Погрешности результатов измерений, испытаний и контроля при автоматизации: источники погрешностей, расчет погрешностей, нормируемые метр

Министерство  образования и науки РФ

Государственное бюджетное общеобразовательное  учреждение

высшего и профессионального  образования

Тверской государственный  технический университет

Кафедра АТПП

 

 

Реферат по дисциплине: «Автоматизация измерений, контроля и испытаний»

на тему: «Погрешности результатов измерений, испытаний и контроля при автоматизации: источники погрешностей, расчет погрешностей, нормируемые метрологические характеристики автоматизированных устройств измерений, испытаний и контроля»

 

 

Выполнила:

Студентка 1 курса

Группы СМ-М-12

Конобеевская  Ю. Б.

Проверил:

Хазов И.Ю.

 

 

 

 

 

 

Тверь 2012

Нормативные ссылки

 

В настоящей работе использовали ссылки на следующие стандарты и другие нормативные документы:

ГОСТ 8.009-84. Государственная  система обеспечения единства измерений. Нормируемые метрологические характеристики средств измерений.

РД 50-453-84. Методические указания. Характеристики погрешности средств  измерений в реальных условиях эксплуатации. Методы расчёта.

МИ 2232-2000. ГСИ. Обеспечение  эффективности измерений при управлении технологическими процессами. Оценивание погрешности измерений при ограниченной исходной информации.

 МИ 1317-2004. ГСИ.  Результаты и характеристики  погрешности измерений. Формы  представления. Способы использования  при испытаниях образцов продукции и контроле их параметров.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Оглавление стр.

 

 

 

 

 

 

 

 

Введение

 

Под определением системы автоматизации следует понимать совокупность приборов и средств автоматизации  (измерительной, преобразующей, передающей, исполнительной и другой аппаратуры, а также вычислительной техники), связанных между собой каналами связи в единые системы. Например, измерительные системы, системы автоматического   управления   (регулирования),   системы сигнализации, защиты и управления технологическим процессом.

В показывающих приборах измерительная информация воспроизводится положением стрелки или какого-либо другого указатели относительно отметок шкалы прибора. Шкала представляет собой совокупность отметок, расположенных вдоль какой-либо линии, и проставленных около некоторых из них чисел отсчета или других символов, соответствующих ряду последовательных значений измеряемой величины. [1]     

Для каждого измерительного прибора устанавливается диапазон показаний - область значений шкалы, ограниченная начальным и конечным ее значением.    

Любые технические измерения относительны, поскольку всегда существует положительная или отрицательная разность между наблюдаемым или численным значением измеряемой величины и ее истинным значением, называемая погрешностью. Таким образом, погрешность — это отклонение результата измерения от истинного значения измеряемой величины.[2]

Целью данной работы является рассмотрение вопросов, касающихся погрешностей результатов измерений, испытаний и контроля при автоматизации

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие  задачи:

1. Рассмотреть причины возникновения погрешностей результатов измерений, испытаний и контроля, возникающих при автоматизации;
2. Проанализировать методы расчета  погрешностей результатов измерений, испытаний и контроля, возникающих  при автоматизации;
3. Описать нормируемые метрологические характеристики средств измерений при автоматизации и рассмотреть методы их определения.

1 Источники погрешностей результатов  измерений, испытаний и контроля  при автоматизации.

 

В результате измерения  неизвестной входной величины х получается ее приближенное значение х* (с погрешностью е). Под погрешностью понимается степень близости результата измерения к истинному значению измеряемой величины.

