Logo GenDocs.ru

Поиск по сайту:  

Загрузка...

Лекции - Анализ и синтез средств измерений - файл Анализ-синтез-СИ.doc


Загрузка...
Лекции - Анализ и синтез средств измерений
скачать (168.5 kb.)

Доступные файлы (1):

Анализ-синтез-СИ.doc649kb.22.11.2003 23:06скачать

Анализ-синтез-СИ.doc

1   2
Реклама MarketGid:
Загрузка...

Рис.2.15



Синтезируем измерительный мост на основе двух ИП, изображен­ных на рис. 2.15а. В результате получим широко распространенный четырехплечий мост, схема которого приведена на рис, 2.16, Усло­вие равновесия его определим, воспользовавшись уравнением (2.73). Сделав элементарные преобразования, получим

, (2.74)

где –комплексные сопротивления.
Пусть измеряется , тогда из уравнения

(2.75)

видим, что в состояние равновесия мост может быть приведен измене­нием любого из сопротивлений или двумя из них, или все­ми вместе.





Рис.16 Рис.17


Воспользовавшись показательной формой записи комплексных выражений , уравнение (2.74) можно записать в более удобном виде.


. (2.76)


Уравновешивание мостов переменного тока осуществляют не толь­ко по модулю, но и по фазе.

Если мост работает на постоянном токе, то уравнение (2.76) примет вид

(2.77)

где – сопротивления постоянному току,

Так же как и компенсаторы, мосты могут быть автоматизированы.

Соединяя в различных сочетаниях преобразователи, изображенные на рис. 2.15, можно получить другие виды мостовых схем, например, двойные мосты постоянного тока для измерения малых сопротивлений (рис. 2,17) и другие.

В измерительных мостах с узлом уравновешивания токов ix-iK=0 преобразователи К(ПХ) и К(П0) преобразуют напряжения в токи. Наи­более распространены два вида таких преобразователей, схемы которых изображены на рис. 2.18.




Рис.2.18


Соединяя указанные преобразователи таким образом, чтобы полу­чить узел уравновешивания токов, получим наиболее распространенные структуры Т – и 2T – образных мостов, изображенных соответствен­но на рис. 2.19 и 2.20.





Рис.2.19 Рис.2.20


Основным достоинством мостов с уравновешиванием токов являет­ся наличие общей точки у индикатора равновесия, источника питания и некоторых плеч. Заземление общей точки позволяет повысить помехо­защищенность схем и применять их в широком диапазоне частот. Они применимы только для измерения комплексных сопротивлений.

Более подробные сведения о компенсаторах и мостах можно по­черпнуть в [10].


^ 2.13. Цифровые измерительные приборы.


Основные требования, предъявляемые авиационной техникой и тех­нологией к средствам измерений, это высокая точность; быстродействие; возможность автоматизации процесса измерений; представление резуль­татов измерений в форме, удобной для обработки, в том числе при помощи ЭВМ; малые габариты и вес; высокая надёжность.

Статическая точность рассмотренных выше приборов может быть достаточно высокой; так, у некоторых видов электромеханических при­боров класс точности 0,05, а у компенсаторов и мостов – на порядок вы­ше. Но при реализации такой точности габариты приборов становятся большими. Это связано с тем, что глаз человека может обнаружить перемещение стрелки прибора относительно шкалы в пределах 0,2 мм, а разрешающая способность для приборов класса точности 0,05 долж­на быть не менее 2000, следовательно, длина шкала должна быть не менее 400 мм.

Наличие подвижных частей не позволяет получить высокие дина­мические качества и надёжность.

Разрешить проблему сочетания точности и быстродействия позво­лили цифровые приборы. Отсутствие в приборах подвижных частей поз­волило резко увеличить их надежность и долговечность. Представле­ние измерительной информации в цифровой форме дает возможность об­работки её в ЦВМ. Сравнительно легко осуществляется автоматизация процесса измерений.

Рассмотрим некоторые основные положения цифровой измеритель­ной техники.

Как уже отмечалось, под цифровым понимают такой измеритель­ный прибор, который автоматически вырабатывает дискретные сигналы измерительной информации, показания которого представлены в цифро­вой форме.

