Исследование емкостно-диодной измерительной схемы

    В ряде случаев напряжение питания ограничивается допустимыми силами электростатического притяжения между пластинами. В одинарном преобразователе при диаметре пластины d =25 мм, зазоре d = 0,1 мм и напряжении U = 50 В значение электростатической силы достигает f_эс = U ²e S /( 2d ² ) = 6*10^-4  H .

    В дифференциальном преобразователе  с переменном зазором (см. рис. 2, д), силы, действующие между парами пластин, направлены встречно и компенсируют друг друга. Однако полная компенсация возможна только, если входное сопротивление цепи, включенной в диагональ моста, бесконечно велико и рабочие емкости ничем не шунтируются. В этом случае уменьшение или увеличение зазора напряжения между соответствующими пластинами; сила, действующая между ними, остается неизменной, т. е. разность сил равна нулю независимо от перемещения средней пластины.

    Для расширения диапазона измерения  и возможного размещения измеряемых емкостей на значительном расстоянии друг от друга в схему с кольцевым  диодным детектором целесообразно  добавить еще один накопительный  конденсатор и резистор в цепи разряда измеряемой емкости [2]. В данной курсовой работе исследуется такая емкостно – диодная измерительная схема показанная на рис. 7.

Рис. 7. Емкостно-диодная измерительная схема 
 
 

Подготовка  к эксперименту

    Подготовка  алгоритмов решения  задач измерений

    Для исследования емкостно-диодной измерительной схемы для начала надо определить к каким конечным целям это исследование можно отнести. В зависимости от конечных целей измерение, можно разделить:

    1) научные;

    2) технические

    Научные измерения являются составной частью научных экспериментов. Они необходимы для установления качественных и  количественных соотношений для  ранее неизвестных ситуаций, для  сопоставления и построения новых  гипотез и теорий. Задача измерения  в этом случае формулируется неполно. К научным следует отнести и такие измерения, проводимые в лабораториях и на производстве, когда известны и объем измерения, и измеряемая величина, и измерительная система, но неизвестны условия проведения измерений.

    При технических измерениях задача формулируется  полно и однозначно, возможность ее решения гарантируется.

    Решение задачи научного измерения - это поисковая  проблема. Напротив, решение задач технических измерений - это часто повторяющиеся процедуры, и соответственно этому должны быть организованы процессы измерений в производственных условиях.

    Из  этого следует, что исследование емкостно-диодной измерительной  схемы следует отнести к техническим  измерениям.

    Строгость принципов построения алгоритмов ограничивает их применение для процессов решения  задач в измерительной технике. Однако возможна разработка алгоритмических программ измерений, которые, сохраняя некоторые важные черты алгоритмов (определенность, конечность, массовость, результативность), отвечали бы менее строгим требованиям к ним. Для этого имеются следующие предпосылки:

    1). Операции, выполняемые при решении  задач измерений, подчиняются  определенным закономерностям.

    2). Последовательность операций при  решении задачи измерения определяется не видом измеряемой величины и не объектом измерения, а общей характеристикой задачи, соответствующей конечной цели измерения.

    3). Множество задач, возникающих  при такой классификации, является  конечным.

    4). Комплексная задача разбивается  на ряд частных, которые можно  формализовать и решать последовательно с учетом их взаимовлияния.

    5). При решении задач измерений  накапливается опыт.

    6). Можно составлять программы измерений  для определенного круга пользователей.

    Программа измерения представляет собой конечное число соподчиненных действий и  актов принятия решений и имеет  определенную область применения для  определенного круга специалистов. Она полностью описывает процесс  решения задачи измерения.

    Методы  уменьшения погрешностей измерений

    Способы обнаружения и устранения систематических  погрешностей зависят от вида измеряемой физической величины, используемых методов  и средств измерений.

    К основным методам уменьшения погрешностей относятся:

    1). Метод инвертирования;

    2). Метод замещения;

    3). Метод вспомогательных измерений;

    4). Метод симметричных наблюдений. 

    Выявление и устранение причин возникновения погрешностей 

    Наиболее  распространенный способ уменьшения всех видов систематических погрешностей. Примерами таких способов являются:

    - термостатирование отдельных узлов или прибора в целом, а также проведение измерений в термостатированных помещениях для исключения температурной погрешности;

    - применение экранов, фильтров  и специальных цепей (например, эквипотенциальных цепей) для устранения погрешностей от влияния электромагнитных полей, наводок и токов утечек;

    - применение стабилизированных источников  питания;

    - амортизация приборов;

    - удаление средств измерений и  объектов исследования от источников  влияющих воздействий;

    - исключение из измерительной  цепи материалов, создающих большую термо-ЭДС в паре с медью, например никеля, который в паре с медью создает термо-ЭДС 19 мкВ/К.

    При аттестации высокоточных мер магнитной  индукции производят компенсацию магнитного поля Земли трехкомпонентной системой катушек с током. Погрешность от термо-ЭДС можно исключить путем включения в цепь термопары, которая компенсирует паразитную термо-ЭДС.

    Для уменьшения прогрессирующей погрешности  от старения элементов (резисторы, растяжки, постоянные магниты и др.) их параметры стабилизируют путем искусственного и естественного старения.

