Функции, выполняемые автоматическими СИ.

Функции, выполняемые автоматическими СИ.

Функция измеряемого анализируемого параметра является основной, но не единственной функцией. Все измеряемые физика – химические параметры: температура, давление, влажность, кислотность и другие подлежат превращению в электрический сигнал. Затем этот сигнал сравнивают с эталоном. Результат сравнения оценивается оператором или автоматическим прибором. По величине отклонения судят о качестве измерения.

Автоматические приборы выполняют следующие операции:

- создание эталонного сигнала сравнения;

- хранение информации в памяти прибора;

- передача измеренной информации во внешнее устройство прибора с преобразованием в цифровую форму;

- создание и гибкое изменение оператором программы измерительного устройства;

- обработка результатов измерений в зависимости от вида погрешности и величины неопределенности (однократные или многократные измерения);

- представление измерительной информации в графической или табличной форме;

- самоконтроль за работой и правильностью измерительных операций отдельными элементами СИ;

- контроль за работоспособностью всего автоматизированного комплекса (встроенная система технической диагностики);

- корелляция характеристик измерительного прибора по результатам предыдущего пункта.

Классификация измерений.

Как правило, классифицируются по 5 пунктам:

1.в зависимости от временных характеристик измеряемых величин:

- статистические;

- динамические измерения.

2. по совокупности физических характеристик измеряемой величины:

- механические измерения;

- электрические приборы;

- тепловые приборы;

- оптические измерения.

3. по условиям, определяющим точность измерения:

- измерения с максимальной точностью (прецизионные измерения);

- контрольно-поверочные измерения;

- технические измерения.

4. по числу измерений величины:

- однократные;

- многократные измерения.

5. в зависимости, каким образом получили результат измерения:

- прямые;

- косвенные;

- совокупные измерения.

Погрешность измерений.

Погрешность – степень отличия измеряемого значения от истинной величины.

Точность измерения – это понятие свидетельствует в какой степени удалось уменьшить влияние погрешности и определить истинное значение величины.

На сегодняшний день параметр точности измерения определяют с помощью неопределенности по разработанной методике. Однако в паспортных приборах указываются еще и погрешности определяемые отдельно. Это абсолютные, относительные и приведенные погрешности.

Типы погрешности:

1. абсолютная погрешность . Это модуль разности истинного измеренного значения величины. Истинное значение стремится к действительному значению, которое определяется физико-химическими методами и приведены в справочниках.

2. относительные погрешности – это отношение %, которая показывает, какая доля, приходится на 1-цу измеряемой величины.

Это позволяет сравнить измерения, проведенные в разное время.

3. Приведенная погрешность – какая доля приведенной погрешности пригодится на нормирующие значения

Х_N- это длины шкал, число делений шкалы измерений, разность между верхним и нижним диапазонам измерения.

4. Класс точности – отражает самую большую погрешность выраженную в %;

5. Вариация показаний – это отношение разности прямого и обратного движения на нормирующую величину

Природа вариации показаний:

1. механические источники вариации. Если сущ. шестиренчато рычажная системы передач в приборах, наличие люфта между шестеренками приводит к появлению зазора.

2. электрическая природа:

 

Структурные схемы СИ.

Для удобства анализа работы СИ их рассматривают в виде структурных схем.

В зависимости от метода преобразования СИ делят на 2 класса:

1. прямого преобразования

2. компенсационного преобразования

Структурная схема прямого преобразования.

ПИП- первичный измерительный преобразователь

ИП- измерительный преобразователь

ВП- вторичный преобразователь

ОУ- отчётное устройство

УОП- устройство обратного преобразователя

Входное воздействие Х, выходное- Y.

Схема называется так потому что входной сигнал измерения проходит всё СИ.

В отличии от 1-ой схемы во 2-ой появляется дополнительное звено.

УОП предназначено для выработки сигнала сравнения меры в измерительном устройстве, что значительно повышает точность измерений.

Чувствительность СИ.

S - такая min входная величина которая приводит к уверенному фиксированию выходной величины СИ.

