Погрешности системы преобразования
Как рассматривалось выше, прибор для измерения неэлектрической величины представляет собой некоторую цепь преобразования, состоящую из нескольких звеньев.
Основная погрешность прибора складывается главным образом из:
1) инструментальной погрешности, обусловленной погрешностями элементов, входящих в каждое звено (например, погрешность подгонки сопротивлений, трение в подвижных частях механизма, недостаточная тщательность исполнения деталей звена);
2) погрешности из-за недостаточной чувствительности усилителя и индикаторов.
Каждое из звеньев вносит свою долю в результирующую основную погрешность прибора, причем при прямом преобразовании все звенья равноправны в отношении степени влияния на общую погрешность.
Поэтому стремятся всегда к уменьшению числа звеньев цепи преобразования.
Точность измерения неэлектрической величины зависит также и от ряда дополнительных факторов, которые так же необходимо учитывать. К ним относятся изменения величины напряжения, частоты и формы кривой напряжения питания, изменение окружающей температуры, влажности и вибрации. Так, например, при изменении напряжения питания мостовой цепи, содержащей нелинейные элементы (индуктивность с ферромагнитным сердечником), мост выходит из равновесие При изменении окружающей прибор температуры могут, например, измениться упругие свойства механических элементов, магнитные свойства материалов, параметры электрических элементов (сопротивлений, емкостей и т.д.), возникнуть паразитные термо-э.д.с.
Влияние дополнительных погрешностей можно оценить чувствительностью каждого звена к тому или иному влияющему фактору, т.е. отношением изменения выходной величины преобразователя данного звена к изменению дополнительного фактора (относительно его значения при градуировке).
Дополнительные факторы вызывают дополнительную составляющую погрешности нуля и чувствительности прибора. Действительно, изменение питающего напряжения вызывает появление погрешности чувствительности во всех мостовых цепях (кроме равновесных мостов). В усилителях изменение питающего напряжения также вызывает некоторое изменение чувствительности.
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 ламп и сопротивления, наводками промышленной частоты и т.д.
Для уменьшения дополнительных погрешностей прибегают к стабилизации напряжения и частоты источников питания, к различным приемам коррекции этих погрешностей и особенно заботятся о стабильности во времени физических свойств и параметров элементов прибора.
В теории измерений погрешности подразделяются на систематические и случайные.
Систематическими погрешностями называются погрешности постоянные или меняющиеся по определенному закону. Эти погрешности имеют достаточно жесткую функциональную связь с вызывающими их источниками, причем и сама функция, и ее аргумент известны. Поэтому такие погрешности могут быть исключены при разработке прибора или учтены в процессе обработки результатов измерения.
Случайными погрешностями называются неопределенные по своей величине и природе погрешности, в появлении каждой из которых не наблюдается какой-либо закономерности. Такие погрешности обычно учитываются с помощью формул и приемов, выработанных теорией вероятности.
Однако при анализе погрешностей сложных измерительных устройств, состоящих из целого ряда самостоятельных звеньев (а к таким именно устройствам и относятся приборы для измерения неэлектрических величин), не всегда можно строго разграничить погрешности на систематические и случайные. Например, погрешность измерения от колебаний напряжения питающей сети с первого взгляда представляется систематической, так как на каждые ±10% питающего напряжения прибор может иметь, допустим, ± 1 % изменения чувствительности. Однако мгновенные изменения питающего напряжения сети происходят хаотически и погрешность измерения, возникающая из-за этого, хотя и является однозначной функцией этого напряжения, но будучи функцией случайной величины, представляет собой также случайную величину.
Это сильно затрудняет суммирование погрешностей измерительных устройств, поэтому при анализе и выборе метода и суммирования погрешностей сложных измерительных устройств следует делить погрешности не на систематические и случайные, а по признаку их сильной или слабой взаимной корреляционной связи. Если ряд погрешностей одного или нескольких преобразователей вызывается одной общей причиной, в результате 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 соответствовать этому закону. Поэтому внутри каждой из этих групп погрешности должны складываться алгебраически с учетом их знака.
