книги из ГПНТБ / Лихачев В.С. Испытания тракторов учеб. пособие

ляющей, компенсация температурных и прочих изменений, мас­ штабное преобразование и др.

Далее по линии связи 4 (токосъемник и кабель, иногда — радио­ передающая система) нормализованный сигнал поступает в изме­ ритель 5, после которого, уже будучи масштабированным, посту­ пает на функциональный преобразователь 6. Здесь происходит усиление сигнала, его кодирование и функциональное преобра­ зование (вычисление среднего арифметического, умножение, инте­ грирование нт. п.). Окончательный результат выдается на устрой­ ство 7 хранения и выдачи информации (указатель, осциллограф, печатающая машина и др.).

Измеритель 5 может быть расположен и после функциональ­ ного преобразователя или вообще отсутствовать, когда масшта­ бирование происходит при обработке результатов измерения, например при обработке осциллограммы.

Управление системой осуществляет оператор с помощью пульта управления 8, который позволяет включать систему или ее от­ дельные каналы в работу или выключать их, контролировать работу системы, менять режимы опыта и масштабы и др. Блок питания 9 вырабатывает напряжение и частоту, необходимые для функционирования различных элементов ИИС.

ИИС может иметь ряд дополнительных устройств: блок тари­ ровки и контроля 10, блок испытательных сигналов и др.

Описанная обобщенная схема с теми или иными изменениями справедлива для электрических, механических, гидравлических и других измерительных устройств, а также для отдельных при­ боров. Например, в гидравлическом динамографе (см. рис. 73) измерительное силовое воздействие от тягового звена гидро­ цилиндр—поршень, где чувствительным элементом является пор­ шень, передается на измеритель—поршневой манометр; после сравнения измеряемого сигнала с противодействием эталонной пружины результат измерения выдается на указатель и пишущий механизм.

При составлении измерительной схемы важно не допустить искажения первоначально принятой и проверенной структуры ИСС, чтобы не изменить ее динамических характеристик и не вызвать дополнительных погрешностей. Например, неправильное введение дополнительных цепочек RC или LC может привести к дополнительным систематическим погрешностям, ввести за­ держку сигнала, ввести обратную связь, изменить инерционность системы и вообще изменить ее передаточную функцию.§

§ 10. ХАРАКТЕРИСТИКИ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ, ОПРЕДЕЛЯЮЩИЕ КАЧЕСТВО ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ИНФОРМАЦИИ

Эффективность измерения определяется прежде всего его точностью. Характеристиками приборов и ИИС, определяющими точность измерения, являются их метрологические и динамиче­ ские характеристики.

27

Метрологические характеристики измерительных устройств

Метрологическими характеристиками называют гостируемыё числовые показатели точности прибора, которые должны учиты­ ваться при его выборе и при составлении измерительных схем, В отличие от динамических, метрологические характеристики приборов определяют погрешности статических измерений, т. е. измерений величин, не изменяющихся во времени. К основным метрологическим характеристикам измерительного устройства от­ носят класс точности, вариации показаний, чувствительность, пределы измерения и собственное потребление энергии.

К л а с с т о ч н о с т и прибора показывает допустимую статическую погрешность прибора данного класса при нормаль­

основную погрешность, выраженную в процентах максимального значения шкалы или диапазона измерения данным прибо­ ром.

Основной погрешностью прибора называют наибольшую (по абсолютному значению) разность между показаниями прибора и действительным значением измеряемой величины, полученную из результатов измерений при плавном увеличении и уменьшении измеряемой величины (ГОСТ 1845—59). Определяют основную погрешность прибора по сравнению с показаниями образцового прибора (эталонной меры) при нормальных условиях.

Общетехнические приборы всех видов делят на четыре класса точности: 0,2; 0,5; 1,5; 2,5. Электроизмерительные приборы делят на восемь классов точности: 0,05; 0,1; 0,2; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5; 4,0.

Информационно-измерительные и телеизмерительные системы де­ лят на семь классов точности. Класс точности, например, 2,5, показывает, что для данного прибора приведенная погрешность допускается ±2,5% .

Погрешность, вызванную изменением условий опыта относи­ тельно нормальных, называют дополнительной.

В а р и а ц и е й п о к а з а н и й называют наибольшую раз­ ность показаний прибора относительно показаний образцового прибора при многократных повторных статических измерениях. Вариации характеризуют степень устойчивости показаний при­ бора и объясняются необратимыми процессами в его механизмах, главным образом трением в опорах подвижных частей, а также остаточной деформацией измерительных пружин, люфтов и др. Вариации не характеризуют погрешностей, возникающих в изме­ рительной цепи помимо механических звеньев.

