|
11.7. Моделирование средств измерений11.7.1. Структурные элементы и схемы средствизмеренийПостроение и изучение СИ невозможно без
математических моделей, адекватно описывающих те или иные их свойства и
характеристики. В метрологии используется моделирование измерительных сигналов
(см. гл. 10) и моделирование средств измерений. Математическая модель СИ описывает взаимосвязь
его показаний Y со
значением измеряемой величины X, конструктивными параметрами а1, а2,...,
aL и
влияющими величинами z1, z2,...,zK: Y = F(x; a1, a2,... aL; z1, z2,...,zK). Для построения математических моделей (ММ) СИ
необходимо знать, как устроены СИ и каким образом происходит преобразование
измерительных сигналов, т.е. нужно знать структуру СИ. Для сложных СИ, каковыми
являются большинство современных приборов, анализ их составных частей и ММ является
далеко не простой задачей. Для ее оптимального решения, а также для упрощения
анализа процессов, протекающих в СИ, введены понятия структурной схемы и
измерительных цепи, канала и тракта. Измерительная цепь — совокупность элементов СИ, образующих непрерывный путь
прохождения измерительного сигнала от входа до выхода и обеспечивающих
осуществление всех его преобразований. Измерительный канал — это измерительная цепь, образованная последовательным
соединением СИ и других технических устройств, предназначенная для измерения
одной величины и имеющая нормированные метрологические характеристики. Измерительный тракт — совокупность измерительных каналов, предназначенных для
измерения определенной величины и имеющих одинаковые метрологические характеристики. Структурная схема — условное обозначение измерительной цепи (канала или
тракта) СИ с указанием преобразуемых величин. Эта схема определяет основные
структурные блоки СИ, их назначение и взаимосвязи. Основной предпосылкой, использованной при введении
этих понятий, было обоснованное допущение о том, что каждое преобразование
сигнала происходит в отдельном звене или блоке. Структурные схемы состоят из
соединенных определенным образом структурных элементов (блоков), каждый
из которых выполняет одну из ряда функций, связанных с измерением. Свойства
структурных элементов или их совокупностей описываются с помощью соответствующих
уравнений, известных из физики, электротехники, электроники и других
технических наук http://autoprague.eu/ru/ аренда авто в праге прокат авто в праге. . Основной характеристикой структурного элемента
является его функция (уравнение) преобразования Y = f[X, Kj, Zi] — уравнение, связывающее между собой входной X и
выходной Y сигналы
элемента, его параметры Kj и в ряде случаев внешние влияющие величины Zi. Функция преобразования структурного блока является его
математической моделью. Ее вид зависит от того, насколько полно элемент
необходимо описать, и какие его свойства являются для исследователя наиболее
важными. Например, ММ идеального усилителя может быть записана в виде uвых(t) = kuвх(t), где k —
коэффициент усиления, являющийся постоянным параметром усилителя. Если
необходимо учесть напряжение смещения и0 на его выходе, модель
запишется в виде uвых(t) = kuвх(t) + u0 . Процесс уточнения модели усилителя можно продолжить и
дальше. Например, учесть его фазочастотные характеристики, влияние внешней
температуры и т.д. Структурные элементы могут быть
классифицированы по ряду признаков. По типу выходного сигнала они
разделяются на активные, генерирующие физические величины — носители
энергии (например, аккумуляторы, усилители сигналов разного рода, источники
света, излучения и др.), и пассивные, свойства которых зависят от
состояния материи и выражаются физическими величинами, не являющимися
носителями энергии (например, электрические сопротивления, емкости,
индуктивности, оптические элементы — призмы, зеркала и др.). По виду связи между входной и выходной
величинами структурные блоки делятся на линейные и нелинейные. Линейными называются
блоки, передаточные функции которых удовлетворяют условиям аддитивности f[X1(t) + X2(t)] = f[X1(t)] + f[X2(t)] и однородности f[CX(t)] = Cf[X(t)]. Параметры линейных блоков не зависят от
параметров входного сигнала. Это наиболее простой и удобный для анализа тип
блоков, поэтому для решения измерительной задачи по возмо ::ности следует
выбирать линейные элементы. Примером линейного блока является идеальный усилитель. Для нелинейных блоков связь между
входным и выходным сигналами описывается функцией f,
не удовлетворяющей приведенным выше условиям. Эти блоки делятся на
квазилинейные и функциональные. Квазилинейные блоки характеризуются
незначительной нелинейностью и считаются линейными при изменении входной и
выходной величин в определенных диапазонах. Функциональным блокам
присуща значительная нелинейность, которая учитывается построением
соответствующей нелинейной математической модели. В зависимости от динамических свойств структурные
блоки делятся на статические и динамические. В статических блоках
взаимосвязь между выходной и входной величинами не зависит от скорости
изменения входного сигнала и его производных более высоких порядков. Если такую
зависимость необходимо учитывать, то данный структурный блок следует считать динамическим.
