19106

Структуры измерительных систем и их характеристики

Практическая работа

Физика

Лекция № 2. Структуры измерительных систем и их характеристики. Для описания измерительных систем применяются структурные схемы состоящие из функциональных элементов функциональных блоков ФБ измерительных преобразователей ИП связанных между собой входными и вых

Русский

2013-07-11

225 KB

41 чел.

Лекция № 2.  Структуры измерительных систем и их характеристики.

Для описания измерительных систем применяются структурные схемы, состоящие из функциональных элементов (функциональных блоков ФБ, измерительных преобразователей ИП), связанных между собой входными и выходными сигналами.

Входной величиной средства измерений, например, измерительного прибора, является измеряемая величина, а выходной – изменение состояния отсчетного устройства, например показания стрелочного прибора. Входные величины могут изменяться во времени и быть распределенными в пространстве. В этих случаях следует говорить об исследуемых процессах: временных или пространственных. Различают стационарные и нестационарные процессы, и соответственно – статические и динамические измерительные системы, в которых  взаимосвязи входных и выходных величин будут описываться статическими и динамическими характеристиками.

Статические характеристики средств измерений:

1. Функция (характеристика) преобразования – функциональная зависимость выходной величины  от входной , которая может быть задана формулой, таблицей, графиком. В аналитическую функцию преобразования  обычно входят конструктивные параметры прибора или функционального преобразователя, используемые при их расчете или проектировании. Функция преобразования реального преобразователя определяется экспериментально. Желательно, чтобы функция преобразования была линейной:                                                          (2.1)

2. Чувствительность преобразования - отношение  изменения выходной величины прибора или измерительного преобразователя к вызвавшему ее изменению входной величины                                                                      (2.2)

Чувствительность может быть определена при любом способе задания функции преобразования. В частном случае линейного преобразования , где  - значение выходной величины, соответствующей входной . Возможно задание относительной чувствительности преобразования –

3. Порог чувствительности - изменение значения измеряемой величины, способное вызвать наименьшее обнаруживаемое изменение выходной величины. Порог чувствительности препятствует обнаружению сколь угодно малых сигналов. Это обусловлено наличием в любой физической системе случайных флуктуаций (шум), затрудняющих выявление сигнала на фоне шума. Шум в измерительной системе может быть вызван многими причинами, такими как тепловые флуктуации (шум резистора), квантовый характер потока носителей зарядов (дробовой шум в полупроводниках) и т.д. Существуют и другие источники возмущений, например, механические дефекты (трение, люфт), механические вибрации, электрические наводки, ухудшающие порог чувствительности. Однако эти факторы могут быть устранены, часто простым изменением конструкции измерительной системы. Теоретически достижимый порог чувствительности (предельный порог чувствительности) определяется собственными шумами системы и может быть определен как наименьший входной сигнал, который можно обнаружить с определенной степенью достоверности на фоне собственного шума измерительной системы. Например, при условии, что отношение «сигнал/шум» на выходе этой системы равно единице.

4. Статические погрешности средств измерений. Каждое измерение сопровождается погрешностью. Различают систематические и случайные, абсолютные и относительные, основные и дополнительные погрешности измерений, источники и причины которых будут системно проанализированы  в курсе метрологии измерений. Здесь же рассмотрим погрешности, вызванные отклонением функции преобразования  измерительной системы от номинальной характеристики, описываемой соотношением (2.1). Погрешность, обусловленная изменением значений   при нулевом значении входной величины , называется аддитивной погрешностью, или погрешностью нуля преобразования. Погрешность, вызванная отклонением значения  от номинального, называется мультипликативной, или погрешностью чувствительности преобразования. Аддитивная погрешность не зависит от значения входной величины, а мультипликативная погрешность пропорциональна входной величине.

5. Статическая нелинейность. В измерительной системе с независящей от частоты чувствительностью (статические системы) соотношение между выходным сигналом и входным, как правило, линейно. Реальная измерительная система не является идеально линейной, она всегда линейна лишь приближенно (например, в малом интервале значений входного сигнала). Причинами отклонений от линейности являются: гистерезис, мертвая зона, насыщение. Степень статической (частотно-независимой) нелинейности определяется соотношением:

,                                                                                                        (2.3)

- реальная зависимость между  и , а   - линейное приближение .

6. Помимо перечисленных,  статическими характеристиками измерительных систем являются:  пределы измерений – наибольшее и наименьшее значения измеряемой величины, для которых нормированы погрешности;  диапазон измерений – область значений, заключенная между верхним и нижним пределами измерений; надежность – способность сохранять заданные характеристики средства измерения в течение заданного времени.

Структурные схемы средств измерений

При создании измерительных систем используют различные схемы соединения измерительных преобразователей (функциональных блоков). Различают разомкнутые структуры, основанные на методе прямого преобразования сигналов, и замкнутые структуры (компенсационные), реализующие метод уравновешивающего преобразования.

