Средства измерений с адаптацией чувствительности

Автоматические средства с адаптацией чувствительности; с частотно-импульсным преобразованием

Повышение точности СИ связано с уменьшением значения и обеспечением инвариантности по отношению к возмущающим воздействиям.

В свою очередь уменьшение приводит к повышению чувствительности UCBM и, следовательно, уменьшению погрешности. Другим важным показателем СБМ является относительное изменение его выходного напряжения при воздействии на терморезистор измеряемого сигнала. Полезный сигнал , несущей в себе информацию о значении измеряемого сигнала Рх, поступает на вход запоминающего и сравнивающего устройств в виде приращения относительно постоянной составляющей . При этом, чем выше значения , тем меньше трудностей с выделением полезного сигнала.

Повышение относительного значения выходного полезного сигнала СБМ возможно за счет уменьшения мощности разогрева напряжением обратной связи СБМ.

Поскольку необходимо выполнение уравнения баланса мощностей в мостовой схеме

или

,

где мощность, эквивалентная воздействию на температуры окружающей среды; Н - постоянная рассеяния терморезистора, ВТ/°С;

уменьшение возможно за счет подачи на терморезистор дополнительной мощности его разогрева от какого-либо внешнего источника

.

Практическая реализация данного способа адаптации чувствительности

возможна при использовании в качестве источника дополнительной мощности управляемого генератора (УГ), частота которого отличается от частоты

переменного напряжения СБМ, что исключает корреляцию между .

Структурная схема СИ с адаптацией чувствительности приведена на рис. 9.1.

В основе работы данного СИ лежит использование замкнутого контура, содержащего СБМ переменного тока, выпрямитель с фильтром Фт, вычитающее устройство ВчУ, Инт, УГ высокочастотного напряжения. Контур представляет собой САУ (систему автоматического регулирования) обеспечивающую стабилизацию на требуемом уровне.

Выходное напряжение СБМ поступает на и затем сравнивается с источника ИОН. Разностное напряжение подается с выхода ВиУ на вход Инт (ключ находится в положении 1).

Изменяющееся выходное напряжение Инт приводит к изменению амплитуды выходного сигнала УГ и дополнительной мощности разогрева , способствуя уменьшению .

В установившемся режиме значение определяется выбранной рабочей точкой Инт, т. е. значением напряжения , подаваемого на Вх2 Инт. По окончании переходных процессов с учетом смещения нуля интегратора:

.

При этом конденсатор С, подключенный к ВхИнт и BxКН заряжается до значения . Рассмотрим подробно работу СИ с адаптацией чувствительности.

В момент через КМ подается измеряемый сигнал Рх. Это приводит к уменьшению . Сигнал рассогласования увеличивается, что вызывает уменьшение выходного напряжения Инт и напряжения на выходе УГ и, следовательно, увеличение выходного напряжения СБМ и уменьшение , поступающего на Bxкомпаратора КН.

Таким образом, при подаче на измеряемого сигнала Рх мощность, рассеиваемая на терморезисторе от УГ уменьшается на

,

возвращая амплитуду напряжения СБМ к прежнему значению.

В момент времени по окончании переходного процесса с помощью УУ переключается Кл в положение II, прекращается подача измеряемого сигнала Рх и запускается генератор ГПН. Прекращение подачи Рх вызывает увеличение амплитуды колебаний СБМ.

Напряжение, до которого заряжен конденсатор С поддерживает напряжение на выходе Инт, а, следовательно, и постоянным.

Под действием возрастающего напряжения амплитуда колебаний СБМ убывает, увеличивая рассогласование , поступающего на Вх2 КН.

В момент наступления равенства напряжений на входах КН последний срабатывает, прекращая работу ГПН, запуская ОРУ. Значение , фиксируемое ОРУ, является мерой измеряемого сигнала Рх.

Анализ точности СИ с адаптацией чувствительности (ошибка сравнения и запоминания ).

Использование САУ позволяет уменьшить амплитуду колебаний СБМ и обеспечить ее постоянство при воздействии ВВ (за счет перераспределения мощностей, действующих на ). Это в свою очередь позволяет уменьшить уровень напряжения запоминания. Следовательно, в качестве компаратора КН можно использовать устройства с невысоким уровнем напряжения, но высокой чувствительности (т.е. малое значение ).

Низкий уровень значительно снижает ошибку , поскольку скорость уменьшения на запоминающем конденсаторе С пропорциональна значению этого напряжения.

