Измерительные цепи уравновешивающего преобразования

Измерительные цепи уравновешивающего преобразования де­лятся на цепи со статическим, астатическим и развертывающим уравновешиванием.

На рис 3.14 приведена обобщенная схема измерительной цепи статического уравновешивания [2], в которой можно выделить две основные цепи: прямого преобразования К (аналогично схеме рис. 3.13) и обратной связи, представленной обратным преобразо­вателем ОП. При этом соединение звеньев является комбинирован­ным, хотя основная часть — схема с параллельным встречным со­единением.

Как следует из схемы, выходной сигнал формируется в прямой цепи К, состоящей из преобразователя неравновесия ПН, модуля­тора М, усилителя Ус и демодулятора ДМ. На вход преобразовате­ля неравновесия поступает сигнал , равный разности между вы­ходными сигналами F_x первичного преобразователя и F_oc обратной связи, то есть

Следовательно, выходной сигнал у является функцией сигнала не­равновесия , а не входного сигнала х или F_x:

                                            .                                (3.17)

Обратный преобразователь предназначен, во-первых, для формиро­вания сигнала, однородного с измеряемой величиной или выход­ным сигналом ПП, во-вторых,— для уравновешивания или ком­пенсации этого сигнала. Как следует из (3.17), сигнал неравновесия  в цепях статического уравновешивания должен быть отличным от нуля при .

На основании (3.16) и (3.17) чувствительность измерительной цепи уравновешивания

                                                                          (3.18)

где S — чувствительность прямой цепи К; — чувствительность цепи обратной связи.

Для линейных измерительных цепей можно записать

где К — коэффициент преобразования прямой цепи;  — коэффи­циент преобразования цепи обратной связи;  — глубина уравно­вешивания;  — относительное неравновесие;  — глубина урав­новешивания (относительная).

Тогда чувствительность измерительной цепи уравновешивания определяется как

                                                             (3.19)

Следовательно, чувствительность приборов с измерительными це­пями статического уравновешивания в  раз меньше в срав­нении с цепями прямого преобразования. Однако они имеют доста­точно широкий диапазон измерения, хорошее быстродействие, а погрешность в сравнении с цепями прямого преобразования умень­шается в    раз [4].

Для определения передаточной функции прибора статического уравновешивания измерительную цепь разобьем на участки, со­держащие схему соединения с обратной связью, первичный преобра­зователь и указатель. После определения на основании (3.15) пере­даточной функции участка с обратной связью получим последова­тельное соединение первичного преобразователя, эквивалентного звена и указателя. Тогда на основании (3.12) передаточная функция прибора

где и — передаточные функции первичного преобра­зователя и указателя; и  — передаточные функции прямой цепи К и цепи обратной связи.

Примером приборов статического уравновешивания могут быть приборы, в которых реализуется силовая компенсация. На рис. 3.15 приведена схема измерительной цепи манометра со ста­тическим уравновешиванием. Давление р вызывает деформацию сильфона 1, под действием которой рычаг 2 отклонится от состояния равновесия. Отклонение в трансформаторном преобразователе пре­образуется в электрический сигнал, который после усиления и выпрямления в усилителе Ус поступает на указатель Ук и обмотки магнитоэлектрического преобразователя 3, связанного с рычагом 2. Магнитоэлектрический преобразователь в результате взаимодей­ствия тока  в обмотках с полем постоянного магнита создает си­лу, уравновешивающую силу, развиваемую сильфоном, и, таким об­разом, препятствует перемещению рычага. При этом чем больше измеряемое давление, тем больше ток 1_вых и развиваемое усилие. Таким образом, с точностью до статической погрешности рычаг бу­дет удерживаться в среднем положении, а ток  в обмотках пре­образователя и показания прибора будут пропорциональны изме­ряемому давлению.

       Отличительной особенностью измерительных цепей астатиче­ского уравновешивания (рис. 3.16) является наличие в прямой цепи интегрирующего устройства ИУ. При этом в статическом режиме (х = const) без учета погрешностей достигается полное уравнове­шивание, то есть или .

