RU2818500C1 - Способ оценки и коррекции динамической погрешности измерительного преобразователя температуры - Google Patents
Способ оценки и коррекции динамической погрешности измерительного преобразователя температуры Download PDFInfo
- Publication number
- RU2818500C1 RU2818500C1 RU2023133578A RU2023133578A RU2818500C1 RU 2818500 C1 RU2818500 C1 RU 2818500C1 RU 2023133578 A RU2023133578 A RU 2023133578A RU 2023133578 A RU2023133578 A RU 2023133578A RU 2818500 C1 RU2818500 C1 RU 2818500C1
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- dynamic
- ipt
- signal
- dynamic error
- error
- Prior art date
Links
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 27
- 230000036039 immunity Effects 0.000 claims abstract description 3
- 238000012937 correction Methods 0.000 claims description 6
- 238000005259 measurement Methods 0.000 abstract description 21
- 238000012545 processing Methods 0.000 abstract description 8
- 238000013461 design Methods 0.000 abstract description 5
- 238000011156 evaluation Methods 0.000 abstract 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 abstract 1
- 230000003044 adaptive effect Effects 0.000 description 29
- 230000004044 response Effects 0.000 description 13
- 238000012546 transfer Methods 0.000 description 11
- 239000013598 vector Substances 0.000 description 9
- 239000000654 additive Substances 0.000 description 5
- 230000000996 additive effect Effects 0.000 description 5
- 238000009529 body temperature measurement Methods 0.000 description 5
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 5
- 230000008569 process Effects 0.000 description 4
- 238000001914 filtration Methods 0.000 description 2
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 2
- 238000005457 optimization Methods 0.000 description 2
- 230000009467 reduction Effects 0.000 description 2
- 230000009466 transformation Effects 0.000 description 2
- 230000015572 biosynthetic process Effects 0.000 description 1
- 230000008859 change Effects 0.000 description 1
- 230000003111 delayed effect Effects 0.000 description 1
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 description 1
- 238000009533 lab test Methods 0.000 description 1
- 239000000463 material Substances 0.000 description 1
- 238000013178 mathematical model Methods 0.000 description 1
- 230000001681 protective effect Effects 0.000 description 1
- 238000013139 quantization Methods 0.000 description 1
- 238000005070 sampling Methods 0.000 description 1
- 230000007704 transition Effects 0.000 description 1
Abstract
Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для улучшения динамической характеристики измерительных преобразователей температуры (ИПТ) без изменения их конструкции путем дополнительной обработки результатов динамических измерений. Предложен способ оценки и коррекции динамической погрешности измерительного преобразователя температуры (ИПТ), включающий применение корректирующего устройства к выходному сигналу ИПТ. Причем для обеспечения помехоустойчивости корректирующего устройства по критерию минимума оценки динамической погрешности в качестве опорного сигнала температуры используется сдвинутая во времени копия восстанавливаемого сигнала. Технический результат изобретения заключается в уменьшении динамической погрешности ИПТ. 3 ил.
Description
Область техники
Изобретение относится к области измерительной техники и может быть использовано для улучшения динамической характеристики измерительных преобразователей температуры (ИПТ) без изменения их конструкции путем дополнительной обработки результатов динамических измерений.
Уровень техники
Специфика динамического измерения температуры заключается в том, что оно характеризуется двумя составляющими погрешности, обусловленными существенной инерционностью характерной для ИПТ и шумами измерения. Вследствие этого, в задаче коррекции динамической погрешности наибольшее значение имеют две проблемы: восстановление измеряемого сигнала, динамически искаженного ИПТ, и анализ динамической погрешности. Из уровня техники известны следующие решения задачи коррекции динамической погрешности измерения температуры.
