Прямое и уравновешивающее преобразования измеряемой величины

Структурная схема измерительного прибора (или измерительной уста­новки) обычно состоит из отдельных, соединенных между собой, измерительных преобразователей и других устройств. Несмотря на большое разнооб­разие, все структурные схемы измерительных приборов по принципу соединения их преобразователей можно разделить на два основных вида: схемы прямого и уравновешиваю­щего преобразования.

В схеме прямого преобразования отдельные преобразователи соединя­ются последовательно друг за другом в направлении от входа прибора к его выходу. Всё преобразование сигнала измерительной информации «идёт» в од­ном прямом направлении (см. рис. 5).

Рис. 5. Схема прибора с прямым преобразованием измеряемой величины

Нетрудно показать, что в этом случае чувствительность S всего прибора будет определяться произведением чувствительностей отдельных преобразо­вателей:

S=ПS_i

Структурная схема прибора с уравновешивающим преобразованием изображена на рисунке 6; на схеме как П_пр и П_обр обозначены преобразователи его прямой и обратной цепи, как S_пр и S_обр – чувствительности соответствующих преобразователей.

Особенностью схемы измерительного прибора с уравновешивающим преобразованием является то, что в ней кроме цепи прямого преобразования исследуемой величины имеется цепь обратного преобразования – цепь отрицательной обратной связи, которая осуще­ствляет преобразование выходной величины Y в величину Х_м, однородную входной величине Х.

Рис. 6. Схема прибора с уравновешивающим преобразованием измеряемой величины

Кроме того, на входе прибора имеется вычитающее устройство, в котором величина Х_м уравновешивает (компенсирует) измеряемую величину Х. В результате на вход цепи прямого преобразова­ния поступает сигнал, соответствующий разности Х_р=Х-Х_м.

Если функции прямого и обратного преобразования линейны, то есть Y=S_пр·Xр и Х_м=S_обр·Y, нетрудно показать, что общая чувстви­тельность определяется выражением:

S=Y/X=S_пр/(1+S_пр·S_обр)

Уравновешивающее преобразование может быть статическим или астатическим.

При статическом уравновешивании, когда цепи прямого и обратного преобразования измерительного прибора имеют постоянные не зависящие от частоты коэффициенты передачи k_пр и k_обр, процессы уравновешивания, очевидно, будут происходить мгновенно. Если при этом k_пр·k_обр>>1, то:

- во-первых, при подаче постоянной измеряемой величины Х на вход такой схемы, практически мгновенно происходит ее уравновешивание: Х≈Х_м, но не полностью, а с определенной статической погрешностью – Х_р. При этом чем больше произведение k_пр·k_обр, тем точнее уравновешивание;

- во-вторых, чувствительность схемы S практически не зависит от коэффициента передачи (и его нестабильности) в цепи прямого преобразования, что существенно повышает стабильность, а значит и точность схемы в сравнении со схемой, содержащей лишь прямое преобразование.

В случае астатического уравновешивания, когда значения коэффициентов передачи цепей прямого и обратного преобразования измерительного прибора зависят от частоты, уравновешивание обычно происходит полностью, но не мгновенно.

Заключение

В лекции раскрываются понятия средства измерений, меры, измерительного преобразователя, измерительного прибора; поясняется содержание основных характеристик средства измерений: диапазон измерений, допустимые усло­вия применения, чувствительность, быстродействие, стабильность, помехозащищённость, надёжность, значение входного сопротивления, потребляемая мощностью.

Все из­мерения по способу нахождения числового значения измеряемой величины разделены на прямые, косвенные, совокупные и совместные.

Среди основных методов измерений выделены метод непосредственной оценки и метод сравнения, разновидностями которого являются метод нулевого сравнения, метод дифференциального сравнения и метод замещения. Отмечается, что, как правило, по сравнению с методом непосредственной оценки, метод сравнения обеспечивает более высокую точность измерений.

В последнем разделе лекции изучается сущность прямого и уравновешивающего преобразования измеряемой величины, приводятся соответствующие структурные схемы измерительных приборов, некоторые характеристики этих процессов.

Литература

1. Атамалян Э.Г. Приборы и методы измерения электрических величин. – М.: Высшая школа. 1982.

2. Афонский А.А., Дьяков В.П. Измерительные приборы и массовые электронные измерения. – М.: СОЛОН-Пресс. 2007.

3. Никифоров А.А. Взаимозаменяемость и технические измерения / Учебное пособие для вузов. – М.: Высшая школа. 2007.

4. Панфилов В.А. Электрические измерения. – М.: Академия. 2006.

5. Рачков М.Ю. Технические измерения и приборы. – М.: МГИУ. 2007.

6. Сигов А.С. и др. Метрология, стандартизация и технические измерения. / Учебник для вузов. – М.: Высшая школа. 2008.

7. Измерения в электронике. / Справочник под ред. В.А. Кузнецова. – М.: Энергоатомиздат. 1987.