Под дискретным сигналом понимают сигнал, у которого информа­ция заложена не в размере величины, используемой для передачи этой информации, а в соответствующем ей количестве сигналов, их взаим­ном расположении и т.д., причем дискретный сигнал в отличие от неп­рерывного может иметь только определенное конечное число значений. Систему правил, используемую для представления инфор­мации посредством цифр и дискретных сигналов, называют кодом.

Под непрерывной величиной x(t) следует понимать величину, ко­торая может иметь в заданном диапазоне бесконечно большое число значений в определенном интервале времени при бесконечно большом числе моментов времени.

Под аналоговой величиной понимают некоторую вторичную величи­ну, все значения которой являются непрерывной функцией значений не­прерывной, (исходной) величины.

Цифровой сигнал – это частный случай дискретного сигнала, ког­да соответствующая ему информация представлена в виде цифр.

На рис. 2.21 (а, б, в, г) представлены соответственно непрерывная величина, квантованная по времени (дискретизированная) и непрерывная по уровню величина, непрерывная по времени и квантованная по уровню величина, и квантованная как по времени так и по уровню величина (цифровая).

Операцию перехода от непрерывной величины к квантованной на­зывают квантованием по уровню. Величину, называют шагом квантования, величину – разрешающей способностью. Xн – диапазон изменения входной величины.

Возникающая при квантовании погрешность лежит в пределах ± и носит случайный характер с равномерным симметричным распределе­нием. Её среднее квадратическое значение

. (2.78)

В процессе дискретизации (квантования по времени) возникают динамические погрешности

, (2.79)

зависящие как от скорости изменения сигнала, так и от шага дискре­тизации.



б

г

в

а

Рис. 2.21



В цифровых измерительных приборах происходит преобразование непрерывной физической величины в дискретную и квантованную величи­ну с последующей индикацией на цифровом отсчетном устройстве.

Процесс аналого-цифрового преобразования состоит из многократ­ного сравнения входного непрерывного сигнала с набо­ром сигналов, воспроизводимых мерами или сформированных с помощью мер.

Применение практически безынерционных элементов сравнения, как правило, электронных компараторов, позволяет очень быстро (на­носекунды) определить момент равенства неизвестной и сформирован­ной величин, что приводит к большому разнообразию алгоритмов фор­мирования уравновешивающей величины.

Наибольшее распространение на практике нашли три классичес­ких метода преобразования: последовательного счета, поразрядного уравновешивания, считывания.

При методе последовательного счёта входная непрерывная вели­чина уравновешивается суммой одинаковых и минимальных приращений-квантов, находящихся в известном соотношении с воспроизводимой ме­рой величиной. Результат преобразования характеризуется числом квантов, используемых при преобразовании. Число квантов представ­ляется в виде последовательного единичного кода и с помощью счетчи­ка преобразуется в позиционный код. Цифровые приборы, основанные на таком методе, применяются преимущественно для измерения интервалов времени, точнее, временных интервалов действия активных физических величин, частоты и других физических величин с промежуточным преоб­разованием их в интервал времени (или частоту). На рис. 2.22 пока­зана схема такого устройства. Измеряемый интервал времени тх огра­ничивается моментами появления двух электрических импульсов – "на­чало" и "конец". По этим импульсам формирователь ФC вырабатывает строб-импульс длительностью тх, который поступает на один из вхо­дов схемы совпадений И. На другой её вход подаются импульсы с час­тотой f0 , вырабатываемые генератором опорных импульсов. Число им­пульсов, которое будет подсчитано счетчиком сч и зафиксировано отсчётным устройством ОУ будет равно







Рис.2.22



Из (2.78) видно, что погрешность измерения Тx определяется погрешностью формирования опорной частоты f0 . Применение в генераторах опорной частоты кварцевых резонаторов позволяет получить очень высокую стабильность частоты fо. Практически достижимые значения нестабильности частоты кварцевого резонатора лежат в пределах от 10-6 до 10-10 , следовательно, измерение временных ин­тервалов возможно с такой же погрешностью.

