Типичные переходные процессы

Для определения инерционных свойств средств измерений по переходным характеристикам обычно используют заимствованное из теории автоматического регулирования понятие динамического звена. Переходные характеристики и передаточные функции типовых динамических звеньев известны, и это позволяет по форме переходной характеристики средств измерений отождествить его с каким-либо типовым динамическим звеном, а, следовательно, определить форму передаточной функции испытываемого средства измерения. Описанную процедуру принято называть идентификацией.

На рис. 2.4 показаны наиболее типичные для средств измерений формы переходных характеристик, т.е. кривые переходных процессов, или кривые разгона. Для их получения в нулевой (для простоты) момент времени входной сигнал средства измерения скачком изменяется на Х_А от некоторого значения Х₁ до Х₂ (рис. 2.4, а). По окончании переходного процесса выходной сигнал средства измерения изменяется на Y_А от значения Y₁ до Y₂.

Для определения коэффициента преобразования k средства измерения достаточно вычислить отношение Y_А/Х_А.

а)	г)
б)	д)
в)	е)

Рис. 2.4. Типичные формы переходных процессов для средств измерений: а – скачкообразное изменение входного сигнала, б – типовое усилительное звено, в – апериодическое 1-го порядка звено, г – колебательное звено, д – соединение звенев чистого запаздывания и апериодического, е – соединение звенев чистого запаздывания и колебательного.

Переходные процессы, показанные на рис. 2.4, соответствуют типовым звеньям: безынерционному усилительному (рис. 2.4, б), апериодическому первого порядка (рис. 2.4, в) и колебательному (рис. 2.4, г).

Процесс, представленный на рис. 2.4, б, характерен для электронных средств измерений, а процессы, представленные на рис. 2.4, в, г, – для большого числа средств измерений, основанных на прямом преобразовании. К группе средств измерений, представляющих собой инерционное звено первого порядка относятся средства измерений температуры и приборы теплового действия (термоанемометры, тепловые расходомеры), турбинные расходомеры. Кривая на рис. 2.4, в представляет собой экспоненту, а величина Т(подкасательная) – постоянную времени. Она определяет время, за которое выходной сигнал достиг бы нового установившегося значения, если быизменялся с постоянной скоростью, равной скорости в момент скачкообразного изменения входного сигнала.

Постоянную времени Т используют для характеристики динамических свойств средств измерений. Поскольку проведение касательной кривой переходного процесса (графический метод) сопряжено с погрешностями, значения постоянной времени определяют как интервал времени, за который выходной сигнал изменяется на 0,632 от своего приращения y_a (рис. 2.4, в).

Колебательное динамическое звено, а следовательно, и средство измерения, в котором имеет место переходный процесс (рис. 2.4, г), можно рассматривать как соединение двух апериодических звеньев с постоянными времени Т₁ и Т₂. При этом в зависимости от соотношений Т₁ и Т₂переходный процесс будет различен. Если (Т₁/Т₂)<2, то он имеет форму кривых 1 и 2, апри (Т₁/Т₂) ³2 - форму кривой 3(рис. 3.4, г).

Переходные процессы, показанные на рис. 2.4, д, е, характерны для случаев, когда дифференциальное уравнение, описывающее динамику средства измерения, имеет порядок более чем второй. В этих случаях принято рассматривать средства измерений как совокупность нескольких, соединенных последовательно типовых динамических звеньев. Например, средство измерения с переходным процессом, показанным на рис. 2.4, д, можно рассматривать как соединение звена чистого запаздывания со временем запаздывания t_з и апериодического звена с постоянной времени Т(для графического определения значений t_з и Тдостаточно провести касательную к точке перегиба Ана рис. 2.4, д). Измерительное устройство с переходным процессом, показанным на рис. 2.4, е, можно рассматривать как соединение звена чистого запаздывания и колебательного звена.

Для всех средств измерений важным является время установления выходного сигнала (или показаний)t_p (рис. 2.4), которое также называют временем реакции. Оно определяет собой отрезок времени, необходимый для завершения переходного процесса при скачкообразном изменении входного сигнала. Так как все рассмотренные переходные процессы (рис. 2.4) теоретически заканчиваются только при бесконечном значении времени, то за время реакции t_pобычно принимают время, в течение которое выходной сигнал средства измерения, приближаясь к новому установившемуся значению, входит в некоторую зону, отличающуюся от этого значения на ±5 % от изменения выходного сигнала, соответствующего данному скачкообразному входному сигналу.

Значение времени реакции может быть приближенно определено через постоянную времени средства измерения из соотношения

t_p = (3 ¸ 5)Т. (2.14)

В большинстве средств измерений реализуется блочно-модульный принцип их построения, что обеспечивает возможность создания различных функционально сложных устройств из ограниченного числа простых унифицированных блоков и модулей путем их наращивания и стыковки. Такой подход обеспечивает получение всего многообразия измерительной информации о физических величинах, характеризующих технологические процессы, свойства и качество продукции. Внутри средства измерения при этом осуществляются различные процессы по преобразованию входных измерительных сигналов и превращению их в выходные в зависимости от устройства средства измерения, определяемого структурной схемой.