Схема урівноважуючого перетворення

Особливістю схеми є те, що вихідна величина U_вих, як показано на рис. 3, підлягає зворотному перетворенню у величину U`<sub>m</sub> однорідну з вхідною величиною U<sub>вх</sub> і майже повністю врівноважувати її. У результаті цього на вхід ланцюга прямого перетворення подається тільки невелика частина DU перетворювальної вхідної величини U<sub>вх</sub>. Іншими словами, використовується негативний зворотний зв`язок.

Можливі два режими роботи:

1. Режим неповного врівноваження.

2. Режим повного врівноваження.

Розглянемо спочатку перший із них. Запишемо рівняння вимірювального перетворення у вигляді U_вих = f (U_вх). Для цього запишемо рівняння зв`язку між сигналами в різних ділянках схеми.

Приймаємо спрощення, які використовували під час аналізу схеми прямого перетворення.

Ланцюг прямого перетворення

Ланцюг зворотного перетворення

Рис.3

Можна записати

DU = U_вх – U`_m (8)

U_вих = K DU (9)

– рівняння ланцюга прямого перетворення.

U_m = b U_вих (10)

– рівняння ланцюга зворотного перетворення

Рівняння вимірювального перетворення запишемо у вигляді:

U_вих = K_уп U_вх (11)

де K_уп – коефіцієнт узагальненого перетворення вимірювального приладу.

Виразивши Kуп із [11] і підставивши U_вх, U_m, U_вих із [8]..[10]:

, а (12)

(13)

Бачимо, що вихідний сигнал, пропорційний вхідному, залежить від коефіцієнтів перетворення як ланцюга прямого, так і зворотного перетворення.

Відмітимо, що при bК> > 1 ланцюг прямого перетворення мало впливає на роботу приладу. Для досягнення високої чутливості треба зменшувати b, а для виконання умови bК> > 1 треба збільшувати K.

Якою ж буде мультиплікативна похибка, яка обумовлена нестабільністю коефіцієнтів перетворення К та b для даної схеми?

Визначимо відносну похибку згідно з формулою (3), диференціюючи (13) по К та b,

маємо

(14)

(15)

так як U_вх = const.

Просумовуючи [14] та [15] і враховуючи кінцеві прирости, отримуємо:

.(16)

Відносна мультиплікативна похибка складається із суми двох членів, один із яких пропорційний сумарній похибці всіх перетворювачів ланцюга прямого перетворення, а другий - сумарній похибці перетворювачів ланцюга зворотного зв`язку:

. (17)

При bК> > 1 похибка від нестабільності ланцюга К зменшується в (1+bК) раз. Похибка, яка обумовлена нестабільністю ланцюга зворотного зв`язку при цих умовах, майже повністю приводить до сумарної похибки. Отже, у прямому ланцюзі можна використовувати нестабільні активні перетворювачі, наприклад, підсилювачі, але при цьому потрібно виконання умови bК> > 1. Крім цього, потрібно, щоб коефіцієнт зворотного зв`язку b мав високу стабільність у часі.

Як видно, що при цьому зменшується у (1+bК) раз чутливість вимірювального пристрою. Щоб зберегти значення чутливості, коефіцієнт підсилення треба збільшувати у (1+bК) раз. Очевидно, межа збільшення К визначається динамічною стійкістю приладу, а нелінійність функції прямого перетворення можна розглядати як змінювання коефіцієнта перетворення К щодо деякого значення. Отримані рівняння показують, що нелінійність функції перетворення зменшується завдяки негативному зворотному зв`язку в bК раз.

Оцінимо тепер адитивну похибку, яка обумовлена дрейфом нуля, наводками, порогом чутливості ланок. Чи дозволить схема зрівноваженого перетворення зменшити вплив цих похибок? Як і раніше введемо в структурну схему додаткові сигнали:

DU₀₁, DU₀₂,... DU_on, DU`<sub>01</sub>, DU`₀₂,...DU`_on.

