- •Содержание
- •Предисловие
- •ВвЕдение
- •1. Структура аналоговых средств измерения
- •1.1. Назначение, области применения. Принципы построения, характеристики и основные элементы аиу
- •1.2. Классификация и структурные схемы аиу
- •Электрические двигатели. Электрические двигатели, используемые в схемах регистрирующих приборов, предназначены для перемещения носителя и регистрирующего органа.
- •1.4. Информационные сигналы аиу
- •1.4.1. Основные процессы преобразования измерительных сигналов
- •1.5. Аналоговые электроизмерительные приборы с регистрирующими устройствами
- •1.5.1. Принципы построения, характеристики и узлы. Методы регистрации
- •1.5.2. Структурная схема приборов прямого действия. Погрешности приборов прямого действия
- •1.5.3. Самопишущие приборы
- •1.5.4. Самопишущие приборы обычного быстродействия (сп)
- •1.5.5. Быстродействующие самопишущие приборы (бсп)
- •1.5.6. Светолучевые осциллографы (сло)
- •1.6. Автоматические измерительные приборы
- •Компенсационный метод измерения электрических величин
- •1.6.2. Автоматические компенсаторы (типа ксп) для измерения напряжения и температуры. Типы. Схемы. Статические и динамические характеристики
- •1.6.3. Назначение автоматических электроизмерительных мостов (ксм). Мосты постоянного тока. Пределы и точность измерения
- •Технические характеристики
- •1.6.4. Мосты переменного тока. Условия равновесия. Основные типы мостов переменного тока
- •Основные типы мостов переменного тока
- •1.6.5. Автоматические мосты с регулирующими устройствами. Двухкоординатные автоматические самописцы
- •4.1. Электромеханические измерительные устройства
- •4.1.1. Магнитоэлектрические приборы. Области применения и свойства. Устройство и принцип действия приборов
- •4.1.2. Магнитные системы электроизмерительных приборов и устройств. Назначение магнитных систем. Расчет магнитных систем
- •4.1.3. Основные требования при проектировании магнитных систем
- •4.1.5. Измерительные цепи приборов
- •4.2. Электромагнитные приборы
- •4.2.1. Свойства и классификация приборов
- •4.2.2. Конструкции измерительных механизмов
- •4.2.4. Основные виды погрешности и способы уменьшения
- •4.3. Электродинамические (эд) приборы
- •4.3.1. Области применения и свойства приборов
- •4.3.2. Измерительные механизмы электродинамических приборов
- •4.3.3. Вращающий момент. Методика расчета
- •4.3.4. Измерительные цепи. Погрешности ваттметра
- •4.3.5. Порядок расчета ваттметра
- •4.4. Ферродинамические приборы
- •4.4.1. Свойства и области применения приборов
- •4.4.2. Конструкции измерительных механизмов
- •4.4.3. Измерительные цепи и погрешности
- •4.5. Электростатистические приборы
- •4.5.1. Общие сведения об измерительных механизмах. Конструкция и принцип действия приборов
- •Конструкция и принцип действия приборов
- •4.5.2. Схемы включения
- •4.5.3. Погрешности и методы компенсации
- •2: Электронные узлы измерительных каналов и автономных приборов
- •2.1. Электронные вольтметры
- •2.1.1. Общие сведения. Универсальные вольтметры
- •Универсальные вольтметры
- •2.1.2 Измерительные преобразователи переменного напряжения в постоянное
- •2.1.3. Микровольтметры постоянного тока. Милливольтметры переменного тока
- •Милливольтметры переменного тока
- •2.1.4. Импульсные вольтметры
- •2.2. Электронные осциллографы
- •2.2.1. Области применения и свойства
- •2.2.2. Характеристики электронных осциллографов и способы их определения
- •2.2.3. Классификация осциллографов и их структурные схемы
- •2.2.4. Электроннолучевая трубка (элт) с электростатическим отклонением луча
- •2.2.5. Усилители вертикального и горизонтального отклонения лучей
- •2.2.6. Генераторы развертки. Назначение. Схема. Синхронизация генераторов развертки
- •Синхронизация генераторов развертки
- •2.2.7. Вспомогательные устройства
- •Предельное значение погрешности этого метода можно определить из соотношения
- •Погрешность такого измерения
- •2.3. Электронные приборы для анализа характеристик сигналов
- •2.3.1. Анализаторы спектра. Назначение. Элементы. Характеристики
- •Аппаратурно можно получить текущий спектр сигнала
- •2.3.2. Структурные схемы анализаторов спектра
- •2.4. Измерительные генераторы
