Общие структурные схемы электрорадиоизмерительных приборов

Рассмотренные в § 1.1.2 основные методы измерений — метод прямого преобразования и сравнения — реализуются на практике с помощью измерительных приборов прямого преобразования и сравнения. Рассмотрим типовые структурные схемы таких приборов, реализуемые при проектировании.

Измерительным прибором прямого преобразования называется прибор, в котором предусмотрено одно или несколько преобразований сигнала измерительной информации в одном направлении (т. е. без применения обратной связи). Типовая структурная схема прибора прямого преобразования приведена на рис. 2.1.

Рис.2.1. Типовая структурная схема измерительного прибора прямого преобразования

Как видно из рис. 2.1, схема состоит из каскадного соединения измерительных преобразователей П1, П2, ..., Пn и измерительного устройства (ИУ), тип которого определяется принадлежностью прибора к той или иной классификационной группе (аналоговый или цифровой, показывающий или регистрирующий). Входной сигнал X последовательно преобразуется в первичном и промежуточных преобразователях в выходной сигнал Хn, воздействующий на ИУ.

Измерительным прибором сравнения называется прибор, предназначенный для непосредственного сравнения измеряемой величины с величиной, значение которой известно. Известная величина воспроизводится с помощью меры или набора мер. Кроме меры, обязательным узлом такого прибора является схема сравнения, где и осуществляется сравнение входного сигнала с сигналом, поступающим от меры (ХМ). Типовая структурная схема такого прибора представлена на рис. 2.2.

Рис.2.2. Типовая структурна схема измерительного прибора сравнения

В результате сравнения X и ХМ образуется разностный сигнал ΔХ, который по цепи прямого преобразования передается к ИУ. С помощью цепи обратного преобразования обеспечивается изменение ХМ и реализуется одна из модификаций метода сравнения. Например, при нулевом методе добиваются нулевых показаний ИУ (т. е. компенсируют X и ХМ), а при дифференциальном методе на ИУ воздействует выходной сигнал, определяемый АХ.

Реальные электро- и радиоизмерительные приборы могут иметь комбинированную структурную схему и объединять как приборы прямого преобразования, так и приборы сравнения. На рис. 2.3 приведен пример такой схемы.

Рис.2.3. Структурная схема комбинированного измерительного прибора.

Конкретные реализации типовых структурных схем будут рассматриваться в соответствующих главах учебника. Ограничимся поэтому общим сравнением характеристик измерительных приборов прямого преобразования и сравнения, которое можно сделать, анализируя схемы рис. 2.1 и 2.2.

Если для простоты принять, что все преобразователи в схемах на рис. 2.1 и 2.2 —линейные звенья, а измерения являются статическими, то для прибора прямого преобразования, как видно из рис. 2.1,

Xn=k1•k2•…•kn•X

где k1=X1/X, k2=X2/X1, ..., kn=Xn/Xn-i — коэффициенты преобразования П1, П2, ..., Пn.

Показание прибора:

α=SиуXn

где Sиу — чувствительность ИУ.

Таким образом, величина:

S= k1•k2•…•kn•SИУ=k•SИУ, (2.8)

будет в соответствии с выражением (2.6) чувствительностью прибора, определяемой значениями Sиу и результирующего коэффициента преобразования k.

Из (2.8) видно, что изменение коэффициента преобразования любого преобразователя приводит к изменению α. Таким образом, в приборах прямого преобразования происходит суммирование погрешностей, вносимых отдельными преобразователями, что затрудняет изготовление приборов с высокой точностью.

В приборах сравнения всегда образуется разностный сигнал ΔХ = Х-ХМ. При этом в приборах, реализующих нулевой метод, ΔХ = 0, а в приборах, реализующих дифференциальный метод, ΔХ≠ 0. В свою очередь:

Xm=βXn (2.9)

где β — результирующий коэффициент преобразования цепи обратного преобразования (см. рис. 2.2).

Если ΔХ = 0, то тогда ХМ = Х и, согласно (2.9),

Хn = Х/β, (2.10)

т. е.теперь Хn не зависит от коэффициентов преобразования цепи прямого преобразования, а чувствительность прибора по аналогии с (2.8)

S = Sиу/β. (2.11)

Если же ΔХ≠О, то тогда:

Хn= kΔX. (2.12)

Из (2.12) и (2.9) окончательно следует:

(2.13)

и

. (2.14)

Если kβ>1, то уравнение (2.13) переходит в (2.10), т. е. нестабильность k не влияет на работу прибора. Для получения высокой чувствительности, согласно (2.11) и (2.14), необходимо снижать β, а для выполнения kβ>1 —увеличивать k. Таким образом, всегда имеется принципиальная возможность создания приборов сравнения с высокой точностью и чувствительностью.