11.1. Структурная схема прямого преобразования

По структурной схеме прямого преобразования построены многие электрорадиоизмерительные приборы: вольтметры, ваттметры, частотомеры и т.п. Отличительная черта схемы прямого преобразования (рис. 3.1) состоит в том, что все преобразования производятся в прямом направлении – предыдущие величины преобразуются в последующие и отсутствует преобразование в обратном направлении, т. е. преобразование последующих величин в предыдущие.

Рис. 3.1. Структурная схема прямого преобразования:

K₁, K₂,..., K_n – звенья с коэффициентами преобразования K₁, K₂,...,K_n

Входной сигнал U_ВХ, несущий информацию об измеряемой величине, последовательно преобразуется в промежуточные сигналы U₁, U₂, ... U_n-1 и в выходной сигнал U_ВЫХ. Сигналы U_ВХ, U₁, U₂, ... U_n-1 могут представлять собой гармонически изменяющееся напряжение или ток. Поэтому коэффициент преобразования в общем виде выражается комплексным числом. Если предположить, что звенья считаются линейными, то

(3.1)

Рис. 3.2. Обобщенная структурная схема ЦИП

Для измерительных приборов, имеющих структурную схему прямого преобразования, происходит суммирование погрешностей, вносимых отдельными звеньями. Поэтому для достижения высокой точности прибора требуется и высокая стабильность отдельных звеньев.

11.2. Структурная схема уравновешивающего преобразования

Особенность схемы состоит в том, что выходная величина U_вых подвергается обратному преобразованию в величину U_rn', однородную с входной величиной U_вх, и почти полностью уравновешивает ее, в результате чего на вход цепи прямого преобразования поступает только небольшая часть ΔU преобразуемой входной величины U_вх. Другими словами, используется отрицательная обратная связь.

Возможны два режима работы: режим неполного уравновешивания и режим полного уравновешивания.

При полном уравновешивании ΔU = U – U′_m = 0. Это возможно, если в цепи прямого преобразования имеется интегрирующее звено с функцией преобразования. Измерительные устройства с ручным уравновешиванием можно также рассматривать как имеющие структурную схему уравновешивающего преобразования с полным уравновешиванием.

Коэффициент преобразования (чувствительность) прибора полностью определяется цепью обратного преобразования и не зависит от цепи прямого преобразования.

Мультипликативная погрешность обусловлена только цепью ОС. Аддитивная погрешность измерительных приборов с полным уравновешиванием почти полностью обусловливается порогом чувствительности звеньев. Под порогом чувствительности звена понимают минимальный сигнал на входе, способный вызвать сигнал на выходе.

Средства измерений могут иметь комбинированные структурные схемы, т.е. схемы, содержащие цепь прямого преобразования, ряд звеньев которого охвачены отрицательной обратной связью.

12. Основные метрологические характеристики средств измерений

Метрологическими характеристиками средств измерений называются их характеристики, оказывающие влияние на результаты и погрешности измерений. Они предназначены для оценки погрешностей измерений, производимых в известных рабочих условиях применения средств измерений как в статическом, так и в динамическом режимах. Для рабочих средств измерений информация об их метрологических характеристиках содержится в нормах, которые устанавливаются в нормативно-технических документах для совокупности приборов данного типа.

В настоящее время нормирование метрологических характеристик средств измерения электрических величин основывается на ряде документов законодательной метрологии, прежде всего на ГОСТ 8.401-80 «ГСИ. Классы точности средств измерений. Общие требования», ГОСТ 22261-94 «Средства измерения электрических величин. Общие технические требования», а также ГОСТ 8.009-84 «ГСИ. Нормируемые метрологические характеристики средств измерений».

К нормируемым метрологическим характеристикам средств измерений относят номинальное значение однозначной меры, номинальную статическую характеристику преобразования (уравнение преобразования) измерительного преобразователя, наименьшую цену деления неравномерной шкалы измерительного прибора, номинальную цену единицы младшего разряда кода цифровых средств измерений, характеристики систематической и случайной составляющих погрешности средства измерений, входное и выходное полные сопротивления, характеристики влияния внешних условий, характеристики инерционных свойств (динамические характеристики), неинформативные параметры входного сигнала и др.

Для средств измерений устанавливаются нормальные и рабочие условия применения.

Нормальные условия характеризуются нормальной областью значений влияющих величин, характеризующих климатические воздействия и электропитание средств измерений: температура окружающего воздуха (20±5) °С, относительная влажность (65±15) %, атмосферное давление (100±4) кПа, напряжение питающей сети (220±4) В, частота питающей сети (50±1) Гц и (400±12) Гц.

Рабочие условия характеризуются рабочей областью значений влияющих величин, характеризующих климатические и механические воздействия и электропитание средств измерений. По величине рабочей области климатических воздействий средства измерений делятся на семь групп. Например, температура для различных групп лежит в пределах +10 ... –70 °С.

Нормальные и рабочие значения всех влияющих величин устанавливаются в стандартах или технических условиях на средства измерения конкретного вида.

Для средств измерений отдельно нормируются погрешность в нормальных условиях применения и погрешности, имеющие место при выходе влияющих величин за пределы нормальной области, но остающихся в пределах рабочей области. Погрешность средства измерения в нормальных условиях применения называется основной. Погрешность средства измерения, обусловленная отклонением одной из влияющих величин от нормального значения, называется дополнительной. Основная погрешность нормируется пределом допускаемой погрешности Δ_доп, как правило, без разделения на систематическую и случайную составляющую.

Пределы допускаемых основных и дополнительных погрешностей устанавливаются в виде абсолютных Δ, приведенных Δ_пр и относительных δ погрешностей.

Приведенной погрешностью δ_пр называется отношение абсолютной погрешности Δ к нормирующему значению и выражается в процентах

Способы выражения основной и дополнительных погрешностей через абсолютную, приведенную или относительную погрешности устанавливаются в стандартах на отдельные группы средств измерений. В зависимости от их точности средствам измерений присваиваются классы точности. Классы точности обозначаются с помощью ряда чисел: 1·10ⁿ; 1,5·10ⁿ; 2·10ⁿ; 2,5·10ⁿ; 4·10ⁿ; 5·10ⁿ; 6·10ⁿ, где n = 1; 0; –1; –2 и т.д.

Примеры обозначения классов приведены в табл. 4.1.

Таблица 4.1

Обозначение классов точности

Форма выражения погрешности	Предел основной допускаемой погрешности	Обозначение класса Точности
Абсолютная погрешность	Указывается в нормативно-технической документации	Кл. 2
Абсолютная погрешность (выражена в логарифмических единицах)	 = 0,5 дБ	Кл. 0,5 дБ
Приведенная погрешность (нормирующее значение выражено в единицах измеряемой величины)	пр = 1,5 %	1,5
Приведенная погрешность (нормирующее значение принято равным длине шкалы)	пр = 0,5 %	0,5
Относительная погрешность, постоянная	 = 1 %	1,0
Относительная погрешность	 = 0,2+0,01	0,02/0,01