- •2.4.1. Нормируемые параметры и классификация измерительных генераторов
- •2.4.2. Иг синусоидальных сигналов. Общие характеристики
- •2.4.3. Схемы и параметры задающих генераторов синусоидальных колебаний Генераторы lc
- •Генераторы rc
- •Генераторы на биениях
- •2.4.4. Импульсные генераторы
- •2.5. Электроизмерительные приборы с оптоэлектронными отсчетными устройствами
- •2.5.1. Принцип действия оптоэлектронных приборов. Свойства электроизмерительных приборов и области их применения
- •2.5.2. Принципы построения и структурные схемы аналого-дискретных оэп
- •3. Нормирование и анализ метрологических характеристик аиу
- •3.1. Государственная система обеспечения единства измерений. Основные положения
- •3.2. Нормируемые метрологические характеристики результатов и средств измерений
- •3.3. Формы представления нормируемых характеристик. Требования гост 8.009-84
- •3.4. Абсолютная и относительная погрешности, приведенная погрешность. Основная погрешность
- •3.5. Статическая и динамическая погрешности. Класс точности
- •3.6. Динамические характеристики и принципы их коррекции
- •3.7. Методы уменьшения погрешностей аиу
- •3.7.1. Классификация методов
- •3.7.2. Стабилизация реальной характеристики преобразования
- •3.7.3. Компенсация погрешностей
- •3.7.4. Коррекция погрешностей
- •3.7.5. Фильтрация погрешностей
- •3.7.6. Уменьшение динамической погрешности
- •3.7.7. Конструктивные способы улучшения точности работы аиу
- •Список литературы
3.7.6. Уменьшение динамической погрешности
Целью динамических измерений является восстановление входного сигнала по зарегистрированному выходному. Выходной сигнал измерительных устройств можно найти из выражения:
(3.98)
где n(t) – помеха, действующая в СИ, к – количество преобразователей; Kc(jw) – комплексная частотная характеристика преобразователей; входной сигнал СИ.
Из этого выражения следует, что y(t) и x(t) совпадают по форме только тогда, когда измерительное устройство обладает бесконечной полосой пропускания, а значение помехи (включая и погрешности) = 0. Так как ни то, ни другое на практике не соблюдается, возникает задача нахождения входного x(t) сигнала по известному (измеренному) выходному y(t), который относится к числу некорректных задач измерительной техники. На практике приходится находить значение x(t) по значению y(t) в условиях ограниченной полосы, точности измерения канала и действия помех в нем. Понять некорректность этой задачи проще всего в частотной области. В этом случае для динамического звена АИУ имеем:
,
, (3.99)
,
где x(jw), y(jw) – Фурье-преобразования соответственно x(t) и y(t).
Очевидно, выражение имеет смысл только тогда, когда не равно 0 при и n(t)=0. Действительно, пусть, например, мало на участке диапазона частот ;
, , . (3.100)
Тогда из спектра выходного сигнала будет “вырезан” участок в диапазоне частот :
, , (3.101)
где бесконечно малая величина. В этом случае уравнение (3.83) можно записать так:
(3.102)
Из (3.102) видно, что даже при наличии малых помех погрешность определения x(t) может быть большой.
Если на выходе АИУ действует сигнал с финитным спектром, протяженностью , K(jw) в этой области известен и не обращается в «0», полоса K(jw) шире полосы спектра сигнала, то
.
При K(jw)=1, x(t)=y(t) и по значениям выходного сигнала можно однозначно определить значение входного с точностью ε. Т.к. все измерения сопровождаются погрешностью, необходимо, чтобы при:
(y(t) – yε (t))<ε -∞<t<∞ (3.103)
(x(t) – xε(t))<η -∞<t<∞, и тогда при ε→0, η→0.
Эти условия соблюдаются для финитных функций (3.100). В этом случае измерение корректно, т.к. небольшим изменениям выходного сигнала соответствует небольшое изменение входного. Все высокие частоты в измеряемом сигнале, который, как правило, создается источниками помех, отфильтрованы. Кроме того, известно, что в идеальном АЭП K(jw)=Kном=const, φ(w) = – t3w. В таком АИУ передаточная характеристика Kном(S) не имеет нулей в правой полуплоскости комплексных переменных. Эта K(S) является передаточной характеристикой минимально-фазового типа. Для нее, если K(jw)=Kном=const, то φ(w) может быть получено из K(jw) посредством преобразования Гильберта и при этом не будет вызывать искажений измеряемой величины.
