Структурные схемы средств измерений

Структурная схема – это условное обозначение совокупности элементов средства измерения, образующих непрерывный путь прохождения измерительного сигнала от входа до выхода и обеспечивающих осуществление всех его преобразований, с указанием преобразуемых величин. При этом каждое преобразование сигнала происходит в отдельном звене или блоке. Структурные схемы состоят из соединенных определенным образом структурных элементов (составных частей), предназначенных для выполнения одной из следующих функций:

- преобразование поступающего сигнала по форме или виду энергии;

- успокоение колебаний;

- защита от помехонесущих полей;

- коммутация цепей;

- представление информации и т.п.

Основными составными частями средства измерения являются:

преобразовательный элемент – элемент средства измерения, в котором происходит одно из ряда последовательных преобразований величины;

измерительная цепь (измерительный канал) – совокупность элементов средства измерения, образующих непрерывный путь прохождения сигнала измерительной информации от входа до выхода;

чувствительный элемент – часть измерительного преобразователя в измерительной цепи, воспринимающая входной измерительный сигнал;

измерительное устройство – часть измерительного прибора, связанная с сигналом измерительной информации и имеющая обособленную конструкцию и назначение (например, регистрирующее устройство измерительного прибора, включающее ленту для записи, лентопротяжный механизм и пишущий элемент);

показывающее устройство – совокупность элементов средства измерений, обеспечивающих визуальное восприятие значений измеряемой величины или связанных с ней величин (цифровое табло или шкала с указателем);

регистрирующее устройство – совокупность элементов средства измерений, регистрирующих значения измеряемой или связанной с ней величины.

Для удобства анализа различных соединений средств измерительной техники между собой и со средствами автоматического управления их принято рассматривать как некоторый преобразователь, служащий для преобразования входного сигнала X в выходнойY. Это позволяет применять при анализе систем хорошо разработанный аппарат теории автоматического регулирования. На структурных схемах элементы изображают в виде прямоугольников, внутри которых обозначено каким-либо образом их название, Кроме того, на схеме обязательно должно быть показано направление распространения измерительной информации, т.е. обозначены входы и выходы структурных элементов. Часто приводят поясняющие надписи, временные зависимости сигналов в характерных точках и т.п.

На рис. 2.5 приведены структурные схемы средств измерений (измерительных приборов и преобразователей) прямого действия (рис. 2.5, а, в) и сравнения (рис. 2.5, б, г).Первые часто называют средствами измеренияпрямого преобразования, а вторые – средствами измерения уравновешивающего (или компенсационного) преобразования.

а)

б)

в)

г)

1 – чувствительный элемент, 2, 5, 6, 7 – преобразовательные элементы, 3 – измерительное устройство, 4 – показывающее устройство

Рис. 2.5. Структурные схемы средств измерений: а – измерительного прибора прямого действия, б – измерительного прибора сравнения, в – измерительного преобразователя прямого действия, г – измерительного преобразователя сравнения

Структурная схема измерительного прибора или преобразователя однозначно определяется используемым методом преобразования.

Измерительный прибор, основанный на методе прямого преобразования (рис. 2.5, а),работает следующим образом. Измеряемая величина Xпоступает в чувствительный элемент 1, где преобразуется в другую физическую величину, удобную для дальнейшего использования (например, ток, напряжение, давление, перемещение, сила), и поступает на промежуточный преобразовательный элемент 2, который обычно либо усиливает поступающий сигнал, либо преобразует его по форме (в частном случае элемент 2может отсутствовать). Выходной сигнал элемента 2поступает к измерительному устройству 3,перемещение элементов которого определяется с помощью показывающего устройства 4. Выходной сигнал (показание) воспринимается органами чувств человека, который считывает показание с показывающего устройства. В качестве указателя на показывающем устройстве может быть подвижная стрелка, луч света, перо самописца и др.

Показанием называют значение величины или число на показывающем устройстве средства измерения, выраженное в принятых единицах этой величины (на рис. 2.3 показание равно 65 В).

Здесь сигнал Z, возникающий на выходе чувствительного элемента 1, поступает на преобразовательный элемент 5, который способен осуществлять сравнение двух величин, поступающих на его вход. Кроме величины Z на выход элемента 5 подается с противоположным знаком величина Z_yp (уравновешивающий сигнал), которая формируется на выходе обратного преобразовательного элемента 6. На выходе элемента 5 формируется сигнал, пропорциональный разности значений величин Z и Z_yp. Этот сигнал поступает в промежуточный преобразовательный элемент 2, выходной сигнал которого поступает одновременно на измерительное устройство 3и на вход обратного преобразовательного элемента 6. В зависимости от типа промежуточного преобразовательного элемента 2при каждом значении измеряемого параметра и соответствующем ему значении Z разность Z – Z_yp, поступающая на вход элемента 5, может сводиться к нулю или иметь некоторое малое значение, пропорциональное измеряемой величине.

На рис. 2.5, в, гприведены структурные схемы измерительных преобразователей, основанных соответственно на методах прямого и уравновешивающего преобразования. В этих схемах отсутствуют измерительное и показывающее устройство, поскольку сигнал измерительных преобразователей имеет форму, недоступную для восприятия человеком. В то же время в составе измерительных преобразователей, как правило, имеется конечный 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.

Схемы средств измерений зачастую могут быть комбинированными, т.е. содержать цепь прямого преобразования, звенья которой охвачены отрицательной обратной связью. При этом принцип построения структурной схемы влияет на многие его параметры, динамические и другие характеристики средства измерения, которые, в свою очередь, определяют степень соответствия информации об измеряемой величине ее истинному значению.