Известен цифровой способ измерения температуры и устройство для его реализации (патент RU 2344384 C1, МПК G01K 7/42, опубл. 20.01.2009), в котором уменьшение динамической погрешности измерения температуры достигается путем минимизации температуры самонагрева измерительного первичного преобразователя. Недостатком способа является дополнительное схемотехническое решение, вносимое в конструкцию существующего измерительного преобразователя температуры.
Известен способ коррекции характеристик измерительных преобразователей (патент RU 2503968 C1, МПК G01R 35/00, опубл. 10.01.2014), который позволяет повысить точность измерений за счет устранения дополнительной динамической температурной погрешности путем выделения в преобразователе каналов измерения основной и дополнительной входных величин, градуировки каналов измерительного преобразователя при различных комбинациях значений его входных величин и определения значения основной входной величины по параметрам математической модели измерительного преобразователя и текущим значениям выходных величин. Недостатком данного способа является, то, что он основывается на формировании дополнительного массива данных, содержащего сведения о скорости изменения влияющей величины в чувствительном элементе датчика для характеризации динамики помехи.
Известны способ и система для корректировки сигнала измерения температуры (патент RU 2509991 C2, МПК G01K 7/42, 13/02, опубл. 20.03.2014), который относится к области авиации и может быть использован для корректировки температурных параметров в турбореактивном двигателе летательного аппарата. Способ включает в себя этап цифрового моделирования температуры, измеренной датчиком, с использованием моделированного сигнала; этап оценивания сигнала ошибки запаздывания для датчика на основании моделированного сигнала и сигнала, который получают путем фильтрации моделированного сигнала; этап корректировки сигнала измерения, который выдается датчиком, посредством оцененного сигнала ошибки запаздывания. Недостатком способа является необходимость применения моделированного сигнала для оценивания ошибки запаздывания для датчика температуры. Погрешность моделирования такого сигнала полностью перейдет в оценку ошибки запаздывания.
Наиболее близким техническим решением по совокупности существующих признаков является помехоустойчивый самонастраивающийся измеритель температуры газа газотурбинного двигателя (патент RU 2601712 C2, МПК F02C 9/00, опубл. 10.11.2016; патент RU 2617221 C1, МПК F02C 9/00, опубл. 24.04.2017), в котором осуществляется компенсация динамической погрешности термопары путем введения последовательного компенсатора инерционности термопары. Компенсация реализуется корректированием постоянной времени передаточной функции термопары через самонастройку постоянной времени корректирующего звена. Недостатком данного способа является то, что при построении самонастраивающихся измерителей температуры газа используются дополнительные косвенные измерения различных параметров газотурбинного двигателя.
Техническая задача заявляемого способа заключается в оценке и коррекции динамической погрешности ИПТ на основе обработки измеренного сигнала с помощью адаптивного фильтра. Способ не требует дополнительных косвенных измерений параметров объекта и самонастройка адаптивного фильтра основывается только на знании параметров динамической модели измерительного преобразователя температуры.
Технический результат изобретения заключается в уменьшении динамической погрешности ИПТ. Технический результат в целом достигается тем, что способ основывается на коррекции динамической характеристики ИПТ путем оптимальной (по минимуму среднеквадратической погрешности) обработки измеренного сигнала, содержащего аддитивную шумовую составляющую.
Указанный технический результат достигается за счет того, что в способе оценки и коррекции динамической погрешности измерительного преобразователя температуры, включающем применение корректирующего устройства к выходному сигналу ИПТ, согласно изобретению, обеспечение помехоустойчивости корректирующего устройства по критерию минимума оценки динамической погрешности в качестве опорного сигнала температуры используется сдвинутая во времени копия восстанавливаемого сигнала.
