4. Структура і параметри засобів вимірювальної техніки

Принцип дії і види схем. У засобах вимірювання можуть відбуватися перетворення вимірювальної інформації, погоджені між собою так, щоб забезпечити певне перетворення вхідного сигналу у вихідний. Принцип дії засобу вимірювань визначається характером основних перетворень вимірювальної інформації.

Елемент засобу вимірювань, призначений для реалізації певного етапу перетворень, називається перетворювальним. Сукупність всіх відповідно з'єднаних перетворювальних елементів цього засобу вимірювань утворює його вимірювальне коло. Частина першого перетворювального елемента у вимірювальному колі, яка перебуває під безпосередньою дією вимірюваної величини, називається чутливим елементом. Наприклад, резистивний елемент термометра опору.

Вимірювальні кола засобів вимірювань умовно зображаються у вигляді відповідних структурних, функціональних і принципових схем. Структурною називається схема засобу вимірювань (його окремої частини), яка відображує основні частини вимірювального кола, їх призначення і взаємозв'язок. Схема, яка крім структури вимірювального кола пояснює ще й функціонування окремих його ділянок (певні процеси в них), називається функціональною. Схема засобу вимірювань (його частини), яка містить повний склад елементів вимірювального кола і пояснює принцип дії та взаємозв'язки між ними, називається принциповою (повною).

Структурні схеми засобів вимірювань прямого і зрівноважувального перетворень. Структурний елемент вимірювального кола (перетворювальний елемент засобу вимірювань, його частина або сам засіб вимірювань, що входить до складу вимірювального кола поряд з іншими) умовно подано на рис.2.2, де Х₁ і Х₂ – відповідно вхідна і вихідна величини структурного елемента.

Структурні елементи вимірювального кола можна з'єднувати послідовно, паралельно, зустрічно-паралельно, змішано. Спосіб з'єднання при відповідному функціональному призначенні структурних елементів визначає метод вимірювального перетворення. Розрізняють методи прямого, зрівноважувального і комбінованого перетворень.

Пряме перетворення вимірювальної інформації характерне тим, що воно відбувається тільки в одному напрямку – від входу до виходу вимірювального кола, без зворотного зв'язку (рис.1.3).

Зрівноважувальне перетворення полягає в тому, що вимірювана величина зрівноважується іншою величиною тієї самої фізичної природи. Існує два види зрівноважувального перетворення: слідкуюче (з від'ємним зворотним зв'язком) і розгортальне (автономне).

У засобах вимірювання слідкуючого перетворення (рис.1.4) вимірювана величина Х зрівноважується величиною Х_к=Y, де  – коефіцієнт зворотного зв'язку. На вхід кола прямого перетворення надходить різниця Х=Х-Х_к, яка завдяки великому коефіцієнту підсилення К цього кола і глибокому від'ємному зворотному зв'язку зводиться до такого рівня, коли можна прийняти Х=Х_к і за значенням Х_к відшукати величину Х.

У засобах вимірювання розгортального перетворення (рис.1.5,а) Х_к утворюється автономним джерелом компенсуючої величини (ДКВ) і змінюється автоматично за певним законом (рис,1.5,б). В момент компенсації, коли Х=X-Х_к=0, спрацьовує нуль-орган (НО), який видає сигнал про рівність X=Х_к на вихідний відліковий пристрій (ВП).

Комбіноване перетворення поєднує особливості прямого і зрівноважувального перетворення.

Функція і коефіцієнт перетворення, чутливість і поріг чутливості. Зв'язок між вхідною X і вихідною Y величинами вимірювального пристрою можна подати функцією перетворення:

Y=F(X), (1.2)

яка в загальному випадку нелінійна.

Рис.1.2. Зображення структурного елемента вимірювального кола

Функція перетворення, що присвоєна певному вимірювальному пристрою, називається номінальною функцією F_ном(Х) або градуюваль-ною характеристикою (рис.1.6). Реальна функція перетворення відрізняється від номінальної, що спричиняє похибки перетворення.

