§ 2.7. Структурные схемы и метрологические характеристики измерительных систем

Для измерительных систем можно выделять некоторые общие структурные схемы.

На рис. 2.10 показаны структурные схемы измерительных си­стем, используемых для автоматического контроля, регулирования и управления технологическими процессами. Измерительная систе­ма, построенная по схеме 2.10, а, обеспечивает одновременное из­мерение и регистрацию всех величии объекта измерения, а изме­рительная система, построенная по схеме 2.10, б,— поочередно из­мерение и регистрацию.

Измерительная информация в приведенных измерительных си­стемах формируется с помощью первичных измерительных преоб­разователей 1 и посылается в виде сигналов в канал связи 4.

В зависимости от типа измеряемой физической величины, принци­па действия первичного измерительного преобразователя и рас­стояния, на которое необходимо передать информацию, в состав измерительной системы могут быть включены помимо первичных измерительных преобразователей промежуточный 2 (рис. 2.10, а) и передающий 3 измерительные преобразователи. При этом изме­рительный преобразователь может располагаться территориально около первичного или около прибора 5, измеряющего сигнал, поступающий из канала связи, представляющего последний в форме, удобной для восприятия человеком, и осуществляющего

Р ис. 2.10. Структурные схемы измерительных систем

регистра­цию. Измерительный прибор 5 называют вторичным прибором, считая при этом, что все измерительные преобразователи, рабо­тающие с ним в комплекте, являются первичными приборами.

В измерительной системе (рис. 2.10, б) с поочередным подклю­чением первичных измерительных преобразователей к прибору 5 применяется коммутатор 6, который следует рассматривать как вспомогательное устройство. Для простоты на рис. 2.10, б показа­на измерительная система, в составе которой имеются только пер­вичные измерительные преобразователи 1. В общем случае в нее могут быть включены промежуточные и передающие измеритель­ные преобразователи. При этом выходные сигналы преобразова­телей всех измеряемых величин в отличие от системы, построен­ной по схеме рис. 2.10, а, должны быть одинаковыми по природе и диапазону измерений. Последнее необходимо для обеспечения возможности их измерения и регистрации одним и тем же прибо­ром 5.

В структурных схемах рассмотренных измерительных систем можно выделить цепочки, состоящие из измерительных преобразо­вателей, каналов связи и вторичных приборов. Если для каналов связи нормированы те же характеристики, что и для измеритель­ных преобразователей и приборов измерительной системы, то мож­но рассматривать последнюю как последовательное соединение не­скольких преобразователей.

Функция преобразования измерительной системы через извест­ные функции преобразования отдельных преобразователей может быть в общем случае записана в виде

Y = ƒ_n ‹…ƒ₃{ƒ₂[ƒ₁(X)]}› (2.40)

Если функции преобразования указанных преобразователей ли­нейны, функция преобразования измерительной системы имеет вид

(2.41)

где К_і— коэффициент преобразования i-го преобразователя.

Динамические свойства измерительной системы определяются динамическими свойствами входящих в ее состав преобразовате­лей. С позиций теории автоматического регулирования измеритель­ную систему можно рассматривать как последовательное соедине­ние ряда динамических звеньев. Поэтому ее передаточную функ­цию можно представить произведением передаточных функций преобразователей:

(2.42)

Для измерительных систем обычно нормируются те же метро­логические характеристики, что и для измерительных устройств. В то же время следует подчеркнуть, что до сих пор не найдено теоретически обоснованное и практически целесообразное решение задачи нормирования метрологических характеристик измеритель­ных систем.

При выполнении технологических измерений имеется лишь ин­формация о метрологических характеристиках измерительных уст­ройств, входящих в измерительную систему. Обычно эта информа­ция представляется в виде класса точности, что для измерительных устройств, используемых для технологических измерений, соответ­ствует пределу допускаемой приведенной погрешности. Поэтому для приближенной оценки приведенной погрешности измеритель­ной системы из n включенных последовательно преобразователей с линейными функциями преобразования используют выражение:

(2.43)

где — приведенная погрешность і-го преобразователя.

Оценка погрешности измерительных систем, полученная с по­мощью выражения (2.43), является максимальной, так как предпо­лагает одновременное появление максимальных погрешностей од­ного знака при любых значениях измеряемой физической величи­ны у всех измерительных преобразователей, составляющих кон­кретную измерительную систему. Для получения более реальной погрешности измерительных систем суммирование приведенных погрешностей преобразователей осуществляется вероятностным методом, т. е. используют выражение [6, 10]:

(2.44)

При этом предполагается, что погрешности всех преобразователей независимы, закон распределения погрешностей для каждого из преобразователей является равномерным (см. рис. 1.9, а), а значе­ние предела допускаемой приведенной погрешности определяет гра­ницы этого распределения. Если функции преобразования измери­тельных устройств, входящих в измерительную систему, нелиней­ны, то для оценки ее приведенной погрешности используют выра­жение

, (2.45)

где W_i — коэффициент влияния для і-го преобразователя.

Определение коэффициентов влияния W_i осуществляется так же, как и при обработке результатов косвенных измерений (см. гл. 3).