3.3. Структурные схемы ИП и их погрешности

В ГСП, несмотря на значительное разнообразие измеряемых величин и используемых для этого принципов измерений, применяются четыре структурные схемы измерительных устройств, а именно: схема прямого однократного преобразования, схема последовательного прямого преобразования, схема прямого дифференциального преобразования, схема управляющего преобразования (часто называется компенсационной).

Структура однократного прямого преобразования реализуется в ИП с естественными выходными сигналами, например в термоэлектрических преобразователях, датчиках давления и перепада давления. Если первичное преобразование измеряемой величины не дает удобного для использования сигнала, применяют структуры с несколькими последовательными ИП.

Дифференциальная структура в ИП применяется тогда, когда измерение основывается на сопоставлении результатов преобразования измерительной информации, полученной в реальных и в некоторых эталонных условиях. Преимущество этой структуры по сравнению с предыдущими состоит в значительном уменьшении погрешности, обусловленной изменением параметров источника питания и окружающей среды.

Наиболее совершенной является структура с отрицательной обратной связью, получившая название компенсационной схемы. Достоинство схемы - компенсация изменений параметров измерительного тракта вследствие того, что выходной сигнал непрерывно сравнивается с измеряемой величиной. Отрицательная обратная связь существенно снижает влияние погрешности звеньев прямого канала на результат преобразования.

Измерительные устройства в этих структурах состоят из некоторого числа элементов, организованных в измерительную цепь.

Преобразовательный элемент – элемент системы измерений (СИ), в котором происходит одно из ряда последовательных преобразований величины;

Чувствительный элемент – первый элемент в измерительной цепи. Преобразовательный элемент, находящийся под непосредственны воздействием измеряемой величины;

Измерительный механизм – часть конструкции СИ, состоящий из элементов, взаимодействие которых вызывает из взаимное перемещение

Отсчетное устройство – часть конструкции СИ, предназначенное для регистрации показаний.

Регистрирующее устройство – часть регистрирующего измерительного прибора,  предназначенная для регистрации показаний.

На рисунке ниже приведены схемы  измерительных устройств прямого действия (прямого преобразования) и уравновешивающего или компенсационного преобразования.

Рис. 15. Структурные схемы СИ прямого действияа)

Рис. 15. Структурные схемы СИ прямого действия

Рис. 15. Структурные схемы СИ прямого действия

Работа СИ прямого действия. На рисунке 15а измеряемая физическая величина Х поступает в чувствительный элемент 1, где преобразуется в другую величину, удобную для дальнейшего использования (ток, напряжение, давление, перемещение, сила), и поступает на промежуточный преобразовательный элемент 2, который обычно либо усиливает поступающий сигнал, либо преобразует его по форме. (Элемент 2 может отсутствовать). Выходной сигнал элемента 2 поступает к измерительному механизму 3, перемещение элементов которого определяется с помощью отсчетного устройства 4. Выходной сигнал Y (показание), формируемый измерительным прибором, может быть воспринят органами чувств человека.

На рисунке 15б приведена структурная схемы измерительного преобразователя, у которого отсутствует измерительный механизм и отсчетное устройство. Этим определяется тот факт, что сигнал измерительных преобразователей имеет форму, недоступную для восприятия человеком. В то же время в составе  таких измерительных преобразователей, как правило, имеется оконченный преобразовательный элемент 7, который формирует выходной сигнал (усиливает его по мощности, преобразует в частоту колебаний и т.д.) таким образом, что его можно передавать на расстояние, хранить и обрабатывать.

Рис. 16. Структурные схемы СИ сравнения

Рис. 16. Структурные схемы СИ сравнения

Схема измерительного прибора, основанного на методе уравновешивающего преобразования, показана на рисунке 16а. Отличительной особенностью таких приборов является наличие отрицательной обратной связи. Здесь сигнал Z, возникающий на выходе чувствительного элемента, поступает на преобразовательный элемент 5, который способен осуществлять сравнение двух величин (элемент сравнения, компаратор), поступающих на его вход. Кроме величины Z на выход элемента 5 подается величина с противоположным знаком Zур (уравновешивающий сигнал), которая формируется на выходе обратного преобразовательного элемента 6. На выходе элемента 5 формируется сигнал, пропорциональный разности значения величин Z и Zур. Этот сигнал поступает в промежуточный преобразовательный элемент 2, выходной сигнал которого поступает одновременно на измерительный механизм 3 и на вход обратного преобразовательного элемента 6. В зависимости от типа промежуточного  преобразовательного элемента 2 при каждом значении измеряемого параметра и соответствующем ему значении Z разность Z-Zур, поступающая на вход элемента 5, может сводиться к нулю или иметь некоторое малое значение, пропорциональное измеряемой величине.

На рисунке 16б приведена структурная схема уравновешивающего измерительного преобразователя

Погрешности ИП

Прямое преобразование.

Рис. 17. Схема прямого преобразования

Рис. 17. Схема прямого преобразования

На рисунке обозначены: Р – измеряемая величина; Х – ее значение; Y – выходной сигнал преобразователя; Кi – коэффициенты усиления элементов; dI – погрешности элементов.

  

Дифференциальная схема.

Рис. 18. Дифференциальная схема

Рис. 18. Дифференциальная схема

 ; 

Достоинства этой структуры:

  • уменьшение Dсист;
  • увеличение чувствительности и снижение нелинейности
  • получение реверсивной характеристики.

3. Компенсационная схема.

Рис. 19. Компенсационная схема

Рис. 19. Компенсационная схема

 ;   при ; .

Достоинства этой структуры:

  • увеличение чувствительности и точности;
  • стабильность коэффициента преобразования;
  • компенсация погрешностей,
  • высокое входное сопротивление, что приводит  к уменьшению нагрузки на датчик.

Технические средства автоматизации и управления


*****

© 2009-2017 Банк лекций siblec.ru
Лекции для преподавателей и студентов. Формальные, технические, естественные, общественные, гуманитарные, и другие науки.