Структурные схемы средств измерений прямого преобразования

Передача информации в одну сторону

Рассмотрим случай, когда функция преобразования является линейной (для нелинейной ФП – всё то же самое, только дольше и больше). Итак, необходимо найти, как обычно, зависимость входной величины от входной

Вот это назовём коэффициентом преобразования для всего устройства и обозначим К

В этой схеме, как и в любой другой, возникают два вида погрешностей:

1)Мультипликативная 2)Аддитивная

Мультипликативная погрешность возникает из-за того, что коэффициенты преобразования отдельных блоков схемы могут меняться.

Прологарифмируем выражение **…

***

… и возьмём производную от последнего

К чему это приводит? Отвечаем:

Идеально , а получается в действительности .

Вывод: из-за наличия мультипликативной погрешности выходной сигнал изменяется

Таким образом, «благодаря» мультипликативной погрешности выходной сигнал по отношению к входному будет изменён в раз.

Аддитивная погрешность возникает из-за внешних помех и внутренних дрейфов.

Помеха непредсказуема, она может появиться в любой точке схемы. Но, вот если она попадает на вход – это самое «страшное», ибо она, помеха, пройдёт через всю цепь как полезный сигнал и искажения будут чудовищными (ибо на входе уже искажённый сигнал). Не будем рассматривать этот случай, берём в скобках…

Приведём все помехи ко входу устройства (как показано серыми стрелками):

****

Пример:

Пускай n = 3 блока. Пусть k₁ = k₂ = k₃ = 10

Подали на вход X = 1000 мВ = 1 В, а, в то же время, X_{ПОМ 1} = X_{ПОМ 2} = X_{ПОМ 3} = 1 В.

Нарисуем…

Приводим все погрешности ко входу устройства:

А для чего вообще мы всё это делаем (приводим ко входу помехи)?

Да причина проста: мы желаем сопоставить величину суммарной помехи системы и значение входной величины, чтобы понять: система, вообще, имеет хоть какой-то смысл или нет.

Выводы:

1) В принципе, число n должно быть конечным (количество элементов должно быть ограничено);

2) Первый каскад необходимо сделать грамотно (как и все остальные, разумеется, но к первому – первостепенное внимание, ибо он самый помехоопасный);

3) Можно улучшить характеристики: постараться подобрать параметры элементов таким образом, чтобы уменьшить погрешность.

₄₎ 30)Структурные схемы средств измерений компенсационного преобразователя: 1)с астатической характеристикой

5)

6) Передача информации в прямом направлении

Передача информации в обратном направлении

Совокупность блоков ОС_i представляет собой цепь отрицательной обратной связи, в которой информация проходит в противоположном основной цепи направлении.

Обозначения:

СУ – сравнивающее устройство

𝜷 _i – коэффициент преобразования ЦОС (цепи обратной связи)

K_i – коэффициент преобразования ЦПП (цепи прямого преобразования или ЦПС – цепи прямой связи)

Цепь замкнута с выхода на вход (принцип ЦОС) и состоит из цепи прямого преобразования с коэффициентом преобразования:

и цепи обратной связи с коэффициентом преобразования:

Пускай – сигналорассогласование или разностный сигнал .

Такая система может работать в двух режимах. В зависимости от различают:

Астатический режим при = 0. Происходит полная компенсация

Статический режим . Происходит неполная компенсация

Рассмотрим астатический режим: .

Астатический режим может быть реализован только при наличии в цепи прямого преобразования интегрирующего (запоминающего) звена (блока). Это звено может стоять в любом месте ЦПП (цепи прямого преобразования). Однако, современные интеграторы обладают сравнительно невысокой чувствительностью (требуют большого сигнала) и ставятся в конце ЦПП.

Пускай интегрирующее звено П_И

Из-за него и не будет нуля на выходе (интегрирующее звено будет запоминать дошедшее до него значение). Найдём функция преобразования всего устройства :

Решаем совместно и получаем зависимость:

Последнее выражение справедливо как для всей цепи, так и для каждого отдельно взятого блока.

Коэффициент передачи ЦПП вообще не попал в формулу.

Чувствительность всего устройства в целом:

В этой схеме возникает два вида погрешностей:

Мультипликативная

Из выражения для чувствительности .

Элементы ЦОС можно сделать более стабильными, чем элементы ЦПП (составить только из сопротивлений, часто – без усилителей); тем самым, введение ООС всегда уменьшает мультипликативную погрешность.

Аддитивная

Помехи могут «сесть» как на ЦОС, так и на ЦПП, однако, вероятность того, что помехи попадут на ЦОС крайне мала, ибо такую цепь обычно выполняют низкоомной (сигнал проходит достаточно свободно).

Рассмотрим более распространённый случай: когда помехи сели на ЦПП.

Приведём все помехи и порогочувствительность ко входу:

Значит, введение ООС не уменьшает аддитивную погрешность, а только увеличивает её.

Пример: Автоматический мост постоянного тока

Условные обозначения:

УН – усилитель напряжения; УМ – усилитель мощности (могут быть совмещены в одном приборе, как показано штриховкой); РД – реверсивный двигатель; R_0i – образцовое сопротивление. Причём R₀₁ – переменное сопротивление

Схема предназначена для измерения сопротивления R_X c высокой точностью (см. «МОСТ» в нулевом методе).

Мосты с автоматизированным процессом уравновешивания называются автоматическими мостами; они находят широкое применение для измерения и регистрации величин. Автоматические мосты с дополнительным регулирующим устройством применяют для автоматического управления производственными процессами. В настоящее время широко распространены автоматические мосты для измерения, регистрации и регулирования температуры различных объектов. В качестве измерительного механизма в подобных мостах применяются терморезисторы.

Схема автоматического моста для измерения сопротивления R_X приведена на рисунке выше. Мост питается от источника переменного напряжения питания U_ПИТ. Если мост уравновешен, то напряжение между точками а и б равно нулю и ротор двигателя РД неподвижен. При изменении измеряемого сопротивления R_X на диагонали моста (между точками а и б) появится напряжение, значение которого зависит от R_X. Это напряжение усиливается усилителями (простите за тавтологию) и подаётся на реверсивный двигатель РД, который, через редуктор (причина, почему реверсивный двигатель управляет движением резистора именно через редуктор очень проста: никто ведь не управляет марионеточными куклами, привязывая ниточки к маховику автомобильного двигателя, так и здесь: если всю энергию РД будет тратить на передвижение резистора, то последний может просто вылететь из схемы, настолько сильный он получит импульс), передвигает подвижный контакт переменного резистора R₀₁ в сторону достижения равновесия моста и одновременно поворачивает указатель (ведь это же измерительный прибор), а при записи измеряемой величины – перемещает перо, записывающее на диаграмме её значение. Ротор двигателя вращается до достижения равновесия моста. Если автоматический мост предназначен для управления, то тем же двигателем приводятся в действие регулирующие устройства.

Автоматизация процесса уравновешивания в мостах переменного тока значительно сложнее. Автоматические мосты переменного тока для измерения и регистрации комплексного сопротивления должный иметь два регулирующих элемента (двигателя), которые обеспечивают два условия равновесия моста – по модулю и по фазе. По точности автоматические мосты переменного тока уступают мостам постоянного, всё из-за комплексности измерений и количестве элементов в собираемой схеме.

Точность этой схемы определяется порогочувствительностью реверсивного двигателя: чем она меньше, тем чётче будет работать система.