С математической точки зрения:

Уверенное фиксирование выходной величины означает:

- если шкала отсчетного устройства СИ выполнена в делениях, то уверенно регистрируемым значением будет считаться показание отсчетного устройства с погрешностью не лучше чем ± 0,5 деления.

- Если шкала прибора имеет цифровые обозначения, погрешность СИ ±1 последнего разряда.

Динамические характеристики.

Все СИ в своем составе имеют механические и электрические узлы, которые могут реагировать на входной сигнал с задержкой. В связи с этим выходной сигнал появляется позже.

Если входное воздействие является функция от времени то и вых. будет зависить от t.

Зависимость y(t)=f(x(t)) является динамической характеристикой в отличии от статической хар-ки.

Для определения реакции СИ на входное воздействие используют входной сигнал в виде ступеньки, при этом в автоматических СИ регистрируются следующие виды динамических характеристик:

1. когда выходное воздействие полностью повторяет входное воздействие, то называется безинерционное.

2. функция на выходе представляет апериодический характер, время установления- 0,75 установившегося значения.

3. любой прибор в своем составе имеет инерционные элементы, механические узлы, магнитные цепи, эл.ёмкости и характеристика СИ может иметь колебательный характер периодически затухающих колебаний.

 

 

Реостатный ПИП.

Реостатный ПИП – ПИП, у которого ф-ция сопротивления=ф-ции перемещения R=f(x), х – механическое перемещение. Этот реостат подключен к источнику, у которого у явл-ся функцией передвижения движка х.

 

Использ-тся для точных измерений перемещений, размеров образцов. Способы устранения недостатков реостатного ПИПа:

1.значит-ое увеличение R_вх измер-ого преобразователя, тогда R_общ не зависит от R_х

2.графич-ое опр-ние нелинейной хар-ки реостатного преобр-ля с послед-им изготовлением формы реостата обратной этой зависимости

 

Фотопреобразователи.

Фоторезистивные преобразователи.

В физике тв. тела известны явления в материалах обладающих большой работой выхода, незначит. освящения световым потоком в УФ, ИК областях спектра, приводит к выбиванию электронов, кол-во кот. зав-т от вел-ны светового потока Ф, следовательно измен-тся сопротивление образца в целом.

При этом измеряется сопротивление образца в целом.

Преобразователи с зав-стью R_x=f(Ф) наз. фоторезистивными.

Такими св-вами обл. некот. оксиды, фосфиды, селениды.

Статич. хар-ка:

Рис.

 

Такие преобр-ли изготовлены в виде диэлектрич. подложек, на кот. нанесена паста – рис.

 

 

- прозрачн. стекловидная масса – SiO₂.

Элем-ты (ФС) исп-тся для регистрации интенсивности светов. потоков, подсчета числа изделий.

Кроме фоторезист. проебр-лей эти в-ва использ. для регистрации сверхслабых световых потоков в фотоэлементах (ФЭ).

В-во помещают на внутр. стенку вакуумн. стекл. болона, на пов-сть кот. падает световой поток Ф, он выбивает электроны, кот. попадают на анод, при чем образ-тся электрич. цепь, образ-тся электр. ток, вел-на кот. м.б. измерена: как фотоЭДС или как протекающий ток.

U_н= R_н*i_ф

Рис.

 

Для регистрации I_ф в цепь включ. R_нагр., с кот. снимают U_н.

Использ-тся для регистр. инт-сти светового потока в спектрометрах, спектрофот-х.

Фотодиоды и фототранзисторы.

Для регистрации свет. потоков можно использ-ть п/проводниковые диоды:

Рис.

 

Принцип действия связан с особенностью ВАХ п/проводникового диода:

Рис.

 

Если область р-n-перехода осв-сть свет. потоком с энергией квантов hν, при обратном включении п/п диода возрастает I_обр, кот. легко регистрируется и пропорц-на световому потоку.

В основном такие фотодиоды вып-ся для видимой и ИК областей спектра.

Фоторезисторы.

Рис.

 

При изменении светового потока, освещающий эмиторный переход, входн. хар-ка измен-ся. Когда появл-ся освещающий Ф, вых. ток транзистора (I_к) резко возрастает.

