Файл: Бошняк, Л. Л. Измерения при теплотехнических исследованиях.pdf

в двоичной системе 000111011, что соответствует числу 59 (0 + 0 + + 0 + 32 + 1 6 + 8 + 0 + 2 + 1 = 59) и с учетом частоты следо­ вания счетных импульсов читается как 5,9 с. Девятиразрядный дво­ ичный счетчик обеспечивает кодирование до 51,1 с при необходимо­ сти более длительного времени записи приходится либо переходить на подачу в кодирующее устройство импульсов частотой 1 Гц, либо сохранять неоднозначность отсчета, легко оцениваемую визуально.

В качестве линий связи в описываемой системе применены много­ жильные телефонные кабели. Аппаратура приемных постов состоит из линейных трансформаторов и согласующих устройств, усиливаю­ щих и формирующих принятые импульсы перед записью на носителе регистратора.

Г Л А В А VI

АВТОМАТИЧЕСКАЯ ОБРАБОТКА РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ

1.Задачи и способы обработки измерительных сигналов

Сигналы измерительной аппаратуры, фиксируемые во время ис­ следования объектов, содержат информацию об измеряемых пара­ метрах, зашифрованную в виде определенных символов. Для приня­ тия решений, ради которых производилось исследование, необхо­ димо производить преобразование измерительных сигналов в иные формы представления, обеспечивающие наиболее эффективное исполь­ зование полученной информации. Такой процесс, осуществляемый обычно с привлечением вычислительных операций, называется об­ работкой результатов измерений. При этом совершается обратный перевод символов в размерные величины для оценки уровней физиче­ ских параметров и критериев оптимальности объектов исследований, для определения взаимосвязи параметров, оценки пригодности ис­ ходных математических моделей, определения значений эмпириче­ ских констант и т. п. Процесс обработки измерительных сигналов принято делить на этапы первичной и вторичной (или окончатель­ ной) обработки. На обоих этих этапах кроме информации, поступив­ шей от измерительной аппаратуры, используется дополнительная информация, получаемая в период технической подготовки к прове­ дению экспериментов, и информация, вырабатываемая непосред­ ственно во время обработки.

Цель первичной обработки заключается в переводе символов сигналов измерительных приборов в значения соответствующих из­ меряемых физических параметров. Наиболее проста первичная об­ работка сигналов линейных измерительных систем в нормальных диапазонах статических режимов работы. Согласно (III.5) значение

171

При этом подготовка вспомогательной информации сводится к чи­ сленному определению значений П 1г и Sm по данным специальных градуировок измерительного прибора. Учет систематических по­ грешностей, возникающих в связи с отклонением условий проведе­ ния экспериментов от нормальных условий работы данного прибора, проще всего осуществляется при использовании обобщенных форм представления статических характеристик (III. 18), (III. 19), (III.20)

или (III.21). Из (III. 18) следует, что

а при использовании линеаризованной статической характеристики из (II 1.20) получается

Все коэффициенты, входящие в приведенные формулы, должны определяться опытным путем при градуировании прибора. Поскольку величины, характеризующие изменение условий работы, входят в (VI.2) и (VI.3) в виде безразмерных критериев подобия, то получе­ ние вспомогательной информации значительно облегчается за счет возможности моделирования изменений внешних условий, при про­ ведении градуировок. В нелинейных операционных преобразова­ телях вместо Ху по уравнениям (VI. 1), (VI.2) или (VI.3) опреде­ ляется Xii связанное с х г известной математической зависимостью

Результаты градуировки обычно представляются в табличном виде. Для определения значения измеряемой величины можно ис­ пользовать линейную интерполяцию таблицы у у = / (хх) с заданным

Большим неудобством табличной записи при использовании вы­ числительной техники является необходимость занесения всей таб­ лицы в память машины. При этом алгоритм определения Ху склады­ вается из определения х±к, отвечающего ближайшему к у г таблич­ ному значению у 1к. Одним из наиболее рациональных методов опре­ деления Ху является аппроксимация функции (VI. 1) при помощи полинома степени п. При этом в память машины заносятся только коэффициенты полинома. При аппроксимации нахождение коэффи­ циентов полинома может быть подчинено одному из двух условий: можно потребовать, чтобы выбранный полином был бы полиномом наилучшего приближения, т. е. в любой точке максимальная погреш­ ность аппроксимации была бы наименьшей; если же допустимая по­ грешность Лл:1шах задана, то следует выбирать наименьшую степень

172

аппроксимирующего полинома (подробное изложение методики ап­ проксимации имеется в [55]).

