Устройство для измерения физической величины

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в информационно-измерительных системах Мель изобретения - повышение точности оценки измеряемой физической величины за счет подстройки коэффициентов весового усреднения. Устройство содержит три датчика сигналов 1-3, три блока вычитания 4-6, двенадцать блоков умножения 7- 15, 33-35. три источника опорного сигнала 16-18, пять блоков сложения 19-21, 32,36, три кадратора 22-24, шесть блоков деления 25-27. Принцип действия устройства основан на вычислении разностных величин выходных сигналов и послед/ющего вычисления коэффициентов усреднения по следующей формуле, приведенной в описании. Выходным сигналом устройства является произведение сигнала датчика сигналов на соответствующий коэффициент . 1 ил. ел с

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

ЕТЕНИЯ

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ

ПО ИЗОБРЕТЕНИЯМ И ОТКРЫТИЯМ

ПРИ ГКНТ СССР

ОПИСАНИЕ ИЗОБР

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ (21) 4680897/24 (22) 18.04.89 (46) 15.11.91. Бюл. М 42 (71) Уфимский авиационный институт им.

Серго Орджоникидзе (72) Л.Б.Уразбахтина и Г,С.Бондарь (53) 621.396(088.8) (56) Браславский Д.А., Кворум элемента для устройств с функциональной избыточностью. — Системы с переменной структурой и их применение в задачах управления летательными аппаратами, М.: Наука, 1968, с. 277, Браславский Д.А., Петров В.В. Точность измерительных устройств, М.: Машиностроение, 1976, с. 183 (прототип). (54) УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ФИЗИЧЕСКОЙ ВЕЛИЧИНЫ (57) Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в,Я2,, 1691685 А1 (я)ю 6 01 О 21/00, G 05 В 23/02 информационно-измерительных системах.

Цель изобретения — повышение точности оценки измеряемой физической величины за счет подстройки коэффициентов весового усреднения. Устройство содержит три датчика сигналов 1 — 3,.три блока вычитания 4 — 6, двенадцать блоков умножения 7—

15, 33-35, три источника опорного сигнала

16 — 18, пять блоков сложения 19-21, 32, 36, три кадратора 22 — 24, wBcTü блоков деления 25 — 27. Принцип действия устройства основан на вычислении разностных величин выходных сигналов и последующего вычисления коэффициентов усреднения по следующей формуле, пр1веденной в описании, Выходным сигналом устройства является произведение сигнала датчика сигналов на соответствующий коэффициент. 1 ил.

1691685

x(t) =- x(t)> + n <(t), x(t) = x(t) + ng(t), где x(t) — сигнал, отражающий истинное значение измеряемой физической величины; х () — выходной электрический сигнал

I-го датчика, I = 1, ..., N;

ni(t) — случайная погрешность измерения 1-го датчика, некоррелированная с погрешностями других датчиков;

N — число комплексируемых датчиков.

Раэностные сигналы ei(t) образуются вычитанием из выходного электрического сигнала 1-го датчика xi(t) выходного электрического сигнала J-ro датчика xI(t), причем I Ф J и пары I, J не должны повторяться. Общее количество образованных разностей равной

e<(t) = x>(t) - х1(т) - ns(t) - п1(т). (2)

Конкретный вид уравнения (2) определяется выбором пар I, J и может быть, например, следующим е 1()=х 1() — х2() eg(t)=xi(t) - p>+z(t) (3) eq(t)=xN(t) - х 1{т)

С учетом (1) имек>т е1(т) -nq(t) - х2(т) (4) ei(t)=ni{t) - ni+t(t) eq(t)=-пц(т) - x>{t)

Разностные сигналы e (t) не содержат составляющих полезного сигнала X(t) и являются наблюдаемыми величинами, опреИзобретение относится к измерительной технике и может быть использовано в бортовых и наземных информационно-измерительных системах для эксплуатации и испытания летательных аппаратов и их силовых установок.

Цель изобретения — повышение точности оценки измеряемой физической величины за счет подстройки коэффициентов весового усреднения, Достигаемый в данном способе комплексного измерения физической величины и устройстве для его реализации положительный эффект обосновывается следующим образом.

При измерении физической величины однородными или построенными на различных физических принципах датчиками их выходные электрические сигналы после масштабирования, приводящего сигналы к одному;уровню, равны

xt(t) = x(t)+ nt(t), деленными только текущими значениями погрешностей измерения ni(t).

Далее согласно предлагаемому способу получают из разностных сигналов ei(t) оцен5 ки погрешности измерения для каждогодатчика n (t). Записывают систему линейных алгебраических уравнений (4) в матричном виде, Ай=е, (5)

10 где е = {e;(t)} и и - {n<(t)j — N — мерные вектор-столбцы;

А — квадратная матрица размерностью

NxN, полностью определяемой системой (4).

