Способы формирования эталонных сигналов

Во многих приборах сигнал первичного преобразователя непосредственно или после усиления приводит в действие измерительный механизм (указатель, регистратор, запоминающее устройство) или подается в систему управления. Сигнал на выходе первичного преобразователя может иметь различную природу (механический, электрический и др.).

Сигнал на выходе ПП пропорционален измеряемой величине, и его нужно сравнивать с эталонным сигналом. В качестве эталонных используются специально сформированные сигналы или, как это делается в механических и электромеханических приборах, позиционные М_П, скоростные М_С, ускорительные М_УС моменты, т. е. моменты, пропорциональные положению, скорости и ускорению подвижной системы указателя. Эталонные сигналы могут быть созданы упругими (пружинами, мембранами), демпфирующими и инерционными элементами, а также сформированы с помощью обратной связи или функциональных устройств.

Рис. 3.5. Обобщенная функциональная схема прибора

На схеме прибора (рис. 3.5) сигнал х преобразуется в первичном преобразователе ПП в сигнал F_x, который сравнивается с эталонным сигналом , где создаются соответственно пружиной П, демпфером Д, инерционными силами подвижных элементов и устройством обратной связи (преобразователь Пр, усилитель Ус и моментный двигатель МД). Выходным сигналом прибора является угол φ отклонения стрелки.

Из структуры выражения видно, что любой из моментов может быть заменен моментом обратной связи, имеющим ту же зависимость от . Так, например, если , то он может заменить М_П, и тогда получаем прибор с электрической пружиной. Если , то он заменяет момент М_с, и прибор имеет электрический демпфер и т. д.

Уравнение движения прибора представим в виде

(3.13)

Для движущего и эталонных моментов можно написать

(3.14)

где — коэффициенты движущего, позиционного, скоростного и инерционного моментов; — оператор, формируемый в контуре обратной связи.

Подставляя (3.14) в (3.13), получим

(3.15)

На рис. 3.6 представлена структурная схема, эквивалентная уравнению (3.15). Звено с бесконечно большим коэффициентом усиления соответствует точному выполнению условия компенсации F_x = F_y.

Рис. 3.6. Структурная схема прибора

В соответствии с уравнением (3.15) передаточная функция W(р) и чувствительность S прибора будут

(3.16)

Рассмотрим частные случаи. В электромеханическом приборе без обратной связи (k(p)=0) получаем

(3.17)

где — чувствительность прибора; — собственная частота; — относительное затухание.

Система, имеющая передаточную функцию вида (3.17), называется колебательным звеном, параметрами которого являются

Если в выражении (3.17) k_П = 0 (отсутствие пружины), то прибор становится интегрирующим

(3.18)

где — чувствительность; — постоянная времени.

Выражение (3.18) получено в предположении, что выходом прибора является угол φ. Если в качестве выходного сигнала взять угловую скорость φ, то передаточная функция примет вид

(3.19)

Система, имеющая передаточную функцию вида (3.19), называется инерционным звеном.

При отсутствии в приборе пружины и демпфера (k_П = k_С = 0) получаем дважды интегрирующий прибор

(3.20)

где .

Оператор k(p) можно сформировать в различном виде. Если k(p)=k₀, то, как следует из выражения (3.16), коэффициенты k₀и k_П равнозначны. Поэтому, как отмечено выше, можно считать k_П=0и получить требуемый позиционный сигнал за счет обратной связи, которая в этом случае выполняет роль электрической пружины. Если взять k(p)=k₀ + kp, то можно обойтись в приборе без пружины и без механического демпфера.

Преимущество приборов с электрическими пружиной и демпфером состоит в том, что обеспечивается высокая стабильность параметров прибора и упрощается его настройка и регулировка. Возможности приборов с электрической обратной связью этим не исчерпываются. Если в цепь обратной связи включить корректирующий контур, то можно получить требуемую частотную характеристику прибора. Можно, например, скорректировать динамические погрешности в заданном диапазоне частот. Если в приборе необходимо реализовать зависимость φ = F(x), то в цепь обратной связи следует включить функциональный элемент , где f — функция, обратная требуемой функции F_x.

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ЦЕПИ ПРЯМОГО ПРЕОБРАЗОВАНИЯ

Измерительные цепи прямого преобразования состоят из преобразователей, соединенных последовательно или параллельно согласно (см. рис. 3.4, а, б).

Приборы с этими цепями просты, надежны, имеют малые массу, габаритные размеры и стоимость, обладают хорошим быстродействием. Однако погрешности их велики. Основной путь снижения погрешностей цепей прямого преобразования — снижение погрешностей каждого преобразователя, что сложно, дорого и трудоемко. Цепи прямого преобразования применяются с генераторными, параметрическими ирадиационными первичными преобразователями.

При построении измерительных цепей используются: 1) принцип согласования сопротивлений, при котором обеспечивается передача максимальной мощности от предыдущего преобразователя к последующему; 2) принцип холостого хода, когда входное сопротивление последующего преобразователя значительно больше выходного сопротивления предыдущего преобразователя, при этом обеспечиваются минимальные потери информации.

Оба эти принципа находят применение в приборостроении. В последнее время при создании точных приборов второй принцип находит преимущественное распространение.