76

МИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ.

___________________

ЮЖНО-РОССИЙСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ

(НОВОЧЕРКАССКИЙ ПОЛИТЕХНИЧЕСКИЙ ИНСТИТУТ.)

Ю.Р. Кревченко

Основы проектирования

приборов и систем

Учебное пособие

Новочеркасск 2006 г.

УДК 621.317:004.9(075.8)

ББК 30.2 Я83

К 79

Рецензенты: доц., канд. техн. наук Е.В. Кириевский,

доц., канд. техн. наук Г.С. Галикян,

Кревченко Ю.Р.

К 75 Основы проектирования приборов и систем: учеб. пособие / Юж. - Рос. гос. техн. ун-т – Новочеркасск: ЮРГТУ (НПИ), 2006. – 72с.

Приведены сведения об основных этапах проектирования средств измерений (СИ), основное внимание уделено построению адекватной математической модели СИ с учетом метрологических характеристик, возникающих погрешностей и информационных аспектов преобразования сигналов. Рассмотрены методы анализа математических моделей СИ, способы обеспечения их помехозащищенности. Даны общие подходы к проектированию СИ с учетом надежности их работы, а также основные понятия о системах автоматизированного проектирования СИ.

Предназначено для студентов вузов специальностей 200106 «Информационно-измерительная техника и технологии».

УДК 621.317:004.9(075.8)

ББК 30.2 Я83

© Южно-Российский государственный

технический университет 2006

© Кревченко Ю.Р., 2006

1. Введение

Проектирование – процесс преобразования исходного описания объекта в его окончательное описание на основании комплекса работ исследовательского, расчетного и конструкторского характера. Процесс проектирования начинается прежде всего с определения той области техники к которой относится объект проектирования. Проектирование средства измерения (далее «СИ») начинается с анализа с его структурной и функциональной схем. Далее рассматриваются метрологические характеристики проектируемого СИ, возникающие погрешности, информационные аспекты преобразования сигнала. В этой связи приобретают особое значение рациональный выбор первичных преобразователи физических величин и полей, для измерения параметров которых предназначено СИ.

Важнейшей задаче проектирования СИ является построение его адекватной математической модели, учитывающей условия работы СИ. При этом должны быть приняты во внимание начальные граничные условия, допустимые области определения входных величин и соответствующее области значений выходных величин.

Большую роль в процессе проектирования играет правильный выбор методов анализа математической модели, которые позволяют быстро и с достаточной точностью найти конструктивные параметры проектируемого СИ, удовлетворяющие требованиям технического задания на проектирование.

При проектировании СИ необходимо учитывать внешние факторы воздействия окружающей среды, влияющие на его точность и работоспособность. Для снижения влияния таких факторов на работу СИ используются специальные методы обработки измерительной информации, совершенствуются принципиальные электрические схемы, применяются помехозащищенные конструкции (помехоустойчивый монтаж, бифилярные проводники, экраны для электростатического, магнитостатического и электромагнитного экранирования элементов, узлов, и блоков электрических схем СИ).

Проектирование должно вестись с учетом необходимого заданного уровня надежности работы СИ. Анализ надежности необходимо вести на всех этапах разработки СИ.

В настоящее время наблюдается рост сложности СИ при одновременном требовании уменьшения продолжительности процесса их проектирования. Эффективное решение этой противоречивой задачи заключено в автоматизации процесса проектирования. Наилучшая форма организации процесса проектирования достигается при применении САПР – комплекса средств автоматизации проектирования.

2. Классификация измерительных приборов

Измерительный прибор (ИП)– это СИ, предназначенное для выработки сигналов измерительной информации в форме доступной для непосредственного восприятия наблюдателем.

В настоящее время применяется большое число видов и разновидностей ИП, отличающихся по разным признакам, а именно:

1. по структуре устройства;

2. по способу сравнения с известной величиной, воспроизводимой мерой;

3. по форме представления измерительной информации;

4. по роду измеряемой величины;

5. по другим признакам.

