Измерительных преобразователях

С такой же высокой точностью, в принципе, могут выполняться геофизические измерения электрических, магнитных, световых, тепловых, гравитационных, акустических и радиационных полей. Однако проведение высокоточных измерений в полевых условиях —• очень сложная, не всегда разрешимая задача. Это обусловлено сравнительной малостью полезных (аномальных) компонентов полей, вызываемых неоднородностями в строении или составе слоев горных пород, большими помехами и шумами естественного или производственного происхождения, самопроизвольными случайными флюктуациями самих геофизических полей, значительными изменениями внешних условий (температуры, давления и влажности), существенной систематической погрешностью (обусловленной невозможностью строго соблюдать расстояние между токами наблюдений, строго выдерживать ориентацию первичных измерительных преобразований) и т. д.

В книге рассмотрены современные методы электрических измерений на основе обобщения сведений об измерительных преобразователях: аналоговых, аналого-цифровых, цифровых и цифроаналоговых. Даны общие сведения об уравнении измерений и погрешностях результатов измерения, проведена классификация и последовательное описание типовых измерительных преобразований, а также основных методов повышения точности и помехоустойчивости измерений. Приведены основные сведения о метрологическом обеспечении электрических измерений.

Развитие современной измерительной техники, ориентированной на обеспечение решения проблемы автоматизации управления самыми различными процессами (технологическими, испытательными, исследовательским^:, диагностическими и т. п.), сопровождается бурным ростом многообразия видов измерений при неуклонном расширении диатазонов измерений и повышении быстродействия и точности. Основная предпосылка для расширения функциональных возможностей и принципиальная особенность современной измерительной техники заключается во введении в измерительную цепь программируемой вычислительной мощности преимущественно в виде микропроцессорного устройства или микро-ЭВМ. Переход о г цифровых измерительных приборов и устройств к процессорным измерительным средствам (ПрИС) привел к. тому, что измерительное устройство составляется объединением двух чаете!! — аппаратной я программной, так как значительная часть измерительной процедуры в них реализуется в числовой форме, т. е, •; помощью измерительных преобразований числовых массивов,

Таким образом, развивая приведенное выше определение метода измерений, приходим к следующему: метод измерений характеризуется последовательностью измерительных преобразований, в которую обязательно входят сравнение, аналого-цифровое преобразование и масштабирование, а также при необходимости дополнительные преобразования, выполняемые в аналоговой или в числовой форме, и цифро-аналоговое преобразование. При этом аналого-цифровое преобразование связывает аналоговые

К числу типовых дополнительных измерительных преобразований, выполняемых в аналоговой форме, относятся:

согласование полных сопротивлений в целях уменьшения искажений входных воздействий и результатов измерительных преобразований;

Следует подчеркнуть, что и приведенные перечни аналоговых и числовых измерительных преобразований включены лишь наиболее распространенные виды преобразований. Этот перечень может быть существенно расширен, ибо многообразие измерительных преобразований неисчерпаемо: дискретизация и модуляция сигналов, стробирование и т. д.

Из указанного многообразия измерительных преобразований и сложности составляемых на ях основе измерительных процедур вытекает потребность в систематизированном и взаимосвязанном описании возможных методов измерений. Этим обеспечивается возможность проведения метрологического анализа результатов измерения, выполнения синтеза измерительных цепей с формированием необходимого для функционирования ПрИС измерительного программного обеспечения. Наличие методологии решения перечисленных задач создает предпосылки для структурной, алгоритмической и параметрической оптимизации измерительных средств.

т. е. числовые измерительные преобразования представляются последовательностью элементарных числовых измерительных преобразований, выполнение каждого из которых сопровождается в общем случае округлением полученного результата из-за ограниченности разрядности процессора. Элементарное числовое измерительное преобразование представляется так:

а формирование именованного числа (отсчет), представляющего результат измерения, произвести на основе априорной информации о значении ф0, выраженном через принятое единичное значение фг. Таким образом, измерительная процедура к данном случае представляет собой последовательность двух измерительных преобразований — сопоставления (сравнения) и отсчета (масштабирование, выражение результата в принятых единицах).