Основная погрешность прибора является общей погрешностью и механизма и измерительной цепи. Она постоянна по всему диа-

28

пазону измерения и не зависит от текущего значения измеряемой величины.

В мостах переменного тока, компенсаторах, магазинах сопро­ тивлений и емкостей имеют место еще статические погрешности, пропорциональные значению измеряемой величины. Они вызы­ ваются изменением коэффициента усиления усилителя, недокомпенсацией при измерении методом статического уравновешива­ ния, изменением добавочного сопротивления при измерении вольтметром.

По ГОСТам 9245—59, 9486—60, 6746—53 и 7003—54 стати­ ческие погрешности выражают в относительных единицах измере­ ния и называют погрешностями чувствительности. При нулевом значении измеряемой величины погрешность чувствительности равна нулю и возрастает по абсолютному значению с увеличением текущего значения измеряемой величины. Погрешность чув­ ствительности является второй составляющей основной погреш­

к изменению измеряемой величины, вызвавшему это приращение:

мой величины, которое может вызывать заметное отклонение ука­ зателя прибора при статическом испытании. Для силоизмеритель­ ных приборов и весов порогом чувствительности является наи­ меньшая нагрузка, при приложении которой прибор, находящийся в состоянии покоя, выходит из равновесия. Для оптических при­ боров показателем, тождественным порогу чувствительности, яв­ ляется р а з р е ш а ю щ а я с п о с о б н о с т ь п р и б о р а — число делений единицы измерения, укладывающееся в полосу погрешности прибора. Применительно к приборам вообще иногда пользуются этим термином как показателем способности при­ бора к обнаружению малых приращений измеряемой вели­ чины.

Чувствительность ИИС равна произведению чувствительностей отдельных элементов системы. Например, чувствительность безусилительной тензометрической схемы равна произведению чув­ ствительностей датчика, измерительной мостовой цепи и гальва­ нометра осциллографа:

где dR — изменение сопротивления датчика в результате из­ мерительной деформации;

29

d x — измерительная деформация датчика!

d U 0Clx— изменение напряжения на входе осциллографа в ре­ зультате изменения сопротивления датчика;

da — отклонение луча гальванометра осциллографа в ре­ зультате изменения напряжения на входе осцил­ лографа.

При компоновке измерительной схемы необходимо увязывать чувствительность устройства с требуемой точностью измерения. Пониженная чувствительность увеличит погрешность измерения, излишне высокая чувствительность усложнит измерительное уст­ ройство, затруднит измерение, увеличит время успокоения при­

прибора, следует учитывать при выборе прибора. Класс точности прибора определяется относительно верхнего предела шкалы, поэтому для небольших значений измеряемой величины нельзя использовать прибор с высоким пределом измерения, так как это даст повышенную погрешность. Например, если динамометром класса 1,5 с пределом измерения 20 кН измерять усилие 2 кН, то при абсолютном значении основной погрешности А = 20 -0,015 =

чины возникающие перегрузки не должны превосходить допусти­ мые перегрузки прибора.

С о б с т в е н н о е п о т р е б л е н и е э н е р г и и . Всякий прибор потребляет энергию на трение в механизмах, на перемагничивание сердечников и магнитопровода прибора, на рассеяние мощности в сопротивлениях и токоведущих цепях. Эта энергия отбирается от объекта измерения и нарушает режим его ра­ боты .

На собственное потребление расходуется часть энергии элек­ трического сигнала. Собственное потребление энергии различных приборов колеблется от нескольких микроватт до нескольких десятков ватт. Для снижения погрешностей измерения необ­ ходимо, чтобы потребление энергии прибором было возможно меньшим относительно общей мощности исследуемого объекта. Собственное потребление энергии необходимо учитывать при со­ ставлении измерительных схем с тем, чтобы обеспечить прохожде­ ние сигнала по системе с наименьшими потерями.

Ценным свойством электронных приборов является ничтожное собственное потребление энергии, поскольку они имеют большое входное сопротивление при малой емкости; кроме того, в схемах этих приборов предусмотрены собственные источники питания. Однако точность электронных приборов ниже, чем других типов приборов.

30

Динамические характеристики измерительных устройств

Большинство сельскохозяйственных технологических процес­ сов и рабочих процессов тракторных агрегатов имеют случайный

ииногда детерминированный колебательный характер. Поэтому

впрактике испытаний чаще всего приходится иметь дело с измере­ нием величин, изменяющихся во времени.

При прохождении сигнала через измерительную систему про­ исходит потеря энергии сигнала как на электрических активных элементах схемы, так и в механизмах измерительного устройства. При отсутствии резонансных явлений потеря энергии сигнала при­ водит к уменьшению амплитуды сигнала на выходе системы про­ тив амплитуды входного сигнала.

