ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ПРИБОРОВ.

Измерительная цепь прибора представляет собой различное сочетание (соединение) преобразователей. Условным изображением структуры прибора является его структурная схема, отображаю­щая, с одной стороны, порядок соединения преобразователей, а следовательно, и последовательность преобразования сигналов, с другой стороны, функции преобразования, заданные в виде ста­тической характеристики, чувствительности, передаточной функ­ции и т. д. Следовательно, структурная схема может быть использо­вана как для описания или определения основных принципов по­строения приборов, так и для определения их характеристик по из­вестным характеристикам преобразователей.

В соответствии с рассмотренной в п. 3.2 классификацией прибо­ров они подразделяются на приборы прямого и уравновешивающе­го преобразования. При этом соединение звеньев (преобразователей) в схеме может быть последовательным, параллельным согласным или встречным и комбинированным. При последовательном соеди­нении звеньев (рис. 3.10, а) выходные сигналы в статическом режиме

Статическая характеристика измерительной цепи определяется как

. (3.10)

Чувствительность в этом случае будет равна произведению чувстви­тельности звеньев:

(3.11)

а передаточная функция — произведению передаточных функций:

(3.12)

При параллельном согласном соединении звеньев (рис. 3.10, б) вход­ной сигнал поступает на каждое звено, а выходной равен сумме выходных сигналов звеньев:

(3.13)

Продифференцировав (3.13) по х, получим

то есть чувствительность при этом равна сумме чувствительностей звеньев:

(3.14)

а передаточная функция — сумме передаточных функций звеньев:

(3.15)

Для параллельного встречного соединения (рис. 3.10, в) (с обрат­ной связью) выходной сигнал последовательного соединения звень­ев или прямой цепи через звено обратной связи снова подается на вход. Если знаки входной величины и сигнала совпадают, то имеет место положительная обратная связь, в противном случае — отрицательная.

До введения обратной связи, то есть , связь между вы­ходным и входным сигналами, преобразованными по Лапласу, на основании (3.12) может быть представлена как

где — передаточная функция прямой цепи.

После введения обратной связи зависимость между выходной и входной величинами будет

где — передаточная функция цепи обратной связи.

Подставив значение получим зависимость

или после преобразований — передаточную функцию измеритель­ной цепи с обратной связью:

Знак «плюс» соответствует отрицательной обратной связи, а знак «минус» — положительной.

Для определения чувствительности, продифференцировав вход­ной сигнал прямой цепи , получим

или, так как

после замены и преобразований:

(3.16)

Здесь — чувствительность прямой цепи, — чувствитель­ность цепи обратной связи. Знак «минус» соответствует положитель­ной обратной связи, а знак «плюс» — отрицательной.

Для определения характеристик измерительных цепей с комби­нированным соединением звеньев поступают следующим образом: разбивают измерительную цепь на участки, где имеется только по­следовательное и параллельное согласное или встречное соедине­ние звеньев; определяют характеристики этих участков и заменя­ют их эквивалентными звеньями; если схема снова содержит комби­нированное соединение, разбивку повторяют до тех пор, пока схема не будет приведена к одному из рассмотренных соединений; после этого определяют характеристики измерительной цепи в целом.

В измерительных цепях прямого преобразования используются последовательное и (или) параллельное согласное соединение звень­ев. Приборы с этими цепями просты, надежны, имеют малую массу и габариты. Однако погрешности таких приборов, в сравнении с приборами уравновешивающего преобразования, велики.

Примером измерительной цепи прямого преобразования с гене­раторными преобразователями может быть цепь механического ма­нометра (см. рис. 1.1) с цепочкой преобразований Цепочке соответствует структурная схема (рис. 3.11) с передаточными функциями , которые могут быть по­лучены из функциональных зависимостей (1.1).

=========================

(1.1)

==============================================

В большинстве случаев энергия чувствительного элемента не­достаточна или ее непосредственно нельзя использовать для пере­дачи сигнала и формирования выходного сигнала, например, в виде отклонения стрелки или перемещения указателя показывающе­го прибора. Поэтому в измерительную цепь включают последова­тельно или параллельно промежуточные и передающие преобразователи, выполняющие функции усиления, изменения физического рода сигнала, модуляции, демодуляции и др. Кроме того, в измери­тельную цепь могут быть включены преобразователи для повышения точности, надежности, увеличения быстродействия и др.

В качестве примеров рассмотрим две схемы измерительных це­пей прямого преобразования (рис. 3.12).

На рис. 3.12, а показана схема для измерения угловых ускоре­ний. При возникновении ускорения на тело с массой т действует сила инерции , которая сместит рычаг 1 от положения равнове­сия и через сектор 2 и трибку 3 вызовет поворот стрелки прибора. Отклонению рычага будет противодействовать сила упругости пру­жины .При равенстве инерционного и упругого моментов сил отсчитывается угол поворота стрелки указателя, пропорциональный ускорению .

Прибор для измерения температуры в общем случае (рис. 3.12,6) состоит из термопары ТП, модулятора ДА, усилителя Ус, демодуля­тора ДМ и милливольтметра. ЭДС термопары модулируется, уси­ливается и после дистанционной передачи и демодуляции подается на милливольтметр. В простейшем случае, если нет необходимости усиливать и передавать информацию по каналу, ЭДС можно пода­вать непосредственно на милливольтметр для определения зна­чения.

На рис. 3.13 приведена обобщенная схема измерительной цепи прямого преобразования, которая включает: первичный преобразо­ватель, выполняющий функции восприятия входного сигнала и формирования сигнала, удобного для дальнейших преобразований; модулятор; усилитель; демодулятор и указатель Ук или регистри­рующее устройство.

Определение статической характеристики, передаточной функ­ции, чувствительности и других характеристик приборов прямого преобразования производится в соответствии с используемыми схе­мами соединения преобразователей — параллельным согласным и последовательным — на основании зависимостей (3.10)...(3.15).

В приборах также могут быть использованы другие соединения звеньев, например: дифференциальное — выходные сигналы двух звеньев вычитаются, то есть ; логометрическое — вы­ходной сигнал равен частному и др. Однако эти соедине­ния можно рассматривать как разновидности последовательного и параллельного. Так, например, дифференциальное и логометриче­ское — это параллельное соединение двух звеньев. Разница лишь в последующей операции преобразования — вычитание и деление, а не суммирование сигналов.

Параметрические преобразователи (в основном электрические) используются в измерительных цепях в виде делителей, равновес­ных и неравновесных мостов [4, 35].