Явление позволяет регистрировать сверхмалые Ф с одноврем. усилением сигнала.

Фотоэлектронный умножитель.

Явление выбивания электронов из материала под действием hν использ-ся в фотоумножителях для получ-я знач-го по влиянию фототока.

Световой поток попадает на пластину, покрытую в-вом с малой работой выхода электронов. hν выбивает электроны от пов-сти.

Рис.

 

Электроны, попадая на след-ую пластину, выбивая электроны, отраж-ся.

Каждая из послед. пластин нах-тся под «+» потенциалом для создания поля притяжения электронов.

В послед электрод включ. R_н, по кот. течет сут. фототок, I_фэу. ФЭУ позволяет регистрировать даже един. кванты света.

Индуктивные преобразователи

Эквивалентная схема индукт. преобр.:

Для правильного подключения индукт. датчика в измерит. цепи необходимо представить его электрич. схему. Такие схемы наз. схемы замещения. В измерит. технике использ. 2 вида эквивалентной схемы:

1) для низкочастотных L-датчиков

R=ρ(l/S)

2) для высокочастотных L- датчиков (f<10-30 кГц)

C_м.в

Чем больше частота, тем больше С_м.в

Статические характеристики индуктивных преобразователей:

 

ПИП ИП

 

Статическая харак-ка – зависимость вых. сигнала от велечины вх.

Учитывая сложную функциональную зависимость магнитной проницаемости катушки статич. характеристики нелинейны.

Для устранения нелин. статич. хар-ки используют разбиение индукт. преобразователя на 2 части включенные между собой встечно или дифференциально. Бывают включения L- катушки согласное и встречное.

1)

 

2)

Достоинство диффер. включения не только в линеаризации статич. хар-ки, но и в увелич. чувствительности, возможность перемещения в обоих направлениях.

В измерительной технике на основе такого включения используют диффер. трансформатор, представляющий из себя трансформатор с разделенным на 2 части катушками индуктивности.

При нейтральном расположении сердечника:

а) U₂=0 – ЭДС и соответствующее им напряжение равны и направлены противоположно др. др.

б) при смещении сердечника в любом направлении равенство ЭДС нарушается, на вых. вторичной обмотке возникает напряжение пропорц. перемещению.

U₂~l

На статич. харак-ке эта ситуация отображается след. образом:

 

Достоинство L-преобразователей:

- простота;

- надежность;

- вопроизводимость статич. хар-ки;

- возможность измерений перемещений, Р, Т,v

Недостатки:

- Нелин. статич. хар-ка;

- зависимость от внешних магнитных полей.

Емкостные преобразователи

C=εε₀·S\d C можно изменить, изменяя:

1- ε =var (d,S =const)

d 2- S =var (ε,d =const)

3- d=var(ε,S =const)

Статические характеристики емкостных ПИП, соотв. каждому из способов изменения C, предст-т собой след. зависимости:

1)с 2)с 3)c

 

ε S d

В первом случаи С=f(ε), ε - диэлектрическая проницаемость диэлектрика, емкостной датчик используется для измерения переменной (e), размеров,t,p, уровней и т.д.

_____

_____

 

Во 2 случае, С=f(S),C - датчик м.использоваться в аналогичных случаях, угловые перемещения.

В 3 случае, С=f(α),C - датчик не исп-ся для измерений небольших переем-ний, поскольку стат. хар-ка в этом случае сильно нелинейно.

Конструкции емкостных ПИП

1 плоскостные конд-ры с подвижным дизл-м (измер. перемещений)

2 плоскостные конд-ры с подв. пластинами (лин. и углов. пер-ния)стат. хар-ка при измер. угл. пер-ний нелинейна, исп-т специальные формы пластин:

3 для измерения в автомат.следящих устр-вах используют цилиндрические конд-ры:

С=2ΠІε\(ln R\r)

Двухпроводные канд-ры: измер. уровней жидких и сыпучих сред.