В качестве ИУ обычно используются электродвигатели, облада­ющие достаточной мощностью для цепей регистрации информации, регулирования, управления и др. Возможно использование и дру­гих ИУ, интегрирующих цепей, интегрирующих усилителей, счет­чиков дискретных величин и др. При этом ИУ в измерительной цепи можно трактовать как элемент памяти. Действительно, если в ка­честве ИУ используется электродвигатель, то при обработке рас­согласования его ось повернется на угол , пропорциональный х. Но как только наступит равновесие , двигатель становится, а состояние равновесия останется (запомнится) до тех пор, пока не изменятся  или .

Определение передаточной функции прибора с астатическим уравновешиванием может быть выполнено аналогично случаю ста­тического уравновешивания. При этом, согласно рис. 3.16, в прямой цепи дополнительно включено интегрирующее устройство, выходной сигнал которого непосредственно является выходной величи­ной у. Тогда передаточная функция примет вид

где , — передаточные функции первичного преобра­зователя и цепи обратной связи; ,  — передаточные функции интегрирующего устройства и прямой цепи К.

Статическая характеристика измерительной цепи без учета по­грешностей определяется из условия при х = const:

.

Так как   то

                                                                                                     (3.22)

где   — коэффициенты преобразования первичного преобразо­вателя и цепи обратной связи.

На основании статической характеристики чувствительность прибора

                                                                 (3.23)

где — чувствительность первичного преобразователя и це­пи обратной связи.

Чувствительность прибора может быть определена также из пе­редаточной функции. Если положить, что , то

В статическом режиме х = const или р = О

Примером прибора с астатическим уравновешиванием является манометр (рис. 3.17). В качестве интегрирующего устройства, как видно из рисунка, используется двигатель М, который работает до тех пор, пока есть рассогласование между сигналами индуктивных датчиков 1 и 2. Якорь датчика 1 перемещается в результате дефор­мации манометрической коробки, воспринимающей давление р. Якорь датчика 2 перемещается при повороте кулачка 3, находяще­гося на одной оси с двигателем. Угол поворота оси двигателя также является и выходным сигналом, который регистрирует указатель.  В качестве устройств сравнения сигналов F_ox, и F_x (см. рис. 3.16) могут использоваться делители тока и напряжения, мостовые схе­мы, механические рычаги, дифференциалы, дифференциальные схе­мы, как это имеет место для манометра (рис. 3.17), и др.

Основными достоинствами измерительных цепей астатического уравновешивания являются возможность прямого отсчета показа­ний по сигналу ИУ и значительная выходная мощность, например на валу двигателя, достаточная для записи сигнала в любом регист­рирующем устройстве или системе.

К основным недостаткам относятся: малый диапазон измерений, малое быстродействие (в случае использования двигателя), возмож­ность появления автоколебаний и потери устойчивости при увели­чении глубины астатического уравновешивания. Для устранения автоколебаний используются цепи развертывающего уравновеши­вания.

Отличительной особенностью аналоговых приборов развертыва­ющего уравновешивания [4, 12], или динамической компенсации, являются периодический характер уравновешивания и дискрет­ность представления результата измерения. На рис. 3.18 представ­лена структурная схема измерительной цепи развертывающего уравновешивания, которая состоит из первичного преобразовате­ля ПП, прямой цепи К, обратного преобразователя ОП, генератора выходного сигнала Г_у, реле (ключа) Р и регистрирующего устрой­ства РУ.

Генератор, которым может быть двигатель, за один период (цикл) измерения по определенной программе формирует все возможные значения у (t)• Этот сигнал поступает на реле, а также че­рез обратный преобразователь на устройство сравнения. Сигнал рассогласования  поступает в прямую цепь, где преобразователь неравновесия ПН, усилитель Ус и формирователь Ф вырабатывают сигнал для замыкания реле только в момент времени, когда  или Следовательно, прямая цепь выполняет в дан­ном случае функции нуль-органа, а не формирования сигнала, пропорционального , как это имело место в измерительных це­пях статического или астатического уравновешивания. При этом значение сигнала у (х) регистрируется дискретно — один раз за период.

В приборах развертывающего уравновешивания, ввиду отсут­ствия замкнутой цепи, исключена возможность возникновения ав­токолебаний, их параметры не ограничиваются условиями обеспе­чения устойчивости.