Коррекция динамических характеристик измерительных преобразователей

Вопросы коррекции динамических характеристик изучаются в тео­рии автоматического управления. Основной целью при этом является обеспечение заданного запаса устойчивости и необходимого качества переходных процессов.

Коррекция динамических характеристик ИП в измерительной тех­нике преследует иную цель: получение динамических характеристик, подобных тем, которыми обладал ИП до коррекции, но с меньшими постоянными времени. Тогда любой динамический процесс при его оцен­ке по любому критерию воспроизводится корректированным ИП лучше, чем некорректированным [9].

Рассмотрим некоторые пути решения задач коррекции. Условимся обозначать передаточную функцию ИП до коррекции W(p)=sn, после коррекции , корректирующего звена , где – коэффициенты усиления со­ответствующих звеньев, а – их собственные динамические характеристики. Например, для термопары

(2.63)

Различают последовательную и параллельную коррекцию. При по­следовательной коррекции корректирующее звено может быть включено как перед корректируемым, так и после него, но независимо от этого

(2.64)

Из полученного уравнения видно, что задача коррекции заклю­чается в подборе такой схемы корректирующего звена, у которой ди­намическая характеристика , умноженная на , даст функцию , подобную , но с меньшими постоянными времени.

Пусть для инерционного звена первого порядка (2.63) требует­ся уменьшить постоянную времени в n раз, т.е. получить относи­тельную передаточную функцию скорректированного звена

.

Из условия (2.64) находим

. (2.65)

Такой метод используется, например, для коррекции динамичес­ких характеристик термопар. Схема устройства, реализующего данный метод, изображен на рис. 2.5.

Рис. 2.5

Динамическая характеристика корректирующего эвена

, (2.66)

где .

Если рассчитать схему корректирующего звена так, чтобы t= Т, то получим

. (2.67)

Такой способ коррекции позволяет на порядок уменьшить посто­янную времени термопреобразователей.

Для динамических звеньев второго порядка

. (2.68)

Результатом коррекции при b =b_K должно быть (w₀ )_к>w₀, т.е. более широкая полоса частот, о чём уже говорилось выше. Указанный способ позволяет расширить рабочую полосу частот на половину по­рядка.

Использование для коррекции последовательного включения звень­ев связано со следующими недостатками: снижается чувствительность всего преобразователя и увеличивается чувствительность к помехам и дестабилизирующим факторам.

При параллельной коррекции возможны два варианта направленнос­ти действия корректирующего звена: от входа к выходу и от выхода к входу, структурные схемы которых изображены соответственно на рис. 2.6. и 2.7.

Рис.2.6 Рис2.7.

Соответствующе варианты соединения звеньев называют прямой и обратной связями. Результат коррекции при прямой связи

. (2.69)

Рассмотрим вариант коррекции динамической характеристики термопреобразователя с передаточной функцией апериодического зве­на первого порядка

.

Целью коррекции является получениебезынерционного звена с коэффициентом усиления S.

Из (2.69) находим передаточную функцию корректирующего звена

, (2.70)

откуда видно, что корректирующее звено состоит из звена, подобного корректируемому, и последовательно соединенному с ним дифференци­рующего звена с постоянными времени, равными постоянной времени корректируемого звена. Таким же образом определяются передаточные функции корректирующих звеньев для ИП, описываемых более сложными зависимостями.

Структурная схема устройства изображена на рис. 2.8, откуда видно, что для коррекции нет необходимости в звене, воспроизводя­щем зависимость (2.70), а достаточно только дифференцирующего зве­на, на вход которого подается выходной сигнал корректируемого ИП.

Рис. 2.8

При обратной связи результат коррекции определяют как

. (2.71)

Формула (2.71) в общем виде не даёт представления о том как при обратной связи получаются подобные по структуре функции n_к и n. Вопросы коррекции динамических характеристик преобразователей с обратными связями изучаются в теории автоматического управления. Эффективным приёмом улучшения метрологических характеристик электромеханических приборов является предварительное усиление измеряемой или промежуточной величины, что позволяет увеличить мощность, поступающую на подвижную часть, а следовательно, за более короткое время система запасет необходимую энергию. Для этой цели наиболее часто применяют электронные усилители. Такие приборы на­зывают электронными, например: электронные вольтметры, электрон­ные амперметры и другие. Измерительный прибор может быть включен последовательно с усилителем или в цепь обратной связи. Увеличение чувствительности за счет усилителя позволяет уменьшить чувстви­тельность электромеханического преобразователя, увеличив удельный противодействующий момент W или уменьшив момент инерции J за счёт уменьшения размеров или числа витков подвижной части. При этом, как следует из (2.46), расширяется полоса пропускания прибора

Следует отметить, что приборы с уравновешиванием механичес­ких активных величин, отличительной особенностью которых является наличие элемента сравнения с подвижной частью, обладая достаточно высокой точностью (класс точности может быть 0,05 и даже лучше) в статике, имеют динамические характеристики, зачастую не удовлетво­ряющие пользователя, например, в авиационной технике, где многие измеряемые величины изменяются с высокой скоростью.