2.3. Структурные схемы измерительных устройств
Для удобства анализа различных соединений измерительных устройств между собой и со средствами автоматического управления любое измерительное устройство принято рассматривать как некоторый преобразователь, служащий для преобразования входного сигнала X в выходной У. Такое представление измерительных устройств позволяет применять при анализе систем хорошо разработанный аппарат теории автоматического регулирования.
Если входной и выходной сигналы представляют собой некоторые физические процессы, характеризуемые несколькими параметрами, то среди них различают информативные и неинформативные.
Для конструкторов-приборостроителей чрезвычайно важной является информация о внутренней структуре измерительных устройств. Измерительные устройства состоят из некоторого числа элементов (составных частей), предназначенных для выполнения определенных функций, таких, как: преобразование поступающего сигнала по форме или виду энергии, успокоение колебаний, защита от помехонесущих полей, коммутация цепей, представление информации и т. п. К элементам измерительных устройств относятся: опоры, направляющие, пружины, магниты, контакты, множительно-передаточные механизмы и т. п.
Основные составные части измерительных устройств:
преобразовательный элемент — элемент средства измерений, в котором происходит одно из ряда последовательных преобразований величины;
измерительная цепь - совокупность преобразовательных элементов средства измерений, обеспечивающая осуществление всех преобразований сигнала измерительной информации;
чувствительный элемент - первый в измерительной цепи преобразовательный элемент, находящийся под непосредственным воздействием измеряемой величины,
измерительный механизм - часть конструкции средств измерений, состоящая из элементов, взаимодействие которых вызывает их взаимное перемещение;
отсчетов устройство - часть конструкции средства измерений предназначенная для отсчитывания значений измеряемой величины* регистрирующее устройство - часть регистрирующего измерительного прибора, предназначенная для регистрации показаний.
На рис. 2.2 приведены структурные схемы измерительных устройств прямого действия (рис. 2.2, а, в) и сравнения (рис. 2.2, б, г). Первые часто называют измерительными устройствами прямого преобразования, а вторые - измерительными устройствами уравновешивающего, или компенсационного, преобразования.
Рис. 2.2. Структурные схемы измерительных устройств.
Структурная схема измерительных устройств однозначно определяется используемым методом преобразования.
Измерительный прибор, основанный на методе прямого преобразования (рис. 2.2, а), работает следующим образом. Измеряемая физическая величина X поступает в чувствительный элемент 1, где преобразуется в другую физическую величину, удобную для дальнейшего использования (например, ток, напряжение, давление, перемещение, сила), и поступает на промежуточный преобразовательный элемент, который обычно либо усиливает поступающий сигнал, либо преобразует его по форме. (В частном случае элемент 2 может отсутствовать.) Выходной сигнал элемента 2 поступает к измерительному механизму 3, перемещение элементов которого определяется с помощью отсчетного устройства 4. Выходной сигнал У (показание), формируемый измерительным прибором, может быть воспринят органами чувств человека.
Показанием называют значение величины, определяемое по отчетному устройству и выраженное в принятых единицах этой величины. Отсчетное устройство представляет собой цифровое табло или в подавляющем большинстве случаев, шкалу с указателем. Для шкальных отсчетных устройств принято использовать ряд понятий, сущность большинства из которых легко установить по рис. 2.3.
Рис. 2.3. Схема отсчетного устройства измерительного прибора.
Диапазон показаний – область значений шкалы, ограниченная конечным и начальным значениями шкалы.
Диапазон измерений (рабочая часть шкалы) — область значений измеряемой величины (на шкале прибора), для которой нормированы допускаемые погрешности средств измерений.
Схема измерительного прибора, основанного на методе уравновешивающего преобразования, показана на рис. 2.2, б. Отличительной особенностью таких приборов является наличие отрицательной обратной связи. Здесь сигнал Z, возникающий на выходе чувствительного элемента, поступает на преобразовательный элемент 5, который способен осуществлять сравнение двух величин (элемент уравнения, компарирующий элемент), поступающих на его вход. Кроме величины Z на выход элемента 5 подается с противоположным знаком величина Zyp (уравновешивающий сигнал), которая формируется на выходе обратного преобразовательного элемента 6. На выходе элемента 5 формируется сигнал, пропорциональный разности значений величин Z и Zyp. Этот сигнал поступает в промежуточный преобразовательный элемент 2, выходной сигнал которого поступает одновременно на измерительный механизм 3 и на вход обратного преобразовательного элемента 6. В зависимости от типа промежуточного преобразовательного элемента 2 при каждом значении измеряемого параметра и соответствующем ему значении Z разность Z - Zyp, поступающая на вход элемента 5, может сводиться к нулю или иметь некоторое малое значение, пропорциональное измеряемой величине.
На рис.2.2 в и г приведены структурные схемы измерительных преобразователей основанных соответственно на методах прямого и уравновешивающего измерения преобразователя. В этих схемах отсутствует измерительный механизм и отсчетное устройство. Этим определяется тот факт, что сигнал измерительных преобразователей имеет форму, недоступную для восприятия человеком. В то же время в составе измерительных преобразователей, как правило, имеется конечный преобразовательный элемент 7, который формирует выходной сигнал (усиливает его по мощности, преобразует в частоту колебаний и т. д.) таким образом, что его можно передавать на расстояние, хранить и обрабатывать.