Часть 3. Средства измерений электрических величин.

9. Структурные схемы и погрешности средств измерений в статическом режиме.

В настоящее время при разработке средств измерений (СИ) и анализе их характеристик широко применяется структурный метод. Он основывается на представлении процесса измерения в виде последовательности измерительных преобразований, представляющих собой этапы процесса измерения — от восприятия физической величины до представления ее значения в какой-либо форме. Измерительные преобразования, как этапы процесса измерения, можно условно разделить на три вида: а) первичное восприятие и выделение измеряемой физической величины (ФВ) с формированием сигнала измерительной информации; б) функциональное преобразование сигнала измерительной информации; в) представление измерительной информации (результата измерения) в какой-либо форме сообщения.

Представление процесса измерения в виде последовательности измерительных преобразований позволяет сформировать измерительную цепь СИ - цепь измерительных преобразователей (звеньев), выполняющих измерительные преобразования сигналов в схеме СИ. Измерительный преобразователь (ИП) представляет собой простое техническое устройство, выполняющее преобразование входного сигнала измерительной информации в выходной сигнал с однозначной функцией преобразования. Свойства СИ определяются не только свойствами измерительных преобразователей, входящих в его измерительную цепь, но и способом соединения измерительных преобразователей, т.е. структурной схемой СИ. Исходя из: а) особенностей преобразования сигналов измерительной информации в измерительной цепи и б) состава результирующей погрешности СИ и ее зависимости от погрешностей отдельных измерительных преобразователей (звеньев), методы измерительных преобразований, используемые в современных СИ, можно условно разделить на два основных: метод прямого преобразования и метод уравновешивающего преобразования сигналов измерительной информации.

9.1. Средства измерений структуры прямого преобразования.

Метод прямого преобразования сигналов измерительной информации реализуется в структуре прямого преобразования (структуре последовательного действия). Отличительной чертой метода прямого преобразования является то, что преобразования входного сигнала x(t) выполняются только в одном направлении - от входа СИ к его выходу, и отсутствует преобразование в обратном направлении (рис. 1): выходная величина предыдущего измерительного преобразователя поступает на вход последующего.

Рисунок 1 — Структура СИ прямого преобразования.

Примером структурной схемы СИ прямого преобразования является схема регистрирующего выпрямительного вольтметра, изображенная на рис.2.

Рисунок 2 – Схема регистрирующего выпрямительного вольтметра.

В первом преобразователе «ИС» (измерительной схеме) измеряемое напряжение U преобразуется в переменный ток I~, а в выпрямительном мосте «В» переменный ток преобразуется в постоянный I₌. В третьем преобразователе «ИМ» (измерительном механизме) ток I₌ преобразуется в угловое перемещение  регистрирующего устройства (стрелки или пера). Регистрирующее устройство «РУ» регистрирует показания на диаграмме. Шкала прибора градуируется в единицах измерения U.

Статическая характеристика преобразования (СХП) СИ прямого преобразования, состоящего из линейных преобразователей, определяется следующим образом:

(5.1)

где - коэффициент преобразования (чувствительность) i-го измерительного преобразователя (звена), входящего в измерительную цепь СИ;

- коэффициент преобразования (чувствительность) СИ.

При линейной СХП СИ K=const и все K_i= const; они не зависят от значения входной измеряемой величины Х.

*Установим, как осуществляется формирование суммарной погрешности СИ на основе погрешностей преобразователей измерительной цепи.

9.1.1. Мультипликативная погрешность измерительного преобразователя (или СИ) возникает в результате изменения чувствительности (коэффициент преобразования) преобразователя (или СИ) и приводит к изменению угла наклона статической характеристики преобразования измерительного преобразователя (или СИ).

Пусть измерительные преобразователи, входящие в измерительную цепь СИ, имеют чувствительности К₁, К₂, … К_п, соответственно. Пусть с течением времени или под действием влияющих величин чувствительности измерительных преобразователей изменились. Изменение чувствительности СИ приводит к изменению его показаний (выходной величины Y на рис. 1) и при неизменном значении измеряемой величины Х может быть обусловлено только его погрешностью.

Абсолютная погрешность, соответствующая изменению показаний, приведенная ко входу СИ, определяется следующим образом:

. (5.2)

Известно, что относительная погрешность δ может быть получена путем деления абсолютной погрешности Δ на результат измерения Х.

Установлено, что относительная мультипликативная погрешность СИ структуры прямого преобразования равна сумме относительных мультипликативных погрешностей преобразователей, входящих в измерительную цепи СИ:

(5.3)