Результирующие погрешности, полученные после суммирования в каждой из групп, уже не имеют между собой сильных корреляционных связей и должны рассматриваться как независимые и, следовательно, должны складываться геометрически.
Вопросы для самопроверки к главе 3:
1. Перечислите достоинства электрических методов измерения неэлектрических величин.
2. Изобразите графически структурную схему прибора прямого преобразования.
3. Изобразите графически структурную схему прибора уравновешивающего преобразования.
4. Изобразите графически структурную схему прибора с отрицательной обратной связью.
5. Запишите аналитическое выражение для определения чувствительности прибора?
3. Изобразите графически эквивалентную схему измерительной цепи прибора.
4. Запишите аналитическое выражение для определения эффективности преобразования прибора?
5. Дайте определение эффективности преобразования, характеристического сопротивления, обобщенного входного и выходного сопротивления преобразователя?
9. Сформулируйте преимущества равновесных мостовых схем.
10. Сформулируйте основное отличие равновесных мостовых схем от неравновесных.
11. Приведите способы включения преобразователей в мостовые схемы.
12. Основные виды симметрии мостовых схем и условия оптимального выбора параметров.
13. Как осуществляется выбор индикаторов к мостовым и компенсационным схемам?
14. Какие преобразователи относятся к генераторным?
15. Какие преобразователи относятся к параметрическим?
13. Какие погрешности преобразователей в динамическом режиме их работы?
14. Приведите физическую модель измерительного преобразователя.
14. Опишите основные источники погрешности приборов для измерения неэлектрических величин.
15. Как находится общая погрешность системы преобразования?
4. Параметрические преобразователи
4. 1. Фотоэлектрические преобразователи
Классификация фотоэлектрических преобразователей и их характеристики
Фотоэлектрическими называются такие преобразователи, у которых величина выходного сигнала изменяется в зависимости от величины светового потока, падающего на преобразователь.
Явление фотоэффекта было открыто русским ученым А.Г. Столетовым в 1888 г.
Фотоэлектрические преобразователи или, как мы будем их называть в дальнейшем, фотоэлементы делятся на три типа:
а) фотоэлементы с внешним фотоэффектом;
б) вентильные фотоэлементы;
в) фотоэлементы с внутренним фотоэффектом (фотосопротивления).
Фотоэлементы с внешним фотоэффектом представляют собой вакуумную или газонаполненную лампу, катод которой испускает электроны под действием светового потока.
При изменении освещенности фотоэлемента, включенного в электрическую цепь, изменяется соответственно фототок в этой цепи.
К газонаполненным фотоэлементам относятся, например, кислородно-цезиевые типа ЦГ;
к вакуумным — кислородно-цезиевые типа ЦВ и сурьмяно-цезиевые типа СЦВ.
Фотоэлементы с внутренним фотоэффектом представляют собой полупроводники, например, типов ФСД (селенид кадмия) и ФСК (сернисто-кадмиевые), которые под действием светового потока изменяют свое сопротивление.
Из вентильных фотоэлементов наибольшее распространение получили селеновые и сернисто-серебряные. Эти фотоэлементы обладают тем свойством, что под действием лучистой энергии они становятся источниками тока. По этому признаку их можно было бы отнести к генераторным преобразователям, однако, чтобы не разбивать группу фотоэлектрических преобразователей, считаем целесообразным рассмотреть и их в данном разделе.
Работу фотоэлементов можно оценить по следующим характеристикам.
1. Световая характеристика, отображающая зависимость фототока от интенсивности светового потока, падающего на фотоэлемент Iф= f(E).
2.Спектральная характеристика, т. е. зависимость фототока от длины волны световых лучей Iф= f(l).
3.Частотная (инерционная) характеристика, т. е. зависимость фототока от частоты изменения интенсивности падающего светового потока Iф= f(fn)
4.Вольтамперная характеристика, т. е. зависимость фототока от напряжения Iф= f(U).