Сущность предлагаемого способа состоит в том, что он направлен на адаптивную обработку сигнала ИПТ непосредственно в процессе динамического измерения. Способ заключается в оценке и коррекции динамической погрешности ИПТ, описываемого линейной передаточной функцией, на основе обратной модели ИПТ и нерекурсивного фильтра с линейной фазовой характеристикой, адаптивного к минимуму оценки погрешности по порядку (длине импульсной характеристики) этого фильтра. Динамическая модель измерительной системы строится на основе композиции (свертки) коэффициентов обратной дискретной модели ИПТ первого порядка и импульсной характеристики адаптивного фильтра. Динамическая модель измерительной системы для ИПТ высших порядков строится на основе композиции обратной модели ИПТ, редуцированной к последовательности динамических звеньев первого порядка, и импульсной характеристики адаптивного фильтра. Редукция осуществляется на основе первичной обработки выходного сигнала корректирующим фильтром специальной формы. Для оценки динамической погрешности восстановления входного сигнала ИПТ задержанная копия сигнала сравнивается с восстанавливаемым сигналом, пропущенным через адаптивный фильтр с линейной фазовой характеристикой. Эта процедура осуществляется адаптивным линейным оценивателем динамической погрешности ИПТ. Оцениватель входит в структуру измерительной системы в виде блока, реализующего адаптивный алгоритм настройки оптимального порядка фильтра.
Сущность изобретения поясняется следующими графическими материалами:
Фиг. 1 - Схема измерительной системы с адаптивным линейным оценивателем динамической погрешности
Фиг. 2 - Блок-схема адаптивного алгоритма оценивания и корректирования динамической погрешности
Фиг. 3 - Результаты лабораторных испытаний ИПТ (Таблица 1).
Способ осуществляется следующим образом. Способ осуществляется с помощью измерительной системы, блок-схема которой приведена на фиг. 1.
Динамическая модель ИПТ как линейная стационарная система описывается передаточной функцией W ипт (p) (101, фиг. 1) в виде:
где U(p), Y(p) - изображения по Лапласу входного и выходного сигналов ИПТ; p - комплексная переменная (частота); b i и a j - постоянные коэффициенты;
Числовые значения m, n, b i и a j определяются конкретным типом и конструкцией ИПТ (наличием защитной арматуры, толщиной воздушного зазора между чувствительным элементом и арматурой ИПТ и т.д.).
Измеренный сигнал Y ипт (p) содержит выходной сигнал Y(p) и аддитивный шум V(p). Сигнал погрешности динамического измерения ИПТ запишется в виде:
где
Погрешность (2) определяется двумя составляющими: первая в соответствии с (3) обусловлена динамической характеристикой (инерционностью) ИПТ, вторая - аддитивным шумом на его выходе. Тогда уменьшение погрешности E(p) заключается в одновременном корректировании этих двух составляющих.
Предлагается способ оценивания динамической погрешности ИПТ, описываемого передаточной функцией (1), в условиях аддитивного шума на его выходе на основе модели измерительной системы, приведенной на фиг. 1. Модель измерительной системы содержит блок адаптивного линейного оценивателя (106, фиг. 1) динамической погрешности с адаптивным алгоритмом (109, фиг. 1), схема которого представлена на фиг. 2. В блоке адаптивного линейного оценивателя корректируется динамическая погрешность ИПТ, описываемого передаточной функцией (1). Поскольку опорный сигнал в измерительной задаче недоступен прямому измерению, то в его качестве использована сдвинутая элементом задержки копия входного восстанавливаемого сигнала ИПТ, а в качестве адаптивного фильтра (105 и 108, фиг. 1) - линейный фильтр с конечной импульсной характеристикой. Настраиваемым параметром является порядок фильтра (длина импульсной характеристики). Порядок регулируется в пределах оконной весовой функции фильтра по критерию минимума оценки среднеквадратичной погрешности.
