Классификация измерительных преобразователей.

Измерительные преобразователи делятся на 4 большие группы:

1. Преобразователи кода в код (ПКК).

2. Преобразователь аналогового сигнала в аналоговый.

3. Аналогово-цифровой преобразователь.

4. Цифроаналоговый преобразователь (ЦАП).

Преобразователь кода в код (ПКК).

Код – набор чисел, построенных по определенному принципу.

С точки зрения электронной техники.

Код – электронный сигнал, построенный по определенному принципу.

Системы счисления.

Одни и те же числа по-разному представляются в различных системах счисления.

Общая формула:гдеh– основание системы счисления,a_i– коэффициенты для данной системы счисления,n– число разрядов,N– число в системе счисления с основаниемh.

Примеры.

1.

2. Система времени.

3. Двоичная система счисления.

В электронной технике реализованы следующие устройства:

1. Декатроны – устройства с 10 устойчивыми состояниями.

2. Триггеры – устройства с двумя устойчивыми состояниями.

Основной недостаток двоичной системы счисления – отсутствие наглядности.

Двоично-десятичная система.

Двоично-десятичная система сохраняет надежность двоичной системы с наглядностью и меньшей избыточностью десятичной системы.

Каждый разряд десятичного числа кодируется двоичным числом. Например, для кодирования чисел от 0 до 999 требуется 12 элементов с 2 устойчивыми состояниями.

Применение преобразователя кода в код.

ПКК используется для передачи информации с защитой от внешних помех например на цифровое отсчетное устройство).

Преобразователь аналогового сигнала в аналоговый (ПАА).

ПАА разделяют на 2 группы:

1. Пассивные ПАА. Уменьшают значение входной величины в кратное число раз с достаточной точностью (1:10; 1:100).

2. Активные ПАА. Увеличивают значение входной величины в определенное число раз с высокой точностью.

Пассивные преобразователи.

1. Шунт – преобразователь тока.

Задача: на нагрузку подается ток ~5 ампер. Необходимо точно определить величину этого тока, имея в распоряжении миллиамперметр, предел измерения которого 100 мА.

Для этого амперметр шунтируется сопротивлением, которое определяется следующим образом: где- сопротивление амперметра,- сопротивление шунта,- коэффициент шунта.

2. Делитель напряжения.

Задача: необходимо получить напряжение на выходе в к раз меньше, чем на входе.

Примечания.

1. Коэффициент делителя может меняться в зависимости от нагрузки.

Обозначим:

2 . При работе на высоких частотах возникает ощутимая реактивная составляющая сопротивления.

3. Реальные делители, как правило, многоступенчатые.

3. Измерительные трансформаторы тока и напряжения.

Измерительные трансформаторы тока и напряжения предназначены для преобразования тока и напряжения на первичной обмотке в ток и напряжение на вторичной обмотке в заданное число раз с высокой точностью.

Трансформатор тока.

Л₁Л₂ – первичная обмотка.

U₁U₂– измерительная обмотка.

Аварийный режим трансформатора тока: холостой ход измерительной обмотки.

Трансформатор напряжения.

Холостой ход измерительной обмотки является рабочим режимом трансформатора напряжения.

Аварийным режимом трансформатора напряжения является короткое замыкание измерительной обмотки.

Коэффициент трансформации.

Коэффициент трансформации трансформатора тока.

Номинальный:

Действительный:

Коэффициент трансформации трансформатора напряжения.

Номинальный:

Действительный:

Векторная диаграмма трансформатора тока и напряжения.

ВД идеального трансформатора тока.

ВД реального трансформатора тока.

ВД идеального трансформатора напряжения.

ВД реального трансформатора напряжения.

Реально отклонениесоставляет несколько минут.

Векторная диаграмма трансформатора тока.

, где- намагничивающий ток,- ток первичной и вторичной обмотки соответственно,число витков первичной и вторичной обмотки соответственно.- потери на гистерезис и вихревые токи.

Аварийный режим:

Очевидно:

Активные аналоговые масштабные преобразователи.

Активные аналоговые масштабные преобразователи предназначены для увеличения выходной величины относительно входной в кратное число раз.

Характеристика идеального масштабного преобразователя.

Реальный масштабный преобразователь – усилитель напряжения.

На линейном участке амплитудной характеристики

Амплитудная характеристика реального усилителя.

Дрейф усилителя – наличие ненулевого напряжения на выходе при отсутствии напряжения на входе усилителя. Обусловлен флуктуациями носителей заряда в электрических цепях усилителя.

Зависит от многих факторов, в том числе от температуры и времени.

Амплитудно-частотная характеристика усилителя (АЧХ).

Спад коэффициента усиления на нижних и верхних частотах обусловлен, как правило, наличием реактивной составляющей выходного сопротивления усилителя.

