Ссылка на файл: >>>>>> http://file-portal.ru/Динамические характеристики измерительных преобразователей/
Чередов А.И., Щелканов А.В. Первичные измерительные преобразователи - файл n1.docx
Основные метрологические характеристики измерительных преобразователей. Методы их оценки
Динамические характеристики измерительных преобразователей. Переходная характеристика
Внедрение механизации и комплексной автоматизации в про- изводство требует быстрого и точного контроля технологических процессов, что связано с измерением и контролем самых разно- образных параметров физических величин. Особенно большое число различных неэлектрических величин требуется измерять и контролировать в металлургической, химической и текстильной промышленностях. Развитие измерительной техники показало, что среди разнообразных методов измерения неэлектрических величин наибольшими преимуществами обладают электрические методы, которые обеспечивают:. Для измерения любой неэлектрической величины Х темпера- туры, давления, расхода жидкости, скорости, перемещения, уско- рения, деформации, вибрации и т. Далее сигнал Y пре- образуется цепью измерительных преобразователей прибора, где он претерпевает ряд изменений по уровню и спектру и пре- образуется из одного вида энергии в другой. Таким образом, прибор для измерения неэлектрических величин в общем можно представить в виде цепи измерительных преобразователей, по- следовательно преобразующих измеряемую величину Х в ряд других величин и в конечном счете — в число код , определяю- щее значение измеряемой величины в определенных единицах измерения. Измерительный преобразователь — техническое средство с нормативными метрологическими характеристиками, служащее для преобразования измеряемой величины в другую величину, или измерительный сигнал, удобный для обработки, хранения, дальнейших преобразований, индикации или передачи. Учиты- вая, что объект измерения, как правило, сложный процесс, харак- теризующийся множеством различных параметров, будем счи- тать информативным параметром входного сигнала непосред- ственно меряемую величину или величину, функционально свя- занную с измеряемой величиной. Неинформативный параметр не связан функционально с измеряемой величиной, но влияет на метрологические характеристики преобразователя. Параметры, характеризующие условия, в которых работает преобразователь, и влияющие на его функцию преобразования, называют влияющими величинами. Зависимость изменения мет- рологических характеристик преобразователя от изменения вли- яющей величины или неинформативного параметра входного сигнала в пределах рабочих условий эксплуатации называется функцией влияния. Функция влияния может быть нормирована в виде формулы, графика или таблицы. Связь, выражающая зависимость информативного параметра выходного сигнала от постоянного во времени информативного параметра входного сигнала, называет- ся статической характеристикой функцией преобразования. Ее можно описать аналитическим выражением или графиком. Динамические характеристики преобразователей представля- ют собой зависимость информативного параметра выходного сиг- нала от меняющихся во времени параметров входного сигнала. Динамические инерционные свой- ства преобразователей характеризуют такими понятиями, как скорость преобразования и время преобразования. Скорость пре- образования измерения определяется числом преобразований измерений в единицу времени, выполняемых с нормированной погрешностью. Время преобразования измерения определяется временем, прошедшим с начала преобразования измерения до получения результата с нормированной погрешностью. Чувствительностью преобразователя называют отношение изменения выходной величины информа- тивного параметра к вызывающему его изменению входной ве- личины информативного параметра входного сигнала. Абсолютные, относительные и приведенные погрешности преобразователя определяются по входу и выходу, поскольку входная и выходная величины могут иметь разную физическую природу, а также часто отсутствует измерительный преобразователь, по которому можно было бы поверить рабочий преобразователь. Смысл определения погрешностей по входу и выходу поясняется на рис. Разность значений реальной и. Погрешность создается самим преобразователем, поэтому це- лесообразно знать значение входного сигнала, соответствующего погрешности преобразователя. Абсолютной погрешностью