Лекция 4. Обобщенные структурные схемы измерительных приборов

Электрорадиоизмерительные приборы состоят из ряда измерительных преобразователей, устройств сравнения, мер, различных вспомогательных устройств. Сигнал, несущий, информацию о значении измеряемой величины, претерпевает ряд преобразований для получения нужного выходного сигнала. Каждое преобразование сигнала можно представить происходящим в отдельном звене. Соединение этих звеньев в определенную цепь преобразований носит название структурной схемы. При этом конструктивно измерительный преобразователь не обязательно совпадает со звеном. Один конструктивный узел может осуществлять несколько преобразований и соответствовать на структурной схеме нескольким звеньям.

Для проведения анализа в статическом режиме каждое звено должно характеризоваться функцией преобразования, в динамическом режиме – дифференциальными уравнениями.

Структурные схемы очень разнообразны. Однако в зависимости от метода измерений, который реализован в измерительном приборе, различают два основных вида структурных схем: прямого и уравновешивающего преобразования.

Структурная схема прямого преобразования

По структурной схеме прямого преобразования построены многие электрорадиоизмерительные приборы: вольтметры, ваттметры, частотомеры и т.п. Отличительная черта схемы прямого преобразования (рис. 1) состоит в том, что все преобразования производятся в прямом направлении, т.е. предыдущие величины преобразуются в последующие и отсутствует преобразование в обратном направлении, т.е. преобразование последующих величин в предыдущие.

Рис. 1 Структурная схема прямого преобразования

K₁, K₂,...,K_n – это звенья с коэффициентами преобразования K₁, K₂,...,K_n., причем , где и U_i-1–входные и выходные сигналы i-го звена

Входной сигнал U_ВХ, несущий информацию об измеряемой величине, последовательно преобразуется в промежуточные сигналы U₁,U₂ ...U_n-1 и в выходной сигнал U_ВЫХ. Сигналы U_ВХ,U₁,U₂ .. U_n-1 могут представлять собой гармонически изменяющееся напряжение или ток. Поэтому коэффициент преобразования в общем виде выражается комплексным числом. Если предположить, что звенья считаются линейными, то коэффициент преобразования измерительного прибора , а уравнение измерительного преобразования будет

Для измерительных приборов, имеющих структурную схему прямого преобразования, происходит суммирование погрешностей, вносимых отдельными звеньями. Поэтому для достижения высокой точности прибора требуется высокая стабильность отдельных звеньев.

Структурная схема уравновешивающего преобразования

Особенность схемы состоит в том, что выходная величина U_вых подвергается обратному преобразованию в величину , однородную с входной величиной U_вх, и почти полностью уравновешивает ее, в результате чего на вход цепи прямого преобразования поступает только небольшая часть ΔU преобразуемой входной величины U_вх. Другими словами, используется отрицательная обратная связь.

Возможно два режима работы: режим неполного уравновешивания и режим полного уравновешивания.

В первом режиме нелинейность функции преобразования уменьшается благодаря отрицательной обратной связи в раз.

В режиме полного уравновешивания коэффициент преобразования прибора полностью определяется цепью обратного преобразования и не зависит от цепи прямого преобразования. Мультипликативная погрешность обусловлена только цепью ОС. Аддитивная погрешность измерительных приборов с полным уравновешиванием полностью обусловливается порогом чувствительности звеньев. Под порогом чувствительности звена понимается минимальный сигнал на входе, способный вызвать сигнал на выходе.

Средства измерений могут иметь комбинированные структурные схемы, т.е. схемы, содержащие цепь прямого преобразования, ряд звеньев которого охвачены отрицательной обратной связью.