Различают динамические блоки первого, второго и высших порядков. Характеристики
динамических блоков первого и второго порядков рассмотрены в разд. 11.3. Структурные блоки также классифицируются по функции,
выполняемой в СИ. По этому признаку они делятся на усилители различных
видов, делители, дифференциаторы, интеграторы, коммутаторы, ключи, АЦП, ЦАП,
фильтры и др. Кроме аналоговых структурных элементов существует большое число
цифровых элементов, используемых при построении СИ. К ним относятся логические
элементы, триггеры, регистры, счетчики, шифраторы и дешифраторы,
мультиплексоры, компараторы кодов и др. Их Построение, свойства и применение
рассматриваются в многочисленной специальной литературе, например [93]. Чрезвычайно важным цифровым устройством, все
больше и больше применяемым в СИ, является микропроцессор — полупроводниковый
прибор, осуществляющий автоматическую обработку цифровой информации в соответствии
с заданной программой и выполненный в виде одной'или нескольких интегральных
микросхем. Миниатюрные размеры и незначительная масса, малое потребление
энергии позволяют включать его непосредственно в электрическую схему
измерительного прибора. В СИ он выполняет функции приема, обработки и передачи
информации, а также управления работой их составных частей. Вопросы применения
микропроцессоров в измерительной технике детально рассмотрены в [71, 94]. На структурных схемах элементы изображаются в
виде прямоугольников, внутри которых написано или каким-то образом условно
обозначено их название. Кроме того, на схемах обязательно должно быть показано
направление распространения измерительной информации, т. е. обозначены входы и
выходы структурных элементов. Часто приводят поясняющие надписи, временные зависимости
сигналов в характерных точках, таблицы и пр. Пример 11.5. Структурная схема
устройства для измерения температуры при помощи термопары показана на рис.
11.21. Термопара (ТП) помещается в объем, где измеряется температура Т. Она
генерирует на своем выходе термо ЭДС е1(Т) = kTТ, где kT — коэффициент передачи ТП. Эта ЭДС усиливается усилителем
(У) до значения е2(Т) = kye1(T) = kykTT, где ky — коэффициент усиления усилителя. Сигнал е2(Т)
воздействует на регистрирующее устройство (РУ), на выходе которого фиксируются
показания N(T), пропорциональные измеряемой температуре Т:
где kpy — коэффициент передачи регистрирующего устройства.
Данное уравнение является уравнением преобразования рассматриваемого средства
измерений. Рис. 11.21. Структурная схема
термоэлектрического термометра Структурные схемы СИ очень разнообразны. Однако
в зависимости от соединения элементов структурной схемы различают два oсновных их вида: прямого и уравновешивающего
(компенсационного) преобразования измерительного сигнала. Они существенно
различаются по составу результирующей погрешности измерений и ее зависимости от
погрешностей отдельных элементов структурной схемы [92]. | |
---|---|---|
-Главная- -Продукция- -Цены- -Заказ- -Новости- -Контакты- |
E-mail:invest-ks@list.ru ICQ: 67719839
Реклама и вирусы в рекламе Узнайте на www.noo-ws.net
Воспроизведениематериалов или их частей в любом виде иформе без письменного согласия запрещен