Рис 1.3. Структурна схема засобу вимірювального прямого перетворення

Рис 1.4. Структурна схема засобу вимірювання слідкуючого зрівноважування

На основі Y і Y_ном визначається коефіцієнт перетворення К(X)=Y/Х і номінальний коефіцієнт перетворення К_ном(Х)=Y_ном/X. Очевидно, що К_ном(X)=const тільки тоді, коли К_ном лінійна і проходить через початок системи координат (графік 2 на рис. 1.6).

В загальному випадку X і Y є величинами різної фізичної природи. За допомогою К_ном(Х) вихідна величина Y зводиться до входу, внаслідок чого дістаємо зведену функцію перетворення:

(1.3)

В загальному випадку X і Y є величинами різної фізичної природи.

Рис 1.5. Розгортальне зрівноважувальне перетворення:

а – структурна схема; б – часова діаграма;

Рис 1.6. Графіки номінальних функцій перетворення

За допомогою К_ном(Х) вихідна величина Y зводиться до входу, внаслідок чого дістаємо зведену функцію перетворення:

(1.4)

на основі якої можна знайти обернену зведену функцію перетворення:

(1.5)

похідна від функції перетворення, тобто:

(1.6)

або в скінченних приростах:

(1.7)

називається чутливістю вимірювального пристрою. Таке визначення свідчить про те, що чутливість характеризує міру реагування вимірю-вального пристрою на дію вхідної величини. Якщо функція перетво-рення лінійна, то чутливість стала, а якщо, крім цього, графік F_ном(Х) проходить через початок системи координат, то номінальна чутливість дорівнює номінальному коефіцієнту перетворення. А коли функція перетворення нелінійна, то чутливість є функцією вхідної величини і пов'язана з коефіцієнтом перетворення залежністю:

(1.8)

Звідси, знаючи К(Х), завжди можна знайти S(Х), але не навпаки. Значить, коефіцієнт перетворення є більш інформативною характери-тикою вимірювального пристрою, ніж чутливість.

Рис 1.7. До пояснення понять сталої приладу і ціни поділки шкали

Поріг чутливості (реагування) вимірювального пристрою – це мінімальна зміна вхідної величини, яка може бути ним явно виявлена. Із збільшенням чутливості за інших рівних умов поріг чутливості зменшується.

Розмірність чутливості є відношення розмірностей вихідної і вхідної величин, а поріг чутливості має розмірність вхідної величини.

Показ, відлік, стала засобу вимірювань і ціна поділки шкали. Значення величини, яке знаходиться по відліковому пристрою в прийнятих одиницях, називається показом засобу вимірювань. Показ можна виразити як:

(1.9)

або

(1.10)

де N – відлік (число неіменоване, відлічене за відліковим пристроєм або одержане лічбою послідовних відміток чи сигналів);

С – стала засобу вимірювання числа, іменована в одиницях вимірюваної величини;

N_П – число поділок, відлічених за відліковим пристроєм;

С_П – ціна поділки шкали (різниця значень величин, які відповідають двом сусіднім відміткам шкали).

Шкала засобу вимірювання, як частина його відлікового пристрою, це сукупність відміток і чисел відліку або інших символів, що відповідають ряду послідовних значень величини, в одиницях якої дістають покази засобу вимірювань. Якщо довжина поділок (відстань між осями сусідніх відміток) і ціна поділки сталі вздовж шкали, то шкала рівномірна. Шкала з поділками різної довжини або з різною ціною поділки, називається нерівномірною.

Відмінність понять сталої приладу С і ціни поділки шкали С_п пояснює рис.2.7, з якого видно, що найбільший відлік N_max=30, а відлік, що відповідає положенню стрілки, становить N=16. Якщо найбільший показ U_max=30 В, то стала приладу:

а показ, що на рисунку відповідає положенню стрілки:

На цій шкалі максимальне число поділок N_max=15под, а положенню стрілки відповідає N_п=8 под. Отже, ціна поділки:

а показ:

Числові значення С і С_п залежать від кінцевого значення шкали в даному діапазоні вимірювань. Якщо в іншому діапазоні вимірювань:

U_max=60В, то: С=60В/30=2В

і С_п=60В/15 под=4В/под.

Числові значення сталої приладу і ціни поділки шкали збігаються тільки тоді, коли кількість поділок чисельно дорівнює відліку, незалежно від того, рівномірна шкала чи нерівномірна, однодіапазонний прилад чи багатодіапазонний.