Добавил:
ivanov666
Опубликованный материал нарушает ваши авторские права? Сообщите нам.
Вуз:
Предмет:
Файл:Технические измерения и приборы. Часть I. Учебное пособие
.pdf
21
0,27 % (± 0,135 %) измерений лежит за пределами установленных
Z
ха х
2
1
Рис. 1.19. Схема экрани-
рования помех:
1 – измерительное устройство; 2 – экранирование помех
границ зоны рассеяния, другими словами, примерно в одном случае из
400 случайная погрешность измерения может быть больше предельного значения.
Случайная погрешность описывает только отклонение от математического ожидания, а не правильность измеренных значений.
Влияние систематических погрешностей в измерительной системе стремятся уменьшить внесением поправок, а случайные оценить и
учесть.
1.3.4. Автоматическая коррекция погрешностей
Уменьшить погрешности можно на этапе проектирования посредством экранирования помех, компенсации погрешностей, введения обратной связи.
Принцип экранирования помех – аддитивные и мультипликативные помехи устраняются до входа их в измерительную систему
(рис. 1.19). Например, влияние температуры на прецизионные весы
устраняется термостатированием или нагревом чувствительного элемента до такой высокой температуры, что колебания температуры окружающей среды не оказывают заметного влияния на точность измерения.
Принцип компенсации погрешно-
сти – возмущающие помехи остаются, но
их действие на измерительное устройство
вычисляется и погрешность компенсируется (рис. 1.20). Аддитивные помехи компенсируются проще – их воздействие
складывается с измерительным сигналом.
Для компенсации мультипликативных
помех необходима дополнительная обработка измерительного сигнала и сигнала
помех в вычислителе.
Пример: при измерении деформации
тензодатчиком температурное изменение
сопротивления компенсируется точно таким же изменением сопротивления в пассивном компенсационном тензодатчике.
22
Z
+ -
ха х
1
2
Z
ха х
1
2
3
+
–
х
х
а
Z
Z
•
1
>
2
3
а б
Рис. 1.20. Компенсация аддитивных (а) и мультипликативных (б) помех:
1– измерительное устройство; 2 – восприятие сигнала помехи; 3 – вычислитель
Принцип обратной связи – выходная величина определяется и
сравнивается с сигналом чувствительного элемента (датчика). На
рис. 1.21 показана структурная схема измерительной системы с обратной связью.
Рис. 1.21. Измерительная система с обратной связью:
1 – чувствительный элемент; 2 – измерительное устройство;
3 – преобразователь; > – усилитель
Этот принцип применим для устранения влияния как аддитивных,
так и мультипликативных помех. Он может быть использован, когда
помехи не могут быть определены (внутриприборные помехи). Измерительная система представляет собой систему автоматического регулирования и должна быть тщательно проанализирована с точки зрения
динамики, в частности устойчивости.
1.3.5. Динамические погрешности измерения
Динамические погрешности имеют место при измерении величин,
изменяющихся во времени. Практически все измерительные устройства имеют в своем составе инерционные элементы: подвижные механи-
23
ческие узлы, электрические и пневматические емкости, индуктивно-
1
2
3
Диапазон
измерений
х
у
х
х
н
х
в
Диапазон показаний
yн
yв
y
сти, элементы, обладающие тепловой инерцией. Инерционность проявляется в том, что показания измерительного прибора недостаточно
быстро следуют за действительным изменением во времени измеряемой величины. Динамические свойства измерительных систем описываются математическим аппаратом и характеристиками теории автоматического управления.
1.4. ХАРАКТЕРИСТИКИ И ПАРАМЕТРЫ
ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ УСТРОЙСТВ
Измерительные средства обладают рядом общих свойств, необхо-
димых для выполнения их функционирования, называемых метроло-
гическими характеристиками. Они регламентируются ГОСТ 8.009–72.
Статическая характеристика (функция преобразования или
градуировочная характеристика) – функциональная зависимость выходного сигнала от входного в статическом режиме работы измерительного устройства. Статическая характеристика нормируется путем
задания в форме уравнения, графика (рис. 1.22) или таблицы.
Диапазон показаний – область значений всей шкалы.
Диапазон измерений – область значений измеряемой величины
(хв – хн; ув – ун), для которой нормированы допускаемые погрешности.
Рис. 1.22. Статические характеристики
измерительных устройств:
1 – нелинейная; 2 – линейная; 3 – пропорцио-
нальная
24
Чувствительность – отношение изменения сигнала на выходе
0
lim tg
x
у dy
S
х dx
A
х
у
у
измерительного устройства к вызывающему его изменению измеряемой величины:
.
Для нелинейной статической характеристики чувствительность
различна в разных точках.
Одно из основных требований к измерительным устройствам – ли-
нейность его статической характеристики (за исключением специальных случаев).
Погрешность нелинейности указывает отклонение от номиналь-
ной характеристики. Используют различные оценки. Чаще всего указывают отклонение от требуемой прямой, выражаемое в процентах от
диапазона показаний.