ε (ε_дε_воздε_ж)

Мосты переменного тока

Измерительный мост с активными сопротивлениями R могут использоваться для измерений лишь резистивных сопротивлений. Существуют датчики индуктивные, емкостные, где питание моста требуется осуществлять переменным токам. Такие мосты наз. мосты переменного тока (м.п.т.).

Условия равновесия м.п.т.: z₁z₄=z₂z₃

z = R±jx=ze^jφ

z х

R

В связи с тем, что комплексное число представляет из себя сочетание 2-х величин (z – модуль, φ – аргумент), поэтому и условия равновесия м.п.т. будет 2-ва:

1. z₁z₄=z₂z₃

2. φ₁+φ₄ = φ₂+φ₃

z₁z₄=z₂z_х

φ₁+φ₄ = φ₂-φ_х - мост в таком виде в равновесии находиться не может.

Что бы обеспечить равновесие нужно в смежное с измерительным плечом включить элемент имеющий тот же знак φ:

φ₁-φ₄ = φ₂-φ_х – значит, что в плечо φ₄ необходимо включить единичное комплексное сопротивление R₄ и С₄.

С некоторым приближением условия равновесия получившегося моста можно записать: R₁C₄=C_xR₂ Cx=(R₁/R₂)·C₄

Вместо С₄ используют магазин емкостей, а вместо R₁/R₂ – магазин сопротивлений их наз. образцовые элементы. Шкалы этих элементов могут быть проградуированы в размерах измеряемой величины.

Одной из разновидностей м.п.т. является трансформаторный измерительный мост.

1 уравновешенный мост

 

2 Неуравновешенный мост – при изменении сопротивления R_х (сопротивление датчика) появляется ток I₀ в измерительной диагонали. Величина I₀ пропорционально степени изменения R_х, а шкалу амперметра можно проградуировать в значениях измерительной величины

 

Автоматический мост

Принципиальная схема автоматического уравновешенного электронного моста приведена на рис.

Все сопротивления измерительной схемы (кроме термометра R_t) выполнены из манганина (сплав, сопротивление которого не зависит от температуры). Измерительная схема представляет собой четырехплечий мост, в одно из плеч которого включен R_t. В одну диагональ моста подводится переменное напряжение, в другую – включен электронный усилитель У. R _н – добавочный резистор для подгонки тока, протекающего через термометр; R _n– подгоночный резистор реохорда; R_m– шунт реохорда, R _р – реохорд; R ₀ – резистор для подгонки тока из условия минимального самонагрева ТС.

Наименее надежным элементом схемы является подвижный контакт реохорда, сопротивление которого может изменяться вследствие истирания, загрязнения и т. д. При указанном на схеме способе включения реохорда переходное сопротивление контакта располагается в измерительной диагонали и в момент равновесия из-за отсутствия тока, не сказывается на результате измерения. Положение движка реохорда зависит от величины R_t следующим образом:

(17)

где m – относительное положение движка.

Однако в этом случае не удаётся полностью компенсировать влияние температуры окружающей среды на соединительные провода. Кроме того, шунтирование R _p сопротивлениями R _m и R _n с целью получения требуемого диапазона измерения, делает (17) нелинейной. Уменьшение нелинейности достигается введением в схему дополнительного реохорда R_p^". Одновременно с перемещением подвижного контакта реохорда перемещается каретка с указателем вдоль шкалы, так, что каждому положению контакта соответствует определенное положение указателя на шкале. В качестве нуль-прибора в автоматическом мосте используется электронный усилитель У и реверсивный двигатель РД. При изменении температуры изменяется сопротивление R_t, равновесие моста нарушается и на диагонали моста ab возникает напряжение разбаланса, которое подается на вход электронного усилителя. Фаза этого напряжения зависит от того, уменьшилось или увеличилось сопротивление R_t. Сигнал разбаланса усиливается до величины, достаточной для приведения в действие реверсивного двигателя РД. Двигатель кинематически связан с кареткой и с подвижным контактом реохорда R _p. Движение контакта реохорда происходит до тех пор, пока измерительная схема не придет в равновесие, т. е. U_ab не станет равным нулю. Двигатель РД останавливается, а подвижной контакт реохорда и каретка с указателем занимают положение, соответствующее измеряемой температуре.