пре- образователя по входу называется разность:. Погрешности преобразования зависят как от свойств самого преобразователя, так и от условий, в которых он работает темпе- ратуры и влажности окружающей среды, наличия внешних элек- трических и магнитных полей и т. При нормировании точно- сти измерительных преобразователей обычно указывают область допустимых значений погрешностей преобразования, реализуе- мого преобразователем при нормальных условиях основная по- грешность , и допустимые изменения функции преобразования при определенных изменениях влияющих величин. На практике часто используются преобразователи с линейной функцией преобразования, не проходящей через начало коорди- нат рис. Отклонение такой реальной функции от номинальной вызвано отклонением Y 0и отклонением чувствительности S. Погреш- ность, обусловленная неноминальным значением выходной вели- чины при нулевом значении входной, называется аддитивной: Очевидно, что при изменении Y 0график функции преобразо- вания перемещается параллельно самому себе, то есть аддитивная погрешность не зависит от входной величины. Погрешность, обусловленная неноминальным значением чув- ствительности S , называется мультипликативной. Погрешность чувствительности, представляющая собой мультипликативную составляющую основной погрешности, приводит к изменению угла наклона реальной характеристики преобразователя относи-. Абсолютная мультипликативная погреш- ность чувствительности преобразователя в этом случае. Схемы включения преобразователей для получения электри- ческой величины во многом определяют метрологические свой- ства самих приборов для измерения неэлектрических величин. Приборы для измерения неэлектрических величин можно разде- лить на приборы прямого и компенсационного преобразования. В приборах, использующих метод прямого преобразования рис. Эти приборы достаточно просты, надежны, но они имеют невысокие метрологические характеристики. ИЦ Эi Ус Эi. В измерительном преобразователе Пр происходит преобразо- вание измеряемой неэлектрической величины Х в электрическую Э. Эта величина в общем случае может быть преобразована в из- мерительной цепи ИЦ еще несколько раз. Чувствительность прибора, состоящего из ряда последова- тельно соединенных преобразователей, имеющих линейную функцию преобразования, определяется следующим образом:. Следовательно, для увеличения чувствительности прибора в целом нужно стремиться к увеличению чувствительности от- дельных звеньев схемы. Однако одновременно с этим увеличива- ется чувствительность прибора к внешним дополнительным фак- торам колебанию питающего напряжения, частоты, изменению температуры внешней окружающей среды и т. Эти погреш- ности будут тем больше, чем меньше различие чувствительности к дополнительным факторам и чувствительности к измеряемой величине. Чтобы чувствительность всего прибора была постоян-. При этом следует учитывать, что чувствительность каждого преобразователя постоянна только на определенном участке характеристики, которая ограничивается, с одной сторо- ны, пределом преобразования, а с другой — порогом чувствитель- ности. Предел преобразования преобразователя — это максимальное значение входной величины, которая еще может быть воспринята преобразователем без искажения этой величины и без поврежде- ний преобразователя. Порог чувствительности преобразователя — это минималь- ное изменение значения входной величины, которое можно обна- ружить с помощью данного преобразователя. Абсолютная погрешность для прибора с последовательным соединением преобразователей равна алгебраической сумме пе- ресчитанных к выходу погрешностей всех входящих в него пре- образователей. Приведенная погрешность для такого прибора будет равна сумме приведенных погрешностей составляющих. Использование в приборах дифференциальной схемы включе- ния преобразователей рис. Основу таких схем составляет вычитающий преобразователь — преобразователь с двумя входами, выходная величина которого представляет собой нечетную функцию разности двух входных одноименных сигна- лов. ИЦ Э3 Ус Э3. В этом случае имеются два самостоятельных, как правило, оди- наковых канала последовательно включенных преобразователей, находящихся в одинаковых рабочих условиях, в один из которых включен рабочий преобразователь Пр1а во второй — нерабочий пре- образователь Пр2. Неэлектрические величины Х1 и Х2 поступающие на вход