Погрешность измерения  е вызывается, во-первых, неточностью  изготовления аппаратуры, изменением ее характеристик во времени, чувствительностью к неконтролируемым внешним мешающим воздействиям у, а во-вторых, неточностью самого метода измерения. В соответствии со сказанным можно различать аппаратурную и методическую составляющие общей погрешности. Так как факторы, вызывающие появление погрешности измерения, вообще говоря, имеют случайный характер, то и погрешность измерения следует рассматривать как случайную величину. [2]

Для выполнения автоматизированных измерений используют датчики и  измерительные преобразователи, измерительные модули ввода аналоговых сигналов, обработку результатов измерений на компьютере или в контроллере. При этом на погрешность результата измерений оказывают влияние следующие факторы:

• сопротивление  кабелей;

• соотношение между входным импедансом средства измерений и выходным импедансом датчика;

• качество экранирования  и заземления, мощность источников помех;

• погрешность  метода косвенных, совместных или совокупных измерений;

• наличие внешних  влияющих факторов, если они не учтены в дополнительной погрешности средства измерений;

• погрешность  обработки результатов измерений  программным обеспечением.

Все погрешности, которые не могут быть учтены в  процессе сертификационных испытаний  и внесены в паспорт средства измерений, а появляются в конкретных условиях применения, относятся к методическим.[3]

 В отличие  от них, инструментальные погрешности  нормируются в процессе производства  измерительного прибора и заносятся  в его эксплуатационную документацию. Таким образом, если в состав смонтированной автоматизированной измерительной системы входят средства измерений с нормированными погрешностями, то погрешность, вызванная ранее перечисленными факторами, является методической. Если же выполняется сертификация всей измерительной системы, то методические погрешности могут быть учтены в погрешности всей системы, и тогда они переходят в разряд инструментальных.[4]

Для расчёта  или измерения методической погрешности  трудно дать общие рекомендации. Каждый конкретный случай требует отдельного рассмотрения.

Погрешность программного обеспечения (ПО) оценивается как разность между результатами измерений, полученными данным ПО и эталонным ПО. Под эталонным понимается программное обеспечение, высокая точность которого доказана многократными испытаниями и тестированием. Понятие эталонного ПО является условным и определяется соглашением между заказчиком аттестации и исполнителем. В качестве эталонного может быть использовано ранее аттестованное ПО.

К основным источникам погрешностей ПО относятся:

• ошибки записи исходного текста программы и ошибки трансляции программы в объектный код;

• ошибки в алгоритме  решения измерительной задачи;

• ошибки в таблицах для линеаризации нелинейных характеристик  преобразования;

• применение неустойчивых или медленно сходящихся алгоритмов при решении плохо обусловленных измерительных задач;

• ошибки преобразования форматов данных;

• ошибки округления и др.

Надёжность (достоверность) ПО обеспечивается средствами защиты от несанкционированных изменений, которые могут явиться причиной появления не учтённых при аттестации погрешностей.[4]

2 Достоверность измерений

В процессе выполнения измерений могут появиться грубые ошибки (промахи), которые делают измерения  недостоверными, несмотря на применение очень точных измерительных приборов. Здесь под достоверностью понимается степень доверия к полученным результатам. Достоверность может быть низкая при наличии погрешностей, о существовании которых экспериментатор не догадывается. Достоверность при использовании автоматизированных измерительных систем снижается с ростом их сложности и существенно зависит от квалификации персонала проектирующей и монтажной организаций.

Главным методом  обеспечения достоверности является сопоставление результатов измерения  одной и той же величины разными, не связанными друг с другом способами. Например, после монтажа системы измерения температуры в силосе элеватора следует сравнить показания автоматизированной системы и автономного контрольного термометра, чтобы убедиться в правильности показаний автоматизированной системы.[3]

 Несколько примеров, иллюстрирующих случаи, когда, несмотря на применение точных средств измерений, получаются совершенно ошибочные данные, вводящие человека в заблуждение.

Пример 1. Для  измерения температуры воздуха  в теплице использован датчик температуры с погрешностью ±0,5°С. Однако датчик установлен таким образом, что в некоторые часы на него падают прямые лучи солнца, которые нагревают датчик, но не изменяют температуру воздуха. При этом погрешность измерения температуры воздуха может составить +5°С, что позволяет квалифицировать результат измерения как недостоверный.

