Файл: OTIP.pdf

9.3. Структурные методы повышения точности

Существует две группы таких методов: 1) использование устройств защиты системы от внешних воздействий: инерционных, тепловых, магнитных и электромагнитных полей, радиации и др.; 2) использование компенсационных способов: принципа инвариантности, метода модуляции, принципа автоподстройки.

Первая группа реализуется с помощью дополнительных конструктивных устройств или элементов: амортизаторов, термостатов, экранов от магнитных и электромагнитных полей, от радиации.

Рассмотрим более подробно методы, относящиеся ко второй группе.

9.3.1. Использование принципа инвариантности

Принцип инвариантности сформулирован Б.Н. Петровым: динамическая система инвариантна по отношению к возмущениям тогда и только тогда, когда каждое возмущение поступает в систему не менее, чем по двум каналам, один из которых создается для генерирования компенсационных сигналов.

Выходной сигнал измерительного прибора можно представить в виде (2.2):

Разлагая функцию (9.7), как функцию переменных ξ, θ, η, ν, в ряд Тейлора в

Пусть в этом измерительном приборе имеется второй канал, генерирующий сигнал вида

то измерительный прибор будет абсолютно инвариантен к помехам и его выходной сигнал y будет равен истинному значению yo. На рис. 9.1 изображена функциональная схема, поясняющая принцип инвариантности.

123

ξ η θ ν

Реально абсолютной инвариантности нет в силу погрешностей компенсационного канала. Остается малая погрешность недокомпенсации ε, которая на 1–2 порядка ниже некомпенсированных погрешностей.

Рассмотрим одно из технических средств, реализующих принцип инвариантности. Важную группу погрешностей составляют температурные погрешности приборов, отображаемые на рис. 9.1 возмущением θ(t). Для компенсации этих погрешностей применяют различные температурно-зависимые элементы. На рис. 9.2 приведены схемы температурной компенсации, в которых R – компенсируемое сопротивление, например, сопротивление рамки гальванометра.

В схеме с последовательно-параллельным включением (рис. 9.2а) имеются

случае сила тока равна

I =U[Ro + R1 + R2 + Ro R1 ro + (Ro − R1R2 ro )αθ].

Если параметры схемы выбрать из условия компенсации

Ro = R1R2 ro ,

то сила тока I не зависит от температуры θ окружающей среды. Здесь компенсация погрешности достигается за счет некоторого снижения

124

чувствительности прибора. Естественным входом возмущающего сигнала θ является сопротивление R, а компенсационный канал получается за счет воздействия сигнала θ на сопротивление r.

Если для компенсации применяется полупроводниковый термистор с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления Rн = Rнo (1− αoθ) ,

то (рис. 9.2б)

R+ Rн = (Ro + Rнo ) 1+ (αRo −+αo Rнo )θ .

Ro Rнo

Условие полной температурной компенсации будет αRo = αo Rнo . При этом

условии сила тока в приборе не зависит от температуры θ. Поскольку температурный коэффициент αo на порядок больше коэффициента α металлов и

обычно Rн << R , то потеря чувствительности небольшая.

изменяются во времени с частотами, находящимися вне области частот полезного сигнала, обычно, больше наибольшей частоты из этой области.

На рис. 9.3 показана схема прибора, на которой полезный сигнал x, возмущающие сигналы ξ, θ и параметры прибора q пропускаются через модуляторы Mx, Mξ, Mθ, Mq.

ξθ

Fx (ω1 , t)

Если в приборе одновременно распространяются только полезный сигнал x и один из возмущающих сигналов ξ, q или θ, то выражения для сигнала на выходе прибора после модуляции можно представить в виде:

yx (t) = Fx (ω1,t)x(t) + ξ(t) – для модуляции полезного сигнала; yξ(t) = x(t) + Fξ(ω2 ,t)ξ(t) – для модуляции возмущения ξ(t) ; yθ(t) = x(t) + Fθ(ω3,t)θ(t) – для модуляции возмущения θ(t) ; yq (t) = x(t) + Fq (ω4 ,t)q(t) – для модуляции параметров.