Для измерения быстропеременных параметров, необходимо ис­ пользовать аппаратуру, не вносящую искажений, т. е. так подби­ рать измерительные преобразователи, чтобы динамическая погреш­ ность при измерениях была пренебрежимо малой величиной. Если это условие выполнено, то обработка мгновенных значений измери­ тельного сигнала ведется по формулам статических режимов. В тех случаях, когда динамическими погрешностями нельзя пренебречь, необходимы вспомогательные данные о характере динамического про­ цесса. При стационарных колебаниях измеряемого параметра и из­ вестных частотных характеристиках прибора предварительно опре­ деляется частота колебаний, а затем с помощью амплитудной и фазо­ вой характеристик находится значение х х по зафиксированным зна­ чениям у х. На переходных режимах для уточнения характера изме­ нения х х необходимы вспомогательные измерения, по которым можно было бы судить о начале процесса и скорости изменения измеряемой величины. Однако обработка результатов измерений в последнем случае настолько трудоемка и недостоверна, что инерционные при­ боры для измерений на переходных режимах, даже при исчерпываю­ щих данных об их динамических характеристиках, использовать не следует. Какого-либо анализа ценности информации на этапе первич­ ной обработки обычно не производится, поэтому стремятся сохра­ нить объем выходной информации на уровне объема, зарегистрирован­ ного при проведении измерений. Однако при непрерывной регистра­ ции сигналов измерительных приборов неизбежна дискретизация во время первичной обработки, уменьшающая объем информации. Если программами обработки на этом этапе не предусматривается анализ сигналов с точки зрения наилучшего восстановления функ­ ции х х = / (/), то интервал дискретизации выбирается наименьшим из возможных.

_ Первичная обработка результатов измерений заканчивается пред­ ставлением измеряемой величины с указанием оценки поля случай­ ных погрешностей и условий получения численного значения такой оценки. Например результат первичной обработки в данный момент времени исследования может быть записан как

хх = хх ± 1а при а = А,

где х х — оценка математического ожидания х х, / а — доверитель­ ный интервал величины х х; А — принятая доверительная вероят­ ность.

Методы расчета оценок статистических характеристик случайных величин изложены в четвертом разделе настоящей книги и в [121] и [82]; расчет оценок статистических характеристик случайных процессов по реализациям измеряемых величин, зарегистрированным в нормальных условиях эксплуатации, приведен, например, в [54].

Выходные данные первичной обработки могут использоваться двояко: либо для передачи на автоматические вычислительные

173

устройства вторичной обработки, либо для непосредственного пред­ ставления человеку. В первом случае производится запись на но­ сителях (перфолентах, перфокартах, магнитных лентах и т. п.), во-втором — составляются таблицы, называемые протоколами испы­ таний.

Вторичная обработка результатов измерений имеет целью ана­ лиз дефектов измерений и повышение содержательности информации с одновременным уменьшением ее количества. Прежд?'всего на этом этапе производится отбраковка явных промахов в измерениях и при необходимости замена дефектных данных результатами косвен­ ных измерений. Одновременно производится исключение результа­ тов, не несущих необходимой информации: например, многочислен­ ные значения измеряемой величины на установившемся режиме за­ меняются средним значением с указанием границ осреднения. Далее вычисляются (обычно методом наименьших квадратов) коэффициенты уравнений, аппроксимирующих характеристики объекта исследова­ ния, вычисляются принятые критерии оценки совершенства объекта и при использовании методов планирования экспериментов опреде­ ляются шаг и направление изменения параметров объекта для по­ следующих исследований. Результаты вторичной обработки пред­ ставляются в виде графиков и таблиц числовых значений вычисляе­ мых величин.