Операция масштабирования должна проводиться с учетом всех выполняемых измерительных преобразований. Так, применительно к измерению температуры : помощью измерительной цепи, представленной на 1.1, масштабирование обеспечивает приведение результата аналого-цифрового преобразования к принятой единице температуры с учетом вида градуировочной характеристики датчика и коэффициента, характеризующего унифицирующее преобразование (нормализацию),

измерительных преобразователях (ИП) тока и напряжения и исполнительных органах защиты. В соответствии с существующими определениями аналого-цифровые преобразователи следует отнести к формирующей части измерительных органов. В результате выполнения алгоритмов релейной защиты вырабатывается признак о ее срабатывании или несрабатывании, который через цифроаналоговые преобразователи поступает из микроЭВМ в виде управляющих сигналов на исполнительные органы защиты. Существенным является то, что алгоритмы выполняются в реальном масштабе времени.

В книге рассмотрены современные методы электрических измерений на основе обобщения сведений об измерительных преобразователях: аналоговых, аналого-цифровых, цифровых и цифроаналоговых. Даны общие сведения об уравнении измерений и погрешностях результатов измерения, проведена классификация и последовательное описание типовых измерительных преобразований, а также основных методов повышения точности и помехоустойчивости измерений. Приведены основные сведения о метрологическом обеспечении электрических измерений.

В аналоговых и аналого-цифровых измерительных преобразователях находят применение методы компенсации погрешностей способом составных параметров и использованием кэмпенсирую-щего преобразователя с полной и неполной компенсацией. Наиболее широко применяется способ составных параметров, который в отличие от способа применения цепи отрицательной обратной связи не является универсальным, так как для уменьшения действия каждой влияющей величины в ИП необходимо вводить отдельные дополнительные элементы, уменьшающие влияние только одной конкретной величины.

Широкое использование электрических и электронных схем к изме])ительиых преобразователях привело к тому, что различ-j ые приборы и узлы приборов работают в непосредственной близости друг от друга и возрастает их взаимное отрицательное влия-i ие. Применение интегральных схем приводит к уменьшению { азмеров оборудования, в то же время с ростом сложности при-Соров все больше схем сосредоточивается в малом объеме, что приводит к увеличению взаимных помех 62]. От разработчиков аппаратуры требуется не только сделать свои приборы работоспособными в идеальных лабораторных условиях, но и необходимо гарантировать работоспособность аппаратуры в реальных условиях, т. е, при наличии Еблизи нее другого оборудования, с'то означает, что на аппаратуру не должны оказывать влияние J сточники внешних шумов и сама она не должна являться источ-1 иком шума. Методы, при помощи которых можно устранить или }меньшить взаимные! помехи в измерительных преобразователях, можно разделить на два класса.

Наука об измерительных преобразователях еще сравнительно молода, и в настоящее время отсутствует общепринятая классификация. Существует несколько индивидуальных подходов к классификации ИП, преследующих главным образом одну цель — систематизацию накопленных данных для облегчения их изучения и использования.

В измерительных преобразователях используются различные виды ионизирующих излучений (а-, (3-, у-излучения, нейтронное и рентгеновское излучения), а- и р1-излучения представляют собой потоки

И, наконец, метод промежуточной модуляции, который показан на 17-12, в, может быть применен при любых измерительных преобразователях и любой измерительной цени, работающих на постоянном токе. Здесь напряжение ?/__ несущей частоты / поступает в специальный промежуточный модулятор, где модулируется постоянным выходным напряжением (/_. измерительной цепи. Полученное в результате этого модулированное напряжение Uf несущей частоты усиливается усилителем переменного тока.

В измерительных преобразователях используются различные виды ионизирующих излучений (а-, Р-, у-излучения, нейтронное и рентгеновское излучения), а- и Р-излучения-представляют собой потоки

Имеется, однако, более важная глубинная связь между энергетическими затратами и результатами измерения. Дело в том, что преобразование измеряемых величин в сигналы, преобразование сигналов в измерительных преобразователях происходит по принципу элементарного отображения: «воздействие (сила)»— «реакция (движение, изменение состояния)». Иными словами, в измерительных преобразователях передача информации немыслима без преобразования энергии. Это значит, что при анализе работы пре-42

оценить его энергетические возможности и качество, определить такие характеристики, как чувствительность и другие. [Л. 2-34]. Полезные результаты при анализе энергетических соотношений в измерительных преобразователях были получены применительно к электромеханическим преобразователям [Л. 2-34—2-37]. Например, было установлено [Л. 2-35], что чувствительность и быстродействие магнитоэлектрических гальванометров (при использовании существующих материалов) не могут быть повышены без увеличения потребляемой "энергии от источника информации.

Сведения об измерительных преобразователях приведены в табл. П4.7.