книги / Электрические измерения электрических и неэлектрических величин

ли, коммутаторы, линии связи), а также вспомогательные узлы и блоки (источники питания, блоки управления, средства регистрации и т. п.).

Как измерительные преобразователи, так и устройства сопряжения, входящие в состав сложного средства измерения, имеют свои метроло­ гические, конструктивные, эксплуатационные и другие характеристи­ ки. Задача сопряжения этих элементов заключается в выработке единых требований к сопрягаемым элементам, при выполнении которых обеспечивается их совместимость. В первую очередь должна обеспечи­ ваться так называемая информационная совместимость, под которой понимают свойство сопрягаемых средств, обеспечивающее согласован­ ность их входных и выходных сигналов, в частности их рабочих диапа­ зонов. Это достигается унификацией сигналов либо применением стан­ дартных вспомогательных согласующих устройств, включаемых между согласуемыми средствами измерения.

Необходимым условием обеспечения метрологической совмести­ мости является методологическая совместимость анализа, нормиро­ вания, синтеза, идентификации и прогнозирования погрешностей со-- прягаемых средств измерений, что достигается использованием единой математической модели погрешностей отдельных средств измерений, единого способа нормирования и представления одноименных характе­ ристик, а также единых критериев согласования метрологических характеристик.

Сопрягаемые средства измерений должны также удовлетворять требованиям энергетической совместимости (согласованность требова­ ний к параметрам источников, а также трассам энергопитания), конст­ руктивной совместимости (согласованность конструктивных парамет­ ров и механическая сопрягаемость), эксплуатационной (согласованность эксплуатационных характеристик в части устойчивости к воздействию внешних факторов) и надежностной (согласованность характеристик надежности) совместимостей.

4.2. Линеаризация функции преобразования

Первичные измерительные преобразователи, в частности преобра­ зователи неэлектрических величин в электрические выходные сигналы, имеют, как правило, нелинейную функцию преобразования. Поэтому при их сопряжении с электрическими измерительными приборами возникает необходимость линеаризации функции преобразования первичного преобразователя, т. е. получения линейной зависимости вы­ ходного сигнала от входной измеряемой величины. В отдельных случа­ ях достичь линейности функции преобразования можно конструктор­ ско-технологическими приемами, в частности использованием специаль­ ных материалов, применением соответствующей технологии изготовле­ ния или соответствующего конструктивного выполнения элементов преобразователя. Следует отметить, что эти способы далеко не всегда позволяют получить с достаточной степенью точности линейную функ­ цию преобразования. Поэтому во многих случаях приходится прибегать к другим способам линеаризации, например путем построения нерав­ номерных шкал в аналоговых приборах либо использованием алго­ ритмических, а также структурных методов.

Совокупность конструкторско-технологических, математических, структурных и других приемов, направленных на обеспечение с задан­ ной точностью линейной функции преобразования, называют линеари­ зацией функции преобразования.

Структурные методы линеаризации, сущность которых заключается в применении корректирующих устройств, соответствующим образом включенных в измерительную цепь, наиболее универсальны и относи­ тельно просты в реализации при одновременном обеспечении высокой степени приближения скорректированной функции преобразования к требуемой.

Поскольку линеаризация функции преобразования связана, как правило, с формированием в корректирующем устройстве сигналов, функционально связанных с измеряемой величиной, простейшая струк­ турная схема линеаризации может быть представлена в виде последо­ вательного или параллельного соединения первичного преобразова­ теля или другого средства измерения СИ, функцию преобразования которого необходимо линеаризировать, и корректирующего устройства КУ. При их последовательном соединении (рис. 4.1, а) общая функция преобразования

Так как функция преобразования скорректированного средства

функция преобразования корректирующего устройства будет иметь вид

т. е. обратна функции преобразования корректируемого средства измерения.

Если, например,

У1 = а1Х + ашХ*,

то, так как обратная функция X — / (7!) имеет вид-

V —а* + У а \+ 4а2Гх

2ав

функция преобразования корректирующего устройства

Результирующая погрешность б скорректированного средства из­ мерения в'первом приближении может быть оценена суммой относительних погрешностей корректируемого средства и корректирующего уст­ ройства:

б « беи + бкп,

где беи и бкп — погрешности корректируемого и корректирующего преобразователей.

Следовательно, при линеаризации по последовательной схеме к корректирующему устройству предъявляются высокие требования к точности. Выполнение этих требований зачастую связано с большими трудностями, тем более, что необходимо при этом обеспечить соответ­ ствующий вид функции преобразования корректирующего устройства.

Несмотря на упомянутые трудности последовательная схема ли­ неаризации получила широкое распространение особенно для линеари­ зации функции преобразования преобразователей неэлектрических величин в электрические выходные сигналы. В этом случае линеари­ зация может быть осуществлена с помощью электрического корректи­ рующего устройства без применения, как правило, сложного в конст­ руктивном отношении корректирующего преобразователя с неэлектри­ ческой входной величиной, как это необходимо в схемах линеаризации с параллельным включением корректирующего преобразователя.

При параллельном соединении корректирующего устройства по

а суммарная относительная погрешность скорректированного средства

0

Рис. 4.2. К последовательной коррекции динамических характеристик

Рис. 4.3. К параллельной коррекции динамических характеристик

коэффициентам преобразования, то условие идеальной коррекции за­ пишется в виде

Кк (/<■>) = | Кк(/©) | е'фк<“) = _ _ | _ е-Ф(И).

В тех случаях, когда фазовыми смещениями выходного сигнала не интересуются, идеальная коррекция может быть обеспечена при ус­ ловии, что произведение амплитудно-частотных характеристик коррек­ тируемого средства и корректирующего устройства будет равно постоян­ ной величине к. Как видно из графиков амплитудно-частотных харак­ теристик, приведенных на рис. 4.2, б, корректирующее устройство долж­ но ослаблять как раз те спектральные составляющие исследуемого сигнала, которые усиливает корректируемое средство измерения, и наоборот.