Выбором и коэффициента передачи чувствительность СБМ может быть увеличена в несколько раз. Таким образом, отклонения значения выходного сигнала, обусловленные несовершенством ЗУ () и порогом

- срабатывания КН () могут быть уменьшены в десятки раз. Отклонение значения выходного сигнала, обусловленное изменением за счет изменения , носит случайный характер. Динамическая ошибка замещения, обусловленная инерционными свойствами измерительного канала, определяется по той же методике, что и в предыдущих схемах.

Таким образом, основными составляющими неопределенности результата измерения будут:

· сравнения ;

· запоминания ;

· замещения ;

динамическая .

Их можно считать независимыми случайными величинами, распределенными по нормальному закону. Их линейная комбинация также подчиняется нормальному закону.

Принцип адаптации чувствительности СБМ позволил обеспечить широкий рабочий диапазон температур (±60° С) для СИ с .

2.2. Средства измерений с частотно-импульсным преобразованием

Рассмотренные СИ имеют недостатки:

· нельзя реализовать прямое преобразование (разновременное сравнение и с коммутацией );

· СИ являются аналоговыми.

Если выходной сигнал имеет частотную форму представления - схема СИ упрощается, повышается помехоустойчивость, чувствительность.

Основными узлами ЧИП (рис. 9.2) являются:

СБМ, импульсный усилитель разбаланса (ИУ), фазовый детектор (ФД), фильтр (Фт), генератор импульсов управляемой частоты (ГУЧ), формирователь синхроимпульсов (ФСИ) и формирователь амплитуды и длительность прямоугольных импульсов (ФИ) питания мостовой схемы.

Таким образом, схема представляет собой СБМ с импульсным напряжением питания, модулированным по одному из параметров импульсного сигнала. В этом случае мощность, рассеянная на :

где , , Т, F - соответственно амплитуда, длительность, период повторения, частота импульсного напряжения питания.

До подачи на вход ЧИП измеряемой величины суммарная мощность, рассеиваемая на :

.

При подаче на вход ЧИП измеряемого сигнала мостовая схема разбалансируется и ее напряжение разбаланса уменьшает частоту импульсов на выходе ГУЧ до момента наступления баланса мостовой схемы, при котором справедливо соотношение:

.

Следовательно, изменение частоты на входе ЧИП (при постоянстве температуры)

,

где - чувствительность ЧИП;

связано с линейной зависимостью (при и = const).

Рациональной с точки зрения автоматизации процесса является схема, реализующая метод двухтактного интегрирования (рис. 9.3). Измерение производится в три такта:

В I-й такт сигнал не воздействует на .

Выходной сигнал ЧИП поступает через вентиль по команде УУ на суммирующий вход реверсивного счетчика (РСЧ), работающего в этот такт в режиме "сложение".

При этом

,

где - продолжительность 1-гo такта.

Во II-м такте УУ с помощью подает на измеряемый сигнал , отключая при этом вход РСч от ЧИП. За время 2-го такта на выходе ЧИП установится значение частоты .

В III-м такте, длительность 1-го такта, выход ЧИП с помощью подключается в вычитающему входу РСч. При этом

.

Число импульсов, накопленное счетчиком

.

Отсюда , где ; разрешающая способность измерителя.

Ошибка измерения определяется нестабильностью параметров импульсного напряжения и времени счета . Определяя частные производные и переходя к конечным приращениям, получают случайные составляющие ошибки измерения.

Предельное значение абсолютного отклонения определяют, считая случайные величины и независимыми.

.

Это выражение позволяет определить допускаемое отклонение параметров в процессе эксплуатации в зависимости от требуемой точности измерения.

Разработан алгоритмический способ коррекции температурной погрешности - трехтактное интегрирование.

I-й такт: входной сигнал не поступает на и выходная частота ЧИП в течение времени поступает на РСч, который накопит число импульсов .

II-й такт - за время 2на подается . Одновременно выходной сигнал ЧИП с частотой подается на вычитающий вход РСч, из которого за время 2вычитается число импульсов .

III-й такт - прекращается подача на (в момент времени отключения значение частоты на выходе ЧИП возрастает на и выходной сигнал ЧИП подается на суммирующий вход РСч. При этом в счетчик занесется число импульсов N3

.

При этом влияние нестабильности температуры полностью исключается.

Дата добавления: 2013-12-13