способ измерения физической величины
Классы МПК: | G01D21/00 Способы и устройства для измерения или испытания, не отнесенные к другим подклассам |
Автор(ы): | Уразбахтина Л.Б., Обухова Ю.О. |
Патентообладатель(и): | Уфимский государственный авиационный технический университет |
Приоритеты: |
подача заявки:
1994-10-17 публикация патента:
10.02.1998 |
Использование: в информационно-измерительных системах летательных аппаратов и силовых установок. Сущность изобретения: способ измерения физической величины заключается в том, что осуществляют преобразование ее в выходные сигналы N датчиков, вычисляют оптимальные параметры N фильтров и настраивают их, фильтруют выходные сигналы датчиков и получают значение измеренной физической величины суммированием отфильтрованных сигналов. Особенность способа состоит в том, что вычисляют N разностей выходных сигналов датчиков, вычисляют корреляционные функции разностных сигналов для q априорно заданных интервалов корреляции, по ним определяют q параметров априорно известных корреляционных функций погрешностей преобразования физической величины каждым датчиком, которые используют для вычисления оптимальных параметров фильтров. Благодаря этому повышается точность измерения физической величины.
Формула изобретения
Способ измерения физической величины, заключающийся в том, что осуществляют преобразование измеряемой физической величины в выходные сигналы N датчиков (N![способ измерения физической величины, патент № 2104495](/images/patents/367/2104143/8805.gif)
Описание изобретения к патенту
Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано в информационно-измерительных системах летательных аппаратов и силовых установок. Известен способ измерения физической величины, основанный на измерении физической величины двумя или более датчиками, фильтрации выходных сигналов каждого датчика и суммирования отфильтрованных сигналов [1]. Недостатком данного способа является наличие погрешности измерения, обусловленной отличием оптимальных параметров фильтров для реальных текущих параметров погрешностей измерений отдельных датчиков от расчетных, полученных по априорныи данным о параметрах погрешностей измерения. Известен также способ измерения физической величины [2], заключающийся в том, что последовательно измеряют физическую величину двумя или более датчиками, число которых равно N, вычисляют корреляционные функции выходных сигналов датчиков, по ним вычисляют оптимальные параметры фильтров,с помощью которых фильтруют выходные сигналы датчиков, затем суммируют отфильтрованные сигналы и получают значение измеренной физической величины, причем после измерения выходные сигналы датчиков преобразуют в существенно стационарные, а корреляционные функции разделяют на слагаемые, первое из которых равно корреляционной функции полезного сигнала, второе - корреляционной функции погрешности измерения. Недостатком способа является наличие погрешности измерений, обусловленной отклонением параметров фильтров от оптимальных, поскольку разделение корреляционных функций выходных сигналов датчиков на корреляционные функции полезного сигнала и погрешности измерений проводится без использования какого-либо объективного критерия, а также введением преобразования сигналов в существенно стационарные, что не позволяет учесть нестационарный характер погрешностей измерения при настройке фильтров. Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, - повышение точности измерения физической величины за счет повышения качества фильтрации. Поставленная задача решается тем, что в известном способе измерения физической величины, заключающемся в том, что последовательно измеряют физическую величину двумя или более датчиками, число которых равно N,вычисляют корреляционные функции выходных сигналов датчиков, по ним вычисляют оптимальные параметры фильтров, с помощью которых фильтруют выходные сигналы датчиков, затем суммируют отфильтрованные сигналы и получают значение измеренной физической величины, дополнительно вычисляют N разностей выходных сигналов датчиков, образующих попарно неповторяющиеся совокупности, вычисляют корреляционные функции N разностей выходных сигналов датчиков, вычисляют корреляционные функции N разностных сигналов для q фиксированных, последовательно увеличивающихся интервалов корреляции, вычисляют значения корреляционных функций погрешностей измерения каждого датчика путем решения q линейных уравнений![способ измерения физической величины, патент № 2104495](/images/patents/367/2104495/2104495t.gif)
где
![способ измерения физической величины, патент № 2104495](/images/patents/367/2104495/2104495-2t.gif)
![способ измерения физической величины, патент № 2104495](/images/patents/367/2104129/964.gif)
![способ измерения физической величины, патент № 2104495](/images/patents/367/2104495/2104495-3t.gif)
![способ измерения физической величины, патент № 2104495](/images/patents/367/2104495/2104495-4t.gif)
относительно неизвестных aji для вычисления оптимальных параметров фильтров. Достигаемый технический результат обосновывается следующим образом. Физическая величина измеряется N датчиками и выходные сигналы датчиков xi(t), приведенные к одному уровню, равны
![способ измерения физической величины, патент № 2104495](/images/patents/367/2104495/2104495-5t.gif)
где x(t) - сигнал, отражающий значение измеряемой физической величины;
ni(t) - аддитивная погрешность измерения i-го датчика, где i = 1 ...N. Фильтрация сигналов датчиков должна выполняться при условии, что сумма передаточных функций фильтров будет постоянной величиной
![способ измерения физической величины, патент № 2104495](/images/patents/367/2104495/2104495-6t.gif)
где W i(p) - передаточная функция фильтра выходного сигнала i-го датчика. Выполнение этого динамического условия приводит к отсутствию динамической погрешности преобразования полезного сигнала. Такая измерительная система будет эффективной, если среднеквадратичная погрешность измерений системы будет в несколько раз меньше среднеквадратической погрешности измерений самого точного из комплексируемых датчиков. Синтез оптимальных параметров фильтров проводится из условия, чтобы