Инерционность электрических, механических, гидравлических или пневматических элементов (индуктивности, емкости, механи­ ческие, жидкостные или воздушные массы и их сжимаемость) задерживает сигнал в системе, в результате чего происходит сдвиг фазы колебательного сигнала на выходе системы относительно фазы входного сигнала. Причиной фазовых искажений сигнала является также наличие в системе нелинейных элементов.

При наличии в измерительной схеме колебательных конту­ ров LC в измерительном устройстве может возникать электриче­ ский резонанс напряжений или токов. Резонанс напряжений со­

провождается возрастанием амплитуды сигнала по току. Резо­ нанс токов приводит к резкому снижению амплитуды полного тока сигнала.

При механическом резонансе, который может иметь место в упругих и маятниковых элементах измерительных механизмов, происходит возрастание амплитуды механических колебаний, особенно при малом их демпфировании. Резонанс наступает при равенстве частот вынужденных и собственных колебаний резони­ рующего элемента измерительной схемы. При этом резонансное искажение сигнала охватывает некоторую полосу частот. С не­ которой частоты, достаточно близкой к частоте собственных коле­ баний системы, амплитуда проходящего через нее сигнала начи­ нает возрастать, а затем постепенно убывает по мере превышения частоты сигнала над частотой собственных колебаний системы.

Амплитудные и фазовые искажения сигнала в системе приводят к динамическим погрешностям измерения. Характер и величина динамических погрешностей полностью определяются динами­ ческими характеристиками измерительных устройств.

Динамическая характеристика прибора или измерительно­ деформационной системы показывает амплитудные и фазовые искажения изменяющегося во времени сигнала при прохождении его через измерительную систему. К динамическим характеристи­ кам относят характеристику переходного процесса, частотные характеристики (амплитудно-частотную, фазово-частотную, ампли­ тудно-фазовую) и передаточную функцию системы.

31

Числовыми характеристиками отдельных динамических свойств системы служат: время переходного процесса (время перестановки, время разгона), постоянная времени системы и отдельных ее элементов, коэффициент усиления системы, полоса пропускаемых частот, частота среза, частота собственных колебаний системы резонансная частота.

Характеристика переходного процесса (или переходная харак­ теристика) ИИС представляет собой график изменения сигнала на выходе системы при скачкообразном возникновении сигнала на входе с амплитудой, равной номинальной нагрузочной способ­ ности системы при нулевых начальных условиях. Например,

Рис. 13. Переходные характеристики:

У — апериодической (неколебательной) си­ стемы; 2 — апериодической системы с боль­

шой инерционностью; 3 •—апериодической системы с запаздыванием; 4 — колеба­ тельной системы; А — амплитуда измеряе­ мой величины; Ти — время переходного

процесса (время измерения) для харак­

статическая ошибка

если устройство для регистрации угловой скорости вала двигателя внезапно подключить к вращающемуся валу, то осциллограф запишет плавную кривую от нулевого до максимального значения скорости. В зависимости от инерционности и конструкции си­ стемы переходный процесс может протекать различно, как пока­ зано на рис. 13.

Время переходного процесса — это время установления устой­ чивого показания результата измерения; его называют также временем разгона и иногда (при наличии колебаний указателя прибора) временем успокоения.

Характеристикой быстродействия системы является постоянная времени системы— некоторое условное время, равное времени переходного процесса с максимальной для данного устройства скоростью. Постоянная времени имеет размерность [с] и опреде­ ляется инерционностью системы. Величина постоянной времени Т, как показано на рис. 13, определяется пересечением касательной к кривой переходного процесса с горизонталью на уровне полной амплитуды процесса. Эту касательную называют еще линией энергетического насыщения системы.

Частотные характеристики наиболее полно отражают свойства любых систем — их поведение при различных входных воздей­ ствиях. Если на вход системы (с помощью любого генератора иш фразвуковых колебаний) подавать синусоидальный сигнал

X = Чвх sin оit,

32

то в комплексной плоскости, как показано на рис. 14, на выходе системы получим сигнал другой амплитуды со сдвигом фаз Ѳ

Вэтих формулах:

Авх и А вых— амплитуды соответственно входного и выходного

В соответствии с разложением Фурье колебание любой формы можно представить в виде суммы гармонических колебаний раз­ личной амплитуды и частоты. Поэтому прохождение гармони-

Рис. 14. Представление синусоидального сигнала на входе и вы­ ходе системы и в комплексной плоскости

ческих колебаний через линейную систему (какими являются большинство измерительных систем) полностью характеризует ее поведение при воздействиях любого вида.