Если статическая характеристика линейна, то у = кх, где к – коэф-
фициент преобразования.
Порог реагирования (чувствительности) или нечувствительность
в нулевой точке – наименьшее изменение входной величины, которое
вызывает уверенно фиксируемое изменение выходного сигнала
(рис. 1.23). Чтобы исключить неопределенность, связанную с обнаружением факта начала изменения показаний, предусматривается определенное малое изменение у (для стрелочных приборов может быть
½ деления шкалы).
Рис. 1.23. Характеристика с нечувстви-
тельностью в нулевой точке: А – порог
реагирования при Δу
Гистерезис проявляется как вариация показаний, получаемых при
одном и том же значении измеряемой величины с медленным подходом к метке – один раз с меньшего, а другой раз – с большего значения. При совершении полного цикла оформляется в петлю гистерези-
са – расхождение ветвей характеристики при возрастании и убывании
измеряемой величины (рис. 1.24).
25
у х у
х
а б
Рис. 1.24. Гистерезис при наличии люфта (а) и трения (б)
Гистерезис может зависеть от предыстории или последействия, например остаточных пластических деформаций в материале (релаксации). Гистерезис требует более точного описания вызывающих его
эффектов и условий его проявления. Гистерезис может быть магнитный, диэлектрический, пьезоэлектрический, электрооптический.
Разрешающая способность характеризует наибольшую точность, с
которой снимаются показания. Если показания изменяются дискретно,
то разрешающей способностью является шаг дискретности показаний.
Если характеристика непрерывна и не имеет гистерезиса, то разрешающая способность соответствует обратной величине чувствительности.
При наличии гистерезиса она включает в себя нечувствительность.
Стабильность нуля часто характеризуют отношением смещения
нуля (аддитивной помехи) к значению помехи, его вызвавшей. Например, мВ/К. Временную нестабильность нуля определяют значением
максимального дрейфа нуля за определенное время (мВ/24 ч).
Для нормирования динамических свойств измерительных средств
часто указывают на само дифференциальное уравнение, а другие производные от него динамические характеристики (передаточные функции, амплитудно-фазовые частотные характеристики) находят, например, экспериментальным путем. Для определения инерционных
свойств измерительных устройств по переходным характеристикам
обычно используют заимствованное из теории автоматического регулирования понятие динамического звена и постоянной времени – время, за которое выходной сигнал достиг бы нового установившегося
значения, если бы изменялся с постоянной скоростью, равной скорости
в момент скачкообразного изменения входного сигнала.
Для всех измерительных устройств важными также являются две
следующие характеристики.
26
Под временем установления выходного сигнала (время затухания
Т
п
t
y
y
(
t
)
x
(
t
)
1
2 и
2
колебаний) Тп понимают отрезок времени с момента скачкообразного
изменения измеряемой величины х до момента, когда показание у
достигает полосы допуска и остается в ней (рис. 1.25). Полосу допуска
обычно принимают ±5 % от размера скачка.
Рис. 1.25. Переходной процесс измерительного
устройства
Время установления выходного сигнала Тп стрелочных приборов
от 1 до 10 с, пишущих – от 0,1 до 1 с, шлейфовых осциллографов – от
0,0001 до 0,001 с.
В частотной области в качестве характеристической величины используется так называемая предельная частота измерительной системы, под которой понимают частоту гармонических колебаний х(t), при
которой отношение амплитуд достигает установленного допустимого
значения:
.
27
1
х
2 3 4
5
6
х
а
Г л а в а 2
ОСНОВНЫЕ СВЕДЕНИЯ
ОБ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ СИСТЕМАХ
2.1. ФУНКЦИОНАЛЬНАЯ СТРУКТУРНАЯ СХЕМА ИЗМЕРИ-
ТЕЛЬНОЙ СИСТЕМЫ
В ранее рассмотренных блок-схемах отражалось только прохождение сигналов. Можно построить другую блок-схему (рис. 2.1), отражающую функции отдельных элементов, связанных между собой сигналами, характеризующими физическую величину.
Рис. 2.1. Функциональная схема измерительной системы:
1 – восприятие измеряемой величины; 2 – преобразование измеритель-
ной информации, усиление; 3 – вычислительные операции; 4 – обработка и передача измерительной информации; 5 – отображение измери тельной информации; 6 – эталон
Такая блок-схема неполно отражает последовательность прохождения сигналов (например, отсутствует обратная связь), но позволяет
провести анализ функций, выполняемых отдельными частями измерительной системы.
Восприятие измеряемой величины является первичной задачей
любой измерительной системы и осуществляется чувствительными
элементами (датчиками или первичными преобразователями), кото-
28
рые часто совмещают с другими элементами измерительного прибора.
