4.3. Структурные схемы реальных приборов

Подавляющее большинство реальных измерительных приборов не могут быть представлены только одной схемой прямого преобразования или только схемой уравновешивающего преобразования. Усложнение структур обусловлено несколькими задачами. Во-первых, часто необходимо преобразовать и x_изм и x_д в некоторую промежуточную физическую величину и лишь потом производить ручное или автоматическое уравновешивание. Так, например, в электронном осциллографе измеряемое мгновенное импульсное напряжение преобразуется в отклонение луча по оси Y по одной цепи преобразования, а преобразование калибровочного синусоидального напряжения в то же самое отклонение по оси Y происходит по другой цепи прямого преобразования. При этом "устройством сравнения" является оператор.

Во-вторых, усложнение структуры вызвано необходимостью производить автоматическое уравновешивание - полное или со статической погрешностью. Рассмотрим простейший пример автоматического измерительного прибора с полным уравновешиванием - ­магнитоэлектрический амперметр. В этом приборе измеряемая величина x_изм - постоянный ток I - преобразуется во вращающий момент рамки с током М_вр= K₁I = x_вх. Благодаря вращающему моменту рамка начинает равномерно ускоренно вращаться. При этом реализуется интегрирующее звено второго порядка, поскольку угол поворота пропорционален квадрату времени. Выходной величиной x_вых является α - угол поворота рамки, к которой жестко прикреплена стрелка, по которой производится визуально при помощи шкалы отсчет угла поворота. Мерой x_д в приборе магнитоэлектрической системы является спиральная пружина, которая создает противодействующий механический момент М = K_мα, пропорциональный углу поворота. Когда вращающий момент, пропорциональный измеряемой величине тока, станет равным противодействующему моменту пружины, т.е. М = М_вр, наступает равновесие. Структурная схема такого прибора выглядит следующим образом (рис. 4.4).

С

начала через схему прямого преобразования с коэффициентом преобразования, зависящим от индукции в зазоре магнита, площади рамки с током и числа витков, величина тока преобразуется во вращающий момент рамки. Рамка начинает движение под воздействием механического момента. Угловое перемещение рамки на угол α вызывает противодействующий механический момент пружины, которая является одновременно и меройx_д, и устройством сравнения, и преобразователем цепи обратной связи. Очевидно, . В данном случае коэффициент преобразования цепи обратной связи - этоK_м - коэффициент, зависящий от упругости пружины.

Заметим, что отсчет x_д, то есть противодействующего вращающего момента, производится по углу закручивания пружины. Таким образом, в магнитоэлектрическом приборе измеряемой величиной x_изм является ток. Сравниваются автоматически между собой механические вращающие моменты, создаваемые x_изм и x_д, а отсчет и x_д производится по величине угла закручивания пружины. Что касается отсчета показаний, то он может быть ручным, как в стрелочном приборе, или также автоматическим, как в шлейфовом осциллографе или самопишущем магнитоэлектрическом амперметре, где запись производится на диаграммную ленту. Поэтому можно сказать, что третьим обстоятельством, стимулирующим усложнение структуры измерительного прибора, является необходимость введения автоматической регистрации измеряемой величины. Для этого, как правило, требуются дополнительные схемы прямого преобразования.

Рассмотрим еще раз возможные структурные схемы приборов по мере их усложнения.

Схема № 1. Измеряемая входная величина x_изм сравнивается с действительным значением этой же величины x_д, воспроизводимым перестраиваемой многозначной мерой. Перестройка меры x_д производится вручную оператором. Сравнение производится оператором визуально или по звуковому сигналу. Схема устройства рис. 4.5 включает только цепь устройство сравнения и устройство визуализации.

Т

аким способом, например, измеряют неизвестную амплитуду переменного напряжения звукового генератора, сравнивая ее с амплитудой выдаваемого калибратором переменного напряжения. В качестве УС используют осциллограф.

Схема № 2. Измеряемая величина x_изм преобразуется в некоторую другую вспомогательную физическую величину y. В эту же величину преобразуется действительное значение x_д однородной ФВ. Сравниваются два значения y' и y''. Например, в панорамном измерителе коэффициента отражения измеряемое значение коэффициента отражения преобразуется в конечном счете в отклонение по оси Y луча в электронно-лучевой трубке. В такое же отклонение преобразуется и значение коэффициента отражения от калибровочной меры коэффициента отражения, являющейся в данном случае мерой x_д. Равенство или отношение x_изм и x_д определяется визуально оператором. Такой прибор можно представить структурной схемой рис. 4.6.

В

этой схеме, так же как и в предыдущей, операция уравновешивания производится вручную, сравнение преобразованныхx_изм и x_д производится оператором.

Схема № 3. Измеряемая величина x_изм преобразуется по схеме прямого преобразования в некоторую другую величину y', которая в свою очередь преобразуется по схеме уравновешивающего преобразования в величину y'', однородную с x_изм. Затем y'' по цепи обратной связи преобразуется в y' и одновременно в форму, удобную для автоматической регистрации или для визуального наблюдения. Так построена структурная схема автоматического термисторного измерителя мощности (рис. 4.7).

В термисторном измерителе мощности СВЧ энергия излучения нагревает термистор. Температура термистора и его сопротивление изменяются. Термистор включен в мостовую схему так, что изменение сопротивления одного из плеч вызывает появление напряжения в диагонали мостовой схемы. Напряжение в диагонали моста и является величиной y'. Напряжение в диагонали усиливается усилительными устройствами таким образом, что изменяется ток питания мостовой схемы. Вследствие изменения тока изменяется мощность, выделяемая в термисторе. Если знак обратной связи выбран правильно, а начальная мощность, выделяемая в термисторе, больше, чем измеряемая мощность, то схема приобретет новое устойчивое состояние, которое будет характеризоваться новым значением величины мощности постоянного тока y'', выделяемой в термисторе. По цепи обратной связи y'' преобразуется в y', причем . Изменение мощности постоянного токаy'' преобразуется при помощи специального преобразователя K'' в форму, удобную для наблюдения и регистрации. Имеются две принципиальные особенности схемы № 3. Во-первых, это наличие управляемой автоматически меры , в качестве которой в приведенном примере используется регулируемый источник постоянного тока. Во-вторых, это наличие измерительного ус­тройства прямого преобразования для измерения x_д.

С

хема № 4. Довольно часто в наиболее сложных автоматических РИП производится многократное прямое и уравновешивающее преобразование как x_изм, так и x_д. Так в предыдущей схеме прямое преобразование величины y'' может быть выполнено также по схеме уравновешивающего преобразования, так что получится схема рис. 4.8.

Особенность схемы рис. 4.8 в том, что во второй схеме уравновешивающего преобразования обязательно присутствуют автоматически управляемые меры физической величины y'', которые включаются в цепь обратной связи.

Поскольку в некоторых радиоизмерительных приборах измеряется до трех физических величин одновременно, то часто структурные схемы, аналогичные приведенной на рис. 4.8, реализуются для каждой из измеряемых физических величин. Так, например, в панорамном автоматическом измерительном приемнике одновременно измеряются частота и мощность (напряжение) сигнала, а также отношение амплитуд двух сигналов. В измерителе комплексных коэффициентов передачи одновременно автоматически измеряются частота, модуль и фаза коэффициента передачи или отражения. Поэтому общая структурная схема такого прибора представляет собой соединение двух-трех схем № 4.

59