Электроизмерительный прибор (ЭИП) по своему устройству представляет совокупность измерительных преобразователей, что характеризует структуру ЭИП. Условным изображением структуры ЭИП является его структурная схема. По структурным схемам различают три вида ЭИП:

1. прямого преобразования;

2. уравновешивания;

3. смешанного преобразования.

Структурная схема ЭИП прямого преобразования изображена на рис. 2.1

Рис. 2.1. Структурная схема ЭИП прямого преобразования

На рис. 2.1 введены следующие обозначения:

П₁,.., П_n – структурные звенья;

X – входной сигнал;

Х_i-1 – входной сигнал i-го звена.

Структурная схема ЭИП уравновешивания изображена на рис. 2.2,

Рис. 2.2. Структурная схема ЭИП уравновешивания

На рис. 2.2 введены следующие обозначения:

ΔХ – небаланс сигналов Х и Х_m^oc

ПОС₁ ,…,ПОС_m - преобразование цепи обратной связи;

Х₁^ос ,…,Х _m^ос – сигналы на выходе цепи обратной связи;

СУ – сравнивающее устройство.

ΔХ=Х – Хmoc.

(2.1)

Об изменении величине Х мы судим по выходному сигналу Х_n , который является функцией ΔХ

Хn=f(ΔX),

(2.2)

где ΔХ определяется из выражения (2.1)

По сравнению со схемой рис. 2.1, схема рис. 2.2 имеет следующие особенности:

1. значительно меньшая погрешность,

2) большее быстродействие,

3) большой диапазон измерения,

4) значительно меньшая чувствительность.

Последнее объясняется тем, что исходя из принципа действия ЭИП уравновешивания, при Х =0 , ΔX - не равен нулю. Такие ЭИП называются ЭИП с неполной компенсирующей или ЭИП статического уравновешивания. Структурная схема ЭИП смешанного уравновешивания с полной компенсацией подобна схеме, приведённой на рис. 2.2, и отличается тем, что одно или несколько звеньев П_i являются интегрирующими. ЭИП смешанного преобразования часто называют ЭИП астатического уравновешивания. В установившемся режиме при ΔХ=0,

Хn=f(X).

(2.3)

В большинстве случаев можно считать, что

Хn=Х/Кос,

(2.4)

где К_ос – коэффициент обратной связи,

К_ос = K₁· K₂ · …· K_m;

К₁ = Х ^ос₁ / Х_n^ос

К₂ = Х ^ос₂ / Х₁^ос

………………

К_m = Х ^ос_m / Х_m-1^ос

Из формулы (2.4) следует, что в момент компенсации сигнал на выходе пропорционален сигналу на входе и зависит от коэффициента обратной связи К_ос.

По способу сравнения измеряемой величины с величиной принятой за единицу, ЭИП делится на:

1. ЭИП непосредственной оценки;

2. ЭИП сравнения.

ЭИП непосредственной оценки характеризуется тем, что имеет заранее градуированную шкалу в тех единицах, в которых выражается величина, измеряемая с помощью данного прибора.

ЭИП сравнения отличается тем, что посредством такого ЭИП в процессе каждого измерения производится сравнение измеряемой величины с однородной ей величиной, размер которой известен. Такой размер величины воспроизводится мерой. По своей структуре ЭИП сравнения являются приборами уравновешивания, в том числе и смешанного преобразования, а приборы непосредственной оценки являются приборами прямого преобразования.

По способу выдачи измерительной информации ЭИП делятся на:

1. показывающие ЭИП, предназначенные только для визуального наблюдения;

2. регистрирующие ЭИП, предназначенные для регистрации измеряемой величины в функции времени.

Среди этих приборов существуют такие, которые дают информацию о текущем значении измеряемой величины, а также приборы, интегрирующие значения во времени. ЭИП, выходная величина которых является непрерывной функцией от входной величины называют аналоговыми. Цифровые ЭИП вырабатывают автоматически значения выходной величины дискретной по значению и по времени в функции от входной величины.