нагрузки. К полным динамическим характеристикам относят дифференциальное уравнение, переходную характеристику, импульсную переходную характеристику, амплитудно-фазовую характеристику, совокупность амплитудно-частотной и фазово-частотной характеристик, передаточную функцию.

Динамическая характеристика широкого класса средств измерений может быть описана с помощью дифференциального уравнения, вид которого определяется инерционными свойствами средства измерения.

Переходная характеристика  есть реакция средства измерений на входное воздействие , представляющее собой единичный скачок . Эту характеристику находят либо опытным путем, либо решая соответствующее дифференциальное уравнение при .

Импульсная переходная характеристика  есть реакция средства измерений на входное воздействие в виде дельта-функции . Поскольку , то . Как и дифференциальное уравнение, переходная или импульсная характеристики в полной мере определяют динамические свойства средства измерений.

Амплитудно-фазовой характеристикой называется выражение

.

(5.1)

На практике также широкое распространение получила совокупность амплитудно-частотной  и фазо-частотной характеристики , которые определяются непосредственно из выражения для амплитудно-фазовой характеристики.

Передаточная функция – это отношение изображений по Лапласу выходного и входного сигналов

,

(5.2)

где ,  – изображения по Лапласу сигналов  и .

Кроме того, передаточная функция средства измерений является полной математической моделью средства измерений.

Частная динамическая характеристика не отражает полностью динамических свойств средства измерений. К частным динамическим характеристикам аналоговых средств измерений, которые можно рассматривать как линейные, относят любые функционалы или параметры полных динамических характеристик. Примерами таких характеристик для аналоговых приборов являются время реакции средства измерений, коэффициент демпфирования, значение резонансной собственной угловой частоты, значение амплитудно-частотной характеристики на резонансной частоте.

Для измерительных приборов время реакции – время установления показаний прибора, т. е. время от момента скачкообразного изменения измеряемой величины до момента установления с определенной погрешностью показания, соответствующего установившемуся значению измеряемой величины.

Для измерительных преобразователей время реакции – время установления выходного сигнала, определяемое при скачкообразном изменении входного сигнала и заданной погрешности установления выходного сигнала.

Для цифровых устройств, время реакции которых превышает интервал времени между двумя измерениями, соответствующими максимально возможной для данного типа средств измерений частоте (скорости) измерений установлены следующие частные динамические характеристики: максимальная частота измерений и погрешность датирования отсчета.

Если время реакции не превышает интервал времени между двумя измерениями, то устанавливают частные динамические характеристики: время реакции, максимальную частоту измерений и погрешность датирования отсчета.

Погрешность датирования отсчета цифрового прибора – интервал времени, начинающийся в момент начала цикла преобразования (запуска) цифрового устройства и заканчивающийся в момент, когда значение изменяющейся измеряемой величины и значение выходного цифрового сигнала на данном цикле преобразования оказались разными. [1]


ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В работе был проведен поиск и анализ источников, освещающих характеристики качества приборов и систем, таких как погрешность, надежность, информационная емкость, статические и динамические характеристики, которые были подробно рассмотрены и изложены в реферате.


СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

1 Основы метрологии и электрические измерения: Учебник для вузов/ Б.Я. Авдеев, Е.М. Антонюк, Е.М. Душин и др.; Под ред. Е.М. Душина. – 6-е изд., перераб. и доп. – Л.: Энергоатомиздат. Ленингр. отд-ние, 1987. – 480 с.: ил.

2 Измерения в электронике: Справочник / В.А. Кузнецов, В.А. Долгов, В.М. Коневских и др.; Под ред. В.А. Кузнецова. – М.: Энергоатомиздат, 1987. – 512 с.: ил.

3 Аналоговые электроизмерительные приборы: Учеб. пособие для вузов/ Дмитриев Ф.С., Кисилева Е.А., Лебедев Г.П. и др.; Под ред. А.А. Преображенского. – М.: Высш. школа, 1979. – 352 с., ил.