15 Например, для N = 3

1 -1 0

А= 0 1 -1

-1 0 1

Для N=5

1

0

-1

-1 0 0 0

1 -1 0 0

0 1 -1 0

0 0 1 -1

0 0 0 1 (7) А=

ei(t) = (1 + Q) ni(t) - nl+q(t) (10) ем(т) - (1 + а) йуч(с) - и >(t), 55 которая уже не является вырожденной. Ее однозначное решение существует и может быть получено любым аналитическим или вычислительным методом

25 Система (4) является вырожденной, так как определитель системы равен нулю, detA

= 0 (8).

Таким образом, задача получения оцеи, нок ni(t) из системы {4) является некоррект30 ной и классическими методами не решается. Для получения оценок ni(t) в данном примере используют метод решения подобных некорректных задач, предложенный М.M.Ëàâðåíòüåâûì, — замена опера35 торного уравнения А n = е близким ему (9) (А+а Е) и, =е (8) где а > О-числовой параметр;

Š— единичная матрица;

40 n = {ni(t)}g -N — мерный вектор-столбец оценок погрешностей n;(t).

Решение операторного уравнения (8) и =(А+а Е) ° е {9) при соответствующем выборе параметра

45 (по результатам предварительного моделирования или же как предложено в (9) на стр.

50), принимается за приближенное решение системы {4). Система (4) тогда заменяется на следующую систему

50 е1(т) - (1 + а) ni(t) - й2(с) 1691685

n>(t) = F(e1(t), e2(t), ..., ел)(1), а); = 1, ..., N. (11)

Например, для N = 3 имеют л P P п1(t) з et + з e2+ -у — — ез

/» 1 )t» — 1 Р (12)

2 ез(з) — з — ет.)- — — ез+ з е1 ,и -1 pз-1 83-1

10 (13) г пз (с ) — — з(— ез + — З вЂ” е1 + ез

„3 1 3 1 3 1

А — — —

) i =101 (19) где ог — средний квадрат погрешности измерения i-ro датчика, который может быть вычислен по оценкам й((1)

1т ог =-, () (20) где Т вЂ” текущее время измерения, Определяя оценки погрешностей ni(t), формируя с их использованием (см, формулу

20) электрические сигналы управления, про порциональные cf, воздействуют на линейные безынерционные преобразователи с целью изменения их коэффициентов усиления (см. формулу 19).

Определенные по критерию (16) значения 1 обеспечивают оптимальность оценки измеряемой фезической величины на всем интервале измерения, т.е. оптимальность в среднем, что однако не гарантирует сптил мальность оценки x(t) в каждый момент времени. Для обеспечения оптимальности л оценки gt) в каждый момент времени необходимо при настройке 1» от средних, стати35 стических характеристик погрешностей аг перейти к мгновенным оценкам погрешностей п)(т). Тогда.4 принимают вид (14) (15) 1 (, е() з)

1 =1 é () (21) 45 Таким образом, условие (16) позволяет определить оптимальные параметры линейного безынерционного преобразователя сигнала I-го датчика. Следует отметить, что эти параметры не зависят от истинного из50 меряемого сигнала, а полностью определяются погрешностями измерения датчиков.

Линейные безынерционные преобразователи могут осуществлять и другое преобразование электрических сигналов

55 х(t n( датчиков, например, На чертежа изображена блок-схема устройства.

Определенные таким образом точечные оценки погрешностей датчиков ni(t) предлагается использовать для настройки параметров линейных безынерционных преобразователей, осуществляющих преобразование электрических сигналов датчиков с целью получения оптимальной оценки

X(t) измеряемой физической величины X(t)., Зависимости оптимальных параметров линейных безынерционных преобразователей ст сценок n)(t) должны быть получены заранее, например, из условия минимума математического ожидания квадрата погрешности оценки измеряемой величины

Mt(x(t) - x(t) ) ) = мин, (16) где М вЂ” операция математического ожидания; х(1) — оценка измеряемой физической величины (с), определяемая как х(С) =, (з(х (с)). (17)

i=1

Li — операция преобразования i-го линейного безынерционного преобразователя электрического сигнала 1-го датчика.

Способ комплексного измерения физической величины будет эффективным, если позволит получить среднеквадратическую погрешность оценки измеряемой величины меньшую, чем среднеквадратическая погрешность измерения самого точного из комплексируемых датчиков.