Предварительное корректирование динамической характеристики ИПТ осуществляется блоком с передаточной функции W к (p) (102, фиг. 1) следующего вида:
где
Преобразование выходного измеренного сигнала ИПТ в блоке предварительной коррекции эквивалентно преобразованию измеряемого сигнала U(p) ИПТ, описываемого передаточной функцией вида (104, фиг. 1)
Динамическая модель (1) ИПТ представляется в дискретной форме для некоторого периода T квантования сигналов. Дискретный аналог передаточной функции (5) 1-го порядка на основе z-преобразования записывается в виде:
где
Представим вектор значений импульсной характеристики восстанавливающего фильтра (103, фиг. 1) в виде линейной дискретной свертки вектора, состоящего из коэффициентов передаточной функции (6), с вектором значений импульсной характеристики нерекурсивного фильтра:
где - вектор значений импульсной переходной функции нерекурсивного фильтра; N - порядок фильтра; * - оператор линейной дискретной свертки.
Свертка (7) вектора с импульсной характеристикой нерекурсивного фильтра обеспечивает принципиальную устойчивость корректирующего устройства измерительной системы из-за отсутствия в таком фильтре обратных связей.
Для обеспечения линейности фазовой характеристики нерекурсивного фильтра зададим условие симметричности его импульсной характеристики
В результате свертки (7) определены коэффициенты передаточной функции восстанавливающего фильтра. Этот фильтр одновременно корректирует первую составляющую (3) погрешности динамического измерения путем восстановления измеряемого сигнала и вторую составляющую - фильтрацией аддитивного шума на выходе ИПТ.
Адаптивный режим функционирования измерительной системы, которая оценивает и корректирует динамическую погрешность в процессе измерения (фиг. 1) характеризуется тем, что динамическая погрешность оценивается для текущего наблюдения измеренного сигнала ИПТ в момент дискретного времени t n =nT на основе этого текущего и нескольких предыдущих наблюдений в моменты времени: где N - количество наблюдений (отсчетов) сигнала (для текущего отсчета l=0); n - отсчеты дискретного времени t n .
Сигнал оценки динамической погрешности запишем в виде
где - опорный сигнал, являющийся копией восстанавливаемого входного сигнала ИПТ U*(n), сдвинутой элементом задержки z - Δ (107, фиг. 1); U**(n), - выходной сигнал адаптивного фильтра в блоке адаптивного линейного оценивателя динамической погрешности.
Среднее квадратическое отклонение (СКО) оценки динамической погрешности (9) для рассматриваемого режима определяется как
где среднее значение наблюдений сигнала оценки ИПТ имеет вид
Параметр N задает порядок линейного нерекурсивного фильтра, на основе которого оценивается и корректируется динамическая погрешность в структуре восстанавливающего фильтра для текущего наблюдения измеряемого сигнала. Условие симметричности импульсной характеристики (8) обеспечивает постоянство групповой задержки фильтра: TΔ=TN/2.
Адаптивный режим функционирования измерительной системы заключается в поиске оптимального значения порядка N* опт адаптивного фильтра в процессе динамического измерения, определяемого в пределах
Неравенство (11) устанавливает предельное значение ширины импульсной характеристики адаптивного нерекурсивного фильтра, изменяющейся при минимизации оценки динамической погрешности (10) для текущего наблюдения измеряемого сигнала.
Таким образом, оценка динамической погрешности для текущего n-го наблюдения является функцией настраиваемого параметра :
Минимальное значение оценки динамической погрешности (12) соответствует оптимальному значению N* опт порядка адаптивного нерекурсивного фильтра:
Оценка (13) является функцией дискретного времени так же, как и настраиваемый параметр измерительной системы - порядок N*(n) адаптивного нерекурсивного фильтра. Оптимизация параметра N*(n) достигается при минимуме оценки динамической погрешности (10), что и является критерием адаптации измерительной системы. Таким образом, при каждом новом наблюдении измеряемого сигнала динамическая погрешность оценивается и корректируется на основе знаний о предыдущих состояниях измерительной системы.
Адаптивный алгоритм АА, представленный в виде блока в схеме измерительной системы (фиг. 1), предназначен для минимизации оценки динамической погрешности (13) в каждой точке дискретного времени на основе нескольких предыдущих наблюдений измеряемого сигнала.
