Рис. 2.1. Измерительный преобразователь

щение указателя. Основным источником погрешности измерения служит, «ак правило, измерительный преобразователь.

Зависимость выходного параметра ИП У от измеряемого напряжения Ux имеет вид

YSUx, (2.1)

где S - коэффициент передачи ИП, зависящий в общем случае от напряжения Ux.

Значение S зависит также от влияющих величин (например, от температуры окружающей среды) и неинформативных параметров измеряемого сигнала (частота, форма кривой).

Методы повышения точности ИП условно можно подразделить на конструкторско-технологические (амортизация, теплоизоляция, термостатирование, а также использование наиболее стабильных деталей, материалов и соответствующей технологии изготовления), и структурно-алгоритмические, заключающиеся в изменении структуры и алгоритма работы ИП. В последнем случае речь идет о добавлении специальных цепей для коррекции погрешностей преобразователей.

Известно, что для коррекции погрешностей ПСЗН его структурная схема должна содержать не менее .двух каналов. Это утверждение вытекает из принципа двухканальности, сформулированного акад. Б. Н. Петровым в теории инвариантности систем автоматического регулирования [54]. Иными словами, алгоритм работы ПСЗН должен обеспечивать получение кроме основного уравнения преобразования (2.1) еще одного как минимум дополнительного уравнения. Решение системы двух уравнений позволяет в значительной степени исключить влияние коэффициента передачи S на результат измерения. Заменив, например, напряжение Ux на входе ИП (рис. 2.1) известным образцовым напряжением Uo, получим

Yx = SUo. . (2.2)

Если коэффициент передачи 5 не зависит от входного напряжения, то из (2.1) и (2.2) можно найти Ux=UoYjYi. Погрешность измерения напряжения Ux в этом случае определяется погрешностями измерения величин У и У1 и оценки образцового напряжения Uo, которые могут быть определены с высокой точностью.

Обычно коэффициент передачи ИП зависит от входного напряжения, т. е. на погрешность измерения .влияют аддитивная погрешность и нелинейность характеристики ИП. Их влияние уменьшается, если образцовое напряжение UoUx.

Структурно-алгоритмические методы повышения точности измерения СЗ напряжения отличаются только способом получения дополнительных уравнений и решением системы уравнений.

в зависимости от временной последовательности преобразования входных сигналов различают структурные схемы ПСЗН с одновременным (с пространственным разделением каналов), разновременным (с временным разделением каналов) и периодическим вводом сигналов на вход преобразователя.

Схемы преобразователей, описываемые уравнениями (1.4), (1.6), (1.7), являются двухканальными. В табл. 1.1 показаны варианты этих схем с одновременным вводом входных сигналов. Возможны также варианты этих схем с разновременным и периодическим вводом входных сигналов. Одноканальные структурные схемы (1, 4-6, табл. 1.1) могут быть также преобразованы в двухканальные с одновременным, разновременным и периодическим вводом входных сигналов. Таким образом, все известные схемы преобразователей или являются двухканальными, или могут быть преобразованы в двухканальные с одновременным и периодическим вводом входных сигналов. Применение структурно-"алгоритмических методов позволяет существенно улучшить точность ПСЗН, но наибольший эффект дает сочетание данных методов с конструкторско-технологическими методами.

Рассмотрим более подробно основные структурно-алгоритмические методы повышения точности ПСЗН.

2.2. Метод компарирования

Методом компарирования называют метод сравнения двух одинаковых или близких по величине сигналов при помощи ИП, одинаково реагирующего на эти сигналы, причем измеряемый переменный сигнал сравнивается с сигналом, значение которого известно или может быть измерено с высокой степенью точности. Сравнение обоих сигналов осуществляется при каждом измерении. Измеряемое переменное напряжение обычно сравнивают с постоянным или переменным напряжением прямоугольной формы.

Приборы, основанные па методе компарирования, называют компараторами.

Компараторы, предназначенные для сравнения напряжений.

По способу сравнения, положенному в основу их действия, можно разделить на:

компараторы одновременного сравнения. В них одновременно сравниваются два напряжения, одно из которых является функцией СЗ входного (измеряемого) напряжения, а другое (уравновешивающее) - или функцией выходной величины ИП, или опорным напряжением постоянного тока;

компараторы разновременного сравнения. В отличие от компараторов одновременного сравнения в них те же самые два напряжения сравниваются поочередно.

В компараторах одновременного сравнения измеряемое и уравновешивающее напряжения поступают на вход сравнивающего устройства по двум различным каналам. Неодинаковое изменение коэффициентов передачи этих каналов, обусловленное, например,

изменением влияющих величин, приводит к погрешности измерения- В компараторах разновременного сравнения измеряемое и уравновешивающее напряжения поступают на вход сравнивающего устройства последовательно по одному и тому же каналу. Поэтому изменение коэффициента передачи этого канала практически не влияет на погрешность измерения. Влияние оказывает только изменение коэффициента передачи канала за интервал времени между измерением входного и уравновешивающего напряжений. Поэтому компараторы разновременного сравнения превосходят компараторы одновременного сравнения по точности, хотя и уступают им в быстродействии.

Метод разновременного компарирования по существу представляет собой метод замещения и является наиболее точным методом измерения СЗН. Практические реализации этого метода различны и существенно различаются по метрологическим характеристикам.

Компараторы изготовляют как с ручным, так и с автоматическим уравновешиванием. Компараторы с ручным уравновешиванием применяют при прецизионных измерениях [27]. При технических измерениях используют компараторы с автоматическим уравновешиванием, так как они более удобны в эксплуатации и, главное, значительно превосходят компараторы с ручным уравновешиванием :по быстродействию. Поэтому в дальнейшем ограничимся рассмотрением компараторов с автоматическим уравновешиванием.

Компараторы одновременного сравнения. Подразделяют на гсомпараторы со следящим и с постоянным уравновешивающим напряжением. Компараторы со следящим уравновешивающим напряжением измеряют СЗН на основе решения уравнения (1.4), Схемы компараторов (схемы 2 и 3) приведены в табл. 1.1. В обеих схемах постоянное напряжение, пропорциональное квадрату СЗ входного напряжения, уравновешивается на входе сравнивающего устройства постоянным напряжением, пропорциональным квадрату выходного сигнала. В качестве сравнивающего устройства во всех схемах, приведенных в табл. 1.1, используют ОУ.

В схеме 2 умножители Ум1 и Ум2 работают в режиме квадратов, поэтому в качестве умножителей возможен широкий круг электротепловых, электромеханических и электрических ИП. Из электротепловых преобразователей в схеме 2 наибольшее распространение получили термоэлектрические преобразователи. Применение подогреваемых сопротивлений и оптронов, состоящих из дампы накаливания и фотосопротивления, ограничено из-за нестабильности их характеристик.

Большинство электромеханических преобразователей обладает резко выраженной зависимостью коэффициента передачи от частоты. Для измерения переменного напряжения в широком диапазоне частот могут быть использованы только электростатические измерительные преобразователи. Из электромеханических преобразователей в схеме 2 применяют квадрантный электрометр, который