Такие устройства очень широко применяются для измерения рас­стояний до объектов и высоты полета летательных аппаратов радиотех­ническими методами, при измерениях расхода топлива ультразвуковыми методами, при измерении напряжений, токов, сопротивлений и других физических величин, преобразуемых во временные интервалы.

Если вместо тх (на рис. 2.22) сформировать образцовый времен­ной интервал Т0 , а на второй вход схемы совпадений подать сигнал измеряемой частоты , то уравнение (2.78) можно записать как

,

из которого видно, что можно измерять частоту fx с погрешностью, определяемой погрешностью формирования интервала Т0 . Формирование Т0 можно осуществить при помощи кварцевых резонаторов и делителей частоты с очень малой погрешностью. Применив дополнительные преоб­разователи различных физических величин в частоту следования элект­рических импульсов, можно измерять скорость полета самолета, высоту полета, скорости вращения валов двигателя, напряжения, токи, сопротивления и многие другие.

При методе поразрядного уравновешивания входная величина срав­нивается с другой однородной величиной, получаемой в результате суммирования различных по величине приращений. Сумма приращений компенсирующей величины (с погрешностью до наименьшего приращения) принимается за числовое значение измеряемой величины. Обычно набор приращений соответствует выбранному цифровому коду.

Принцип поразрядного уравновешивания используется главным об­разом в цифровых приборах для измерения электрических величин, та­ких как напряжение, ток, сопротивление, и величин, преобразуемых в электрические.

Если автоматизировать рассмотренные ранее компенсаторы и изме­рительные мосты с дискретным уравновешиванием, то получим характер­ные примеры приборов поразрядного уравновешивания.

Структурная схема цифрового вольтметра поразрядного уравновшивания показана на рис.2.23.





Рис.2.23



Компенсирующее напряжение Uk формируется формирователем компенсирующего напряжения ФКН, управляемого программным запоминающим устройством ПрЗу. Алгоритмы формирования Uk многочисленны и многообразны, а принцип уравновешивания активных электрических величин сохраняется.

Метод считывания состоит в том, что в "памяти" кодирующего устройства цифрового прибора имеется набор всех возможных для даннoгo прибора кодов и соответствующих им компенсирующих активных величин, каждая из которых подается на вход одного из элементов сравнения. Число элементов сравнения равно числу компенсирующих величин. На вторые входы всех элементов сравнения подаётся измеряемая величина. Результат преобразования (измерения) фиксируется по числу сравнивающих устройств, отметивших равенство или превыше­ние входной величины по отношению к каждому из компенсирующих. Не­посредственным результатом преобразования является параллельный единичный код в виде сигналов на выходах сравнивающих устройств. На рис. 2.24 изображена схема цифрового вольтметра, основанного на принципе считывания.





Рис.2.24


Компенсирующие напряжения формируются делителями напряжения, на входы которых подано образцовое напряжение U0 , формируемое при помощи мер напряжения. Сигналы с элементов сравнения расшифровы­ваются дешифратором ДШ и подаются на отсчётное устройство.

Преобразователи считывания находят широкое распространение из-за того, что они в принципе обладают самым высоким быстродей­ствием из всех видов преобразователей напряжения в код. Недостат­ком их является большой объём оборудования, что приводит к сниже­нию надёжности и увеличению стоимости. В связи с успехами интегральной технологии недос­татки можно устранить и считать метод весьма перспективным.

Погрешности цифровых приборов определяются точностью и ста­бильностью мер и измерительных преобразователей, переходными соп­ротивлениями коммутирующих элементов, дрейфом нуля элементов сра­внения и погрешностью квантования.

С целью улучшения метрологических характеристик и расширения возможностей цифровых измерительных приборов их снабжают встроен­ными микропроцессорными устройствами.


^ 2.14. Применение микропроцессоров в измерительных приборах


Применение микропроцессоров и микро-ЭВМ в измерительных при­борах явилось одним из важнейших этапов в развитии приборострое­ния.

