Исследование емкостно-диодной измерительной схемы

    Другой  разновидностью метода замещения является метод образцовых сигналов, заключающийся в том, что на вход средства измерения периодически вместо измеряемой величины подаются образцовые сигналы такого же рода, что и измеряемая величина.

    Разность  между реальной и номинальной  градуировочными характеристиками используется для коррекции чувствительности или для автоматического введения поправки в результат измерения. При этом, как и в методе замещения, устраняются все систематические погрешности, но только в тех точках диапазона измерения, которые соответствуют образцовым сигналам.

    Метод широко используется в современных  точных цифровых приборах и в информационно-измерительных  системах. Характерным примером метода образцовых сигналов является периодическая подстройка рабочего тока в компенсаторах и цифровых вольтметрах постоянного тока при помощи нормального элемента.

    К методу образцовых сигналов примыкает  тестовый метод. Здесь значение измеряемой величины определяется по результатам  нескольких наблюдений, при которых в одном случае входным сигналом средства измерения является сама измеряемая величина Х, а в другом - так называемые тесты, являющиеся функциями измеряемой величины, например

    X1 = X + ΔX;

    X2 = a · X;

    X3 = (X + ΔX)/b.

    Здесь ΔX - известное приращение величины, создаваемое мерой; a, b - постоянные коэффициенты.

    Тестовые  методы можно использовать для коррекции  систематических погрешностей при измерениях различных физических величин. Эффективность этих методов зависит от погрешности воспроизведения величины ΔX и наличия случайных погрешностей. 

    Метод вспомогательных  измерений 

    Используется  для исключения погрешностей от влияющих величин и неинформативных параметров входного сигнала. Для реализации этого метода одновременно с измеряемой величиной Х при помощи вспомогательных измерительных устройств производится измерение каждой из влияющих величин и вычисление при помощи вычислительного устройства, а также формул и алгоритмов влияния поправок ΔXi к результатам измерений. Широкому использованию метода вспомогательных измерений способствует быстрое развитие средств измерений со встроенными микропроцессорами. Объектами вспомогательных измерений являются не только влияющие величины, но и неинформативные параметры входного сигнала.

    Этот  метод является составной частью многих структурных методов коррекции погрешностей. 

    Метод симметричных наблюдений

    Заключается в проведении многократных наблюдений через равные промежутки времени и усреднении результатов наблюдений, симметрично расположенных относительно среднего наблюдения. Обычно этот метод применяется для исключения прогрессирующих погрешностей, изменяющихся по линейному закону.

    Метод симметричных наблюдений можно использовать для устранения других видов погрешностей, например систематических погрешностей от влияющих величин, изменяющихся по периодическому закону. В этом случае симметричные (периодические) наблюдения проводят через половину периода, когда погрешность имеет разные знаки, но одинаковые значения. Таким путем можно, например, исключить погрешность от наличия четных гармоник при измерении амплитудного значения напряжения и искаженной форме кривой.

    Все рассмотренные методы направлены на выявление и уменьшение погрешностей измерений. Эта цель достигается за счет усложнения эксперимента, применения более сложных и дорогостоящих средств измерений, например, микропроцессорных приборов или измерительно–вычислительных комплексов. 

    Построение  технологической  карты для обобщенной программы подготовки к проведению измерений. 

 

    Технологическая карта для обобщенной программы подготовки к проведению измерений 

  P01      Старт

  P02      Задача измерения

  P03      Понятна ли формулировка задачи измерения?

  P04      Заново сформулировать задачу измерения

  P05      Можно ли получить искомую информацию только из результатов

              измерений?

  P06      Является ли измерение более экономичным, чем поиск результата в

              литературных источниках?

  P07      Заменить измерение изучением литературных источников

  P08      Известен ли носитель информации?

  P09      Решение задачи

  P10      Стоп

  P11      Направленный опрос источников информации

  P12      Коллеги по учебе, по специальности

  P13      Библиотека университетов

  P14      Систематические каталоги:

         1) библиотек вузов;

         2) городской технической  библиотеки

  P15      Годовые подшивки технических журналов за последние 5 лет

  P16      Реферативные источники:

         1) реферативные журналы  России; 2) Engineering Index USA

  P17      Известен ли источник информации?

  P18      Оптимизирован ли источник измерительной информации?

  P19      Предпочтителен легко получаемый источник измерительной информации

  P20      Известны ли точностные требования?

  P21      Обоснованы ли точностные требования?

  P22      Заменить необоснованные точностные требования на обоснованные

  P23      Известно ли, какие точностные требования технически реализуемы?

  P24      Имеется ли возможность технической реализации точностных

              требований, изложенных в задаче измерения?

  P25      Можно ли заново сформулировать задачу?

  P26      Стоп

  P27      Известны ли принцип и метод измерения?

  P28      Оптимизированы ли принцип и метод измерения?

  P29      Предпочтительны классические методы прямых измерений

  P30      Известен ли процесс измерения?

  P31      Оптимизирован ли процесс измерения?

  P32      Предпочтительны статические методы измерений

  P33      Известна ли система измерения?