преобразователей Пр1и Пр2, преобразуются в электрические сигналы Э1 и Э2и поступают на вычитающий преобразователь Пр3. Рассмотрим в общем виде свойства дифференциальной схемы, считая для простоты, что преобразователи Пр1и Пр2имеют ли- нейную функцию преобразования вида:. Второй канал в этом случае используется для компенсации погрешностей, связанных с возможными изменени- ями условий эксплуатации прибора. Пусть предварительно преобразованная измеряемая вели- чина Х воздействует на оба канала одновременно, но в противо- фазе,. Рассмотрим погрешность дифференциального преобразовате- ля. Пусть преобразователи Пр1 и Пр2имеют аддитивные погреш- ности. В этом случае можно записать. Из выражения для функции преобразования дифференциального преобразователя 3. Мультипликативная погрешность, зависящая от уровня вход- ного сигнала Х , тем меньше, чем меньше измеряемая величина и чем выше и стабильнее линейность функции преобразования. Линейность функции преобразования дифференциальной схе- мы второго типа достаточно высокая и при малых Х лучше, чем линейность функции преобразования преобразователей Пр1и Пр2. В приборах, ис- пользующих метод компенсационного преобразования с приме- нением отрицательной обратной связи , удается значительно уменьшить как аддитивную, так и мультипликативную погреш- ность. Применение обратной связи позволяет создать приборы, обладающие малой статической и динамической погрешностями, имеющие большую выходную мощность. Структурная схема такого прибора с компенсацией электри- ческой величины на выходе преобразователя представлена на рис. Входная неэлектрическая величина Х после ее преобразова- ния поступает в виде электрического сигнала Ux на один из вхо- дов вычитающего преобразователя, на другой вход которого подается напряжение Uk , получаемое на выходе от компенсаци- онной цепи КЦ. Мерой измеряемой неэлектрической вели- чины является величина Yвых, воздействующая на компенсацион- ную цепь КЦ. Измеритель ОУ в данном случае является механи- ческим устройством, например реохордом, включенным в цепь моста или компенсатора. В этом случае общая погрешность из- мерения складывается только из погрешностей измерительного преобразователя Пр, измерительной и компенсационной цепей. Исключение погрешностей этих узлов может быть достигнуто в компенсационных приборах с компенсацией измеряемой неэлек- трической величины рис. Здесь обратный преобразователь ОП преобразует выходную электрическую величину Y в неэлектрическую Хк, однородную с измеряемой величиной X. В результате этого на из- меритель ОУ и обратный преобразователь подается такая элек- трическая величина Y , которая, будучи преобразована в неэлек- трическую величину Хк, компенсирует измеряемую величину X. Общая погрешность измерения складывается только из погреш- ностей измерителя ОУ и обратного преобразователя ОП. Следо- вательно, по сравнению с предыдущим случаем здесь вместо по- грешности прямого преобразователя появляется погрешность об- ратного преобразователя. Реальный выигрыш в точности при пе- реходе от схемы на рис. В приборах с обратной связью роль преобразователя обратной свя- зи выполняют простые устройства, обладающие высокой точно- стью, при этом высокую точность имеет и прибор в целом. Большинство современных измерений неэлектрических вели- чин электрическими методами не требует допустимой погрешно- сти, меньшей 0, Но зато требуются более простые устройства с достаточно быстрым отсчетом измеряемой величи- ны непосредственно по шкале измерительного устройства. В практике измерения неэлектрических величин часто применяют- ся мостовые и компенсационные схемы. Включение преобразователей в мостовые схемы. В зави- симости от требований к чувствительности мостовой схемы и к линейности функции преобразования можно различить три способа включения преобразователей в мостовую схему рис. Такое включение применяют, если хотят увеличить чувствительность схемы. Действительно, как известно, отклонение стрелки гальва- нометра пропорционально разности R1R4-R2R 3. Если сопротивле- ния R1 и R4 увеличатся или уменьшатся на одну и ту же величи- ну, то чувствительность схемы возрастет вдвое по сравнению со схемой с одним рабочим преобразователем. При таком включении преобразователей для компенсации температурной погрешности требуется включение в остальные два плеча нерабочих преобразователей, аналогичных R1 и R4. Способы