Средства измерений прямого преобразования.

Общие замечания.

С целью изучения и обобщения теории средств измерений вводится понятие о звене и структурной схеме. В средстве измерений сигнал, несущий информацию о значении измеряемой величины, обычно претерпевает ряд преобразований с целью получения нужного выходного сигнала.

Каждое преобразование сигнала можно представить происходящим как бы в отдельном узле, носящем название «звено».

Соединение звеньев в определенную цепь преобразований носит название структурной схемы.

При анализе средства измерений в статическом режиме средство измерений обычно разбивают на звенья, которые представляют собой интересующие исследователя функции преобразования.

В зависимости от соединения звеньев различают два основных вида структурных схем:

- прямого преобразования (действия) и

- уравновешивающего (компенсационного) преобразования (действия).

Последний вид называют также схемой с отрицательной обратной связью.

 

Структурная схема средства измерений прямого преобразования показана на рис. 2.4, где П₁, П₂, .... П_п — звенья; х₁, х₂, ..., х_п -информативные параметры сигналов.

Рис.2.4. Структурная схема средства измерений

прямого преобразования

 

Как видно из рис.2.4, входной сигнал х последовательно претерпевает несколько преобразований и в конечном итоге на выходе получается сигнал х_п.

Для измерительного прибора сигнал х_n получается в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем, например в виде отклонения указателя отсчетного устройства. Для измерительного преобразователя сигнал х_n получается в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и (или) хранения.

Примером электроизмерительного прибора, имеющего структурную схему прямого преобразования, может быть амперметр для измерения больших постоянных токов. В этом приборе измеряемый ток вначале с помощью шунта преобразуется в падение напряжения на шунте, затем в малый ток, который измеряется измерительным механизмом, т. е. преобразуется в отклонение указателя.

Чувствительность (коэффициент преобразования) средства измерений, имеющего структурную схему прямого преобразования,

(2.25)

‑коэффициенты преобразования отдельных звеньев. При нелинейной функции преобразования чувствительность и коэффициенты преобразования зависят от входного сигнала.

Мультипликативная погрешность возникает при изменении коэффициентов преобразования. С течением времени и под действием внешних факторов коэффициенты k₁, k₂, ..., k_n могут изменяться соответственно на Δk₁, Δk₂, …, Δk_n. При достаточно малых изменениях этих коэффициентов можно пренебречь членами второго и большего порядка малости, и тогда относительное изменение чувствительности

(2.26)

Изменение чувствительности приводит к изменению выходного сигнала на

(2.27)

Этому изменению выходного сигнала соответствует абсолютная погрешность измерения входной величины

(2.28)

Как видно из этого выражения, погрешность, вызванная изменением чувствительности, является мультипликативной. Относительная мультипликативная погрешность измерения

(2.29)

 

Аддитивная погрешность вызывается дрейфом «нуля» звеньев, наложением помех на полезный сигнал и т. д., приводящих к смещению графика характеристики преобразования i-го звена на ±Δx_0i, как показано на рис. 2.5.

Рис. 2.5. Характеристика преобразования звена

 

 

Аддитивную погрешность можно найти, введя на структурной схеме после соответствующих звеньев дополнительные внешние сигналы

, равные смещениям характеристик преобразования звеньев.

Для оценки влияния этих дополнительных сигналов пересчитаем (приведем) их к входу структурной схемы. Результирующее действие всех дополнительных сигналов равно действию следующего дополнительного сигнала на входе:

(2.30)

Результирующая аддитивная погрешность равна Δх₀. Таким образом, в средствах измерений, имеющих структурную схему прямого преобразования, происходит суммирование погрешностей, вносимых отдельными звеньями, и это затрудняет изготовление средств измерений прямого преобразования с высокой точностью.