В случае, если линейные безынерционные преобразователи представляют собой усилители с управляемым коэффициентом усилениями, то произведенный синтез оптимальных по критерию (16) параметров таких линейных безынерционных преобразователей при дополнительном условии обеспечения инвариантности погрешности оценивания измеряемой величины по отношению к ее истинному значению дает следующие результаты (3, 5) х =, ), 4 х), (18)

l =1

1691685

Устройство содержит первый, второй, третий датчики 1 — 3 сигналов, первый, второй и третий блоки 4-6 вычитания, первый, второй и третий блоки 7-9 умножения, четвертый, пятый и шестой блоки 10 — 12 умножения, седьмой, восьмой и девятый блоки

13 — 15 умножения, первый источник 16 постоянного опорного сигнала, второй источник 17 постоянного опорного сигнала, источник 18 постоянного опорного сигнала, первый блок 19 сложения, второй блок 20 сложения, третий блок 21 сложения, первый, второй и третий квадраторы 22 — 24, первый, второй и третий блоки 25-27 деления, четвертый источник 28 постоянйого опорного сигнала, четвертый, пятый и шестой блоки 29-31 деления, четвертый блок 32 сложения, десятый, одиннадцатый и двенадцатый блоки 33 — 35 умножения, пятый блок 36 сложения, Выходные сигналы делителей 16 — 18 должны быть численно равны г

1 — — и соответственно. р -1 р -1 p — 1 з з з

Полученное по результатам проведенного на микроЭВМ моделирбвания значение параметра (см. формулу 15) равно 1, 01...1, 1.

При этом обеспечивается устойчивое оценивание погрешности измерения датчиков, Тогда при р - 1,1 величина выходного сигнала равна: для источника 16 постоянного опорного сигнала 3,655; для источника 17 постоянного опорного сигнала 3,323; для источника 18 постоянного опорного сигнала 3,021, Таким образом, величины выходных сигналов источников 16-18 постоянных опорных сигналов являются вполне определенными, конкретными и неменяющимися в процессе работы числами, рассчитанными заранее, Выходной сигнал источника 28 постоянного опорного сигнала численно равен единице.

Устройство работает следующим образом.

Выходные сигналы датчиков 1, 2, 3, равные Х1, Х2, Хз соответственно, поступают на входы блоков 4-6 вычитания, так что на выходе блоков 4-6 вычитания разностные сигналы каждой пары датчиков е1, ег, ез е1-Х1 Хг ег™Х2-Хз (22) . ез-Хз-Х>.

Блоками 7-15 умножения осуществляются умножения выходных сигналов е1, ег, ез блоков 4 — 6 вычитания на выходные сигналы а>, а2. аз источников 16-18 постоянно10

45 го.опорного сигнала таким образом, что на выходе блоков 7-9 умножения, на первые входы которых поступает выходной сигнал блока 4 вычитания, а на вторые входы— выходные сигналы источников 16-18 постоянного опорного сигнала соответственно, имеют сигналы Z<, Z2, Zg соответственно, равные

Z< = а1 е1; Z2 = аг е1; Q = аз.е1, (23) на выходе блоков 10 — 12 умножения на первые входы которых поступает выходной сигнал блока 5 вычитания, а на вторые входы— выходные сигналы источников 16-18 постоянного опорного сигнала соответственно, имеют сигналы Z4, Zs, Уе соответственно, равные

Z4=31e2 Z5=82å2; 26= аз е2: (24) на выходе блоков 13-15 умножения, на первые входы которых поступает выходной сигнал блока 6 вычитания, а на вторые входы— выходные сигналы источников 16 — 18 постоянного опорного сигнала соответственно, имеют сигналы 27, Zg, Zg соответственно, равные

Z7 = а ез; Z8 = аг ез: Zg = аз ез. (25)

Сигналы Z1, 25, Zg I блоков 7, 11, 15 умножения соответственно суммируются в блоке 19 сложения, выходной сигнал которого й4 равен с учетом (23), (24), (25) й1 = Z> + Zs+ Zg =- ai е1+ аг е2+ аз ез. (26)

Сигналы Z4, Za, Ез блоков 10, 14, 9 умножения соответственно суммируются в блоке

20 сложения, выходной сигнал которого равен с учетом (23), (24), (25) йг = Z4+ 2а+ Z3- à 1 ег+ аг ез+ аз е1. (27)

Сигналы 2т, Z2, Ев блоков 13, 8, 12 умножения соответственно суммируются в блоке

21 сложения, выходной сигнал которого равен с учетом (23). (24), (25) пЗ = Z7+ Z2+ Z6 = a> ЕЗ+ аг Е1+ аЗ Ег. (28)

Таким образом, на выходе блоков 19-21 сложения имеют (см, формулу 12, 13, 14) точечные оценки погрешностей п1, п2. пз датчиков 1-3 соответственно.