включения преобразователей в мостовую схему: Это преоб- разователи дифференциального типа. Два сопротивления актив- ных, реактивных или полных под действием неэлектрической величины изменяются с противоположными знаками. Тогда ток в гальванометре будет пропорционален разности:. В этом случае чувствительность схемы по сравнению со слу- чаем включения преобразователя в одно плечо увеличится в два раза. Одновременно достигается и температурная компенсация. Таким образом, для достижения наибольшей чувствительно- сти мостовой схемы в сочетании с наименьшей нелинейностью функции преобразования нужно пользоваться схемой с диффе- ренциальным преобразователем. Все случаи, рассмотренные выше, могут быть отнесены к мо- стам как постоянного, так и переменного тока, с той лишь разни- цей, что в мостах переменного тока вместо активного сопротив- ления R вводится комплексное сопротивление Z , а при баланси- ровке моста необходимо компенсировать еще и фазовые сдвиги между током и напряжением в плечах моста. Выбор оптимальных параметров мостовых схем. Известно, что если мостовая цепь работает на указатель конечного сопро- тивления, то для получения наибольшей чувствительности необ- ходимо согласовывать сопротивление указателя с выходным со- противлением моста. В практике измерения не- электрических величин часто применяются симметричные мо- стовые схемы см. Имеются два вида симметрии мо- стовых схем:. Однако при выполнении этого условия источник тока, пита- ющий мост, должен обладать бесконечной мощностью. Если же мощность источника ограничена, то с точки зрения наилучшего использования источника тока то есть получение максимального КПД наиболее выгоден равноплечий мост:. Применение симметричных схем дает также возможность из- бавиться от температурной погрешности преобразователя, так как соседнее с преобразователем плечо R2 или R3 выполняется идентично. Это свойство, правда, не относится к преобразователям, удаленным от измерительной схемы, и к термометрам сопротивлений. Компенсационные схемы постоянного и переменного то- ков. Для измерения неэлектрических величин кроме мостовых схем большое распространение получили также компенсацион- ные схемы постоянного и переменного токов. Компенсационные схемы, не имеющие потребления и обладающие высокой чув- ствительностью, применяются для измерения малых ЭДС, разви- ваемых преобразователями, например термопарами. Используе- мые на практике самоуравновешивающиеся компенсаторы отли- чаются от компенсаторов с ручным управлением только тем, что часть рабочей цепи выполнена в виде реохорда, по которому скользит движок, управляемый реверсивным электродвигателем, который начинает вращаться при разбалансировке компенсаци- онной схемы. Индикаторы приборов для измерения неэлектрических вели- чин могут быть подразделены на две группы: Для равновесных мостов и компен- саторов постоянного тока в качестве индикаторов применяются магнитоэлектрические гальванометры. В качестве индикаторов для равновесных мостов переменного тока служат вибрационные гальванометры, электронные прибо- ры, телефоны, различные устройства с выпрямителями. При выборе индикатора для неравновесных мостов руковод- ствуются теми же требованиями, что и для равновесных. Кроме того, здесь необходимо учитывать точность указателя, так как его погрешность в неравновесных мостах целиком входит в погреш- ность измерения. Для неравновесных мостов постоянного и пе- ременного тока могут служить показывающие приборы соответ- ственно постоянного и переменного тока всех систем. При регистрации особо быстрых процессов удары, взрывы и т. Такие приборы регистрируют процессы с часто- тами до кГц и выше. При выборе преобразователей для измерения переменных во времени величин давления, ускорения и т. Внешняя переменная сила F t действует на массу m связан- ную с неподвижным телом А упругим элементом например, пружиной W. Если к массе m приложена пе- ременная сила F t , то при ее действии амплитуда колебаний мас- сы m оказывается больше по сравнению с амплитудой перемеще- ния ее при единичном воздействии силы. Амплитудная погрешность вынужденных колебаний — откло- нение наибольшей амплитуды колебаний в динамическом режи- ме вынужденные колебания к амплитуде перемещения подвиж- ной части при единичном воздействии силы:. По графикам на рис. Фазовая погрешность выражается в запаздывании вынужденных колебаний