А м п л и т у д н о - ч а с т о т н а я х а р а к т е р и с т и к а (рис. 15) представляет собой график изменения амплитуды сигнала при прохождении его через систему в зависимости от частоты его гармонических колебаний (1). Изменение амплитуды обычно характеризуют отношением амплитуды сигнала на выходе системы

■Л-вх . Это отношение называют модулем амплитудно-частотной харак­

теристики.

При статическом испытании, когда частота колебаний входного сигнала равна нулю, это отношение представляет собой коэффи­

сигнала на выходе системы. При некоторой достаточно высокой частоте отношение амплитуд выходного и входного сигналов (при

чении частоты колебания сигнал затухает и при некоторой, до­ статочно высокой частоте теряется — система не пропускает сигнал данной частоты.

В системе без усиления, которая работает как идеальный фильтр (2), при частоте среза система перестает пропускать сиг­ нал. В реальных системах-фильтрах (3) во многих измерительных схемах, включающих в основ­ ном активные сопротивления, пропускание сигнала прекра­ щается с некоторым предва­ рительным его затуханием; в этом случае частотой среза считают частоту, при которой произошла 5-процентная по­

теря сигнала.

троле частотой среза называют частоту, при которой усиленный в системе сигнал затухает до уровня первоначального входного

сигнала ( -AJ^ X- = l^. В измерительных системах частота среза

определяется допустимой динамической погрешностью. В теории электрических фильтров частотой среза называют граничную частоту, определяемую границей между полосой пропускаемых и полосой задерживаемых фильтром частот. В радиотехнике частота среза определяется допустимым ослаблением амплитуды

входного сигнала в |/2 раза. Следует поэтому внимательно отно­ ситься к истолкованию этого термина.

Диапазон частот, ограничиваемых частотой среза, называют полосой пропускаемых системой частот, или, короче, п о л о с о й п р о п у с к а н и я ч а с т о т .

Для измерительно-информационных систем в качестве модуля амплитудно-частотной характеристики (АЧХ) принимают отно­ шение . амплитуды выходного сигнала при динамическом ре­ жиме работы системы к амплитуде того же сигнала при ста­ тических испытаниях. Такая форма модуля не меняет суще­ ства АЧХ, но характеризует динамическую погрешность системы.

34

Иногда АЧХ строят непосредственно по динамической ошибке, т. е. в качестве модуля характеристики принимают относительную динамическую погрешность

Авых Ап или •^вых. ст А п

Форма характеристики определяется задачами ее анализа. Если в системе имеется колебательное звено (упругий чувстви­ тельный элемент датчика или другой элемент с массой и упру­

Рис. 16. Амплитудно-частотные характеристики осциллографических гальванометров с различным демпфированием

Если колебательное звено не демпфировано или мало демпфи­ ровано, то в зоне частоты собственных колебаний этого звена возникает резонансное увеличение амплитуды вынужденных ко­ лебаний (колебаний измеряемой величины на выходе звена). Ча­ стота собственных колебаний, чувствительность и коэффициент демпфирования взаимосвязаны. Увеличение демпфирования сни­ жает чувствительность и сдвигает собственную частоту в сто­ рону высоких частот.

В качестве примера АЧХ электромагнитных колебательных систем с различной частотой собственных колебаний на рис. 16 показаны амплитудно-частотные характеристики осциллографических гальванометров различной чувствительности (1—5). Харак­ теристики построены в функции частоты ѵ, выраженной в герцах.

Часто для иллюстрации влияния демпфирования упругого колебательного звена на его частоту собственных колебаний АЧХ строят в функции отношения частот вынужденных и собственных

колебаний (Ос .

Фазово-частотная характеристика— ФЧХ (рис. 17) представ­ ляет собой изменение фазы синусоидального колебательного сигнала при прохождении его через систему, в зависимости от частоты. Инерционность системы (механическая, тепловая, элек­ трическая) вызывает задержку сигнала тем большую, чем выше частота его колебаний.

В ряде случаев (например, при синтезе систем или при необ­ ходимости графо-аналитической аппроксимации кривых частот­ ных характеристик) удобны частотные характеристики, построен­ ные в логарифмических координатах. По оси абсцисс в этом слу­

считана система. Частоту сигнала для каждого опыта меняют через

сят на график. (Можно подавать на вход сигнал и другой формы: прямоугольный, трапецеидальный, треугольный, но при обработке необходимо пересчитывать амплитуды сигналов на входе и выходе в соответствии с амплитудами первых двух гармоник разложе­ ния Фурье).

Часто АЧХ и ФЧХ объединяют в одну а м п л и т у д н о ­ ф а з о в у ю х а р а к т е р и с т и к у (АФХ). Эта характери­ стика определяет все динамические качества системы, работа­ ющей в условиях колебательного воздействия. Основой АФХ является комплексное представление колебательного сигнала (см.

36