  P34      Оптимизирована ли система измерения?

  P35      Предпочтительна измерительная система, более простая по структуре и

              конструктивному выполнению

  P36      Существует ли необходимая измерительная система?

  P37      Подготовить измерительную систему к проведению измерений

  P38      Часто ли повторяются данные измерения?

  P39      Купить измерительную систему

  P40      Существуют ли в прокате данные измерительные системы?

  P41      Взять в прокат измерительную систему

  P42      Целенаправленный обзор источников информации

  P43      Справочные каталоги научных приборов:

         1) Академии наук  России; 2) вузов России;

         3) промышленных предприятий  России

  P44      Стоп 
 
 

    Проведение  измерений

    На  рис. 7. представлена емкостно-диодная измерительная цепь дифференциального. Емкости датчика С₁ и С₂ подсоединены к источнику переменного напряжения с помощью четырех диодов D₁, D₂, D₃, D₄ и двух дополнительных конденсаторов С₃ , С₄. В каждом полупериоде переменного напряжения открывается соответствующая пара диодов  (D₁, D₂ или D₃, D₄). При этом каждый из конденсаторов С₃ , С₄ соединяется последовательно то с емкостью С₁, то с емкостью С₂. При неравенстве емкостей С₁ и С₂ токи через конденсаторы С₃, текущие в положительном и отрицательном направлениях, будут не равны между собой. Вследствие этого на конденсаторах С₃ появится постоянное напряжение, которое и является выходным. Если пренебречь падениями напряжения на диодах, то значение U_вых определится приближенным соотношением

    Нестабильность  выходного напряжения определяется не идентичностью падения напряжения на диодах, поэтому диоды должны тщательно подбираться. Чтобы избежать шунтирования емкостей датчика паразитными емкостями, диодная сборка помещается в корпусе датчика. Неравенство паразитных емкостей проводов, подходящих к точкам 1 и 2, приводит к изменению переменной составляющей напряжения на выходе; на постоянную составляющую напряжения эти емкости не влияют.

   Источник  переменного тока напряжением U˷ подсоединен к точкам 1 и 2 измерительной схемы через разделительный конденсатор С₃, конденсатор Сх, емкость которого измеряется, подключен к точкам 1 и 2 через диод D₁. Накопительный конденсатор C₁ подсоединен к точкам 1 и 2 через резистор R₁, а к конденсатору Сх — через диод D₂. Образцовый конденсатор Со, емкость которого известна, подключен к точкам 1 и 2 через диод D₃. Второй накопительный конденсатор С₂ подсоединен к точкам 1 и 2 через резистор R2, а к конденсатору Со - через диод D₄. К точкам 1 и 2 подсоединен также фильтр нижних частот, состоящий из последовательно соединенных резистора R₃ и конденсатора С₄. Параллельно конденсатору С₄ включено сопротивление нагрузки R₄, с которого и снимается выходной сигнал U_вых. При положительной полярности напряжения U˷ (указанной на рис. 1 без скобок) открывается диод D₃ и конденсатор Со заряжается до напряжения Uc₀ которое определяется значением Со. Напряжение Uс на конденсаторе С вычисляется по формуле

U_c(t) = Uc(∞) - [Uc(∞) – Uc(0)e^-t/RC, (4.1)

здесь t - время; Uc(0), Uc(∞) - значения Uc при t = 0иt = ∞;R - сопротивление цепи заряда (прямое сопротивление диода D₁ или D₃).

    При изменении направления U˷ (полярность указана на рис. 1 в скобках) будет протекать ток заряда конденсатора C₂ по цепи: точка 2, конденсатор Со, диод D₄, конденсатор С₂, точка 1. При этом конденсатор С2 зарядится до напряжения Uc₂ = U + Uc₀, так как источник напряжения U˷  и конденсатор С₀ оказались включенными последовательно и согласно. Аналогичным образом напряжение на конденсаторе С₁ равно Uc₁ = U + Ucx (где Ucx определяется значением Сx), но полярность Uc1 противоположна полярности Uc₂. Конденсатор C₁ разряжается по цепи R₃, R₄, R₁, а конденсатор С₂ - по цепи R₂, R₄, R₃. Таким образом, токи разряда конденсаторов С₁ и С₂ протекают через сопротивление нагрузки R₄ встречно и выходной сигнал U_вых будет пропорционален разности напряжений Uc₁ и Uc₂, т. е. в конечном счете пропорционален разности емкостей конденсаторов С_х и С₀.

   В схеме сохраняется шунтирующее  действие пар диодов D₁, D₂ и D₃, D₄, но так как сопротивления R₁, R₂ намного больше прямого сопротивления диодов, причем для шунтирующих токов резисторы R₁, R₂ оказываются включенными последовательно, то это действие намного меньше, чем в емкостно-диодной схеме [7]. Нестабильность выходного напряжения определяется не идентичностью падения напряжения на диодах, поэтому диоды должны тщательно подбираться. Чтобы избежать шунтирования емкостей датчика паразитными емкостями, диодная сборка помещается в корпусе датчика.