Підведемо ці сигнали до входу схеми. Тоді абсолютна адитивна похибка визначиться як:

(18)

Із (17) видно, що адитивна похибка ніяк не залежить від глибини зворотного зв`язку і не може бути зменшена за абсолютною величиною введенням схеми врівноваженого перетворення. При збільшені глибини зворотного зв`язку буде зменшуватись чутливість і відповідно збільшуватись верхня межа вхідної величини. Тому відносна похибка від зміщення нуля буде зменшуватись, але її абсолютна величина збережеться незмінною.

Таким чином, з урахуванням відмічених обмежень застосовування схеми врівноваженого перетворення є дійсним фактором підвищення точності приладів і широко використовується на практиці. наприклад, в електронних вольтметрах, автоматичних мостах ватметрів НВЧ і т.д.

Розглянемо тепер режим повного врівноваження. При повному врівноважені DU=U–U`=0. Це можливо, якщо в ланцюзі прямого перетворення ї інтегруюча ланка є функцією перетворення U_i= f(U_i-1dt).

Вимірювальні засоби з ручним врівноваженням можна також розглядати як засоби, які мають структурну схему врівноважуючого перетворювача з повним урівноваженням.

Рівняння перетворення для цього випадку, очевидно, запишеться:

. (19)

Коефіцієнт перетворення (чутливість) приладу повністю визначається ланцюгом зворотного перетворення й не залежить від ланцюга прямого перетворення. Мультиплікативна відносна похибка, яка пов`язана з нестабільністю коефіцієнтів перетворення ланок:

. (20)

Із (19) видно, що мультиплікативна похибка обумовлена тільки ланцюгом зворотного зв`язку. Адитивна похибка вимірювальних приладів із повним урівноваженням майже повністю обумовлена порогом чутливості ланок. Під порогом чутливості ланки розуміють мінімальний сигнал на вході, який може викликати сигнал на виході. При вхідному сигналі, який менше порога чутливості, сигнал на виході не з`являється. Таким чином, урівноваження схеми наступає при U–U`_m = ±DU_п - поріг чутливості. При цьому відіграє роль поріг чутливості ланок у ланцюзі прямого перетворення до інтегруючої ланки включно. Поріг чутливості же ланок ланцюга зворотного перетворення не впливає на поріг чутливості всього приладу в цілому.

Приведена до входу абсолютна адитивна похибка запишеться як:

, (21)

де DU_oi – поріг чутливості інтегруючої ланки.

Для зменшення похибки, яка обумовлена порогом чутливості ланок, треба збільшувати коефіцієнти перетворення ланок прямого ланцюга.

Нагадаємо, що у формулах фігурує сумарна похибка - сума систематичної та випадкової похибок.

Враховуючи, що систематична похибка є математичним очікуванням сумарної похибки, а СКВ - корінь квадратний із дисперсії на прикладі формули (16) можна записати для випадку некорельованих похибок:

(22)

(23)

Відмітимо також, що засоби вимірювання можуть мати комбіновані структурні схеми, тобто схеми, які мають ланцюги прямого перетворення, ряд ланок яких охоплена негативним зворотним зв`язком.

Ми розглядали вплив структурної схеми на чутливість та похибку приладу. Безумовно, принцип будови структурної схеми впливає також на вхідні та вихідні опори, динамічні та інші характеристики.

5.1.3. Вимірювальні сигнали

Більшість фізичних величин є АНАЛОГОВИМИ (час, довжина, частота). Аналогова фізична величина має нескінченну множину значень в діапазоні вимірювання й може відрізнятись від даного числового значення на дуже мале число.

На відміну від аналогової, дискретна фізична величина має обмежене число значень у діапазоні вимірювання й не може відрізнятись від даного значення на величину, яка менша одиниці дискретизації.

Переваги в вимірюванні природно-дискретних величин поставили питання про штучну дискретизацію аналогової величини з метою отримання високої точності та представлення показів у формі числа, що й досягається в ЦИФРОВИХ ВИМІРЮВАЛЬНИХ ПРИЛАДАХ (ЦВП).

