1.4.3. Структури засобів вимірювання

У сучасних засобах вимірювання здійснюються різно­манітні і багатоетапні перетворення сигналів вимірюваль­ної інформації. З подальшим розвитком виробництва, зростанням вимог до точності, чутливості і діапазону об'єкти вимірювання стають все складнішими і, як на­слідок, ускладнюється структура вимірювальних прист­роїв. Щоб проаналізувати складні перетворення сигналів у вимірювальних пристроях, доцільно перетворення сиг­налів поділити на низку простих елементарних операцій над вимірювальними сигналами. Кожній такій операції відповідає ланка структури, яка графічно зображає дану операцію над вхідним сигналом для отримання вихідного сигналу. Тоді складний, багатоетапний, розга­лужений процес перетворення інформації у вимірюваль­ному пристрої адекватно зображається графічно у вигляді структурної схеми або просто структури вимірювального пристрою. Зображення обробки інформації у вимірювальних пристроях за допомогою структурних схем дає змогу уточнити і полегшити аналіз і синтез вимірювальних пристроїв.

З а структурою вимірювальні пристрої можна поділити на два типи: прямого перетворення (прямої дії); врівноважувального (компенсаційного) перетворення, або структуру з оберненим зв'язком.

Такий поділ є умовним, оскільки структури реальних вимірювальних пристроїв, як правило, є комбінацією двох типів структур.

Рис. 1.4.3.1

Засоби вимірювання прямого перетворення. Як видно з ри­сунка 1.4.3.2, вимірювальні пере­творювачі увімкнені послідовно один за одним і утворюють тракт передачі сигналу від входу до ви­ходу. Сигнал послідовно, етап за етапом перетворюється і на виході має форму, доступну для безпосереднього сприйняття експериментатором.

Рис. 1.4.3.2

Розглянемо, як залежать параметри вимірювального пристрою в цілому від параметрів окремих ланок і зв'яз­ків між ними.

Чутливість вимірювального пристрою (S) — коефіцієнт перетворення дорівнює добутку чутливостей окремих ла­нок структури:

S=S₁·S_2·…·S_n

Отже, структуру прямого перетворення доцільно засто­совувати тоді, коли необхідно отримати максиРисьну чут­ливість вимірювального пристрою.

Частотний діапазон вимірювального пристрою обме­жений частотним діапазоном найбільш інерційної ланки. Здебільшого такою ланкою є первинний вимірювальний перетворювач (датчик, сенсор). Отже, вимоги щодо час­тотного діапазону вторинних вимірювальних перетворю­вачів, які утворюють канал прямого перетворення, можна знизити.

Мультиплікативна похибка вимірювального пристрою зумовлена відхиленням коефіцієнтів перетворення вимі­рювальних перетворювачів від номінальних. Відносна мультиплікативна похибка вимірювального пристрою δ дорівнює сумі мультиплікативних похибок δ_i вимірюваль­них перетворювачів:

δ=δ₁+δ₂+…+δ_n

Рис 1.4.3.3

Рис 1.4.3.4

Адитивна похибка спричи­нюється такими явищами, як дрейф нуля вимірювальних пе­ретворювачів, дією шумів і завад тощо. Адитивну похибку можна зобразити як додатковий сигнал, що діє на вході вимірювального перетворювача. Щоб оцінити вплив цих додаткових сигналів і їх внесок в ади­тивну похибку приладу, зведемо ці сигнали до входу. Дія всіх додаткових сигналів еквівалентна дії такого сигналу на вході:

Δx=Δx₁/S₁+Δx₂/(S₁S₂)+…+Δx_n/(S₁S₂…S_n)

Засоби вимірювання врівноважувального перетворен­ня. Структура вимірювальних пристроїв врівноважуваль­ного перетворення складається з двох ка­налів: прямого перетворення і зворотного.

Чутливість вимірювального пристрою залежить від чутливості каналів прямого і зворотного перетворень. Чут­ливість каналу прямого перетворення дорівнює добутку чутливостей окремих вимірювальних перетворювачів:

S=S₁S₂…S_n

Аналогічне співвідношення можна записати і для кана­лу зворотного перетворення:

β=β₁β₂…β_m

Сигнал на виході каналу зворотного перетворення вира­жається через вихідний сигнал вимірювального пристрою у і чутливість каналу зворотного зв'язку:

x_β=β·y

Унаслідок компенсації вхідного сигналу х сигналом х_β на вхід каналу прямого перетворення надходить різниця (декомпенсація) цих сигналів

Δx=x-x_β=x-β·y

Некомпенсація сигналів Δх перетворюється каналом прямого перетворення у вихідний сигнал

y=S·Δx

Я кщо у формулу підставити вираз для Δх, то отримаємо

Чутливість засобу вимірювання компенсаційного пере­творення S_β=у/х виражається через чутливості каналів прямого S і зворотного β перетворень за формулою

Якщо Sβ»1, що здебільшого завжди виконується, то чутливість вимірювального пристрою S_β, охопленого зво­ротним зв'язком, не залежить від чутливості S прямого каналу, а в основному обернено пропорційна чутливості р каналу зворотного зв'язку:

подільник напруги на високостабільних резисто­рах, значення яких відомі з високою точністю, а β — це коефіцієнт ділення подільника, то чутливість вимірюваль­ного пристрою S_β, охопленого зворотним зв'язком, можна задавати з високою точністю і стабільністю.

Частотний діапазон засобу вимірювання в цілому можна значно розширити, порівняно з каналом прямо­го перетворення, оскільки справджується співвідношен­ня: добуток чутливості на частотний діапазон — вели­чина стала:

S_βΔf≡const.

Таким чином, зменшення чутливості S_β засобу вимірю­вання у цілому, порівняно з чутливістю S каналу прямого перетворення, приводить до рівноцінного розширення частотного діапазону вимірювального пристрою, охопленого зворотним зв'язком, тобто, маючи запас за чутливістю, можна розширювати частотний діапазон, а отже, швид­кодію вимірювальних пристроїв.

Мультиплікативна похибка вимірювального пристрою компенсаційного перетворення визначається відхиленням чутливостей (коефіцієнтів перетворення) окремих ланок каналів прямого Si і зворотного βj перетворення від номі­нальних значень Si0 βj0:

ΔS=S_i-S_i0; Δβ=β_j-β_j0

Відносні мультиплікативні похибки каналів прямого і зворотного перетворень дорівнюватимуть:

Відносна мультиплікативна похибка вимірювального пристрою в цілому

З а умови Sβ»1 вираз значно спрощується:

Таким чином, мультиплікативна похибка каналу пря­мого перетворення зменшується у 1+Sβ разів, а муль­типлікативна похибка каналу зворотного перетворення входить до складу загальної мультиплікативної похибки з коефіцієнтом одиниця.

Адитивна похибка. Адитивні похибки окремих ланок каналу прямого Δx_s1, Δx_s2, …, Δx_sn і зворотного Δx_β1, Δx_β2, …, Δx_βn перетворень можна трактувати як додаткові сигнали, що діють на входах окремих ланок (див. рис. 1.4.3.4). Зведена до входу адитивна похибка вимірювального пристрою в цілому виражається через адитивні похибки окремих ланок як

Аналіз адитивних похибок вимірювальних пристроїв компенсаційного перетворення свідчить, що: по-перше, чим ближче до входу знаходиться ланка каналу прямого перетворення, тим більший її внесок у загальну адитивну похибку, тому особливу увагу під час конструювання слід приділяти вхідним вимірювальним перетворювачам; по-друге, введення зворотного зв'язку не зменшує адитивних похибок каналу прямого перетворення.

Зміст