Что же касается физической реализуемости корректирующего пре­ образователя, то решение этого вопроса всегда связано с определенны­ ми трудностями. Дело в том, что реальное средство измерения в силу присущей ему инерционности не в состоянии преобразовать сигналы очень высоких частот, т. е. для него справедливо условие

Нш | К (/со) | -»-0.

Это условие выполняется, если для дробно-рационального выраже­ ния комплексного коэффициента преобразования

имеет место неравенство т<. п. В этом случае для коррекции динами­ ческих характеристик необходимо корректирующее устройство, для

которого

Л“|*«('“>|-жмг-*°°'

что физически неосуществимо.

Следует отметить, что на практике условие идеальной коррекции и не ставится. В большинстве случаев требуется расширить частотный диапазон средства измерения. В таких случаях в качестве реального КУ применяют устройство, комплексный коэффициент преобразова­

всегда можно ограничиться таким предельным значением постоянной времени скорректированного устройства Тр (здесь Т — постоян­ ная времени корректируемого устройства), при котором можно счи­ тать, что комплексный коэффициент преобразования Кк.Р (/<*>) сколь угодно точно совпадает с Кк (/©).

При параллельной коррекции передаточная функция корректи­ рующего преобразователя может быть определена из условия

*ном(5)“ К (5) + /Ск (*),

откуда

К к ( * ) = К н о м ( 5 ) - К ( 5 ) .

Если для скорректированного средства измерения должно обеспе­ чиваться /(яви (5) = к, ТО

/ск (5) = б - /е ( 5 ) .

Как видно из графиков амплитудно-частотных характеристик (рис. 4.3, б), корректирующее устройство усиливает те спектральные составляющие исследуемого сигнала, которые ослабляются корректи­

4.4. Согласование входных и выходных сопротивлений

Каждое сложное средство измерения состоит из отдельных соеди­ ненных друг с другом преобразователей. При этом каждый последую­ щий преобразователь будет служить нагрузкой для предыдущего и потреблять от него определенную мощность. Обеспечение наиболее эффективной передачи мощности от предыдущего преобразователя к последующему является одним из основных условий обеспечения максйнальной чувствительности средства измерения в целом, обеспечения Максимального отношения полезного сигнала к шуму, т. е. максималь­ ной помехоустойчивости, а следовательно, минимальных погрешностей

Бб

Этот коэффициент называют эффективностью преобразования>

я„(я?+х?)

г К № + Кн)2 + (Хс + х х ] Ъ

При сопряжении преобразователей с активными соответственно выходным и входным сопротивлениями

где а = /?„//?* — коэффициент согласования сопротивлений.

На практике наиболее часто встречаются случаи, когда сопротив­ ления сопрягаемых преобразователей близки к активным. Кривая максимума эффективности преобразования в том случае, как видно из графика рис. 4.5, имеет довольно пологий характер и условия согласования можно считать удовлетворительными при довольно зна­ чительных различиях этих сопротивлений вплоть до Я„ = 0,25...4/?(-. Такой же характер зависимости эффективности преобразования будет при сопряжении преобразователей, комплексные значения которых имеют одинаковый характер при <рн =» <р,-. Случаи чисто индуктивного

встречаются. Кроме того, таких случаев следует избегать, так как вблизи резонанса наблюдается резкая зависимость чувствительности от колебания частоты.

Следует, однако, отметить, что выполнение условий максимума чувствительности по мощности определяется выполнением не одного лишь условия максимальной передачи мощности. В зависимости от конкретных условий для достижения поставленной цели необходимо учитывать некоторые дополнительные условия. Например, достижение максимума чувствительности мостовой цепи по мощности (см. п. 14.4) путем выбора сопротивления гальванометра, равным сопротивлению моста относительно зажимов гальванометра, сопряжено с выполнением дополнительного условия, что все подбираемые гальванометры имеют одинаковую площадь поперечного сечения обмотки [29]. Совершенно иного решения требует задача обеспечения максимума чувствительно­ сти мостовой цепи по напряжению или по току [131.

Заметим, что выполнение условия согласования сопротивлений, при котором обеспечиваются наивысшая чувствительность и помехо­ защищенность, далеко не всегда может быть осуществлено. Дело в том, что при сопряжении измерительных устройств должны выполняться еще и другие условия, зачастую противоречащие условию согласования сопротивлений. Например, при измерении э. д. с. генераторного пре­ образователя с помощью вольтметра должно выполняться условие

Следовательно, в этом случае сопротивление вольтметра должно

Так как изменение тока короткого замыкания ПРП

дены на рис. 4.5. При бд да О максимальное значение эффективности преобразования, равное примерно 0,1, имеет место при а = 1/3, а при бд > 1 эффективность преобразования достигает максимума при а да да 1, но ее абсолютное значение сильно падает.

Эффективность преобразования при питании ПРП от источника тока (рис. 4.6, б) определяется как отношение изменения мощности на со­

мальное значение ^п/ увеличивается и смещается в сторону увеличения отношения

Как и при сопряжении генераторных преобразователей, условие согласования сопротивлений параметрического преобразователя и электрического измерительного устройства должно учитываться в со­ вокупности с другими условиями, например необходимостью обеспе­ чения незначительного влияния сопротивления линии, минимальной методической погрешности и т. п.

4.5.Помехи в измерительных цепях

ипомехозащита средств измерений

При работе средств измерений на их измерительные цепи оказы­ вают неизбежное влияние различные влияющие факторы, что приво­ дит в конечном счете к снижению точности результата измерения.