Структурные схемы средств измерений прямого действия, сравнения, автоматического сравнения

Построение и изучение СИ невозможно без математических моделей (ММ), адекватно описывающих те или иные их свойства и характеристики. В метрологии используется моделирование измерительных сигналов и моделирование СИ.

Для построения ММ средств измерений необходимо знать, как устроены последние и каким образом происходит преобразование измерительных сигналов, т.е. нужно знать структуру СИ. Для сложных СИ, каковыми являются большинство современных приборов, анализ их составных частей и ММ является далеко не простой задачей. Для её оптимального решения, а также для упрощения анализа процессов, протекающих в СИ, введены понятия структурной схемы и измерительных цепи, канала и тракта.

Измерительная цепь – совокупность элементов СИ, образующих непрерывный путь прохождения измерительного сигнала от входа до выхода и обеспечивающих осуществление всех его преобразований.

Измерительный канал – это измерительная цепь, образованная последовательным соединением СИ и других технических устройств, предназначенная для измерения одной величины и имеющая нормированные метрологические характеристики.

Измерительный тракт – совокупность измерительных каналов, предназначенных для измерения определённой величины и имеющих одинаковые метрологические характеристики.

Структурная схема – условное обозначение измерительной цепи (канала или тракта) СИ с указанием преобразуемых величин. Эта схема определяет основные структурные блоки СИ, их назначение и взаимосвязи.

Cтруктурная схема СИ определяется методом преобразования измерительной информации, который может быть прямой или уравновешенный (компенсационный).

Принципиальная схема определяет полный состав элементов изделия и связи между ними. Она предназначена для изучения принципов работы изделия.

Основной предпосылкой, использованной при введении этих понятий, было обоснованное допущение о том, что каждое преобразование сигнала происходит в отдельном звене или блоке. Структурные схемы состоят из соединённых определённым образом структурных элементов (блоков), каждый из которых выполняет одну из ряда функций, связанных с измерением. Свойства структурных элементов или их совокупностей описываются с помощью соответствующих уравнений, известных из физики, электротехники, электроники и других технических наук. Основной характеристикой структурного элемента является его функция (уравнение) преобразования Y=f [X,K_j,Z_i] – уравнение, связывающее между собой входной Х и выходной Y сигналы элемента, его параметры K_j и в ряде случаев внешние влияющие величины Z_i. Функция преобразования структурного блока является его математической моделью. Её вид зависит от того, насколько полно элемент необходимо описать и какие его свойства являются для исследователя наиболее важными.

На структурных схемах элементы изображаются в виде прямоугольников, внутри которых написано или каким-то образом условно обозначено их название.

Кроме того, на схемах обязательно должно быть показано направление распространения измерительной информации, т.е. обозначены входы и выходы структурных элементов. Часто производят поясняющие надписи, временные зависимости сигналов в характерных точках, таблицы и пр.

Структурная схема СИ прямого действия

х у

1

1 – чувствительный элемент и первичный преобразователь;

2 – промежуточный преобразователь (преобразование в другую форму сигнала, усиление)4

3 – измерительный механизм;

4 – отчётное устройство.

Структурная схема СИ основана на методе уравновешенного или компенсационного преобразования. Отличительной особенностью таких СИ является наличие отрицательной обратной связи.

х z у

-z_ур

1 - чувствительный элемент и первичный преобразователь;

5 – блок сравнения (компенсационный);

2 - промежуточный преобразователь;

3 - измерительный механизм;

4 – отчётное устройство;

6 – обратный преобразовательный элемент (блок обратной связи).

Сигнал z, возникающий на выходе чувствительного элемента 1 поступает на преобразовательный элемент 5, который осуществляет сравнение двух величин сигнала z и -z_ур, который формируется на выходе обратного преобразователя 6. На выходе элемента 5 образуется сигнал пропорциональный разности z-z_ур, который поступает на промежуточный преобразователь 2, измерительный механизм 3, отчётное устройство 4 и на вход обратного преобразователя 6. В том случае если z-z_ур=0, на блок 6 сигнал не поступает и измеряемое значение на блоке 4 равно нулю.

Кроме описанной схемы измерения может быть и другой случай, когда измеряемый сигнал не сводится к нулю, а имеет малое значение, пропорциональное измеряемой величине.

В схемах прямого действия преобразование осуществляется в одном направлении от входа к выходу. Измеряемая величина х с помощью измерительного преобразователя преобразуется в какую-то другую величину, которая воздействует на измерительный механизм, вызывая его подвижные части к перемещению. Далее сигнал идёт на отчётное устройство, состоящее из шкалы и стрелки. Шкала оцифрована в единицах измеряемой величины, и поэтому оператор может непосредственно определить значение измеряемой величины.

Cхема сравнения

x z

-z₁

ПП – первичный преобразователь;

УС – устройство сравнения;

И – индикатор;

М – мера;

ОУ – отчётное устройство;

ОП – оператор.

В приборах, построенных по схеме сравнения идёт непосредственное сравнение измеряемой величины с величиной, значение которой известно. Сравнение проходит в блоке УС. Здесь сравнивается входная величина (измеряемая) с образцовой величиной, реализуемой регулируемой мерой.

Значение образцовой меры задаёт оператор до того момента, пока индикатор отключится. Работа индикатора свидетельствует о неполной компенсации измеряемого сигнала. При равенстве входного сигнала z и сигнала с меры z₁ индикатор не работает, оператор в это время снимает показания с отчётного устройства. Отчётное устройство может быть отградуировано в значениях измеряемой величины.

Схема автоматического сравнения a

ОУ

М

УУ

УС

ПП

х z

УУ – управляющее устройство.

Принцип действия прибора с такой схемой аналогичен схеме предыдущей, но мера работает не от оператора, а от управляющего устройства автоматически до момента, когда z-z₁=0.