Многоточечный автоматический мост снабжен переключателем, с помощью которого к измерительной схеме подключаются поочередно все присоединенные к прибору термопреобразователи сопротивлений. Назначение остальных резисторов измерительной схемы следующее.

Фазовая модуляция.

Частота и фаза связаны между собой следующими составляющими:

ω=

Как видно из этих выражений частотная модуляция и фазовая модуляция связаны друг с другом, т.к. являются производимыми друг от друга, поэтому всё что относится к частотной м.- относится и к фазовой.

 

Уравновешенные мосты

В бол-стве случаев в комплекте с термопреобразователями сопрот-ний работают уравновеш. мосты пост. или переменного тока. Упрощенная электрич. схема показана на рис. 3.2.

Мост состоит из двух пост. сопротивлений и , реохорда R _P и сопротивления термометра . Соп-ния соединительных проводов прибавляются к соп-нию . В одну диагональ моста включен источник питания, а в другую – нуль-прибор РА. При равновесии моста, кот. достигается перемещением движка по реохорду R _p, ток в измерит. диагонали моста I ₀ = 0. В этом случае потенциалы на вершинах моста b и d равны, ток от источника питания разветвляется в вершине моста a на две ветви I ₁ и I ₂, падение напряжения на резисторах R ₁ и R ₂ одинаково, т.е.:

(9)

Падения напряжений на плечах моста bc и dc также равны:

(10)

Разделив (4) на (5), получим:

(11)

Если I ₀ = 0 то I ₁ = I _p и I ₂ = I_t. Тогда из ур-ия (11), получим:

(12)

Уравнение (12) выражает условие равновесия моста: произведение сопротивлений противоположных плеч равны. Под R _p* понимается величина сопротивления незашунтированной части реохорда R _p.

Из (12) следует, что:

(13)

Если R ₂ = R _l, получим:

(14)

При изменении сопротивления R_t, равновесие моста нарушается и его можно восстановить путём изменения величины сопротивления реохорда R _р*. При этом положение движка реохорда будет соответствовать измеряемой температуре и её определяют по шкале прибора Шк. Это справедливо, если колебания температуры среды, в которой расположены соединительные провода с сопротивлением 2 R _np, не существенны. В тех случаях, когда изменения температуры в зоне соединительных проводов могут быть значительными и погрешность измерения может превысить допустимую величину, применяют трёхпроводную систему подключения ТС. В этой схеме (рис. 3.3) провод от источника питания отсоединяется от точки с моста и подключается к точке с ', разделяя провода с сопротивлением R _np в смежные плечи. При таком соединении сопротивление одного провода прибавляется к терморезистору, а второго – к R _p.

Уравнение (7) примет вид:

(15)

или (при R ₁ = R ₂),

, (16)

т.е. изменение величины R_t под действием измеряемой температуры будет однозначно определяться изменением положения подвижного контакта реохорда.

Функции, выполняемые автоматическими СИ.

Функция измеряемого анализируемого параметра является основной, но не единственной функцией. Все измеряемые физика – химические параметры: температура, давление, влажность, кислотность и другие подлежат превращению в электрический сигнал. Затем этот сигнал сравнивают с эталоном. Результат сравнения оценивается оператором или автоматическим прибором. По величине отклонения судят о качестве измерения.

Автоматические приборы выполняют следующие операции:

- создание эталонного сигнала сравнения;

- хранение информации в памяти прибора;

- передача измеренной информации во внешнее устройство прибора с преобразованием в цифровую форму;

- создание и гибкое изменение оператором программы измерительного устройства;

- обработка результатов измерений в зависимости от вида погрешности и величины неопределенности (однократные или многократные измерения);

- представление измерительной информации в графической или табличной форме;

- самоконтроль за работой и правильностью измерительных операций отдельными элементами СИ;

- контроль за работоспособностью всего автоматизированного комплекса (встроенная система технической диагностики);

- корелляция характеристик измерительного прибора по результатам предыдущего пункта.