![способ измерения физической величины, патент № 2104495](/images/patents/367/2104495/2104495-7t.gif)
где
![способ измерения физической величины, патент № 2104495](/images/patents/367/2104495/2104495-8t.gif)
![способ измерения физической величины, патент № 2104495](/images/patents/367/2104495/2104495-9t.gif)
![способ измерения физической величины, патент № 2104495](/images/patents/367/2104495/2104495-10t.gif)
Вид корреляционных погрешностей измерения известен априорно с точностью до параметров и в общем случае носит нелинейный характер
![способ измерения физической величины, патент № 2104495](/images/patents/367/2104495/2104495-11t.gif)
где
![способ измерения физической величины, патент № 2104495](/images/patents/367/2104129/964.gif)
aij - параметр корреляционной функции i-го датчика. Если вид функции априорно неизвестен, то возможно аппроксимация неизвестной функции полиномом вида
![способ измерения физической величины, патент № 2104495](/images/patents/367/2104495/2104495-12t.gif)
соответствующая случайному процессу типа "нерегулярная качка". Тогда при a5i = 0, a3i = 0
![способ измерения физической величины, патент № 2104495](/images/patents/367/2104495/2104495-13t.gif)
при a5i = 0
![способ измерения физической величины, патент № 2104495](/images/patents/367/2104495/2104495-14t.gif)
при a5i = 0, a4i = 0
![способ измерения физической величины, патент № 2104495](/images/patents/367/2104495/2104495-15t.gif)
и так далее. В зависимости от возможностей вычислительных устройств можно использовать неявный способ задания вида корреляционной функции в виде степенного или функционального ряда. Разностные сигналы ei(t), полученные вычитанием выходного сигнала (i+1)-го датчика от выходного сигнала i-го датчика,не содержат составляющих полезного сигнала и являются наблюдаемыми сигналами, определяемыми текущими значениями погрешностей измерения:
![способ измерения физической величины, патент № 2104495](/images/patents/367/2104495/2104495-16t.gif)
Сравниваемые выходные сигналы датчиков образуют попарно неповторяющиеся совокупности, а число вычисляемых разностей равно числу используемых датчиков. Корреляционная функция разностного сигнала ei(t) равна сумме корреляционных функций погрешностей i-го и (i+1)-го датчика, при условии их некоррелированности для любого фиксированного интервала корреляции
![способ измерения физической величины, патент № 2104495](/images/patents/367/2104129/964.gif)
![способ измерения физической величины, патент № 2104495](/images/patents/367/2104495/2104495-17t.gif)
Вычисление корреляционных функций всех разностей позволит определить однозначно значения корреляционных функций погрешности каждого датчика для фиксированного интервала времени
![способ измерения физической величины, патент № 2104495](/images/patents/367/2104129/964.gif)
![способ измерения физической величины, патент № 2104495](/images/patents/367/2104495/2104495-18t.gif)
В результате корреляционная функция погрешности каждого датчика определена в одной точке. Если число неизвестных параметров aijкорреляционной функции равно q, то для их определения необходимо q значений корреляционной функции для q фиксированных, последовательно увеличивающихся интервалов корреляции
![способ измерения физической величины, патент № 2104495](/images/patents/367/2104129/964.gif)
![способ измерения физической величины, патент № 2104495](/images/patents/367/2104495/2104495-19t.gif)
Величина интервала корреляции
![способ измерения физической величины, патент № 2104495](/images/patents/367/2104129/964.gif)
![способ измерения физической величины, патент № 2104495](/images/patents/367/2104495/2104495-20t.gif)
![способ измерения физической величины, патент № 2104495](/images/patents/367/2104129/964.gif)
пиромерта
![способ измерения физической величины, патент № 2104495](/images/patents/367/2104495/2104495-21t.gif)
термопары
![способ измерения физической величины, патент № 2104495](/images/patents/367/2104495/2104495-22t.gif)
Значения A2, B2 и
![способ измерения физической величины, патент № 2104495](/images/patents/367/2104144/969.gif)
![способ измерения физической величины, патент № 2104495](/images/patents/367/2104129/964.gif)
![способ измерения физической величины, патент № 2104495](/images/patents/367/2104129/964.gif)
![способ измерения физической величины, патент № 2104495](/images/patents/367/2104129/964.gif)
![способ измерения физической величины, патент № 2104495](/images/patents/367/2104129/964.gif)
![способ измерения физической величины, патент № 2104495](/images/patents/367/2104129/964.gif)
![способ измерения физической величины, патент № 2104495](/images/patents/367/2104129/964.gif)
![способ измерения физической величины, патент № 2104495](/images/patents/367/2104495/2104495-23t.gif)
![способ измерения физической величины, патент № 2104495](/images/patents/367/2104495/2104495-24t.gif)
Решим систему уравнений (11), при этом для удобства введем следующие обозначения Re(
![способ измерения физической величины, патент № 2104495](/images/patents/367/2104129/964.gif)
![способ измерения физической величины, патент № 2104495](/images/patents/367/2104129/964.gif)
![способ измерения физической величины, патент № 2104495](/images/patents/367/2104129/964.gif)
![способ измерения физической величины, патент № 2104495](/images/patents/367/2104495/2104495-25t.gif)
Решением системы уравнений (12) являются:
![способ измерения физической величины, патент № 2104495](/images/patents/367/2104495/2104495-26t.gif)
Зная корреляционные функции погрешности датчиков и определив параметры погрешностей измерения A2, B2 и
![способ измерения физической величины, патент № 2104495](/images/patents/367/2104144/969.gif)
Класс G01D21/00 Способы и устройства для измерения или испытания, не отнесенные к другим подклассам