Управление, обратная связь

Бывает так, что результат измерения не регистрируется и не воспроизво­дится средством индикации, а непосредственно используется для управле­ния каким-то процессом. Целью управления процессом является такое регу­лирование, при котором выходной продукт соответствует определенным требованиям. Измеряются один или большее число параметров процесса, и регулирование осуществляется таким образом, чтобы уменьшить различие между измеряемыми величинами и заданными наперед значениями. Если управление основано на измерении такого параметра процесса, на котором не отражается результирующее изменение характеристик процесса, то счи­тается, что регулирование процесса осуществляется по принципу автомати­ческого управления «вперед» (разомкнутая система управления). Однако в том случае, когда управление базируется на измерениях, результаты кото­рых зависят от предшествующих управляющих воздействий, возникает зам­кнутый контур (который в отдельных случаях, в принципе, может приво­дить к неустойчивости). Этот последний метод управления процессом носит название управления с обратной связью.

3

Измерительные приборы в электрических измерениях

3.1 Введение

Продолжая обсуждение общих вопросов измерения физических величин, рассмотренных в предыдущей главе, теперь мы сфокусируем свое внимание на измерительных приборах (системах и подсистемах, а также компонен­тах), часто используемых в электрических измерениях. Характер этих уст­ройств зависит от цели, которую мы хотим достичь путем измерения.

Перечень возможных целей:

— Исследование. Задачей проведения исследования является расширение нашего понимания различного рода природных и искусственных физичес­ких состояний и явлений. Поэтому при исследовании окружающей среды измерительные системы обычно должны быть способны измерять в широ­ком диапазоне с прекрасной линейностью и хорошей динамической харак­теристикой.

— Измерение расходуемых величин. Измерения расхода выполняются, прежде всего, для количественного определения и регистрации полученной или поглощенной величины. Возьмем, к примеру, электрический счетчик (из­меритель кВт_•ч), имеющийся в каждом доме, или электронные весы в мага­зине. Наиболее важным аспектом для такого рода применений является точ­ность измерения, поскольку потребитель должен правильно расплатиться за полученное количество. Поэтому регулярная калибровка оборудования час­то является требованием закона

— Безопасность. Часто измерения предпринимаются для обеспечения безопасности людей и окружающей среды, например, измерения уровня радиации или концентрации токсичных веществ, скажем, в питьевой воде Для этих систем безопасности решающим является фактор надежности; система всегда должна функционировать в соответствии с ее технически­ми характеристиками. Если, тем не менее, произойдет авария, это не должно приводить к опасным ситуациям; система должна быть надеж­ной.

— Калибровка. Здесь целью измерения является определение, соответствует ли продукция определенным требованиям Это требует регулярной калибровки пределов

интервала допустимых отклонений в измерениях, по ре­зультатам которых производится принятие или отбраковывайте.

— Управление процессом. В промышленности, например, целью многих измерений является получение информации о состоянии данного процесса. Тогда на основе этих измерений может быть проведена коррекция Если по результатам измерений параметры измеряемого процесса варьируются, то измерительная система является частью петли обратной связи. Решающей здесь становится динамическая характеристика измерительной системы, поскольку она будет влиять на стабильность или нестабильность системы текущего контроля.

Обычно в измерительной системе измеряемая физическая величина при первой возможности преобразуется в электрический сигнал. Это делается постольку, поскольку электрический сигнал легко можно преобразовать почти в любую желаемую форму. Разнообразие имеющихся электронных операций позволяет нам быстро и недорого реализовать необходимую обработку сиг­нала.

У быстрого развития электронной обработки сигналов имеется несколь­ко причин. Прежде всего, с помощью электронных схем очень легко реали­зуется усиление сигнала. В процессе усиления увеличивается мощность сигна­ла без существенной потери информации. Поэтому, используя электронное оборудование, можно получить высокую чувствительность. Например, фо­тоумножитель позволяет легко достигать коэффициента усиления тока рав­ного 10⁶ — 10⁸.

Во-вторых, использование электроники дает возможность проводить из­мерения с минимальным воздействием на объект измерения. Например, мощность, отбираемая из жидкости при измерении рН электрометричес­ким усилителем, менее 10^-15 Вт.

К тому же, электронные схемы бесшумны, поскольку не имеют движу­щихся частей, свободны от износа и им присуще относительно низкое по­требление энергии.

Вероятно, одним из наиболее значительных достоинств электронных схем является скорость, с которой они могут обрабатывать быстро протекающее явление, что связано с отсутствием движущихся частей, обладающих инер­цией. Могут быть обнаружены даже события, происходящие в течение 100 пс. Частотный диапазон электронных схем может простираться выше 10 ГГц.

Кроме того, электронная обработка сигнала обладает значительной гиб­костью; почти без ограничений можно реализовывать многочисленные фун­кции и комбинировать их для создания более сложных функций. Измери­тельная информация легко передается на большие расстояния (телеметрия) в широкой полосе частот и с очень низкой чувствительностью к помехам.

Однако электронные приборы имеют все-таки свои недостатки: невоз­можна обработка сигналов большой мощности (для этого нужны гидравли­ческие сигналы), надежность аппаратуры часто ниже требуемой и, нако­нец, она крайне чувствительна к таким внешним воздействиям, как темпе­ратура, влажность, радиация и т. д.

В дальнейшем при рассмотрении измерительных преобразователей мы

ограничимся датчиками, преобразующими неэлектрическую физическую величину в электрическую величину (входные преобразователи) и наобо­рот, преобразователями, осуществляющими преобразование электрической величины в неэлектрическую физическую величину (выходные преобразо­ватели). Начнем мы с входных преобразователей, а выходными преобразо­вателями займемся в параграфе 3.4.