Структуры разомкнутого типа:

1. Последовательной схемой соединения измерительных преобразователей называется такая, у которой входной величиной каждого последующего преобразователя служит выходная величина предыдущего.

Здесь  …,   Общая функция преобразования равна:

                                                                                      (2.4)

Из соотношений (2.2) и (2.4) несложно получить:

.                                                                 (2.5)

Таким образом, при последовательном соединении преобразователей чувствительность измерительной системы в целом равна произведению чувствительностей входящих в него преобразователей (функциональных блоков).

2. Параллельная структура соединения измерительных преобразователей приведена на

рисунке:

   

Здесь . Очевидно, чувствительность этой измерительной системы равна: ,                                                                                         (2.6)

где  - чувствительность каждого измерительного преобразователя .

3. Параллельно-последовательная структура соединения измерительных преобразователей является комбинацией первых двух структур. В этой структуре органически сочетается параллельный принцип получения и последовательный способ преобразования измерительных сигналов. Для согласования частей измерительного тракта, работающих по этим принципам, применяются коммутаторы, связывающие между собой участки измерительных преобразователей, работающих в параллельном и последовательном режимах.

4. Дифференциальные схемы соединения преобразователей содержат два канала с последовательным соединением преобразователей, при этом выходные величины каждого из каналов подаются на входы вычитающего преобразователя. Оба канала дифференциальной схемы, представленной на рисунке,  делаются одинаковыми и находятся в одинаковых рабочих условиях:

       

В дифференциальной схеме первого типа измеряемая величина воздействует на вход первого канала, а на вход второго подается постоянное значение физической величины той же природы, что и измеряемая:    Если преобразователи 1 и 2 имеют линейную функцию преобразования: , , то выходная величина дифференциального преобразователя равна: . Таким образом, в дифференциальных схемах компенсируются аддитивные погрешности каналов 1 и 2.

В дифференциальной схеме второго типа измеряемая величина после некоторого преобразования воздействует на оба канала, причем на входе одного канала входная величина возрастает, а на входе другого – уменьшается: , . Здесь  Очевидно, в случае линейных преобразователей: ,  и чувствительность дифференциального преобразователя в 2 раза больше чувствительности каждого из каналов. При этом увеличивается величина линейного участка рабочей характеристики преобразователя и компенсируются аддитивные погрешности каналов.

Структуры замкнутого типа (компенсационные):

Компенсационные схемы соединения измерительных преобразователей (схемы с обратной связью) позволяют компенсировать как аддитивную, так и мультипликативную погрешности измерений. Структурная схема компенсационного преобразователя приведена на рисунке и содержит два канала преобразования – прямой КПП и обратный КОП:  

                   

Входная величина  подается на один из входов вычитающего преобразователя, на другой вход поступает формируемый каналом КОП сигнал обратной связи той же физической природы, что и входная величина. Разность  поступает в канал прямого преобразования КПП. Если преобразователи КПП и КОП имеют линейные функции преобразования с чувствительностью соответственно  и , то

                                                                                    (2.7)

а  .                                                                                (2.8)

Тогда зависимость между входной величиной  и сигналом  определяется соотношением:

.                                                   (2.9)

Из (2.9) следует                                                    (2.10)

Произведение  часто достаточно велико, поэтому . Это соотношение имеет место и при нелинейных характеристиках преобразователей. Если , то в соответствии с (2.8)  выходной сигнал определяется чувствительностью преобразователя КОП и мало зависит от характеристик преобразователя КПП.

Из соотношений (2.7) и (2.8) нетрудно получить чувствительность схем с обратной связью:

,                                                      (2.11)

что уменьшает мультипликативные погрешности, вызванные изменением .

5

EMBED Equation.DSMT4  

EMBED Equation.DSMT4  

EMBED Equation.DSMT4  

EMBED Equation.DSMT4  

EMBED Equation.DSMT4  

EMBED Equation.DSMT4  

EMBED Equation.DSMT4  

EMBED Equation.DSMT4  

EMBED Equation.DSMT4  

  . . .