Пример 2. Для  измерения температуры в силосах  элеватора установлены точные датчики  и сделан тщательный монтаж, но расположенный  на крыше элеватора ретранслятор сотовой связи оказался незамеченным, и не было принято достаточных мер для защиты от помех. При этом погрешность измерения температуры может составить +10°С вследствие помех, наведённых передатчиком в сигнальных кабелях системы.

Пример 3. В автоматизированной системе для измерения параметров продукции использован модуль ввода с погрешностью +0,05%, однако при наладке системы программист поошибке установил частоту помехоподавляющего режекторного фильтра не 50, а 60 Гц. Проведённые приёмо-сдаточные испытания системы не позволили выявить эту ошибку. В результате погрешность измерений вследствие наведённой помехи с частотой 50 Гц может повыситься до +10% вместо ожидаемых ±0,05%.

В приведённых  примерах сложно обнаружить наличие  погрешности в процессе сдачи  системы в эксплуатацию, она может появляться в особых условиях эксплуатации. Это приводит к снижению достоверности измерений, несмотря на высокую инструментальную точность использованных технических средств.

Общий подход к  решению проблемы заключается в  применении второй, независимой системы или методики измерений для обнаружения ошибок. Можно использовать также целый комплекс мер, включая подбор персонала, соблюдение графика поверки, тщательность выполнения типовых и сертификационных испытаний системы, соблюдение методики измерений и обслуживания измерительной системы.

Термин «достоверность»  иногда используется во втором его  значении — для указания вероятности  того, что измеренное значение находится  в заданном доверительном интервале [3] при условии, что все промахи и ошибки измерительной системы и методики измерений исключены. Количественным выражением достоверности в данном случае является доверительная вероятность. Следует различать эти два значения одного и того же термина.

 

3 Расчет погрешностей измерений, испытаний и контроля при автоматизации

 

Измерительные каналы систем автоматизации могут включать в  себя несколько средств измерений  различных типов, например, датчики, измерительные преобразователи, модули аналогового и частотного ввода  и вывода. Погрешность такой системы желательно определять экспериментальным путем, однако это не всегда возможно или целесообразно. В таких случаях используют расчетный метод.[5]

 3.1 Исходные данные для расчета

 

Исходными данными  для расчета погрешности измерительных  каналов являются [ГОСТ 8.009-84]:

- метрологические характеристики средств измерений;

- погрешность метода измерений (методическая погрешность);

- характеристики влияющих величин (например, окружающая температура, влажность);

- характеристики измеряемого сигнала.

ГОСТ 8.009-84 для всех типов средств измерений устанавливает следующий комплекс метрологических характеристик, который указывается в эксплуатационной документации на средства измерений:

- систематическая составляющая основной погрешности;

- среднеквадратическое отклонение случайной составляющей основной погрешности;

- дополнительная погрешность для каждой из влияющих величин;

- динамическая погрешность.

Некоторые средства измерений обладают гистерезисом - для них кроме перечисленных  погрешностей указывается случайная составляющая основной погрешности, вызванной гистерезисом.[6]

Основная погрешность  может быть указана без разделения ее на части (на систематическую, случайную  и погрешность от гистерезиса), и  этот вариант является наиболее распространенным. Случайную составляющую указывают в случае, когда она больше 10% от систематической [ГОСТ 8.009-84].

Дополнительная  погрешность указывается в виде функции влияния внешнего фактора на основную погрешность или ее составляющие: систематическую и случайную. Обычно эта функция представляет собой линейную зависимость и тогда указывается только коэффициент влияния, например, 0,05%

Динамическая  погрешность указывается с помощью одной из следующих характеристик: импульсная, переходная, амплитудно-частотная и фазочастотная, амплитудно-фазовая характеристика, передаточная функция. Для минимально-фазовых цепей указывается только ампитудно-частотная характеристика, поскольку фазо-частоная однозначно может быть получена из амплитудно-частотной характеристики.[6]

Для расчета методической погрешности могут быть указаны сопротивления проводов, среднеквадратическое значение или спектральная плотность помех в них, емкость, индуктивность и сопротивление источника сигнала, а также другие факторы, которые возникают при создании системы, включающей средства и объект измерений.