Адаптивный алгоритм (фиг. 2) функционирует следующим образом. На этапе инициализации 201 формируются векторы длиной N+1, в которые последовательно записываются дискретные отсчеты сигналов измерительной системы. После поступления очередного отсчета выходного сигнала ИПТ 202 запускается цикл 203-208 перебора порядков 203-204 нерекурсивного адаптивного фильтра (105 и 108, фиг. 1). Для каждого значения порядка рассчитываются: 205 - импульсная характеристика (ИХ) восстанавливающего фильтра согласно выражению (7); 206 - текущие значения векторов сигналов измерительной системы по полученной ИХ фильтра; 207 - вектор оценки абсолютной (9) и значение СКО (10) динамической погрешности. После завершения цикла перебора порядков фильтра сформирован вектор значений СКО динамической погрешности, по которому осуществляется оптимизация 209 и 210 текущего значения настраиваемого параметра адаптивного фильтра N*(n). Для оптимального значения рассчитываются 211 - ИХ восстанавливающего фильтра и 212 - текущий отсчет восстановленного входного сигнала ИПТ. Алгоритм повторяется 214 для следующего отсчета 215 выходного измеренного сигнала ИПТ.
В таблице (фиг. 3) приведены данные лабораторных измерений температуры и результаты их обработки для ИПТ, описываемого передаточной функции следующего вида:
где
При проведении эксперимента ИПТ подвергался скачкообразному нагреву от 0°C до 800°C путем переноса ИПТ из нулевого термостата в предварительно разогретую трубчатую печь. Таким образом имитировался динамический режим измерения. Данные наблюдений выходного сигнала ИПТ снимались с периодом дискретизации T=1c. Редуцированная модель ИПТ в соответствии с (5) и (6) имеет вид:
где α1=213; α0=-212.
В таблице (фиг. 3) приведены следующие данные:
в графе 301 содержатся отсчеты дискретного времени t n ;
в графе 302 - значения выходного измеренного сигнала ИПТ Y ипт (n) в моменты дискретного времени t n ;
в графе 303 - оптимальные значения порядка адаптивного фильтра, соответствующие минимальным значениям среднеквадратической оценке динамической погрешности приведенным в графе 305;
в графе 304 - значения порядка восстановленного входного сигнала ИПТ U*(n);
в графе 306 - значения абсолютной динамической погрешности ИПТ при входной измеряемой температуре ИПТ
в графе 307 - значения оценки абсолютной динамической погрешности ИПТ
Как видно из сравнения значений исходной Δ Е (n) и скорректированной Δ Е *(n) погрешностей ИПТ, предлагаемый способ, реализованный в описанном адаптивном алгоритме, позволяет уменьшать динамическую погрешность ИПТ без изменения его конструкции путем дополнительной обработки данных динамических измерений. Кроме того, способ позволяет получить оценку динамической погрешности без дополнительных косвенных измерений параметров процессов, возникающих при измерении температуры в динамическом режиме.
Claims (1)
- Способ оценки и коррекции динамической погрешности измерительного преобразователя температуры (ИПТ), включающий применение корректирующего устройства к выходному сигналу ИПТ, отличающийся тем, что обеспечение помехоустойчивости корректирующего устройства по критерию минимума оценки динамической погрешности в качестве опорного сигнала температуры используется сдвинутая во времени копия восстанавливаемого сигнала.