4 Алиев Т.М., Тер-Хачатуров А.А. Измерительная техника: Учеб. пособие для тенх. вузов. – М.: Высш. шк., 1991. – 384 с.: ил.

5 Информационно-измерительная техника и технологии: Учеб. для вузов/ В.И.Калашников, С.В. Нефедов, А.Б. Путилин и др.; Под ред. Г.Г. Раннева. – М.: Высш. шк., 2002. – 454 с.: ил.


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

42606. Табличный процессор Microsoft Excel 94.5 KB
  Настроить внешний вид таблицы – выделить ее выбрать Формат Ячейки. В закладке Число нажать на кнопку – выбрать ячейку В2 Должно получиться: Число В2 = 0. В закладке Число для функции BS нажав на кнопку – выбрать ячейку С2 Должно получиться: Число С2 = 0. Выбрать: График самый верхний левый; Нажать Далее посмотреть вид графика; Нажать Далее; Заполнить: Название диаграммы: график функций f1x f2x Ось Х: х радианы Ось Y: f1x f2x.
42607. Постмодернистские теории Н. Луман, Э. Гидденс 16.15 KB
  Исследование диаграмм компонентов и развертывание обретение навыков в их использовании. Диаграмма компонентов Архитектура ПО это представление ПО с помощью базовых элементов трех типов: компонентов соединителей и данных. Диаграмма компонентов Component digrm описывает физическое представление системы и обеспечивает переход от логического представления к реализации проекта в форме программного кода. Стереотипы компонентов такие: база данных DB; модуль который выполняется .
42608. Кинематическая схема токарно-винторезного станка ТВ-4 181 KB
  Углубить знания по устройству и принципу работы токарно-винторезного станка ТВ-4. Приобрести практические навыки составления и расчета уравнений кинематического баланса.Оборудование и инструмент: токарно-винторезный станок ТВ-4, плакаты отдельных узлов станка, кинематическая схема станка. Изучите кинематическую схему станка по методическому пособию.
42609. Изучение работы жидкостного U-образного манометра и комплекта приборов для измерения давления пневматической ветви ГСП 67.5 KB
  В процессе выполнения лабораторной работы студенты закрепляют знания по разделу Измерение давления и Дистанционная передача сигнала измерительной информации теоретического курса Технические измерения и приборы. Студенты знакомятся с принципом действия устройством преобразователя измерительного разности давления пневматического 13ДД11 в комплекте с вторичным прибором РПВ4. Стенд предназначен для выполнения лабораторной работы по изучению работы измерительного преобразователя разности давления пневматического 13ДД11 в...
42610. Изучить содержание панели управления NC, записать назначение функциональных клавиш, записать команды изменения функций клавиш F1 – F10 47.5 KB
  Для входа в меню надо нажать клавишу [F9]. В верхней строке экрана появится строка меню, содержащая следующие пункты “Левая”, “Файл”, “Диск”, “Команды”, “Правая”. Пункты меню ”Левая” и “Правая” задают режимы вывода информации соответственно в левой и правой панелях NC. Пункт меню “Файл” дает возможность производить разные операции над файлами
42611. Текстовый редактор MS WORD 64 KB
  Цель работы – настройка параметров текстового редактора MS WORD; создание документа и шаблона в текстовом редакторе MS WORD; основные приемы форматирования документа MS WORD имеющего сложную структуру. Создание документа включает выбор параметров документа: размера бумаги величины полей пространственной ориентации листа и т. Редактирование документа подразумевает исправление всевозможных ошибок в тексте внесение изменений в текст документа. Форматирование документа оформление документа с целью задания ему требуемой...
42613. Використанням складних нейромереж в системах розпізнавання образів 1.63 MB
  Зворотне розповсюдження (Backpropagation algorithm) - це найпопулярніший алгоритм для навчання за допомогою зміни ваги зв'язків. Помилка розраховується від вихідного шару до вхідного, тобто в напрямі, протилежному напряму проходження сигналу при нормальному функціонуванні мережі. Хоча алгоритм достатньо простий, його розрахунок може зайняти досить багато ресурсу, залежно від розміру помилки.