Автоматические измерительные приборы

Высокую точность измерений обеспечивают автоматические измерительные приборы (АИП). В них измеряемая величина непосредственно или косвенно сравнивается с мерой, которая хранится в приборе или воспроизводится в нем с помощью отрицательной обратной связи. Это сравнение происходит автоматически, т. е. без участия человека.

Различают АИП с астатическим и статическим уравновешиванием. Отличие этих приборов определяется значением сигнала рассогласования в установившемся статическом режиме измерений. Для астатических АИП этот сигнал равен нулю, для статических — отличен от нуля. Различают также приборы компенсационного и следящего уравновешивающего преобразования. В них отличительным признаком является глубина охвата звеньев прибора отрицательной обратной связью.

На рис. 2.15, а показана схема прибора с астатическим уравновешиванием. В нем обратная связь заводится на мостовую схему.

Рис. 2.15. Автоматический измерительный прибор:

а — астатического уравновешивания; б — статического уравновешивания Мост содержит омический ИПр R_v два резистора R₀ и потенциометр П, сопротивление R_s которого зависит от перемещения s его щетки. При изменении сопротивления ИПр нарушается равновесное состояние моста и в его измерительной диагонали появляется напряжение ДС/, зависящее от степени разбаланса. Будучи усиленным, это напряжение поступает в управляющую обмотку двигателя Д, вал которого связан с отсчетным устройством О У и с щеткой реохорда (с помощью кинематической передачи КП). При вращении вала изменяется сопротивление потенциометра R_s, что приводит к восстановлению состояния равновесия моста. Соответствующее показание прибора х считывается со шкалы ОУ.

На рис. 2.15, б показана схема аналогичного прибора со статическим уравновешиванием. Он отличается тем, что вместо двигателя Д в нем используется магнитоэлектрический преобразователь МЭИ. При протекании по обмотке этого преобразователя тока I якорь МЭП, выполненный из постоянного магнита, втягивается внутрь обмотки, перемещая щетку потенциометра П.

Приборы, показанные на рис. 2.15, можно использовать для измерения температуры контролируемой среды. В этом случае роль омического ИПр R_x выполняет терморезистор (аналогичный рассмотренному в параграфе 3.3, см. рис. 3.3, а). Если используется емкостный или индуктивный ИПр, то мост должен питаться от источника переменного напряжения. Аналогичные схемы и принцип действия имеют различные ИУ с обратной связью: маятниковые акселерометры, гироскопические датчики, пневматические системы передачи информации, токовые весы, буйковые уровнемеры и пр.

На рис. 2.16, а показана обобщенная функциональная схема таких ИУ.

Рис. 2.16. Схемы прибора:

а — обобщенная функциональная; б — линеаризованная структурная б.

На этом рисунке ИЭ — исполнительный элемент, роль которого в приборах с астатическим уравновешиванием выполняет двигатель Д, а в приборах со статическим уравновешиванием — МЭП. На рис. 2.16, б показана линеаризованная структурная схема приборов. Ее можно использовать для оценки работы приборов в динамическом режиме измерений, когда измеряемая величина х изменяется во времени.

Определим статическую характеристику АИП, полагая, что статические характеристики всех его звеньев, кроме характеристики моста, линейные, т. е.

где R₀ — начальное сопротивление ИПр; s — перемещение щетки реохорда; a_x, a_s — коэффициенты относительной чувствительности; k_y — коэффициент усиления усилителя; k_oy — коэффициент передачи отсчетного устройства; &мэп ^— коэффициент передачи МЭП; к_ш — коэффициент передачи преобразователя КП.

Для прибора с астатическим уравновешиванием в установившемся состоянии имеет место равенство AU = 0. С учетом формул (2.50) получим.

где К = OL_xk_oy/a_sk_KU — постоянный коэффициент, зависящий от параметров прибора. При выборе этих параметров нужно добиваться условия К = 1.

Статическая характеристика прибора со статическим уравновешиванием определяется решением системы уравнений (2.50), которые нужно дополнить характеристикой мостовой схемы включения (см. (2.17), (2.19)),.

где U_n — напряжение питания моста; R_H — сопротивление нагрузки (входное сопротивление усилителя). В результате уравнение, связывающее показание прибора х со значением измеряемой величины х, приводится к виду.

где о, b, c, d — постоянные коэффициенты, зависящие от параметров прибора,

а = R_H / Rq — относительное сопротивление нагрузки. Отсюда следует.

При оптимальных значениях параметров прибора максимальное отклонение кривой (2.54) от желаемой характеристики прибора х = х оказывается минимальным [30].

Покажем отличия динамических характеристик рассматриваемых приборов. Для этого воспользуемся структурной схемой АИП, показанной на рис. 2.16, 6. На этом рисунке используются следующие обозначения: А_х = (Х_х, A_s = a_s, k_CB =U_no / 4(1 +a) — постоянные коэффициенты; W_li3(p) — передаточная функция исполнительного элемента. Если в качестве этого элемента используется двигатель, то.

где Г_д — постоянная времени двигателя; к_л — коэффициент передачи по скорости. Если исполнительным элементом является МЭП, то.

где Г_мэп — постоянная времени МЭП; ^_мэп ^— относительный коэффициент демпфирования подвижной системы МЭП; к_мэи — коэффициент передачи (чувствительность) МЭП. В обоих случаях общая передаточная функция АИП имеет вид передаточной функции типового квазистатического ИУ второго порядка (см. приложение 2).

где К — коэффициент чувствительности прибора; ?, Г = 1/со₀ ^— относительный коэффициент демпфирования и постоянная времени прибора; со₀ — собственная частота.

Для прибора с астатическим уравновешиванием в формуле (2.57) нужно принять.

Для прибора со статическим уравновешиванием.

При проектировании приборов следует добиваться выполнения усло.

вии где? = ?_ж и Т = Т_Ж — желаемые значения параметров, которые определяются исходя из требований, предъявляемых к динамическим характеристикам прибора (см. табл. 6.1). Зная их и используя формулы (2.58) и (2.59), можно выбор параметров прибора подчинить выполнению требований к показателям динамической точности. В подпараграфе 6.3.1 показан пример такого расчета (см. пример 6.5).

Если желаемые значения коэффициентов передаточной функции прибора подобрать невозможно, то выполнение требований к динамическим характеристикам достигается введением в схему прибора специального корректирующего звена (см. подпараграф 6.3.2).

Рассмотренные приборы относятся к АИ11 компенсационного уравновешивающего преобразования. Более совершенные метрологические характеристики имеют астатические приборы следящего преобразования. В них отрицательной обратной связью охватывают все элементы прибора. Благодаря этому приборы следящего преобразования имеют высокую точность. Однако они, как правило, имеют более сложную конструкцию. Кроме того, их можно использовать для измерения ограниченного числа физических величин, допускающих непосредственное сравнение: перемещения, силы, тока, напряжения и др.