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2818500C1 true RU2818500C1 (ru) | 2024-05-02 |
Family
ID=
Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2601712C2 (ru) * | 2015-03-06 | 2016-11-10 | Акционерное общество "Уфимское научно-производственное предприятие "Молния" | Помехоустойчивый самонастраивающийся измеритель температуры газа газотурбинного двигателя |
| RU2617221C1 (ru) * | 2016-01-11 | 2017-04-24 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уфимский государственный авиационный технический университет" | Измеритель температуры газа газотурбинного двигателя |
Patent Citations (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2601712C2 (ru) * | 2015-03-06 | 2016-11-10 | Акционерное общество "Уфимское научно-производственное предприятие "Молния" | Помехоустойчивый самонастраивающийся измеритель температуры газа газотурбинного двигателя |
| RU2617221C1 (ru) * | 2016-01-11 | 2017-04-24 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Уфимский государственный авиационный технический университет" | Измеритель температуры газа газотурбинного двигателя |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| Волосников А.С. "Измерительная система на основе нерекурсивных фильтров с оптимальной коррекцией погрешности динамического измерения", Измерительная техника, 2022, номер 10, C.19-25. Волосников А.С. "Нейросетевая динамическая модель измерительной системы с фильтрацией восстанавливаемого сигнала", Вестник ЮУрГУ, 2006, номер 14, С. 16-20. Шестаков А.Л. и др. "Решение обратной задачи динамики на основе теории модельного управления с использованием измеряемого вектора параметров состояния первичного измерительного преобразователя", Известия Челябинского научного центра УРО РАН, 2005, номер 4, С.145-150. * |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| EP1655841B1 (en) | Calibration system and method for a linearity corrector using filter products | |
| US5239299A (en) | Digital equalization of time interleaved analog to digital converters | |
| US8290032B2 (en) | Distortion identification apparatus, test system, recording medium and distortion identification method | |
| US7331209B2 (en) | Transducer acceleration compensation with frequency domain amplitude and/or phase compensation | |
| US8280667B2 (en) | Test apparatus, performance board and calibration board | |
| JP3745962B2 (ja) | インターリーブａｄ変換方式波形ディジタイザ装置、及び試験装置 | |
| JP2005519269A (ja) | デジタル周波数応答補正器及び随意応答発生器の方式 | |
| CN110244116B (zh) | 直流瞬时功率的计量电路及其准同步计算方法 | |
| EP0787997A2 (en) | Adaptive digital filter for improved measurement accuracy in an electronic instrument | |
| JPH0750136B2 (ja) | 周波数測定方法 | |
| US8358682B2 (en) | Signal processing apparatus, test system, distortion detecting apparatus, signal compensation apparatus, analytic signal generating apparatus, recording medium and analytic signal generating method | |
| RU2818500C1 (ru) | Способ оценки и коррекции динамической погрешности измерительного преобразователя температуры | |
| JP5777102B2 (ja) | 周波数解析装置 | |
| JPH036467A (ja) | インパルス応答の測定方法 | |
| JP2006504960A (ja) | 非正弦波測定信号を用いるマルチポート・ネットワーク・アナライザを使用してテスト対象のマルチポート・デバイスの散乱パラメータを測定する方法 | |
| CN111555995A (zh) | 一种宽带采集系统的相频响应测量及补偿方法 | |
| CN116299110A (zh) | 一种用于双指数波形式电磁脉冲测量的时域标定方法 | |
| Kochegurova et al. | Frequency analysis of recurrence variational P-splines | |
| US9344301B2 (en) | Acquisition device with multistage digital equalization | |
| Volosnikov | Measurement System Based on Nonrecursive Filters with the Optimal Correction of the Dynamic Measurement Error | |
| Serov et al. | A research on the influence of non-ideal analog-to-digital converter on the measurement error of frequency | |
| TWI435223B (zh) | 用以將電子類比信號轉換為數位信號與用以於自動測試系統中測試及校正的方法，以及用以內差資料組與用以將電子類比信號以數位型式表現的設備 | |
| Yang et al. | Frequency-domain decoupling-correction method for wind tunnel strain-gauge balance | |
| RU2199089C1 (ru) | Способ коррекции статических характеристик измерительных преобразователей | |
| CN115857011B (zh) | 一种基于区域最优化拟合求取地震计传递函数的方法 |