5.Температурная характеристика, т. е. изменение фототока от температуры фотоэлемента Iф= f(t°). Однако от изменения температуры зависит и спектральная характеристика фотоэлемента.
3. Усталость фотоэлемента, которая выражается в изменении характеристик фотоэлементов в зависимости от времени его работы.
Рассмотрим отдельные типы фотоэлементов с точки зрения их характеристик.
Фотоэлементы с внешним фотоэффектом. Эти фотоэлементы, как правило, требуют применения усилителей, так как их мощность очень мала.
Световая и приведенная вольтамперная характеристики фотоэлементов различных типов приведены на рис.4.1 и4.2.
Рис. 4.1. Вольтамперная характеристика газонаполненного фотоэлемента.
Рис 4.2.Вольтамперные характеристики вакуумного фотоэлемента:
а) сурьмяно-цезиевые типа СЦВ, б) кислородно-цезиевые типа ЦГ;
Как видно из световых характеристик, пропорциональность между фототоком и световым потоком сохраняется не на всем протяжении кривых (см. утолщенные линии), что важно для получения линейной шкалы измерительного прибора.
Вольтамперные характеристики (рис.4.2) имеют характер кривых насыщения, т.е. вначале поток в значительной степени зависит от напряжения питания фотоэлемента, а затем это влияние оказывается весьма незначительным, а это значит, что в данном случае динамическое сопротивление фотоэлемента остается практически неизменным.
В практике большее применение получили вакуумные фотоэлементы, имеющие бесспорные преимущества перед газонаполненными:
1) независимость в определенном диапазоне от питающего напряжения;
2) большая температурная устойчивость;
3) меньшая утомляемость;
4) меньшая инерционность (практически вакуумные фотоэлементы считаются без инерционными).
Вентильные фотоэлементы применяются обычно, когда преобразователи работают без дополнительных усилителей на чувствительные приборы. Это объясняется тем, что применение электронных усилителей, требующих для своей работы дополнительного питания, свело бы на нет преимущество вентильных фотоэлементов как источников тока. К тому же чувствительность вентильных фотоэлементов во многих практических случаях вполне позволяет обойтись без усиления фототоков.
Наиболее распространенными являются селеновые и сернисто-серебряные фотоэлементы. У селеновых фотоэлементов чувствительность составляет примерно 400 - 500 мкА/лм, а у сернисто-серебряных - 7000 мкА/лм. С другой стороны, селеновые фотоэлементы более стабильны и имеют большой срок службы.
В настоящее время большое распространение получили кремниевые фотоэлементы. Их чувствительность достигает 7000 мкА/лм. Они практически без инерционны (t=10-6с), стабильны и имеют низкий уровень шумов.
Ток на выходе преобразователя с вентильным фотоэлементом на линейном участке характеристики (рис. 4.3)
,
где Sф - чувствительность фотоэлементов (с учетом нагрузки);
Ф - световой поток.
Рис. 4.3. Вольтамперная характеристика кремниевого фотоэлемента
Фотоэлементы с внутренним фотоэффектом (фотосопротивления) позволяют реализовать в нагрузке большую мощность, чем вентильные.
Внутренний фотоэффект наиболее сильно выражен у таких полупроводников, как селен, сернистый таллий, сернистый свинец, сульфид кадмия и др.
Из многих типов фотоэлементов в настоящее время основное распространение получили сернисто-кадмиевые фотосопротивления, главным образом, типа ФСК. Эти сопротивления обладают высокой удельной чувствительностью (до 7000 мкА/мкВ), что в некоторых случаях дает возможность обойтись без усилителей, низким температурным коэффициентом 
, допускают сравнительно большую мощность рассеивания (0,6 - 0,7 Вт), имеют практически неограниченный срок службы и достаточно стабильны. К недостаткам этих фотоэлементов можно отнести значительную инерционность и сравнительно высокий уровень шумов.
Дата добавления: 2016-03-22; просмотров: 1666;