2.2. Типовые структурные схемы измерительных устройств

Измерительные средства разделяются по методу преобразования на устройства прямого действия, или прямого преобразования, или непосредственной оценки и на средства уравновешивающего преобразования, или компенсационного преобразования, или сравнения. Структурные схемы измерительных устройств электрических и неэлектрических величин определяются используемым методом преобразования.

2.2.1. Структурные схемы средств измерения неэлектрических величин

Схемы для измерения неэлектрических величин могут быть довольно сложными, так как кроме измерительных преобразователей в схему могут входить усилители, выпрямители, источники питания, двигатели, неэлектрические преобразователи (например, механические, оптические).

В приборах прямого преобразования результат измерения получается после ряда последовательных преобразований измеряемой величины (рис. 2.4).

Рис. 2.4. Структурная схема прибора прямого преобразования

В измерительном преобразователе Пр происходит преобразование измеряемой неэлектрической величины X в электрическую Э. Эта величина в общем случае может быть преобразована в измерительной цепи ИЦ еще несколько раз. Затем величина Э₁ = f (Э) усиливается в случае необходимости усилителем УС и поступает в измеритель Г, преобразующий ее в отклонение  подвижной системы. Погрешность такой схемы измерения величины X складывается из погрешностей всех последовательно включенных элементов.

С целью уменьшения этих погрешностей можно использовать метод сравнения, структурная схема которого представлена на рис. 2.5.

Рис. 2.5. Структурная схема прибора сравнения

Здесь имеются две самостоятельные, как правило, одинаковые цепи преобразования, в одну из которых включен рабочий преобразователь Пр_Р, а во вторую – нерабочий преобразователь Пр_N. После преобразования неэлектрических величин X и N в электрические Э' и Э'₁ установлен преобразователь недокомпенсации (ПН), который реализует функцию разности выходных параметров Э' и Э'₁ преобразователей П₁ и П'₁. После звена ПН преобразование полученной величины Э₂ = (Э' – Э'₁) происходит тем же путем, что и в предыдущем случае прямого преобразования.

Приборы, построенные по схеме рис. 2.5, позволяют исключить дополнительные погрешности, обусловленные влиянием внешних факторов на преобразователи Пр_Р и Пр_Н, погрешности же всех звеньев, в том числе измерителя Г, входят целиком.

Дальнейшее снижение погрешностей достигается с помощью компенсационного метода преобразования и применением отрицательной обратной связи (ООС). Структурная схема такого прибора, изображенная на рис. 2.6, представляет собой схему с компенсацией электрической величины на выходе преобразователя.

На схеме напряжение U_x измерительной цепи, модулированное по величине измеряемым параметром X, компенсируется напряжением U_k, получаемым от компенсационной цепи (КЦ).

Рис. 2.6. Структурная схема прибора с электрической ООС

Компенсационная цепь питается выходным напряжением усилителя (УС) с таким расчетом, чтобы разность напряжений была близка к нулю (U  0). Мерой измеряемой неэлектрической величины является величина Y_вых, воздействующая на КЦ. Измеритель Г в данном случае является механическим устройством, например реохордом, включенным в цепь моста или компенсатора. В этом случае общая погрешность измерения складывается из погрешности измерительного преобразователя Пр, измерительной и компенсационной цепей.

Исключение погрешностей этих узлов может быть достигнуто в приборах с компенсацией измеряемой неэлектрической величины (рис. 2.7).

Рис. 2.7. Структурная схема прибора с компенсацией неэлектрической величины

Обратный преобразователь (ОП) преобразует выходную электрическую величину Y в неэлектрическую Х_К однородную с измеряемой величиной X. Разность между X и X_К, преобразованная в электрическую величину Э₁ и усиленная усилителем (УС), воздействует на регулирующее устройство (РУ). В результате этого на измеритель Г и обратный преобразователь подается такая электрическая величина Y, которая, будучи преобразована в неэлектрическую величину Х_К, компенсирует измеряемую величину X. Таким образом, вся цепь прямого преобразования оказывается охваченной обратным преобразованием, и при Х << Х погрешность всех преобразующих звеньев практически исключается. Общая погрешность измерения складывается только из погрешностей измерителя Г и ОП. Следовательно, по сравнению с предыдущим случаем здесь вместо погрешности прямого преобразователя появляется погрешность обратного преобразователя. Реальный выигрыш в точности при переходе от схемы на рис. 2.6 к схеме на рис. 2.7 может быть получен лишь в том случае, когда погрешность обратного преобразователя будет меньше погрешности прямого преобразователя.