подвижной части от ко- лебаний измеряемой величины рис. Фазовая погрешность может быть вычислена по формуле. Таким образом, при измерении переменных во времени ме- ханических величин во избежание больших амплитудных и фазовых погрешностей важно так подобрать параметры преоб-. Основная погреш- ность прибора, состоящего из цепи измерительных преобразова- телей, складывается главным образом из двух составляющих:. Каждое из звеньев вносит свою долю в результирующую ос- новную погрешность прибора, причем при прямом преобразова- нии все звенья равноправны в отношении степени влияния на общую погрешность. Поэтому всегда стремятся к уменьшению числа звеньев цепи преобразования. Точность измерения неэлектрической величины зависит также и от ряда дополнительных факторов, которые необходимо учи- тывать. К ним относятся изменения величины напряжения, ча- стоты и формы кривой напряжения питания, изменение окружа- ющей температуры, влажности и вибрации. Влияние дополнительных погрешностей можно оценить чув- ствительностью каждого звена к тому или иному влияющему фактору, то есть отношением изменения выходной величины преоб- разователя данного звена к изменению дополнительного фактора относительно его значения при градуировке. Дополнительные факторы вызывают дополнительную состав- ляющую погрешности нуля и чувствительности прибора. В усилителях изменение питающего напряжения также вызывает некоторое изменение чувствитель- ности. При изменении температуры изменяются жесткость упругих элементов, индукция постоянных магнитов, магнитные свойства ферромагнитных материалов. Кроме того, погрешность нуля и чувствительности прибора может быть вызвана изменением во времени параметров отдельных элементов схемы, шумами в эле- ментах схемы, наводками промышленной частоты и т. Для уменьшения дополнительных погрешностей прибегают к стабилизации напряжения и частоты источников питания, к раз- ным приемам коррекции этих погрешностей и особенно заботят- ся о стабильности во времени физических свойств и параметров элементов прибора. Кроме того, при анализе погрешностей сложных измеритель- ных устройств, состоящих из целого ряда самостоятельных зве- ньев, не всегда можно строго разграничить погрешности на си- стематические и случайные. Однако мгновенные изменения питающего напряжения сети происходят хаотически, и погрешность измерения, возникающая из-за этого, хотя и является однозначной функцией этого напря- жения, но будучи функцией случайной величины, представляет собой также случайную величину. Это сильно затрудняет суммирование погрешностей измери- тельных устройств. Поэтому при анализе и выборе метода и сум- мирования погрешностей сложных измерительных устройств. Если ряд погрешностей одного или нескольких преобразователей вызывается одной общей причиной, в резуль- тате чего они оказываются сильно связаны между собой, то эти погрешности будут распределены по одному и тому же закону, а форма результирующего закона распределения будет также соот- ветствовать этому закону. Поэтому внутри каждой из этих групп погрешности должны складываться алгебраически с учетом их знака. Результирующие погрешности, полученные после суммирова- ния в каждой из групп, уже не имеют между собой сильных кор- реляционных связей и должны рассматриваться как независимые и, следовательно, должны складываться геометрически. Преобразователи обычно классифицируются по принципу их работы или по их практическому применению. По назначению измерительные преобразователи подразделя- ют на первичные преобразователи датчики , унифицированные и промежуточные. Первичный измерительный преобразователь датчик являет- ся первым в измерительной цепи и включает в себя чувствитель- ный элемент зонд, мембрану и все другие необходимые элемен- ты для преобразования входной неэлектрической величины в вы- ходную электрическую величину. Датчик может состоять из од- ного или нескольких измерительных преобразователей, объеди- ненных в единую конструкцию. На датчик непосредственно воз- действует измеряемая неэлектрическая величина сила, давление, уровень, температура и т. В унифицированном преобразователе , состоящем из датчика и схемы согласования, измеряемая физическая величина преобра- зуется с использованием источника энергии в нормированную выходную величину. Для устройств со смешенным нулем диапазон тока сужен: При необходимости регулирования