Процессы обработки измерительных сигналов легко автоматизи­ руются с помощью вычислительных устройств, функциональная струк­ турная схема которых изображена на рис. 44. Здесь на вход устрой­ ства первичной обработки поступают зарегистрированные при из­ мерениях сигналы различных измерительных устройств у н , сигналы времени t и служебные сигналы, с помощью которых маркируется каждый измерительный канал. Сигналы маркировки т1 позволяют выбрать из устройств памяти программы и константы, необходимые для обработки данного сигнала у и . В устройстве памяти хранятся вспомогательная информация (характеристики приборов) и програм­ мы пересчета измерительных сигналов в значения измеренных па­ раметров х 1г В результате первичной обработки формируются вы­ ходные данные, состоящие из х и , тр t, которые подаются на устрой­ ство вторичной обработки.

Устройство вторичной обработки по структуре аналогично устрой­ ству первичной обработки, но в его память введены программы и кон­ станты, необходимые для анализа результатов исследования данного объекта. Окончательные результаты обработки представляются в виде графиков и таблиц или сигналов, непосредственно используемых для управления режимами работы объекта исследования. Так же может осуществляться вывод результатов исследований с записью на перфо­ ленты, перфокарты или магнитную ленту для длительного хранения и последующего анализа результатов разновременных исследований объектов.

При регулярных исследованиях сложных теплотехнических объ­ ектов (например, двигателей летательных аппаратов) используется большое количество однотипной измерительной аппаратуры, подвер-

174

гающейся регулярному контролю и градуированию. При этом под­ готовка вспомогательной информации, т. е. обработка градуировоч­ ных данных и получение характеристик приборов также может осу­ ществляться автоматически по стандартным программам.

Автоматическая обработка измерительных сигналов может про­ водиться на различных режимах. К обработке в темпе измерений прибегают в случаях, когда необходимо корректирование режимов работы объекта. Например, при снятии дроссельных характеристик тепловых двигателей требуется измерять значения тяги двигателя при различных количествах сжигаемого в единицу времени топлива, сохраняя при этом постоянство состава горючей смеси. Исследование производится путем изменения подачи одного из компонентов топлив­ ной смеси с помощью программного регулятора расхода. Функции автоматического стабилизатора соотношения компонентов горючей смеси могут быть при этом переданы устройству автоматической об­ работки, которое, вычисляя по сигналам измерительной аппаратуры действительно реализуемое соотношение, выдает сигналы для управ­ ления расходом второго компонента. При этом результаты вторич­ ной обработки выводятся лишь в моменты достижения заданного значения соотношения. Другим примером является случай поиска максимума критерия оптимальности за счет перестройки режимов работы объекта непосредственно по сигналам аппаратуры и фикса­ цией значений измеряемых параметров (параметров режима) только при достижении области максимума критерия.

Использование автоматических устройств обработки в темпе из­ мерений хотя и связано с большими трудностями в отношении про­ граммирования обработки и ввода измерительных сигналов в вы­ числительные устройства, но позволяет резко сокращать время ра­ боты объектов на испытательных установках и поэтому экономически выгодно. При этом уплотнение информации происходит за счет того, что вывод результатов осуществлятся лишь в моменты достижения заданных условий работы объекта исследований.

Вторая группа режимов обработки данных после регистрации, следуя терминологии, предложенной Е. Ф. Темниковым [123], мо­ жет быть названа обработкой с адаптацией. При этом входные дан­ ные (у и , тп t) не проходят по всем каналам устройств обработки, а на той или иной стадии подвергаются анализу с целью исключения избыточной информации.

Технически проще всего проводить адаптационную обработку, когда результаты измерений регистрируются с помощью магнитной записи. В этом случае до передачи носителя на входные блоки си­ стемы обработки запись с магнитной ленты переписывается на дру­ гой носитель, например на перфоленту. В процессе перезаписи вос­ производимые сигналы проходят через анализирующее устройство, оценивающее характер процессов изменения сигналов.

Наиболее удобной характеристикой процесса является в этом случае скорость изменения данного сигнала, т. е. его первая произ­ водная dyuldt. Если производная сигнала равна нулю (или откло­ няется от нуля на заранее определенную малую величину) на некото-

175