Таким чином, якщо в аналогових вимірювальних приладах (АВП) вимірювальна величина перетворюється в аналогову вихідну величину переміщення покажчика, а числове значення визначається за шкалою приладу, то в ЦВП вимірювальна величина перетворюється в дискретну форму й представляється у вигляді числа. Уся безмежна множина значень вимірювальної величини в заданих межах замінюється обмеженим рядом дискретних значень. Наприклад, у чотирирозрядному ЦВП - обмеженим рядом значень від 1 до 9999.

Таким чином, за формою подання результату вимірювання на виході вимірювальні прилади розрізнюють на аналогові та цифрові.

В АВП покази є безперервною функцією змінювання вимірювальної величини; ЦВП вироблюють автоматично дискретні сигнали вимірювальної інформації, а покази подаються в цифровій формі.

Рис. 4

Використання цифрової обробки сигналів на базі мікропроцесорів суттєво розширяють можливості ЦВП (корекція похибки, усереднення результатів, перетворення із часової в частотну область і т.д.).

Висновок: Знання основних функцій і задач засобів вимірювань, особливостей побудови структурних схем, використання різних видів вимірювальних сигналів дозволяє обгрунтовано вивчати різні типи засобів вимірювань, способи та методи використання під час технічного обслуговування озброєння й військової техніки.

5.2. Класифікація засобів вимірювальної техніки

5.2.1. Засоби вимірювальної техніки

Засіб вимірювальної техніки (згідно з ДСТУ 2681-94) – технічний засіб, який застосовується під час вимірювань і має нормовані метрологічні властивості. Останні впливають на результати та похибки вимірювання. До засобів вимірювальної техніки належать засоби вимірювань та вимірювальні пристрої.

Засіб вимірювань – засіб вимірювальної техніки, який реалізує процедуру вимірювань. До засобів вимірювань належать кодові засоби вимірювань, реєструючі засоби вимірювань, вимірювальні прилади, вимірювальні канали та вимірювальні системи. Засіб вимірювань реалізує в ідеальному випадку лінійну залежність між значеннями вимірюваної величини та її відповідними розмірами.

Вимірювальний пристрій – засіб вимірювальної техніки, в якому виконується лише одна зі складових частин процедури вимірювань

(вимірювальна операція). Вимірювальні пристрої: міра, компаратор, вимірювальний перетворювач та обчислювальний компонент.

Число вимірюваних фізичних величин та параметрів процесів велике (біля 2500). Більшість засобів вимірювання виконує функцію перетворення цих фізичних величин у форму, зручну для сприйняття та оцінки людиною (АЗК і т. п.). Крім цього, у процесі перетворення-вимірювання виконується, багатогранне узгодження параметрів вимірювальної величини (межі змінювання, вхідний опір, динамічні характеристики, частотний діапазон) із вихідними інформативними параметрами засобів вимірювання.

Процес такого перетворення - вимірювання фізичної величини може включати:

· змінювання фізичного роду сигналу чи величини;

· масштабне лінійне перетворення;

· масштабно-часове перетворення (переміщення, стискання або розтягування в часі);

· нелінійне або функціональне перетворення;

· модуляція;

· дискретизація неперервного сигналу;

· квантування.

Багатогранність, вимірювальних величин забезпечується різними способами перетворення в процесі вимірювання. Це у свою чергу привело до створення великої кількості різнотипних засобів вимірювання. Їх можна класифікувати за рядом ознак.

У найбільш загальному вигляді засоби вимірювання можна класифікувати за роллю, яку вони виконують у процесі вимірювання. По цьому критерію вони діляться на наступні види:

Міра – вимірювальний пристрій, що реалізує відтворення та (або) збереження фізичної величини заданого значення.

