Измерение неэлектрических величин.

Приборы для измерения неэлектрических величин или отдельных их преобразований в рабочих условиях подвергаются воздействию различных дестабилизирующих факторов, снижающих их точность (). Поэтому такие приборы строятся структурно, таким образом, чтобы частные погрешности отдельных преобразований взаимно компенсировались. Структурный метод позволяет построить “хороший” прибор, используя “плохие” преобразователи.

Возможны следующие схемы взаимных преобразователей:

1. Последовательное включение преобразователей

2. Дифференциальное включение преобразователей

3. Логометрическое включение преобразователей

4. Компенсационное включение преобразователей

Рассмотрим последовательное соединение преобразователей, где входной величиной каждого последующего преобразователя служит выходная величина предыдущего на примере термоанемометра (прибор для измерения скорости газов).

Схема датчика:

1 – платиновая проволока с сопротивлением R

2 – манганиновые стержни

3 – держатель

4 – провода включения

 

 

Электрическая схема датчика:

- линии связи, сопротивление проводов.

Проволока с сопротивлением R нагревается током I, идущим от источника E, который вызывает отклонение стрелки измерительного механизма.

 

 

В этом термоотклонении можно выделить следующие преобразования, включенные последовательно:

 

 

1 – нагретая проволока преобразует скорость газов в изменение температуры

2 – та же проволока, выполняя функцию термометра сопротивления и преобразует в

3 – электрическая цепь преобразует в

4 – измерительный механизм, преобразует в (угол поворота измерительной стрелки)

 

Определим функцию преобразования данного прибора:

 

1. Зависимость температуры провода от скорости воздушного потока обозначим

2. Функция преобразования второго преобразователя – зависимость R от t и выражается уравнением:

3. Функция преобразования третьего преобразователя – зависимость тока в цепи от суммарного R:

4. Зависимость отклонения стрелки измерительного механизма от проходящего тока:

, - чувствительность этого механизма.

 

Функция преобразования прибора получается путем последовательной подстановки функций преобразования элементарных преобразований. 3,2,1 в 4:

 

Это выражение определяет зависимость отклонения стрелки измерительного механизма от измеряемой скорости воздушного потока и показывает влияние конструктивных параметров: на функцию преобразования. Из-за того что погрешности при последовательном включении велики, чувствительность к дестабилизирующим факторам высока, то кроме простоты других достоинств схема не имеет.

Дифференциальное включение измерительных преобразователей – это такие схемы, где содержаться 2 канала с последовательным преобразованием, выходы которых подаются на 2 входа вычитающего устройства.

 

Дифференциальные схемы бывают двух типов: в схемах первого типа измеряемая величина воздействует на вход одного канала, а на вход другого канала воздействует физическая величина той же природы, но имеющая постоянное значение, в частности ноль. В этом случае канал служит для компенсации погрешностей вызванных изменением условий работы прибора. В схемах второго типа измеряемая величина после некоторых преобразований воздействует на оба канала, но так, что когда на входе одного она возрастает, то на входе другого она уменьшается.

 

Рассмотрим свойства дифференциальной схемы для случая, когда . Пусть первый и второй преобразователи имеют линейные функции преобразования:

(*)

Для дифференциальной схемы первого типа, когда , , (чувствительность одного канала).

Для дифференциальной схемы второго типа: ; ; (**)

Из (*) с учетом (**) функция дифференциального включения имеет вид: , (т. е. в два раза повышается чувствительность одного канала)

 

Рассмотрим погрешность дифференциальных схем

Пусть первый и второй преобразователи имеют аддитивные погрешности:

Погрешности обоих каналов можно считать равными, поскольку каналы одинаковы, и находятся в одинаковых условиях. При этом выходная величина , т.е. аддитивная погрешность сократится.

 

Достоинством дифференциальных схем второго типа является то, что линейность функции преобразования схемы при малых значениях лучше, чем линейность исходных преобразований.

 

Пусть для каналов функции преобразования имеют вид:

Раскладывая и в степенной ряд в окрестности получим:

Таким образом получаем линейную функцию преобразования

 

 

Логометрические схемы

 

Эти схемы содержат два канала с последовательным соединением преобразователей, выходная величина которых подается на логометрический преобразователь, имеющий два входа, выходная величина которого является функцией частного от деления входных величин. Оба канала такой схемы, как и дифференциальной выполняются одинаковыми, находятся в одних и тех же условиях и в общем случае когда ; , то

То есть выходная величина не зависит от чувствительности каналов последовательного преобразования. Таким образом компенсируется мультипликативная погрешность.

 

Компенсационные схемы – с использованием обратной связи; при наличии обратных преобразований; в приборах с силовой компенсацией.