EMBED Equation.DSMT4  

EMBED Equation.DSMT4  

EMBED Equation.DSMT4  

EMBED Equation.DSMT4  

EMBED Equation.DSMT4  

EMBED Equation.DSMT4  

1

2

EMBED Equation.DSMT4  

EMBED Equation.DSMT4  

EMBED Equation.DSMT4  

КПП

EMBED Equation.DSMT4  

КОП

EMBED Equation.DSMT4  

EMBED Equation.DSMT4  

EMBED Equation.DSMT4  

EMBED Equation.DSMT4  

EMBED Equation.DSMT4  


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

33270. Классификация и общая характеристика управления методов управления персоналом 56.5 KB
  Классификация и общая характеристика управления методов управления персоналом Управление персоналом как специфическая деятельность осуществляется с помощью различных методов способов воздействия на сотрудников. Экономические методы Экономические методы управления являются способами воздействия на персонал на основе использования экономических законов. Наиболее распространенными формами прямого экономического воздействия на персонал являются: хозяйственный расчет материальное стимулирование и участие в прибылях через приобретение ценных...
33271. Управленческое решение: содержание, виды . Стадии и технологии принятия управленческих решений 68.5 KB
  Классификация управленческих решений Классификационный признак Группы Управленческих решений Степень повторяемости проблемы Традиционные Нетипичные Значимость цели Стратегические Тактические Сфера воздействия Глобальные Локальные Длительность реализации Долгосрочные Краткосрочные Прогнозируемые последствия решения...
33272. Элементы налога на имущество организаций и их характеристика 26 KB
  Элементы налога на имущество организаций и их характеристика. Налог на имущество организаций является наиболее весомым в региональных налогах. Плательщиками налога на имущество являются: организации включая банки и кредитные учреждения в том числе с иностранными инвестициями являющиеся юридическими лицами в соответствии с законодательством РФ; филиалы и другие аналогичные подразделения организаций имеющие отдельный баланс и расчетный счет; организации с иностранными инвестициями иностранные компании фирмы международные объединения и...
33273. Элементы транспортного налога и их характеристика 25.5 KB
  Объектом налогообложения являются транспортные средства подлежащие регистрации в соответствии с постановлением Правительства РФ №938 от 12. Налоговой базой является мощность двигателя которая указана в технологическом паспорте транспортного средства в лошадиных силах или киловаттах мощности. Налог исчисляется в рублях с каждой лошадиной силы киловатта мощности каждого транспортного средства по ставкам. Налог уплачивается раз в год по месту нахождения плательщика или регистрации транспортного средства и зачисляется в территориальный...
33274. Элементы налога на имущество физических лиц и их характеристика 25.5 KB
  Элементы налога на имущество физических лиц и их характеристика. Плательщиками налога на имущество физических лиц являются граждане РФ иностранные граждане и лица без гражданства имеющие на территории РФ в собственности движимое и недвижимое имущество. Объектом обложения являются находящиеся в собственности физического лица недвижимое и движимое имущество которое соответственно можно разделить на две группы: 1. При исчислении налога на недвижимое имущество налогооблагаемой базой является оценочная стоимость имущества которая может быть...
33275. Элементы земельного налога и их характеристика 33.5 KB
  Существует несколько форм платы за землю: земельный налог арендная плата нормативная цена земли. Ежегодным земельным налогом облагаются собственники земли землевладельцы и землепользователи кроме арендаторов. Арендная плата взимается за земли переданные в аренду. Для покупки и выкупа земельных участков в случаях предусмотренных земельным законодательством РФ а также для получения под залог земли банковского кредита устанавливается нормативная цена земли.
33276. Упрощенная система налогообложения индивидуальных предпринимателей на основе патента 29 KB
  Под субъектами малого предпринимательства понимаются коммерческие организации одновременно удовлетворяющие следующим условиям: 1 Доля участия РФ субъектов РФ общественных и религиозных организаций и объединений благотворительных и иных фондов в уставном капитале организации не превышает 25; 2 Доля уставного капитала доля уставного капитала принадлежащая одному или нескольким юридическим лицам не являющимся субъектами малого предпринимательства не превышает 25; 3 Среднесписочная численность организации не превышает предельного...
33277. Единый налог на вмененный доход для отдельных видов деятельности и его характеристика 27 KB
  Единый налог на вмененный доход для отдельных видов деятельности и его характеристика. Данный налог введен для обложения сфер деятельности где преобладают наличные денежные расчеты. Базовая доходность условная месячная доходность в стоимостном выражении на ту или иную единицу физического показателя характеризующего определенный вид предпринимательской деятельности в различных сопоставимых условиях которая используется для расчета величины вмененного дохода. Корректирующие коэффициенты базовой доходности коэффициенты показывающие...
33278. Корректирующие коэффициенты и их применение при расчете единого налога на вмененный доход 23 KB
  К3 коэффициентдефлятор соответствующий индексу изменения потребительских цен на товары работы услуги в Российской Федерации Таким образом расчет единого налога на вмененный доход: ЕНВД = БД х Ф х К1 х К2 х В1 В2 х С где БД значение базовой доходности в месяц по осуществлению розничной торговли; Ф физический показатель характеризующий розничную торговлю в каждом месяце налогового периода площадь торгового зала; К1 коэффициентдефлятор; К2 корректирующий коэффициент; В1 фактическое количество дней работы в месяце; В2 ...