Використовують міри однозначні, які відтворюють фізичну величину одного розміру (наприклад, конденсатор постійної ємності - однозначна міра ємності, нормальний елемент - однозначна міра е. р. с. / електрорушійна сила постійного струму, гиря - однозначна міра маси), та міри багатозначні, які відтворюють ряд однойменних величин різного розміру (конденсатор змінної ємності - багатозначна міра електричної ємності, магазин опорів, лінійка з поділками - багатозначна) міра довжини.

Спеціально підібраний комплекс конструктивно відокремлених мір, які використовуються не тільки окремо, але і в довільних сполученнях, називають НАБОРОМ МІР (наприклад, набір вимірювальних резисторів).

Набір мір, які конструктивно об'єднані в одне ціле з пристроєм для підключення їх в різних комбінаціях називають магазином мір.

Вимірювальний перетворювач – вимірювальний пристрій, що реалізує вимірювальне перетворення.

Він вироблює сигнал вимірювальної інформації у формі, зручній для передачі, подальшого перетворення, обробки чи зберігання, але не можливій для безпосереднього сприйняття спостерігачем (наприклад, детекторний перетворювач електронного вольтметра, модулятор, демодулятор в вимірювальному колі, дільник, підсилювач).

Розрізнюють вимірювальні перетворювачі:

первинний (сенсор, датчик), який першим взаємодіє з об’єктом вимірювання;

проміжний, який включений у вимірювальне коло після первинного;

масштабний, який реалізує масштабне вимірювальне перетворення.

Фізичною суттю вимірювального перетворення є перетворення та передача енергії (перетворення одного виду енергії в інший).

Компаратор (пристрій порівняння) – вимірювальний пристрій, що реалізує порівняння однорідних фізичних величин.

Він виконує порівняння вимірювальної величини з мірою т. б. визначення співвідношення між однорідними величинами (наприклад, мостова схема). Порівняння виконується звичайним шляхом зустрічної взаємодії (віднімання) величин, при цьому утворюється деяка різницева величина.

Міри, вимірювальні перетворювачі й пристрої порівняння належать до елементарних ЗВ.

Поряд з елементарними є комплексні засоби вимірювання: вимірювальний прилад, вимірювальна система, вимірювально-інформаційна система.

Вимірювальний прилад - це ЗВ, в якому створюється візуальний сигнал вимірювальної інформації. Він вироблює сигнали вимірювальної інформації у формі, доступній для безпосереднього сприйняття спостерігачем. Це найбільш чисельний вид ЗВ. Наприклад, вольтметр, ватметр. Їх класифікують за різними ознаками: призначенню, принципу дії, конструкції, умовам експлуатації.

Вимірювальна система - це сукупність вимірювальних каналів, вимірювальних пристроїв та інших технічних засобів, об’єднаних для створення сигналів вимірювальної інформації про декілька вимірюваних фізичних величин. Вона призначена для вироблення сигналів вимірювальної інформації у формі, зручній для автоматичної обробки, передачі або використання в автоматичних системах керування. Вимірювальні системи є однією із різновидностей більш широкого класу систем – вимірювальних інформаційних систем.

Вимірювальна інформаційна система – сукупність засобів вимірювальної техніки, засобів контролю, діагностування та інших технічних засобів, об’єднаних для створення сигналів вимірювальної та інших видів інформації. Окрім ВІС, отримали розповсюдження вимірювальні обчислювальні комплекси (ВОК) - автоматизовані засоби вимірювання й обробки інформації, які являють собою сукупність програмно-керованих вимірювальних й обчислювальних засобів, які призначені для дослідження складних об`єктів та керування ними. Як правило, вони створюються в унікальному одному екземплярі та працюють у системі керування складними й важливими об’єктами (в атомній енергетиці). Такі системи належать до приладів з інтелектуальним вимірюванням. Створене метрологічне забезпечення таких ВІС і ВОК на перевірку (Чорнобиль) показало на певному етапі експлуатації свою складність, неефективність, а інколи й наносило суттєві втрати.