В процессе измерения физической величины возникают проблемы
представительности, и выбор типа датчика часто диктуется ими. Основной задачей этого этапа является выработка сигнала измерительной
информации в форме, удобной для дальнейшей ее обработки при минимальных помехах. Существует огромное число всевозможных измерительных преобразователей, однако в их основе лежит ограниченное
число физических принципов (эффектов).
Преобразование измерительной информации и ее усиление. При
использовании для измерений определенных физических явлений возникает необходимость преобразовать сигнал, функционально связанный с измеряемой величиной, в другую физическую величину. Например, давление – в напряжение, перемещение – в давление. Наряду с
преобразованием часто возникает необходимость усиления сигнала
(например, его мощности). Эти функции выполняет вторичный преоб-
разователь. Часто первичный и вторичный преобразователи совмещают в одном приборном блоке.
Вычислительные операции. Измерение является сравнением с так
называемой мерой, в простейшем случае с градуированной шкалой. Но
часто зависимость между показаниями и измеряемой величиной непропорциональна или нелинейна и поэтому при обработке измерительной информации требуется проводить арифметические действия и
даже интегрирование и логарифмирование. Например, определение
величины по нескольким одновременно измеряемым величинам косвенным методом (скорости потока по перепаду давления). Реализуется
это различными техническими средствами аналоговыми и дискретными методами.
Обработка и передача измерительной информации. Во многих
измерительных системах имеются достаточно длинные линии связи
между элементами, состоящие из нескольких каскадов сопряжения.
Для того чтобы информация не терялась и не искажалась, в такие каскады включают схемы обработки сигналов – фильтрации, модуляции,
запоминания, аналого-цифрового преобразования. Такая обработка
производится как одноцелевыми вычислительными устройствами, так
и с помощью ЭВМ, где могут быть выполнены любые аналитические и
логические операции.
Отображение измерительной информации. Это операция, кото-
рой заканчивается измерение, если информация не подлежит дальнейшей автоматической обработке (в АСУ). Существует много возможно-
29
стей отображения как аналоговой, так и цифровой информации: при-
Пять ощущений: Двигательные органы
Головной мозг
Зрение Глаза Руки
Слух Уши Ноги
Вкус Язык Речь
Обоняние Нос Другие органы
Осязание Нервные
окончания
Физическая
величина
Датчик
Предварительная
обработка
Вычислитель
(ЭВМ)
Исполнительное
устройство
боры показывающие, пишущие, регистрирующие, печатающие. Они
могут быть механическими, оптическими, электронными, электроннолучевыми. Нередко выбор метода измерения определяется требуемым
видом отображения измеряемой величины.
Представленная блок-схема идеализирована. В реальных схемах
должно быть отражено и проанализировано влияние внешних и внутренних помех, а также обратных реакций отдельных блоков.
2.2. ПЕРВИЧНОЕ ПРЕОБРАЗОВАНИЕ
ИЗМЕРЯЕМОЙ ВЕЛИЧИНЫ
Анализируя функции отдельных элементов измерительной систе-
мы, можно провести аналогию с биологической системой человека
(рис. 2.2).
Рис. 2.2. Биологическая система человека
После восприятия и сложной обработки информации о внешней
среде головной мозг человека формирует командные сигналы рукам,
ногам и другим двигательным органам. Нечто подобное происходит в
технической системе (рис. 2.3).
Рис. 2.3. Техническая система
30
Техническую систему отличает множество физических величин
(семь основных и масса производных).
Измеряемые физические величины принято делить на две группы:
электрические (ток, напряжение, сопротивление) и неэлектрические.
Электрические измерения и преобразования – предмет изучения дисциплин электротехнических специальностей. В настоящем курсе изучается измерение неэлектрических величин. Однако первичным источником энергии и выходными сигналами измерительных систем,
используемых для информации и управления, как правило, является
электрическая величина.
Преобразование неэлектрических величин в электрические может
осуществляться следующими способами:
активным преобразованием энергии одного вида в энергию дру-
гого вида, в результате чего вырабатываются электрические величины
(напряжение, ток, заряд);
пассивным преобразованием – воздействием на электрические
величины, требующим вспомогательной энергии.
Нередко неэлектрические величины преобразуются в другие неэлектрические величины. Часто в измерительных системах используется многокаскадное преобразование (вторичные преобразователи). В
основе принципов преобразования лежат известные физические эффекты.
2.2.1. Преобразователи с механическим
выходным сигналом
Во многих случаях перед механико-электрическим измерительным
преобразователем целесообразно включать механико-механический
преобразователь масштаба или вида величины.
Преобразователи масштаба: рычаги, зубчатые передачи – преобразуют перемещение, силу, угол поворота, крутящий момент, частоту,
вращение.
Преобразователи вида:
реечная, винтовая, ременная передачи – преобразуют угол пово-
рота в линейное перемещение и наоборот;
плоская и винтовая пружины – преобразуют деформацию в силу
и наоборот;
спиральная пружина – угловое перемещение в момент и наоборот;
Соседние файлы в предмете [НЕСОРТИРОВАННОЕ]