    Систематические погрешности можно также уменьшить  рациональным расположением средств измерений по отношению друг к другу, к источнику влияющих воздействий и к объекту исследования. Например, магнитоэлектрические приборы должны быть удалены друг от друга, оси катушек индуктивностей должны располагаться под углом 90^o, выводы термопары располагаются по изотермическим линиям объекта.

    Многие  систематические погрешности, являющиеся не изменяющимися во времени функциями  влияющих величин или обусловленные  стабильными физическими эффектами, могут быть теоретически рассчитаны и устранены введением поправок или использованием специальных корректирующих цепей. Расчетным путем можно также определить ряд погрешностей взаимодействия, например погрешность от собственного потребления мощности средством измерения.

    Радикальным способом устранения систематических  погрешностей является поверка средств  измерений в рабочих условиях с целью определения поправок к результатам измерений. Это  дает возможность учесть все систематические  погрешности без выявления причин их возникновения.

    Степень коррекции систематических погрешностей в этом случае зависит от метрологических  характеристик используемых образцовых приборов и случайных погрешностей поверяемых приборов. 

    Метод инвертирования

    Используется для устранения ряда постоянных и медленно изменяющихся систематических погрешностей. Этот метод известен также под названиями:

    - метода исключения погрешности  по знаку;

    - метода коммутационного инвертирования;

    - метода структурной модуляции;

    - метода двукратных измерений;

    -метода  инвертирования функций преобразования  и др.

    Все эти методы основаны на выделении  алгебраической суммы четного числа  сигналов измерительной информации, которые вследствие инвертирования отличаются направлением информативного сигнала, опорного сигнала или знаком погрешности.

    Близок  к методу инвертирования метод модуляции-демодуляции, при котором, по существу, производятся периодическое инвертирование входного сигнала и подавление помехи, имеющей однонаправленное действие.

    Распространенным  вариантом метода инвертирования является метод исключения погрешности по знаку. Он часто применяется для исключения известных по природе погрешностей, источники которых имеют направленное действие. При использовании этого метода два измерения выполняются так, чтобы постоянная систематическая погрешность входила в результаты измерений с разными знаками. Этого можно достигнуть изменением знака погрешности при неизменном значении измеряемой величины или инвертированием входного сигнала при сохранении знака и значения систематической погрешности.

    Первый  способ используется в том случае, если можно изменить знак или направление  систематической погрешности. Например, для исключения влияния внешнего магнитного поля на показания прибора  или на параметры меры изменяют знак погрешности путем поворота прибора на 180⁰. Этот же способ используется в астазированных средствах измерений, содержащих два идентичных преобразователя, оси направленности которых расположены под углом 180o. Полностью устранить рассматриваемую погрешность можно только в том случае, если внешнее поле однородно и вектор магнитной индукции направлен коллинеарно с осью направленности прибора. Не исключенные систематические погрешности от неточного выполнения этих условий в ряде случаев можно теоретически оценить.

    Способ  инвертирования входного сигнала широко используется для коррекции аддитивных погрешностей, не зависящих от направления измеряемой величины (например, погрешности нуля в приборах с нулем посредине шкалы, погрешностей от термо-ЭДС, внешнего магнитного поля и других), а также некоторых мультипликативных погрешностей средств измерений (например, погрешности линейности, обусловленной значениями четных производных функции преобразования).

    Методы  инвертирования широко используются для  уменьшения погрешностей современных средств измерений. Этому способствует развитие измерительных преобразователей с дифференциальными входами, а также быстродействующих коммутаторов и сумматоров в микроэлектронном исполнении. 

    Метод замещения (метод разновременного сравнения)

    Является  наиболее универсальным, дает возможность  устранить большинство систематических  погрешностей. Измерения осуществляются в два приема.

    Сначала по отсчетному устройству прибора делают отсчет измеряемой величины, а затем, сохраняя все условия эксперимента неизменными, вместо измеряемой величины на вход прибора подают известную величину, значение которой с помощью регулируемой меры (калибратора) устанавливают таким образом, чтобы показание прибора было таким же, как при включении измеряемой величины. За результат измерения принимается значение известной величины, определяемое по входному коду меры.

    Метод замещения широко используется для  повышения точности измерений ряда величин, например, для определения  массы с помощью не очень точных весов и набора гирь, для точных измерений сопротивлений, индуктивностей, емкостей и других величин, для которых  существуют точные регулируемые меры. Метод обеспечивает в ряде случаев  существенное повышение точности, поскольку  точность мер обычно выше точности других средств измерений. Разновидностью метода замещения является метод разновременного компарирования, который используется при измерениях таких величин, которые нельзя с высокой точностью воспроизводить при помощи регулируемых мер или других технических средств.

    Обычно  это величины, изменяющиеся с высокой  частотой или по сложному закону. В  качестве известных регулируемых величин  при этом используются величины такого же рода, как измеряемые, но отличающиеся от них спектральным составом (обычно постоянные во времени и в пространстве) и создающие такой же, как и измеряемая величина, сигнал на выходе компарирующего преобразователя.