CC BY
54
УДК 621.317
Бростилов С.А., Горячев Н.В., Бростилова Т.Ю.
ПГУ
МЕТРОЛОГИЧЕСКИЙ АНАЛИЗ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ПОДСИСТЕМЫ ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ ДЛЯ ИССЛЕДОВАНИЯ
СРЕДСТВ ВОЗДУШНОГО ОХЛАЖДЕНИЯ
С целью объективной оценки возникновения погрешностей в информационно-измерительной системе (ИИС), построим метрологическую модель измерительной подсистемы ИИС исследования средств воздушного охлаждения, описание которой приведено в [1]. В подсистему устанавливается исследуемое средство охлаждения, нагреватель и датчик температуры (рисунок 1) [2]. Последний включает в свой состав
первичный преобразователь, аналого-цифровой преобразователь. В качестве датчика температуры применен цифровой датчик со встроенным аналого-цифровым преобразователем. Исходя из этого, измерительная подсистема рассматривается в дальнейшем, как цифровое средство измерения.
Рисунок 1 - структурная схема измерительной подсистемы
Известно, что, также как и при использовании аналогового средства измерения, погрешности цифрового средства измерения, складываются из погрешностей сопутствующих процессу измерения и собственной погрешности средства измерения [3] .
В процессе измерения выделяют следующие погрешности:
Погрешность согласования.
Субъективная погрешность.
Погрешность дискретизации.
В свою очередь погрешности цифрового средства измерения, в первую очередь делятся на методическую и инструментальную. В практике, удобно разделять инструментальную погрешность на статическую и динамическую.
Между тем, отметим, что суммарная погрешность непосредственно цифрового датчика температуры определяется суммой нескольких погрешностей:
- Погрешность дискретизации. Зависит от разрядности входящего в состав датчика АЦП.
- Дискрет индикатора. Является аналогом стрелочной цены деления, приближенно можно считать, что это последний цифровой разряд индикатора.
- Статистическая погрешность аналоговой части датчика.
- Систематическая погрешность (рисунок 2). Зависит от рабочего диапазона датчика и, как правило, указывается в технической документации.
- Погрешность методики измерения.
0.9-
U.Ev
0.4
-0.6
-0.8-1---1--1-;---------1-1--:--1-----1--1--
0 10 20 30 +С БО БЭ 70
RE=ERENCE TEMPERATURE (°С)
Рисунок 2 - Систематическая погрешность датчика температуры
Таким образом, суммарная погрешность заявленная производителем примененного в подсистеме датчика температура составляет ±0.5°С (это значение характеризует разброс характеристик датчиков в одной партии) [4]. Действительная абсолютная погрешность какого-либо конкретного из них оценивает-
ся как ±0.1-0.2°С (в зависимости от схемы включения). Диапазон чувствительности датчика - от -40°С до +125°С. Причем на краях этого диапазона нелинейные эффекты составляют всего несколько процентов.
По аналогии с результатами исследования [5] составим метрологическую модель измерительной подсистемы средств охлаждения. Модель представлена на рисунке 3.
Рисунок 3 - Метрологическая модель ИПСО
При создании метрологической модели приняты следующие обозначения:
ДЛ - погрешность обусловленная нелинейностью нагревательного элемента.
ДК - погрешность корпуса датчика.
Дпаст - погрешность обусловленная применением теплопроводной пасты.
Д^уП - погрешность, обусловленная саморазогревом первичного преобразователя при подаче на него напряжения питания.
ДКв - погрешность дискретизации или квантования, определяется разрядностью датчика температуры, и для выбранного датчика составляет (12 разрядов) - 0.0625 °С. лР-П
- погрешность обусловлена нелинейностью полупроводникового первичного преобразователя.
SH - чувствительность нагревателя.
5Н - мультипликативная погрешность нагревателя.
SCo - чувствительность средства охлаждения.
5СО - мультипликативная погрешность средства охлаждения.
Sp-n - чувствительность первичного преобразователя датчика температуры.
5р_п - мультипликативная погрешность первичного преобразователя датчика температуры.
SKopn - чувствительность корпуса датчика.
5корп - мультипликативная погрешность корпуса датчика, обусловленная наличием теплового сопротивления между корпусом и исследуемым средством охлаждения.
Sam - чувствительность аналого-цифрового преобразователя встроенного в датчик температуры.