границы диапазона токовых сигналов лежат в пределах: В устройствах с нормированными токовыми сигналами допускается применение различных измерительных приборов с внутренним сопротивлением не более 1 кОм. Норми- рованные значения диапазонов сигналов напряжения составляют При использова- нии в качестве выходной величины частоты рекомендуемый диа- пазон ее изменения составляет В пневматических си- стемах нормировано давление газа. Оно должно находиться в диапазоне 0, Промежуточный преобразователь получает сигнал измери- тельной информации от предшествующего преобразователя и передает после преобразования этот сигнал последующему пре- образователю. По характеру преобразования входной величины измеритель- ные преобразователи подразделяют на линейные и нелинейные. Линейный преобразователь реализует линейную функциональ- ную зависимость между входной и выходной величинами. У не- линейных преобразователей эта связь нелинейная. По принципу действия датчики подразделяются на парамет- рические и генераторные. В параметрических датчиках измеряе- мая величина вызывает пропорциональное ей изменение пара- метра электрической цепи R, L,. С , например величины сопро-. При использовании параме- трических преобразователей необходим дополнительный источ- ник питания, энергия которого используется для преобразования выходного сигнала преобразователя. Выходным сигналом гене- раторных датчиков является ЭДС, напряжение, ток или электри- ческий заряд, функционально связанные с измеряемой величиной например, ЭДС термопары. К генераторным относятся индук- ционные, пьезоэлектрические, термоэлектрические и некоторые разновидности электрохимических датчиков. Остальные датчики являются параметрическими. Для датчиков основными характеристиками являются: Области применения датчиков благодаря внедрению новых технологий изготовления высоковакуумное напыление, распы-. Рассмотрим лишь некоторые из них:. В промышленной технике стандартные датчики используются для измерения: Для современных производств характерна тенденция приме- нения датчиков в интерактивном режиме, то есть когда результаты измерений сразу же используются для регулирования процесса. Благодаря этому в любой момент обеспечивается корректировка технологического процесса, что, естественно, ведет к более раци- ональному производству. При промышленном применении опре- деляющим фактором является погрешность, которая при регули- ровании процессов должна быть не более В робототехнике, которая в принципе представляет собою сложную информационную систему, робот обеспечивает получе- ние, обработку и преобразование информации. При получении информации через датчики роботу требуется прежде всего спо-. При изготовлении датчиков для автомобильной электроники все в большей мере применяют современные технологии, обеспе- чивающие экономичное изготовление датчиков минимальных размеров для отдельных систем автомобиля рулевое управление, двигатель, тормоза, электроника кузова , для обеспечения без- опасности и надежности система блокировки и противоугонная система, информационная система: С помощью этих датчиков измеряются различные физические параметры, такие как температура, давле- ние, скорость вращения, ускорение, влажность, перемешение или угол, расход и т. Архитектура Биология География Искусство История Информатика Маркетинг Математика Медицина Менеджмент Охрана труда Политика Правоотношение Разное Социология Строительство Физика Философия Финансы Химия Экология Экономика Электроника. Основные характеристики измерительных преобразователей Предыдущая 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 Следующая. Предыдущая 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 Следующая.
Почему машина не заряжает аккумулятор
Краткосрочный план исполнители и их системы команд
Apple mac mini характеристики
Измерительные преобразователи
Лекарства для рассасывания кисты
Схема магнитолы на ниссан тиида 28185 em01b
Рапсовое масло для жарки
2.3. Статические и динамические характеристики измерительных преобразователей
Расписание поездов через ульяновск центральный
Тест 23 итоговый тест по теме местоимения
Основные характеристики измерительных преобразователей
Игра готика 3
Реставрация журнального столика своими руками фото
Играет гармошка раиса неменова
Статические и динамические характеристики измерительных преобразователей
Стих брату на день рождения от сестры