1.2. Дослідження характеристик моделі, реалізованої
на основі спектральних оцінок шумів контрольованого середовища

Цифрові інформаційно-вимірювальні системи реалізуються на основі моделей, які дозволяють здійснити аналітичний опис процесів, що відбуваються під час перетворення та обробки інформації.

При реалізації вимірювальних перетворювачів і систем з використанням запропонованого методу доцільно здійснити аналіз розробленої моделей з метою оцінки ефективності її застосування.

Найчастіше для попереднього аналізу вихідних даних перетворювача використовують величину їх розсіювання [7].

Результати оцінки величини розсіювання значень, отриманих з використанням реалізованого методу перетворення випадкових коливань у відповідні дисперсійні характеристики показав, що для дисперсійної характеристики шумів характерний несуттєвий розкид отриманих результатів, рис. 1.7.

Рис. 1.7. Порівняння розсіювання експериментальних даних статистичних характеристик сигналів з первинного перетворювача

Оскільки дисперсія є характеристикою розсіювання значень результатів спостережень відносно математичного сподівання, але використання її як міри розсіювання є незручним, так як вона має розмірність квадрату випадкової величини. Тому за міру розсіювання вимірювальних значень, отриманих на основі розробленої моделі відносно математичного сподівання доцільно використовувати середнє квадратичне відхилення (СКВ), рис. 1.8.

Рис. 1.8. СКВ вимірювальних даних спектральної моделі

Подальше дослідження здійснювалось за результатами перетворення отриманих відповідних експериментальних даних реалізованою моделлю.

Наступними критеріями оцінки характеристик моделі є адекватність та компактність реалізації моделі.

Проаналізувавши експериментальні дані та результати аналітичного дослідження розробленої моделі, можна виділити три різні ділянки їхньої характеристики, які визначаються режимом протікання контрольованого середовища замірню ділянкою:

витрати до 3,5 м3/год. відповідають ламінарному руху вимірюваного середовища. Крутизна енергетичної, дисперсійної та ентропійної характеристик порівняно невисока. Крім того, характеристика зміни ентропії близька до лінійної;

діапазон витрат від 3,5 до 4,5 м3/год., відповідає зміні режиму протікання вимірюваного середовища з ламінарного на турбулентний, що пояснює злам характеристик реалізованих моделей;

витрати понад 4,5 м3/год. відповідають діапазону стійкого турбулентного режиму протікання потоку. Крутизна енергетичної, характеристики суттєво зростає.

Більшість сучасних витратомірів мають широкий діапазон вимірювань (відношення верхньої границі діапазону до нижньої сягає 100 і більше одиниць), причому розширення діапазону досягається, в основному, за рахунок зниження нижньої границі діапазону в область малих витрат. При цьому всередині діапазону витрат знаходиться зона змінної турбулентності (зона зміни режиму протікання з ламінарного на турбулентний), яка спричиняє нестабільність показів витратомірів. Таким чином, точність відтворення реалізації фактичного процесу моделлю в цій зоні має великий вплив на адекватність моделі в цілому.

Аналіз реалізованої моделі показав, що найменша похибка відтворення в порівнянні з еталонними даними мають моделі, реалізовані на основі передавальної функції у вигляді неперервних дробів.

Такий підхід дозволяє уникнути розбиття вимірювального діапазону на ділянки ламінарного, турбулентного та перехідного режимів протікання газу. Максимальне абсолютне значення відносної похибки реалізацій моделей при цьому складає 1,5·10-5% для дисперсійної моделі, рис.1.6 .

Доцільно зазначити, що створення моделі, яка базується на аналітичній функції у вигляді неперервних дробів, потребує значної кількості математичних обрахунків і є порівняно складним для реалізації в обчислювачах. Реалізація спектральної моделі на основі систем логарифмічних рівнянь є відносно простішою і зумовлює необхідність розбиття вимірювального діапазону на піддіапазони, що враховують різні режими протікання газу замірною ділянкою. Це збільшує похибку відтворювання процесу і додатково ускладнює реалізацію моделі [8].

Основним критерієм при реалізації апаратного забезпечення інформаційно-вимірювальних перетворювачів і систем є компактність і простота аналітичного опису, що використовується. Практичне використання найчастіше знаходять описи на основі лінійних функцій та систем лінійних рівнянь. Такий підхід дозволяє суттєво спростити реалізацію системи в цілому, проте погіршує її адекватність.

Лінеаризація спектральної моделі найбільш ефективна лише для окремих ділянок характеристики, що залежить від режимів протікання газового середовища. Тому реалізацію спектральної моделей можна здійснити на основі систем лінійних рівнянь:

; (1.6)

Графік залежності відносної похибки вимірювання від величини витрати енергетичної моделі, реалізованої на основі систем лінійних рівнянь подано на рис. 1.9.

Рис. 1.9. Залежність відносної похибки від величини витрати моделі, реалізованої на основі систем лінійних рівнянь

В результаті використання аналітичного опису спектральної моделі спостерігається суттєве зростання похибок реалізацій, які знаходиться в межах від –5,0% до 7,0%. Покращення результатів можна досягти збільшуючи кількість розбиттів даної характеристики, або використання в якості апроксимуючих поліномів степеневих функцій.

Таким чином, в якості моделі для реалізації інформаційно-вимірювальної системи доцільно використати спектральну модель, яка реалізована на основі функції перетворення у вигляді неперервних дробів.

2. РОЗРОБКА СТРУКТУРИ ТА ПРОГРАМНОГО ЗАБЕЗПЕЧЕННЯ СИСТЕМИ ВИМІРЮВАННЯ ВИТРАТИ

2.1 Розробка структур засобів вимірювання на основі спектральної моделі

Всі прилади, які пов’язані з вимірювання витрати і кількості газу, в процесі експлуатації і при випуску з ремонту підлягають обов’язковій державній повірці. Терміни повірки встановлені ГОСТ 8.002–71. Для повірки використовують такі засоби вимірювання:

зразкові установки з дзвоновим газовим мірником або спеціальні установки, що дозволені органами Держстандарту;

манометри зразкові типу МО класу точності 0,15 або 0,25 з верхнею границею вимірювання 0,1 МПа, 0,16 МПа;

барометри з ціною поділки 0,5 МБар;

рідинні манометри та інші прилади.

При повірці слід дотримуватися таких умов: повірочним середовищем є повітря; температура повітря і повірочного середовища ; різниця температур повітря на рівнях верхньої та нижньої частин дзвону і труб, що його наповнюють і спорожняють, а також температура в патрубку з лічильником, що повіряється, не повинна перевищувати .

Лічильники і засоби повірки витримують до початку випробувань не менше 1 год. В приміщенні, де будуть проводити повіру.

Вирішення проблеми атестації та звіряння засобів вимірювальної техніки (ЗВТ) в побутовому та промисловому секторах ускладнюється відсутністю