Следует отметить, что микропроцессоры не являются измеритель­ными устройствами. Они предназначены для выполнения вычислитель­ных и логических операций с высокой скоростью и точностью. Совместная их работа с аналого-цифровыми и цифро-аналоговыми преобра­зователями в измерительной технике позволила резко повысить точ­ность, надёжность и быстродействие приборов, расширить их возмож­ности, создавать программируемые, полностью автоматизированные устройства.

Применение микропроцессоров позволило прежде всего улучшить метрологические характеристики – точность, чувствительность, поме­хоустойчивость. Повышение точности было достигнуто за счет введе­ния калибровочных операций, позволяющих минимизировать как адди­тивную, так и мультипликативную погрешность. Для исключения адди­тивной составляющей погрешности АЦП его входные зажимы замыкаются накоротко и заземляются. При этом число, полученное на выходе АЦП, характеризующее смещение, запоминается. При измерении оно вноситься в результат как поправка.

Для исключения мультипликативной составляющей погрешности перед циклом измерения на вход АЦП подаётся воспроизводимая мерой величина А0. На выходе при номинальном значении чувствительности должно быть число В. Такое же число хранится в памяти микропроцессорной системы. При изменении чувствительности преобразователя на выходе АЦП получим число . Отношение В/В/, вычисляемое микропроцессором, вводиться как поправочный множитель.

Повышение пороговой чувствительности и помехоустойчивости приборов достигается обработкой сигнала по алгоритмам, приведённым в первой главе, или по другим алгоритмам, включающим операции вычисления оценки среднеквадратического отклонения результата измерения, решения вопроса, выполняется ли гипотеза о нормальном распределении вероятностей случайных погрешностей, а также операции вычисления доверительных границ случайных погрешностей.

Цифровая фильтрация сигналов позволяет повысить чувствительность и расширить диапазон измеряемых величин в сторону малых значений.

Рассмотренные приёмы позволяют полнее использовать метрологические свойства мер и приблизить погрешности измерительных приборов к погрешностям применяемых в них образцовых мер.

Важным направлением применения микропроцессоров в измерительной технике является возможность получения различных математических функций измеренных значений и решения систем уравнений, что позволяет сравнительно просто перейти от косвенных, совокупных или совместных измерений к прямым. Причём микропроцессорные вычислители могут осуществлять эти операции с высокой точностью, значительно превышающей точность аналоговых вычислительных устройств. Многие приборы, содержащие микропроцессоры, позволяют автоматически выполнять запрограммированные функциональные и логические преобразования, например:

1.Умножение найденного значения на константу.

2.Определение отклонения измеряемой величины от заданной в абсолютных единицах, относительных или в процентах.

3.Сложение или вычитание константы.

4.Вычисление отношений: деление на константу, нахождение частного от деления одного результата измерения на другой результат, деление константы на результат измерения.

5. Нахождение максимума и минимума из ряда измерений.

6. Определение выхода измеряемой величины за пределы уставки максимума и минимума. Представление результата измерения в логарифмических единицах.

8. Линеаризация зависимостей.

Применение микропроцессорной техники позволило создавать мно­гофункциональные приборы, предназначенные для измерения несколь­ких параметров сигналов или характеристик объекта исследования. Функциональные возможности таких устройств определяются выполняе­мой программой, их можно легко видоизменить путем перехода к дру­гой программе, хранимой в ПЗУ. Программируемая логика работы в от­личие от жесткой создает гибкость перестройки, позволяет наращи­вать функции при модернизации прибора без существенных изменений в его схеме.

В результате сокращения числа компонентов в схеме прибора вследствие выполнения многих функций микропроцессорными системами уменьшились их габариты, вес, потребляемая мощность и стоимость. Существенно сократились сроки разработки измерительной аппа­ратуры.

Часто для получения новых свойств прибора не требуется значительных изменений в его схеме и тем более в конструкции. Раз­работка сводится к созданию необходимого программного обеспечения. Если учесть, что имеется библиотека совершенных типовых приклад­ных программ, то разработка програм­много обеспечения сводится к рациональному выбору имеющихся прог­рамм.


1   2



Скачать файл (168.5 kb.)

Поиск по сайту:  

© gendocs.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации