Структурные схемы средств измерений

При создании измерительных систем используют различные схемы соединения измерительных преобразователей (функциональных блоков). Различают разомкнутые структуры, основанные на методе прямого преобразования сигналов, и замкнутые структуры (компенсационные), реализующие метод уравновешивающего преобразования.

Структуры разомкнутого типа:

1. Последовательной схемой соединения измерительных преобразователей называется такая, у которой входной величиной каждого последующего преобразователя служит выходная величина предыдущего.

Здесь …, Общая функция преобразования равна:

(2.4)

Из соотношений (2.2) и (2.4) несложно получить:

. (2.5)

Таким образом, при последовательном соединении преобразователей чувствительность измерительной системы в целом равна произведению чувствительностей входящих в него преобразователей (функциональных блоков).

2. Параллельная структура соединения измерительных преобразователей приведена на

рисунке:

Здесь . Очевидно, чувствительность этой измерительной системы равна: , (2.6)

где - чувствительность каждого измерительного преобразователя .

3. Параллельно-последовательная структура соединения измерительных преобразователей является комбинацией первых двух структур. В этой структуре органически сочетается параллельный принцип получения и последовательный способ преобразования измерительных сигналов. Для согласования частей измерительного тракта, работающих по этим принципам, применяются коммутаторы, связывающие между собой участки измерительных преобразователей, работающих в параллельном и последовательном режимах.

4. Дифференциальные схемы соединения преобразователей содержат два канала с последовательным соединением преобразователей, при этом выходные величины каждого из каналов подаются на входы вычитающего преобразователя. Оба канала дифференциальной схемы, представленной на рисунке, делаются одинаковыми и находятся в одинаковых рабочих условиях:

В дифференциальной схеме первого типа измеряемая величина воздействует на вход первого канала, а на вход второго подается постоянное значение физической величины той же природы, что и измеряемая: Если преобразователи 1 и 2 имеют линейную функцию преобразования: , , то выходная величина дифференциального преобразователя равна: . Таким образом, в дифференциальных схемах компенсируются аддитивные погрешности каналов 1 и 2.

В дифференциальной схеме второго типа измеряемая величина после некоторого преобразования воздействует на оба канала, причем на входе одного канала входная величина возрастает, а на входе другого – уменьшается: , . Здесь Очевидно, в случае линейных преобразователей: , и чувствительность дифференциального преобразователя в 2 раза больше чувствительности каждого из каналов. При этом увеличивается величина линейного участка рабочей характеристики преобразователя и компенсируются аддитивные погрешности каналов.

Структуры замкнутого типа (компенсационные):

Компенсационные схемы соединения измерительных преобразователей (схемы с обратной связью) позволяют компенсировать как аддитивную, так и мультипликативную погрешности измерений. Структурная схема компенсационного преобразователя приведена на рисунке и содержит два канала преобразования – прямой КПП и обратный КОП:

Входная величина подается на один из входов вычитающего преобразователя, на другой вход поступает формируемый каналом КОП сигнал обратной связи той же физической природы, что и входная величина. Разность поступает в канал прямого преобразования КПП. Если преобразователи КПП и КОП имеют линейные функции преобразования с чувствительностью соответственно и , то

(2.7)

а . (2.8)

Тогда зависимость между входной величиной и сигналом определяется соотношением:

. (2.9)

Из (2.9) следует (2.10)

Произведение часто достаточно велико, поэтому . Это соотношение имеет место и при нелинейных характеристиках преобразователей. Если , то в соответствии с (2.8) выходной сигнал определяется чувствительностью преобразователя КОП и мало зависит от характеристик преобразователя КПП.

Из соотношений (2.7) и (2.8) нетрудно получить чувствительность схем с обратной связью:

, (2.11)

что уменьшает мультипликативные погрешности, вызванные изменением .