Выходные сигналы ni, йг, йз блоков 1921 сложения возводятсщ в квадрат квадраторами 22 — 24 соответственно и поступают на первые входы блоков 25-27 деления, соответственно, на вторые входы которых приходит сигнал с источника 28 постоянного опорного сигнала, численно равный единице. Поэтому выходные сигналы блоков

25-27 делен ия ра вн ы

1 1 1

n) ц й3 соответственно. В блоках 29 — 31 деления выходные сигналы блоков 25-27 деления делятся нв их сумму, получаемую с выхода блока 32 сложения. Выходные сигналы

1691,685

1 й1

1 1 1 л + г +

n) йз

10 (29) 15

30

35 г х- Л1х1+Лг хг+Лз хз (30) 40

55

Л1, Лг, Лз блоков 29, 30, 21 деления соответственно будут равны

Таким образом, по выходным сигналам п1, йг, йз блоков 19 — 21 умножения определяются коэффициенты весового усреднения, численно равные Л1,Лг,Лз, с помощью квадраторов 22 — 24, блоков 25 — 31 деления, источника 28 постоянного опорного сигнала и блока 32 сложения. Вычисленные сигналы Л1, Лг, Лз поступают на входы блоков 33-35 умножения соответственно, нэ вторые входы которых приходят сигналы

Х1, Хг, Хз датчиков 1 — 3 соответственно. Выходные сигналы блоков 33 — 35 умножения, которые равны произведениям выходного сигнала датчика на соответствующий сигнал 4, суммируются в блоке 36 сложения, на выходе которого имеют сигнал Х, равный

Выходной сигнал Х блока 36 сложения является выходным сигналом всего устройства. Таким образом, показана возможность реализации способа. Необходимо отметить, что данный способ может быть реализован различными методами в зависимости от количества датчиков, структуры линейных безынерционных преобразователей. степени априорной информации о погрешностях измерения отдельных датчиков и т.д.

Формула изобретения

Устройство для измерения физической величины, содержащее первый, второй и третий датчики сигналов и первый блок сложения, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности оценки измеряемой физической величины за счет подстройки коэффициентов весового усреднения, в устройство введены с первого по двенадцатый блоки умножения, с первого по четвертый источники постоянного опорного сигнала, с второго по пятый блоки сложения, с первого по третий квадраторы, с первого по шестой блоки деления и с первого по третий блоки вычитания, входы уменьшаемого которых соединены с выходами с первого по третий датчиков сигналов соответственно, входы вычитаемого с первого по третий блоков вычитания соединены с выходами второго, третьего и первого датчиков сигналов соответственно, выход первого блока вычитания — c входами первых сомножителей с первого по третий блоков умножения, выход второго блока вычитания — с входами первых сомножителей с четвертого по шестой блоков умножения, выход третьего блока вычитания—

20 с входами первых сомножителей с седьмого по девятый блоков умножения, входы вторых сомножителей первого, четвертого и седьмого блоков умножения соединены с выходом первого источника постоянного опорного сигнала, входы вторых сомножителей второго, пятого и восьмого блоков умножения — с выходом второго источника постоянного опорного сигнала, входы вторых сомножителей третьего, шестого и девятого блоков умножения — с выходом третьего источника постоянного опорного сигнала, выходы первого, пятого и девятого блоков умножения подключены соответственно к входам первого-третьего слагаемых второго блока сложения, выходы третьего, четвертого и восьмого блоков умножения— соответственно к входам первого-третьего слагаемых третьего блока сложения, выходы второго, шестого и седьмого блоков умножения — соответственно к входам первого-третьего слагаемых четвертого блока сложения, выходы второго, третьего и четвертого блоков сложения соединены с входами первого, второго и третьего квадраторов соответственно. выходы которых соединены с входами делителя первого, второго и третьего блоков деления соответственно, входы делимого которых связаны с выходом четвертого источника постоянного опорного сигнала, выходы первого, второго и третьего блоков деления соединены с Входами делимого четвертого, пятого и шестого блоков деления соответственно, входы делителя которых связаны с выходом пятого блока сложения, первый, второй и третий входы которого подключены к выходам первого, второго и третьего блоков деления соответственно, выходы четвертого, пятого и шестого блоков деления соединены с входами первых сомножителей десятого, один1691685

Составитель В. Гришин

Техред М.Моргентал Корректор С. Черни

Редактор И, Касарда

Заказ 3921 Тираж Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета по изобретениям и открытиям при ГКНТ СССР

113035, Москва. Ж-35, Раушская наб., 4/5

Производственно-издательский комбинат "Патент", г. Ужгород, ул.Гагарина, 101 надцатого и двенадцатого блоков умножения соответственно, входы вторых сомножителей которых связаны с выходами первого, второго и третьего датчиков сигналов соответственно, выходы десятого, одиннадцатого и двенадцатого блоков умножения соединены соответственно с входами первого-третьего слагаемых первого блока сложения, выход которого является выхо5 дом устройства,