125

Предполагается, что Fx (ω1,t) , Fξ(ω2 ,t) , Fθ(ω3,t) и Fq (ω4 ,t) – периодические функции с нулевой постоянной составляющей.

Модулирование сигналов или параметров позволяет получить различные спектры сигналов x, ξ, θ и q, что используется для фильтрации погрешностей.

В системах с чувствительными элементами, имеющими низкочастотные входные сигналы (термопары, светодиоды) осуществляется их модуляция с помощью магнитных усилителей или вибраторов. Это – пример модуляции полезного сигнала.

Пример модуляции возмущающего сигнала: «оживление опор» по оси прецессии гироскопического прибора. Опоры устанавливают в трехколечные подшипники, средние кольца которых заставляют совершать периодические вращения, что приводит к «превращению» постоянных возмущающих моментов (трения) в периодические, при которых угловые скорости уходов гироскопов удается уменьшить на порядок.

9.3.3. Метод автоподстройки

Из-за возмущений, действующих на измерительную систему, параметры могут изменяться с течением времени. И в тех случаях, когда эти изменения удается либо априорно вычислить, либо измерить, можно в результаты измерений системы (т. е. в ее выходные сигналы) внести коррекцию и тем самым повысить точность. В этом суть метода автоподстройки.

Рассмотрим схему автоподстройки параметров в измерительном усилителе переменного тока (рис. 9.4).

Коэффициент усиления усилителя K(q) + K(q,u) изменяется в процессе измерения вследствие нестабильности его параметров q. В цепь усилителя включено устройство, дающее дополнение K(q,u) к коэффициенту K(q) . Величина K(q,u) может принимать положительные или отрицательные значения в зависимости от изменения параметра u. При номинальном значении коэффициента усиления Ko связь напряжений на входе Uвх и выходе Uвых однозначна Uвых = KoUвх . Выходное напряжение Uвых подается на делитель

напряжения ДН в такой пропорции, чтобы часть его, поступающая на вычислитель В, была равна входному напряжению Uвх . Если вследствие

126

параметр u. Изменение параметра u, а следовательно, и K будет происходить до тех пор, пока не будет достигнуто условие U = 0. Переменная часть коэффициента усиления реализуется в виде управляемого элемента, включаемого в цепь усилителя. В качестве управляемых элементов используются: термо- и фоторезисторы, преобразователи Холла, управляемые диоды и др.

Для автоподстройки и определения величин реальных параметров прибора используют также тестовые (эталонные) сигналы: такие сигналы подают на вход и измеряют выходные сигналы при реальных параметрах прибора, при этом величины выходных сигналов для номинальных значений параметров должны быть известны, затем на основе уравнений функционирования системы определяют значения реальных параметров.

Метод автоподстройки применяется при измерении медленных процессов, например, для повышения точности измерительных усилителей, коэффициенты усиления которых изменяются из-за нестабильности параметров.

9.4. Алгоритмические методы повышения точности

Суть этих методов заключается в обработке сигналов внутри прибора или вне его. Рассмотрим три группы таких методов: 1) статистической обработки; 2) образцовых мер; 3) тестовых (эталонных сигналов).

9.4.1. Метод статистической обработки измерений

Существуют три варианта схемных решений, реализующих этот метод.

Схема с временным разделением каналов (рис. 9.5). Схема включает прибор П, вычислитель В и ключ К.

Рис. 9.5. Схема с временным разделением каналов

В результате n измерений величины x получают n значений выходной

o

величины Y1, Y2, …, Yn с погрешностями Y i , т. е.

o

Yi = y +Y i , i =1, n ,

где y – точное значение.

Затем в вычислителе В определяют среднее арифметическое значение выходной величины

127