- •II. Анализ и синтез средств измерений
- •2.1. Математические модели и обобщенные структурные схемы измерительных преобразователей (ип) и измерительных приборов
- •2.2. Энергия систем. Обобщенные силы, действующие в системе. Обобщенные скорости.
- •2.3. Меры в измерительной технике
- •2.4. Классификация измерительных преобразователей
- •2.5. Синтез измерительных приборов
- •2.6. Приборы с уравновешиванием механических сил и моментов
- •2.7. Динамические свойства измерительных преобразователей и приборов.
- •2.8. Коррекция динамических характеристик измерительных преобразователей
- •2.9. Измерительные приборы с уравновешиванием электрических величин
- •2.10. Компенсаторы постоянного напряжения
- •2.11 Компенсаторы переменного напряжения
- •2.12. Измерительные мосты
- •2.13. Цифровые измерительные приборы.
- •2.14. Применение микропроцессоров в измерительных приборах
II. Анализ и синтез средств измерений
2.1. Математические модели и обобщенные структурные схемы измерительных преобразователей (ип) и измерительных приборов
Как уже отмечалось раньше, измерительный прибор в отличие от измерительного преобразователя ИП вырабатывает сигнал измерительной информации в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем, т.е. имеет дополнительное устройство, позволяющее взять отсчет. Это может быть шкала со стрелкой, цифровой индикатор, электронно-лучевая трубка с координатной сеткой и другие. Эти устройства также являются измерительными преобразователями.
Существует огромное количество разновидностей и типов измерительных приборов, в то время как измерительных преобразователей значительно меньше. Всё многообразие измерительных приборов получено в результате комбинаций в различных сочетаниях и различными методами измерительных преобразователей. Подразделение измерительных приборов на отдельные ИП значительно облегчает изучение и анализ приборов, позволяет сознательно подходить к построению схемы прибора, выбору метода измерений и анализу погрешностей.
В качестве ИП может быть как одно элементарное звено, например, резистор, преобразующий ток в напряжение, или совокупность звеньев. Основное назначение каждого ИП – преобразование с заданной точностью физических величин. Это может быть преобразование одной физической величины в другую, масштабное преобразование, функциональное преобразование, дифференциальное или интегральное преобразование, умножение или деление и другие.
Совокупность ИП, соединенных между собой и обеспечивающих выполнение необходимых преобразований, составляет измерительную цепь приборов.
Измерительный преобразователь как звено измерительной цепи может иметь один или несколько входов, в зависимости от количества преобразуемых входных величин, и один или несколько выходов. Обозначим ИП в виде, изображенном на рис. 2.1.
Каждая из выходных величин определится как
(2.1)
К
Рис.2.1
где xi – входные величины; уj; – выходные величины; К – oпeратор преобразования.
Наиболее широко представлены ИП, имеющие один вход и один выход: преобразователи одной физической величины в другую, масштабные, интегрирующие и другие. Реже встречаются ИП, имеющие один выход и два или более входов, например, преобразователи, предназначенные для операций умножения и деления, сравнения двух физических величин и другие.
Из обобщенного уравнения преобразования ИП может быть получено уравнение конкретного ИП. Так, для наиболее распространенных ИП с одним входом и одним выходом получим:
у=k x. (2.2)
Такое уравнение нам уже встречалось (I.I). Для линейного преобразователя оператор K будет представлять постоянный коэффициент, который определяет чувствительность преобразователя S. Для нелинейного преобразователя Sнел будет зависеть от входной величины Sнел=S(x).
Структурные схемы измерительных приборов могут быть построены на базе уравнения измерений физических величин, представляющего собой операцию сравнения измеряемой аналоговой величины с образцовой аналоговой величиной 0
* = L=/00/1, (2.3)
где * – результат измерения; L – оператор сравнения с образцовой величиной (мерой); 0/1 – априори известное значение образцовой величины, выраженное в установленных единицах; 1 – единичное значение величины.
Учитывая развитие процессорных измерительных схем, трансформируя уравнение (2.3), можно записать:
(2.4)
где - входное воздействие на измерительный прибор; K1 и К2 -операторы преобразований, выполняемых соответственно в аналоговой и числовой формах; L - оператор сравнения с образцовой величиной.
Обобщенная структурная схема, соответствующая приведенной математической модели, приведена на рис. 2.2.
0
*
КОМП
Формир.
X
Элемент
сравнен.
Управ-ление
К1
К2
Рис.2.2
Принципиальным отличием измерительного прибора от измерительного преобразователя является наличие узла, реализующего oпeратор сравнения с образцовой величиной. Основными элементами указанного конструктивного узла являются элемент сравнения, элемент формирования комп , и устройство управления.
Важно отметить, что сравнивать возможно только активные физические величины, способные изменять энергетическое состояние вещества или объекта, такие, как сила, момент, напряжение, ток, давление, температура. Пассивные физические величины – сопротивление, индуктивность, емкость, масса, момент инерции, упругость и другие – непосредственно сравнить невозможно, поскольку они не обладают энергией, способной воздействовать на элемент сравнения. Поэтому пассивные величины перед сравнением активизируют, пропуская, например, через сопротивление ток, или воздействуют на массу определенной силой.
Таким образом, процесс измерения требует, в общем случае, не только преобразования измеряемой величины, но и приведения её к виду, удобному для сравнения.