Метод развёртывающей компенсации

Основной недостаток метода следящего уравновешивания состоит в том, что при больших значениях величины система может возбудиться, т.к. сигнал в цепи обратной связи, в силу ряда обстоятельств (например, вида фазо-частотной характеристики), может поменять фазу измеряемого сигнала на противоположную. В этом случае опорный сигнал будет не вычитаться из измеряемого, а складываться с ним (возникает положительная обратная связь). В результате данная схема превращается в генератор переменного тока или напряжения (вспомните, например, свист динамика, когда напряжение, поданное на усилитель микрофона, слишком велико).

В данном методе этот недостаток отсутствует. Генератор развертки вырабатывает пилообразное напряжение, которое вычитается из измеряемого сигнала. Разность этих напряжений подается на индикатор равновесия (индикатор нуля). В момент начала пилообразного сигнала включается электронный секундомер. В момент, когда на индикаторе равновесия сигнал отсутствует (D х), вырабатывается сигнал, который останавливает таймер. Время t, измеренное секундомером, пропорционально измеряемому сигналу.

Схема осуществляет преобразование значений изменяемой величины х _i в интервал времени τ_i. В современной технике интервалы времени изменяются наиболее точно. В этой схеме есть следящее уравновешивание, но нет обратной связи. Поэтому возможна реализация нулевого метода.

Замечание. В компенсационных приборах удается практически полностью исключить мультипликативную и нелинейную составляющие погрешности измерительного прибора или индикатора равновесия. Однако аддитивная составляющая здесь вообще не корректируется. Поэтому в таких приборах предъявляются высокие требования к временной и температурной стабильности порога срабатывания нуль-органа (индикатора равновесия), что особенно трудно обеспечить при необходимости точного измерения малых величин.

Кроме того, данные методы в чистом виде применимы только при измерении активных величин, т.е. таких, для которых принципиально возможно получение разности между измеряемой и образцовой величинами (например, электрическое напряжение и ток).

Для большинства же измеряемых величин непосредственное получение такой разности невозможно. Так, например, для таких электрических величин как сопротивление, емкость, индуктивность, являющихся выходными для широкого класса параметрических датчиков, непосредственное получение разности между измеряемой и образцовой величинами принципиально невозможно. В этих случаях при применении разностного метода приходится использовать различные сравнивающие устройства (обычно мостовые и дифференциальные схемы), к чувствительности и, что гораздо важнее, к точности которых предъявляются высокие требования.

Такие же трудности возникают при использовании этих методов для измерения неэлектрических величин. Так, для точного измерения массы, помимо точной переменной образцовой меры измеряемой величины (гирь и разновесов) и высокостабильного индикатора равновесия, требуется точное сравнивающее устройство в виде, например, чувствительных и точных рычажных весов. Уменьшение же основной и дополнительной погрешностей рычажных весов до уровня, определяемого точностью образцовых гирь и разновесов, является весьма сложной технической задачей. И вообще, уменьшение погрешности сравнивающего устройства до уровня, определяемого точностью образцовой меры измеряемой величины, очень сложно и не всегда реализуемо.

Часть 2

Измерительные преобразования физических величин

Измерительное преобразование – однозначное преобразование одной физической величины в другую физическую величину или сигнал, функционально с ней связанные, удобные для обработки, хранения и дальнейшего преобразования. Любое измерение, по существу, сводится к совокупности отдельных измерительных преобразований.

Измерительный преобразователь – техническое устройство, построенное на определённом физическом явлении и выполняющее одно частое преобразование.

Понятие “измерительное преобразование” существенно шире, чем “измерительный преобразователь”, поскольку одно измерительное преобразование можно осуществить множеством различных преобразователей.

Пример. Преобразование изменения температуры Т в перемещение D х:

Функциональная блок-схема:

Реализации:

Классификация измерительных преобразователей

По виду ФВ на входе ИП и ФВ на выходе:

- преобразователи электрических величин в электрические (резистивные делители, усилители, трансформаторы, шунты и т.п.);

- преобразователи неэлектрических в неэлектрические (рычаги, пружины, редукторы, мембраны);

- преобразователи электрических в неэлектрические (электромоторы, осве­тители, двигатели, электрические нагреватели, холодильники);

- преобразователи неэлектрических в электрические.

По виду зависимости ФВ величин от времени на входе и на выходе:

- аналоговые (входные и выходные величины являются аналоговыми сигналами, могут изменяться непрерывно и гладко);

- цифровые (дискретные; входные и выходные величины изменяются дискретно);

- аналого-цифровые (АЦП) (входной сигнал аналоговый, выходной – дискретный);

- цифро-аналоговые (ЦАП) (входной – цифровой, выходной – аналоговый).

По наличию или отсутствию энергии в измеряемом сигнале:

- генераторные преобразователи – являются преобразователями одного вида энергии в другой вид (источники ЭДС, источники тока, термопары, акустоэлектрические, пьезоэлектрические, оптоэлектрические). Преобразуют активные ФВ;

- параметрические преобразователи – не могут работать без источников энергии; выходной сигнал этих преобразователей обусловлен изменением пассивных измеряемых ФВ (R, L, C, перемещение стрелки и т.п.) на входе. Преобразуют пассивные ФВ в активные ФВ;

- масштабные преобразователи – изменяют только величину ФВ, поступающей на их вход (делители, усилители).

По виду модуляции сигнала на выходе ИП:

- амплитудные (амплитудно-модулированные);

- частотные;

- фазовые.

По виду динамических процессов, протекающих в ИП в процессе преобразования:

- статические преобразователи (измеряемая ФВ на выходе ИП выражается через статическую характеристику ИП – коэффициент преобразования);

- динамические преобразователи (измеряемая ФВ на выходе ИП выражается через динамические параметры ИП (динамические характеристики) преобразователя). Динамические характеристики — это характеристики, отражающие процессы превращения кинетической энергии (или энергии магнитного поля) в потенциальную (или энергию электрического поля);

- модуляционные преобразователи – частный случай динамических преобразователей – преобразуют статический входной сигнал в периодический сигнал или изменяют частоту периодического входного сигнала с помощью специального устройства – модулятора.

Примеры статических преобразователей.

Акселерометр – прибор, измеряющий ускорение объекта. В данном случае постоянное ускорение преобразуется в постоянный угол отклонения маятника от положения равновесия.

Аналогичное преобразование имеет место в пружинных весах, где постоянная сила тяжести преобразуется в постоянное смещение пружины.

В пьезоэлектрических весах вес груза преобразуется в деформацию пьезокристалла, в котором возникает разность потенциалов, измеряемая вольтметром.

Примеры динамических преобразователей

 

 

Гравиметры измеряют статическую величину – ускорение свободного падения g. В обоих примерах эта статическая величина преобразуется в сигнал, выражаемый через динамические параметры гравиметра (период колебаний в первом случае и время движения вверх-вниз тела, брошенного вверх, - во втором). В обоих случаях процессе преобразования сопровождается превращением потенциальной энергии в кинетическую и наоборот.

В модуляционном преобразователе Ф – постоянный световой поток электрической лампочки (статический сигнал) превращается в периодический сигнал – переменный ток I.