33. Структурные схемы си прямого преобразования.

Структурные схемы СИ.

Измерительные устройства состоят из некоторого числа элементов (составных частей), предназначенных для выполнения таких, функций, как: преобразование поступающего сигнала по форме или виду энергии, успокоение колебаний, защита от помехонесущих полей, коммутация цепей, представление информации и т.п. к элементам измерительных устройств относят: опоры, направляющие, пружины, магниты, контакты, множительно-передаточные механизмы и т.п.

Основные составные части:

Преобразовательный элемент – элемент СИ, в котором происходит одно из ряда последовательных преобразований величины;

Измерительная цепь – совокупность преобразовательных элементов Си, обеспечивающая осуществление всех преобразований сигнала измерительной информации;

Чувствительный элемент – первый в измерительной цепи преобразовательный элемент, находящийся под непосредственны воздействием измеряемой величины;

Измерительный механизм – часть конструкции Си, состоящая из элементов, взаимодействие которых вызывает из взаимное перемещение

Отсчетное устройство – часть конструкции Си, предназначенное для регистрации показаний.

Регистрирующее устройство – часть регистрирующего измерительного прибора,  предназначенная для регистрации показаний.

На рисунке ниже приведены схемы  измерительных устройств прямого действия (прямого преобразования) и сравнения (уравновешивающего или компенсационного преобразования).

 

Структурные схемы СИ прямого действия.

 

Структурные схемы СИ сравнения.

 

Работа этих типов приборов. На первом рисунке измеряемая физическая величина Х поступает в чувствительный элемент 1, где преобразуется в другую величину, удобную для дальнейшего использования (ток, напряжение, давление, перемещение, сила), и поступает на промежуточный преобразовательный элемент 2, который обычно либо усиливает поступающий сигнал, либо преобразует его по форме. (Элемент 2 может отсутствовать). Выходной сигнал элемента 2 поступает к измерительному механизму 3, перемещение элементов которого определяется с помощью отсчетного устройства 4. Выходной сигнал Y (показание), формируемый измерительным прибором, может быть воспринят органами чувств человека.

Показаниями называют значение величины, определяемое по счетному устройству и выраженное в принятых единицах этой величины. Отсчетное устройство представляет собой цифровое табло или, в подавляющем большинстве случаев, шкалу с указателем. Для шкальных от счетных устройств принято использовать ряд понятий, сущность большинства, из которых легко установить по рисунку ниже.

Схема измерительного прибора, основанного на методе уравновешивающего преобразования, показана на 3-м рисунке выше. Отличительной особенностью таких приборов является наличие отрицательной обратной связи. Здесь сигнал Z, возникающий на выходе чувствительного элемента, поступает на преобразовательный элемент 5, который способен осуществлять сравнение двух величин (элемент сравнения, ком парирующий элемент), поступающих на его вход. Кроме величины Z на выход элемента 5 подается величина с противоположным знаком Zур (уравновешивающий сигнал), которая формируется на выходе обратного преобразовательного элемента 6. На выходе элемента 5 формируется сигнал, пропорциональный разности значения величин Z и Zур. Этот сигнал поступает в промежуточный преобразовательный элемент 2, выходной сигнал которого поступает одновременно на измерительный механизм 3 и на вход обратного преобразовательного элемента 6. В зависимости от типа промежуточного  преобразовательного элемента 2 при каждом значении измеряемого параметра и соответствующем ему значении Z разность Z-Zур, поступающая на вход элемента 5, может сводиться к нулю или иметь некоторое малое значение, пропорциональное измеряемой величине.

 

Структурная схема прямого преобразования

 

Отличительная черта СИ, имеющего структурную схему прямого преобразования (рис. 11.22), состоит в том, что все преобразования Измерительного сигнала производятся в прямом направлении. Схема состоит из n последовательно соединенных блоков.

Рис. 11.22. Структурная схема прямого преобразования

 

На схеме через К₁, К.,, ..., К_n обозначены коэффициенты преобразования блоков. Каждый i-й коэффициент определяется по формуле К = dU_i/dU_i-1, где

U_i-1 и U_i — входной и выходной сигналы i-го блока.

Входной сигнал U_вх, несущий информацию об измеряемой величине, последовательно преобразуется в промежуточные сигналы U1, U₂,..., U_n-1 и в выходной сигнал U_выx. В общем случае каждый из них является переменным во времени и может быть представлен в виде суммы гармонических составляющих. В связи с этим коэффициент К_i должен выражаться комплексным числом, а анализ структурных схем проводиться с использованием теории функций комплексного переменного. Однако для простоты рассмотрения будем считать, что информативным параметром сигнала является только его амплитуда (это чаще всего и бывает на практике). Тогда коэффициенты преобразования выразятся вещественными числами. Предположим также, что коэффициенты преобразования не зависят от уровня сигнала, т.е. звенья считаются линейными: К₍ = const.

Первоначально считая, что все помехи AU_oi (см. рис. 11.22) равны нулю, получим уравнение преобразования СИ, имеющего структурную схему прямого преобразования:

 , (11.10)

где К — коэффициент преобразования СИ.

На процесс измерения будут оказывать влияние изменения и нестабильность коэффициентов преобразования DК_i, а также дрейфы нуля, помехи и наводки, которые в сумме можно описать сигналами DU_0i, складываемыми с выходными сигналами каждого блока. Абсолютная погрешность DU_выхизмерения выходной величины, обусловленная нестабильностью коэффициента преобразования, может быть рассчитана как погрешность косвенного измерения с учетом выражения (11.10):

Как видно из этого уравнения, погрешность DU_вых является мультипликативной, т.е. зависит от уровня измеряемого сигнала. Относительная мультипликативная погрешность складывается из относительных погрешностей структурных элементов:

где d_ш = DК_i/К_i — относительная нестабильность коэффициента преобразования i-го блока; DК/К - относительная нестабильность коэффициента преобразования СИ.

Рассмотрим погрешность, обусловленную дрейфом нуля и наводками. Дрейф нуля — это изменение сигнала на выходе блока, не связанное с изменением входного сигнала. Он, как правило, определяется при входном сигнале, равном нулю. Дрейф нуля приводит к смещению передаточной функции 1-го элемента (рис. 11.23,а). Результирующее действие сигналов DU_0i приводит к появлению дополнительного выходного сигнала

Эта погрешность приведена к выходу СВ и по своей сути является аддитивной.

 

Рис. 11.23. Функции преобразования блоков с дрейфом нуля (а)

                   и порогом чувствительности (б)

 

Таким образом, как следует из двух последних уравнений, в СИ, имеющем структурную схему прямого преобразования, происходит суммирование погрешностей, вносимых отдельными блоками. Для достижения высокой точности прибора требуется высокая стабильность параметров и характеристик каждого из блоков. Все это затрудняет реализацию высокоточных СИ по схеме прямого преобразования.