Методический материал к лекции №3
АНАЛОГОВЫЕ МЕТОДЫ И СРЕДСТВА РЕГИСТРАЦИИ
ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ
Под регистрацией будем понимать процедуру запоминания и хранения в любой форме достаточно больших объемов информации. Хорошо всем знакомы примеры бытовых регистрирующих средств измерений: медицинский ртутный термометр, индукционный электрический счетчик активной энергии, спортивно-медицинский динамометр. Но эти устройства регистрируют только одно (обычно последнее) значение измеряемой величины, т.е. являются регистраторами для статических моделей объекта исследования. Обычный фотоаппарат также может быть отнесен к статическим регистраторам, правда, не измерительным. Кинематограф, видеотехника — это уже динамическая регистрация (но тоже не измерительная).
К группе аналоговых динамических методов и средств измерительной регистрации относятся такие, в которых бесконечное множество значений входного непрерывного (аналогового) сигнала преобразуется в другое бесконечное множество значений выходного сигнала-образа (в частности, видимого изображения), представленного в различных аналоговых формах (диаграмма на бумаге, запись на магнитном носителе, изображение на экране и т.п.) с заданной достоверностью.
К цифровым методам отнесем такие методы, в которых бесконечное множество значений входных непрерывных сигналов преобразуется в конечное множество дискретных во времени и квантованных по уровню значений. При этом выходная информация может быть представлена в аналоговой (точнее псевдоаналоговой) форме.
|
|
|
В настоящее время в практике динамических исследований чаще других используются следующие основные методы аналоговой регистрации (Analog Recording):
• видимая запись на поверхности твердого носителя (бумага, пленка);
• запись на магнитном носителе;
• хранение электрического заряда в диэлектрике.
Каждый из этих методов можно классифицировать на группы;
некоторые из них представлены достаточно разнообразно.
Первый метод реализуется в самопишущих приборах и светолучевых осциллографах.
Второй метод представлен магнитографами, которые, кстати сказать, являются измерительными преобразователями, а не приборами;
Третий — аналоговыми запоминающими осциллографами.
В настоящее время среди средств аналоговой регистрации наиболее широко распространены электронные самопишущие приборы для регистрации различных сравнительно медленно меняющихся величин (температуры, относительной влажности, давления, электрических параметров и др.). До сих пор, если требуется регистрировать достаточно высокочастотные процессы (полоса частот сотни герц — единицы килогерц), используются светолучевые осциллографы. В тех ситуациях, где требуется длительная многоканальная регистрация, возможность работы в полевых условиях, применяются измерительные магнитографы.
|
|
|
Аналоговые средства регистрации имеют ряд серьезных недостатков: сравнительно невысокую точность (1,0...5%), не всегда достаточное число входных каналов, невысокое быстродействие, невысокую надежность (вследствие наличия механических узлов), невозможность автоматизированной обработки результатов записи. Кроме того, их практически невозможно использовать в информационно-измерительных системах, системах автоматизированного управления.
Основная тенденция современной измерительной техники — решение задач измерения, регистрации, анализа цифровыми методами и средствами. Одно из важных преимуществ цифровых измерительных регистраторов — легкий переход от процедуры регистрации к процедуре автоматизированного цифрового анализа. Очевидно, что с дальнейшим развитием цифровой и аналоговой микроэлектроники (схемотехники, технологии), вычислительной техники стоимость цифровых решений в деле регистрации процессов будет быстро снижаться, область применения цифровых методов исредств будет расширяться. Следовательно, роль аналоговых регистраторов будет и в последующем постоянно уменьшаться.
|
|
|
САМОПИШУЩИЕ ПРИБОРЫ
Как и показывающие,аналоговые самопишущие приборы (СП) разделяются на электромеханические и электронные.
В электромеханических СП могут применяться различные системы преобразователей электрической величины в механическую. Но чаще всего — это магнитоэлектрический измерительный механизм.