Аналогово-цифровые преобразователи (АЦП).

Одной из основных характеристик АЦП является быстродействие.

Все АЦП основаны на принципе квантования по уровням.

Вариант 1. Отношение к нижнему уровню.

h– шаг квантования, 0..5 – уровни квантования.

Погрешность дискретизации определяется по формуле: . Очевидно, что максимальное значение погрешности дискретизации не превышает значение шага квантования:Уменьшая шаг квантования, можно уменьшить погрешность дискретизации.

Вариант 2. Отношение к верхнему уровню.

Вариант 3.

Этот вариант позволяет уменьшить погрешность дискретизации в 2 раза.

Номер уровня кодируется и переводится в форму электрического сигнала. Обычно АЦП стоятся на методе сравнивания.

1. Метод последовательного счета.

Если известна величина ступени и их число, то можно определить величину х.

2. Метод сравнения – вычитания.

Работает по определенному алгоритму в соответствии с кодом.

3. Метод считывания.

Измеряемую величину необходимо отнести к определенному уровню.

Пример.

Преобразователь аналогового сигнала в двухразрядное двоично-десятичное число (2-4-2-1).

СУ – сравнивающее устройство.

ИОН – источник опорного напряжения (высокостабильный источник).

K, K* - управляющие ключи. КлючиK, K* не могут одновременно находиться в одном состоянии: если К – открыт, то К* - закрыт; если К* – открыт, то К – закрыт.

УУК – устройство управления ключами K, K*.

R,R* - нагрузочные сопротивления. Их величина подобрана таким образом, чтобы на каждом из них падало напряжение, соответствующее разряду двоично-десятичного кода.

При любом положении ключей ток в цепи постоянный.

Очевидно, что , если все ключи К закрыты, а все ключи К* открыты.

Очевидно, что , если все ключи К* закрыты, а все ключи К открыты.

Пусть U_вх=62 В.

1. t=0

2. t=t₁

t=t₂

3. t=t₃ - перебор.

t=t₄ - перебор.

4. t=t₅ - сравнение окончено.

62₁₀-> 11001000₂

Измерительные установки. Информационно - измерительные системы. Измерительно-вычислительные комплексы.

Измерительные установки.

Измерительная установка – совокупность близко расположенных приборов, мер, вспомогательных устройств для решения определенной задачи.

Информационно-измерительные системы (ИИС).

ИИС – совокупность средств измерения и вспомогательных устройств, предназначенных для автоматического сбора измерительной информации от ряда источников с многократным (поочередным) использованием одних и тех же преобразователей сигналов, несущих измерительную информацию, передачи измерительной информации на те или иные расстояния по каналам и представлении ее в том или ином виде. Под каналом связи понимают совокупность технических средств, обеспечивающих передачу информации от источника к приемнику.

Структурная схема ИИС.

Чаще всего ИИС – адаптивные (приспосабливаются к ситуации). ИИС – жесткая система (по структуре не перестраивается).

Измерительно-вычислительные комплексы (ИВК).

ИВК – автоматизированные средства измерений и обработки информации, предназначенные для создания систем автоматизации измерительного эксперимента и экспериментальных исследований. Представляют собой совокупность программно-управляемых средств (измерительных и вычислительных) и средств воздействия на объект исследования.

ИВК в отличие от ИИС не имеет фиксированной структуры.

Структурная схема ИВК.

Устройство сопряжения – в широком смысле это интерфейсные блоки, узлы, карты, линии связи, обеспечивающие совместную работу функциональных устройств и блоков, и программные средства интерфейса, обеспечивающие работу аппаратных средств.

Устройство сопряжения – в узком смысле это условия, которые определяют логические, электрические и конструкционные требования к соответствующим функциональным блокам.

Интерфейс – совокупность цепей, связывающих различные устройства и алгоритмы, определяющие порядок передачи информации между этими устройствами.

Цепи интерфейса:

1. информационные

2. адресные

3. управляющие.

Интеллектуальные информационно-измерительные системы.

Основное свойство интеллектуальных ИС – свойство обобщения знаний. На их основе строятся экспертные системы, для которых основным является процесс принятия правильного решения.

Задачи интеллектуальных ИС и требования к ним:

1. Наличие программных средств.

2. Автоматический характер реализации измерений.

3. Способность к самообучению, самоорганизации и саморазвитию.

4. Автоматическое сопровождение метрологического процесса.

5. Возможность получения результата в различных видах.

6. Гибкая перестройка алгоритмической и аппаратной структуры, происходящая в условиях эксперимента.

7. Наличие значительных объемов машинной памяти для хранения данных и знаний.

8. Алгоритмическая, программная и аппаратная избыточность.

9. Разнообразие периферийного оборудования.

10. Наличие обучающих систем.