кКЛK1(S)
K2(S)
X(S) Y1(S) Y(S)
Рис. 3.14 Последовательное включение корректирующих устройств
В соответствии с этим способом коррекции последовательно со средством измерения включается корректирующий преобразователь (см. рисунке 3.14). Здесь K1(S), K2(S) – передаточные характеристики корректируемого СИ и корректирующего преобразователя. Результирующая передаточная характеристика такого соединения:
. (3.104)
Если
, то (3.105)
и СИ не будет иметь динамические погрешности. При этом необходимо, чтобы скорректированное СИ было бы физически осуществимо и устойчиво. Учитывая это, необходимо искать передаточную характеристику корректирующего преобразователя для СИ, имеющего K(S) минимально-фазового типа в виде:
(3.106)
где выбирается так, чтобы у число нулей не превышало число полюсов. Очевидно, что при постоянном времени корректирующего звена коррекция приближается к идеальной.
Если передаточная характеристика K1(S) СИ не минимально-фазового типа, то K1(S) имеет нули в правой полуплоскости и в соответствии с (3.96) инверсная система неустойчива, так как в ней есть полюсы, расположенные в правой полуплоскости. Для получения устойчивой работы СИ с коррекцией, необходимо в него вводить дополнительные цепи вида:
, (3.107)
где нули, лежащие в правой полуплоскости: сопряженное с комплексное число; К – число нулей в правой полуплоскости. Такое звено не искажает АЧХ скорректированного СИ. Корректирующий преобразователь в этом случае имеет передаточную характеристику вида:
(3.108)
Результирующая передаточная функция СИ:
(3.109)
Из (3.109) видно, что скорректированное СИ имеет идеальную амплитудно-частотную (при Тк→0) и неидеальную фазочастотную характеристики. Для того чтобы в рабочем диапазоне ее приблизить к идеальной, необходимо предусмотреть еще дополнительные фазокорректирующие цепи и получить фазовую характеристику вида Найти соответствующую цепь – значит решить задачу синтеза оптимального СИ.
Коррекция с помощью цепи ОС. Для средства измерения, охваченного цепью ООС (рис. 3.15), можно записать:
(3.110)
K1(S)
X(S) Y(S)
K2(S)
Рис.3.15. Средство измерения охваченное ООС
Для работы диапазона частот имеем:
(3.111)
И если для , то
Где кном – статический номинальный коэффициент преобразования си.
Это соотношение показывает, что си с ос можно рассматривать как си с последовательной корректирующей цепью, имеющей передаточную характеристику вида 1) k2(s). Это должна быть физически реализуемая и устойчивая цепь. Требование устойчивости этого контура накладывает на него ограничения, которые были рассмотрены ранее для си с последовательной коррекцией.
Корректирование с помощью аналоговых и цифровых вычислительных устройств. Для реализации условий корректировки можно использовать вычислительную технику. Если соответствующее вычислительное устройство уже имеется в си, то корректирование можно осуществить программным способом, без дополнительных аппаратурных затрат. Если средств вычислительной техники в си нет, то корректирующие цепи целесообразно строить на базе ОУ. Используя r- и c- элементы и о.с. В усилителях, удается в достаточно широком частотном диапазоне «обменять» большое усиление ОУ не различные свойства и характеристики цепи. Для использования средств ВТ необходимо вначале произвести аналогово-цифровое преобразование выходного сигнала АИУ, а затем программными средствами корректирование его характеристик. При этом не исчезнут проблемы физической реализуемости и устойчивости, т.к. Иначе невозможно создать реализуемые программные работы ЭВМ.
Пределы корректирования. В АИУ присутствуют помехи, действие которых увеличивается с расширением полосы пропускания. Ограничением является также условие физической реализуемости корректирующего преобразователя. Существенные ограничения вносят нелинейности преобразователей и усиления параметрических влияний в скорректированном приборе. Улучшать динамические характеристики таким путем можно тогда, когда в АИУ есть «запас» по значению общей погрешности измерений в конкретных условий эксплуатации.
Выбирать оптимальные параметры коррекции необходимо путем отыскания минимума общей погрешности динамической СИ:
, (3.112)
где σ12, σ22 – дисперсия динамической погрешности и погрешности от действия помех.