II. Анализ и синтез средств измерений

2.1. Математические модели и обобщенные структурные схемы измерительных преобразователей (ип) и измерительных приборов

Как уже отмечалось раньше, измерительный прибор в отличие от измерительного преобразователя ИП вырабатывает сигнал измери­тельной информации в форме, доступной для непосредственного вос­приятия наблюдателем, т.е. имеет дополнительное устройство, позволяющее взять отсчет. Это может быть шкала со стрелкой, цифро­вой индикатор, электронно-лучевая трубка с координатной сеткой и другие. Эти устройства также являются измерительными преобразо­вателями.

Существует огромное количество разновидностей и типов изме­рительных приборов, в то время как измерительных преобразовате­лей значительно меньше. Всё многообразие измерительных приборов получено в результате комбинаций в различных сочетаниях и различ­ными методами измерительных преобразователей. Подразделение изме­рительных приборов на отдельные ИП значительно облегчает изучение и анализ приборов, позволяет сознательно подходить к построению схемы прибора, выбору метода измерений и анализу погрешностей.

В качестве ИП может быть как одно элементарное звено, напри­мер, резистор, преобразующий ток в напряжение, или совокупность звеньев. Основное назначение каждого ИП – преобразование с задан­ной точностью физических величин. Это может быть преобразование одной физической величины в другую, масштабное преобразование, функциональное преобразование, дифференциальное или интегральное преобразование, умножение или деление и другие.

Совокупность ИП, соединенных между собой и обеспечивающих выполнение необходимых преобразований, составляет измерительную цепь приборов.

Измерительный преобразователь как звено измерительной цепи может иметь один или несколько входов, в зависимости от количес­тва преобразуемых входных величин, и один или несколько выходов. Обозначим ИП в виде, изображенном на рис. 2.1.

Каждая из выходных величин определится как

(2.1)

К

Рис.2.1

где x_i – входные величины; у_j; – выходные величины; К – oпeратор преобразования.

Наиболее широко представлены ИП, имеющие один вход и один выход: преобразователи одной физической величины в другую, масш­табные, интегрирующие и другие. Реже встречаются ИП, имеющие один выход и два или более входов, например, преобразователи, предназ­наченные для операций умножения и деления, сравнения двух физи­ческих величин и другие.

Из обобщенного уравнения преобразования ИП может быть полу­чено уравнение конкретного ИП. Так, для наиболее распространенных ИП с одним входом и одним выходом получим:

у=k x. (2.2)

Такое уравнение нам уже встречалось (I.I). Для линейного пре­образователя оператор K будет представлять постоянный коэффици­ент, который определяет чувствительность преобразователя S. Для нелинейного преобразователя S_нел будет зависеть от входной вели­чины S_нел=S(x).

Структурные схемы измерительных приборов могут быть построе­ны на базе уравнения измерений физических величин, представляющего собой операцию сравнения измеряемой аналоговой величины  с образ­цовой аналоговой величиной ₀

* = L=/₀₀/_1, (2.3)

где * – результат измерения; L – оператор сравнения с образцо­вой величиной (мерой); ₀/₁ – априори известное значение образ­цовой величины, выраженное в установленных единицах; ₁ – единичное значение величины.

Учитывая развитие процессорных измерительных схем, трансфор­мируя уравнение (2.3), можно записать:

(2.4)

где - входное воздействие на измерительный прибор; K₁ и К₂ -операторы преобразований, выполняемых соответственно в аналоговой и числовой формах; L - оператор сравнения с образцовой величиной.

Обобщенная структурная схема, соответствующая приведенной математической модели, приведена на рис. 2.2.

₀

^*

_КОМП

Формир.

X

Элемент

сравнен.

Управ-ление

К₁

К₂

Рис.2.2

Принципиальным отличием измерительного прибора от измери­тельного преобразователя является наличие узла, реализующего oпeратор сравнения с образцовой величиной. Основными элементами ука­занного конструктивного узла являются элемент сравнения, эле­мент формирования _комп , и устройство управления.

Важно отметить, что сравнивать возможно только активные фи­зические величины, способные изменять энергетическое состояние вещества или объекта, такие, как сила, момент, напряжение, ток, дав­ление, температура. Пассивные физические величины – сопротивле­ние, индуктивность, емкость, масса, момент инерции, упругость и другие – непосредственно сравнить невозможно, поскольку они не об­ладают энергией, способной воздействовать на элемент сравнения. Поэтому пассивные величины перед сравнением активизируют, пропус­кая, например, через сопротивление ток, или воздействуют на мас­су определенной силой.

Таким образом, процесс измерения требует, в общем случае, не только преобразования измеряемой величины, но и приведения её к виду, удобному для сравнения.