11. Способность воспринимать разнообразную по форме информацию.

Структура интеллектуального измерительного средства.

Цикл работы ИС состоит из нескольких этапов:

1. Интеллектуальное средство воспринимает исходную информацию о характере измерительных задач, об объектах и условиях измерения, предъявляемых требованиях и наложенных ограничениях. Вид и характер исходной информации должен обеспечивать возможность идентификации измерительной ситуации, определяемой свойствами объекта. В результате на первом этапе устанавливается множество алгоритмов измерения.

2. Выполняется идентификация ситуации и выбор наилучшего алгоритма из числа возможных.

3. Осуществление необходимых измерений.

БИЗ – база измерительных знаний (включает все необходимые сведения, оформленные в виде соответствующих массивов, совокупности зависимостей, отображений и соотношений).

Инт. И. – Интеллектуальный интерфейс. Содержит все необходимое программное обеспечение для получения исходной информации, использования знаний, управления исполнительной частью и выдачей результатов измерения.

ВУ – вспомогательное устройство.

ИЧ – измерительная (исполнительная) часть. Реализует выбранную измерительную структуру.

Метрологические характеристики средств измерения.

1. Технические характеристики средств измерения (указываются в паспорте).

2. Метрологические характеристики. Эти характеристики влияют на точность результатов измерения.

3. Не метрологические характеристики косвенно влияют на точность результатов измерения. (Например, надежность – свойство прибора сохранять свои характеристики в течение заданного времени при заданных условиях эксплуатации.).

4. Вспомогательные характеристики: масса, габариты…

Виды метрологических характеристик СИ.

1. Метрологические характеристики в статическом режиме.

2. Метрологические характеристики в динамическом режиме.

3. Нормирование метрологических характеристик.

4. Взаимосвязь точности, быстродействия, потребляемой мощности с точки зрения информационно-энергетической теории измерительных устройств.

Метрологические характеристики в статическом режиме.

Отличительная особенность статического режима: измеряемая величина постоянна и все переходные процессы закончены.

1. Функция преобразования.

Основное свойство функции преобразования – однозначность

СИ –средство измерения.

y=F(x) – однозначная функция.

Функция преобразования может быть линейной или нелинейной.

Для СИ с линейной функцией преобразования характерна равномерная шкала.

2. Чувствительность.

.

Если S–var, то шкала неравномерная.

Если S–const, то шкала равномерная.

3. Порог чувствительности.

Порог чувствительности – минимальное значение входной величины, которое может быть зарегистрировано данным СИ без применения дополнительных средств.

4. Погрешности.

4.а. В зависимости о формулы

1. Абсолютная погрешность ().

где- измеренное значение,- истинное значение,- действительное значение, т. е. значение, измеренное с более высокой точностью. Значение абсолютной погрешности имеет знак и размерность измеряемой величины.

2. Относительная погрешность ().

Значение относительной погрешности также имеет знак, но измеряется в процентах (%).

3. Приведенная погрешность ().

- нормирующее значение. Как правило, за нормирующее значение принимается верхний предел измерения СИ. В случае неравномерной шкалы за нормирующее значение принимается длина шкалы в делениях, но в этом случае абсолютная погрешность должна быть также рассчитана в делениях.

4.б. В зависимости от значения измеряемой величины.

1. Аддитивная погрешность (погрешность нуля)

Не зависит от измеряемой величины.

Пример: усилитель постоянного тока.

В данном случае U_др является аддитивной погрешностью.

2. Мультипликативная погрешность (погрешность чувствительности)

Мультипликативная погрешность зависит от измеряемой величины.

где- погрешность чувствительности.

В свою очередь абсолютная погрешность определяется как сумма аддитивной и мультипликативной:

Относительная погрешность:

4.в. Погрешности в зависимости от воздействия внешних факторов.

1. Основные погрешности.

2. Дополнительные погрешности.

Дополнительная погрешность обусловлена влиянием внешних факторов.

При условиях, отличных от нормальных, возникает дополнительная погрешность

В действительности: где-внешние факторы.

Таким образом: где-основная погрешность,- дополнительная погрешность,-коэффициент влияния,- функция влияния.

Пример:

Пусть -t⁰,

Дополнительная погрешность:

IV1. Систематические погрешности Δс

2. Случайные погрешности Δслуч

Δс – это погрешность, которая меняется по определенному закону или или остается постоянной при многократном измерении одной и той же величины; Δс стараются свести к 0.

Δслуч – это погрешность, возникающая и исчезающая с интенсивностью, которую трудно предсказать, при многократном изменении одной и той же величины.

Δ= Δс+ Δслуч

5. импеданс

6. Диапазон измерений и диапазон показаний

диапазон измерений – это диапазон тех значений, которые могут быть измерены с определеной точностью.

Пример: