Лекция 9 Структурные схемы средств измерений

В средствах измерения сигнал, несущий информацию о значении измеряемой величины, обычно претерпевает ряд преобразований с целью получения нужного выходного сигнала. Каждое преобразование сигнала можно представить себе происходящим как бы в отдельном узле, носящим название звено.

Соединение звеньев в определенную цепь преобразований называется структурной схемой.

Разбивка средства измерений на звенья может быть произведена по различным признакам. При анализе в статическом режиме средство измерений обычно разбивают на звенья, которые представляют собой интересующие исследователя функции преобразования.

В зависимости от соединения звеньев различают два основных вида структурных схем: прямого действия и уравновешивающего действия.

9.1. Средства измерения прямого действия

Структурная схема прибора прямого действия показана на рис. 9.1., где ИП₁, ИП₂,…,ИП_n – звенья; х, х₁, х₂,..., х_n – информатив­ные параметры сигналов.

x

Как видно из рис. 9.1., входной сигнал х последовательно претерпевает несколько преобразований и в итоге на выходе получается сигнал х_n .

Для измерительного прибора сигнал x_n получается в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем, на­пример, в виде отклонения указателя отсчетного устройства. Для измерительного преобразователя сигнал х_n получается в форме удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и (или) хранения.

Примером средства измерений, имеющего струк­турную схему прямого действия, может быть амперметр для измерения больших постоянных токов. В этом приборе изме­ряемый ток вначале с помощью шунта преобразуется в падение напряжения на шунте, затем в малый ток, который измеряется измерительным механизмом, т.е. преобразуется в отклонение указателя.

Структурная схема прибора прямого действия ра­зомкнутая, в ней отсутствует общая обратная связь с выхода на вход. Если все измерительные преобразователи имеют линейную функцию преобразования (х_i = k_iх_i-1), то выходная величина связана с измеряемой величиной соотношением

х_n = k₁ k₂k_n x = k x,

где k₁ , k₂ ,, k_n – коэффициенты преобразования измери­тельных преобразователей.

Чувствительность (коэффициент преобразования) средства измерений, имеющего структурную схему прямого действия:

k₁k₂k₃k_n .

При нелинейной функции преобразо­вания чувствительность и коэффициенты преобразования зави­сят от входного сигнала.

Мультипликативная погрешность возникает при изменении коэффициентов преобразования. С течением времени и под дей­ствием внешних факторов коэффициенты k₁, k₂, k₃ ,, k_n могут изме­няться соответственно на k₁,k₂,k₃,, k_n.

При достаточно малых изменениях этих коэффициентов можно пренебречь членами вто­рого и большего порядков малости, тогда относительное измене­ние чувствительности

.

Изменение чувствительности приводит к изменению выходно­го сигнала на

x_n= (S +S) x – Sx = S x.

Этому изменению вы­ходного сигнала соответствует абсолютная погрешность измере­ния входной величины

Как видно из этого выражения, погрешность, вызванная изменением чувствительности, является мультипликативной. От­носительная мультипликативная погрешность измерения

_м = S/S .

А ддитивная погрешность вызывается дрейфом нуля звень­ев, наложением помех на полезный сигнал и т.д., приводящих к смещению графика характеристики преобразования i-гo звена на ±x_0i; (как показано на рис. 9.2).

Аддитивную погреш-ность можно найти, введя на структурной схеме после соответствующих звеньев дополнительные внешние сигналы x₀₁ , x₀₂, …, x_0n , равные смещениям характеристик преобразования звеньев.

Для оценки влияния этих дополнительных сигналов пересчи­таем (приведем) их к входу структурной схемы. Результирующее действие всех дополнительных сигналов равно действию следу­ющего дополнительного сигнала на входе:

.

Результирующая аддитивная погрешность равна x₀. Таким образом, в средствах измерений, имеющих структурную схему прямого действия, происхо­дит суммирование погрешностей, вносимых отдельными звень­ями, и это затрудняет изготовление средств измерений прямого действия с высокой точностью.