5ацп - погрешность аналого-цифрового преобразователя встроенного в датчик температуры. Номинальная функция преобразования:
Nxhom - (SH + Sco)(Sp-n + SK0pn) * ^цп * 1
’хном WH 1 '“’cov V'-’p-n ‘-'корпу '“’ацп Nxhom SH * Sp-n * ^цп * 1 + Sco * Sp-n * ^цп * 1 + SH * SKopn * ^цп * 1 + Sco * SKopn * ^цп * 1
Реальная функция преобразования для модели, показанной на рисунке 2. имеет вид:
Nx реал - [SH(1 + бН)(Дл + Дпаст + Двозд) + Sco(1 + бсо)] * [Sp-n(l + 5p-n)(Adyn + App П) + ^корп + ^Ж^щп + ^кв)І
1.1 1.2
Nx реал — [(SH + SHdH)(A + Ап;
1.3
N — [S
x реал со
5Со]1.5
* Sp-n * Adyn + Sco * Sp-
д) + Sco + Scodco] * [(Sp-n + Sp-ndp-n)(Adin + Ал ) + Sкoрп + Ак] * SацпI + ІАкв1.4
' Ap-n + SxS *S +SxS xA+SxS хА+SxS *S x
‘ °л ' °со ^ °корп ^ °ацп ' °со ^ °ацп ^ ик ' °со ^ °корп ^ ‘-‘кв ' °со ^ °корп ^ °ацп ^
Отсюда, погрешность преобразования определяется следующим образом:
ANx — Nхреал — Nxhom 1.6
Подставляем в формулу 1.6 выражения 1.2 и 1.5 и получаем:
ANx — Sra * Sp-n * Adyn * I + Sra * Sp-n * Ал”
* 1 + Sco * ^цп * Aк * 1 + Sco * ^орп * Aкв * 1 + Sco * ^орп * Sацп * ^со * 1 SH * Sp
Мультипликативная составляющая погрешности равна:
* ^цп * 1 + Sco * Sp-n * ^цп * 1 + SH * Sкoрп * ^цп * 1
— V^SCO (1.7)
аддитивная составляющая погрешности:
ANx — ShK + ^аст + ^озд) + Sp-n(Adyn + A -n) + + Ara) (1.8)
Аддитивная и нелинейная составляющие погрешности не влияют на результат измерения, т.к. в техническую документацию на датчик внесены градировочная характеристика датчика, смещенная вдоль оси ординат относительно номинальной функции преобразования на величину аддитивной погрешности (рисунок 1). Эта характеристика учитывается аппаратными средствами датчика [4].
Из уравнения 1.7 следует, что основную погрешность в информационную подсистему вносит мультипликативная погрешность средств охлаждения - SSco. Эта погрешность компенсируется за счет коэффициента учитывающего лучистый и конвекционный теплообмен предложенный в работах [б], [7]. Аналогично
компенсируется и мультипликативная погрешность SSH . Мультипликативная погрешность SSv_n учитывается производителем датчика.
Таким образом, разработанное метрологическое обеспечение измерительной подсистемы, используемой при исследовании средств воздушного охлаждения, показало, что если в процессе конструирования учесть возможные причины возникновения погрешностей, то можно как в процессе разработки, так и в процессе обработки измерительной информации существенно снизить различные составляющие погрешности измерения температуры средств охлаждения. В частности аддитивные погрешности Адасти Аквозможно снизить в процессе проектирования подсистемы, за счет использования более качественных материалов, которые удовлетворяют техническим требованиям.
ЛИТЕРАТУРА
1. Горячев Н.В., Лысенко А.В., Юрков Н.К., "Структура и программно-информационное обеспечение информационно-измерительного лабораторного комплекса," Известия Южного федерального университета. Технические науки., Т. 130, № 5, 2012. С. 169-173.
2. Горячев Н.В., Танатов М.К., Юрков Н.К., "Исследование и разработка средств и методик анализа и автоматизированного выбора систем охлаждения радиоэлектронной аппаратуры," Надежность и качество сложных систем, № 3, 2013. С. 70-75.
3. Шлыков Г.П. Оценка статических погрешностей цифровых средств измерений. Пенза: Пензенский политехнический институт, 1978. 64 с.
4. DS1631, DS1631A, DS1731. High-Precision Digital Thermometer and Thermostat // Maxim Integrated. 2014. URL: http://www.maximintegrated.com/datasheet/index.mvp/id/3241 (дата обращения: 16.Апрель.2014).
5. Бростилов С.А., "Метрологическая модель ВОДД с компенсационным каналом на основе тунельного
эффекта," Цифровые модели в проектировании и производстве РЭС, № 16, 2011. С. 194-202.
6. Горячев Н.В., Граб И.Д., Юрков Н.К., "Уточнение тепловой модели сменного блока исследуемого объекта," Труды международного симпозиума Надежность и качество, Т. 1, 2013. С. 169-171.
7. Бростилова Т.Ю., Бростилов С.А., Мурашкина Т.И., "Волоконно-оптический датчик деформации ," Надежность и качество сложных систем, № 1, 2013. С. 93-99.