Принцип действия простейшего электромеханического (магнитоэлектрического) СП основан (рис. 8.1) на взаимодействии подвижной катушки (рамки) 3 с током (пропорциональным исследуемому сигналу) с полем постоянного магнита 1.
Рис. 8.1. Упрощенное устройство электромеханического СП:
1 — постоянный магнит; 2 — ось; 3 — катушка; 4 — перо; 5 — двигатель; б — бумага, 7 — стрелка, 8 — шкала
Движение — поворот на угол а(t) — катушки, закрепленной на оси, передается отсчетному устройству (ОУ), состоящему из стрелки и шкалы, а также регистрирующему устройству (РУ), образованному пером и движущейся бумагой. Развертка во времени осуществляется равномерным перемещением диаграммной бумаги, благодаря вращению вала двигателя.
|
|
|
Обобщенная структура электромеханического СП показана на рис. 8.2, а. Входной сигнал X(t) поступает в измерительную цепь ИЦ, в которой осуществляются вспомогательные преобразования (масштабирование сигналов, преобразование различных величин в ток), и далее, обычно в виде тока, на измерительный механизм ИМ. Выходная величина ИМ — угол поворота а(t) — определяет показания ОУ и положение пишущего органа (пера) РУ.
Рис. 8.2. Обобщенные структуры электромеханического (а) и электронного (б) СП
Все достоинства обычного магнитоэлектрического механизма сохраняются в СП, но, вследствие большего необходимого вращающего момента (причина — заметное трение пишущего органа о бумагу), потребляется большая мощность от источника исследуемого сигнала. Типичные значения классов точности электромеханических СП 0,5...2,5 %. Полоса частот регистрируемых сигналов сравнительно узкая — 0... 5 Гц.
Электронные СП отличаются от электромеханических как по структуре (рис. 8.2, б), так и по конструкции. Классический магнитоэлектрический измерительный механизм заменен реверсивным двигателем, в схеме присутствуют различные аналоговые измерительные преобразователи (например, усилители, преобразователи переменного напряжения в постоянное и др.).
Развертка во времени выполняется так же, как и в электромеханическихСП, т.е. дополнительным двигателем, равномерно перемещающим бумагу.
В основу работы электронных СП положен принцип уравновешивающего (компенсирующего) преобразования, в соответствии с которым электромеханическая отрицательная обратная связь (ОС) обеспечивает уравновешивание входного сигнала, например напряжения UY(t), меняющимся компенсирующим напряжением Uк(t).
Разница ΔU(t) входного UY(t) и компенсирующего UK(t) сигналов поступает на усилитель Ус. выходное напряжение которого управляет реверсивным двигателем РД. Образованный угол поворота а(t) определяет показания ОУ и РУ. Компенсирующее напряжение UK(t) формируется узлом ОС и меняется таким образом, что уменьшает разницу потенциалов ΔU(t) на входе усилителя до минимального, различаемого усилителем, значения.
Узел ОС может быть реализован, например реохордом, движок которого перемещается валом РД. Формируемое при этом компенсирующее напряжение уравновешивает входное напряжение, которое определяет положение стрелки ОУ и пера РУ по оси ординат У (рис. 8.3).
Качество уравновешивания и, следовательно, метрологические (статические) характеристики в большей мере определяются усилителем Ус и узлом отрицательной обратной связи. Динамика электронных СП характеризуется верхними частотами исследуемых сигналов до значений 0,5...2 Гц.
Рис. 8.3. Реализация отрицательной обратной связи
Рис. 8.4. Автоматический мост
В зависимости от назначения прибора структура и, особенно, входные цепи могут сильно различаться. На рис 8.4 показано упрощенное устройство автоматического моста для регистрации изменяющихся сопротивлений (например, для записи температуры с помощью термометров сопротивления).
Резистивный датчик Rx включен в мостовую схему (уравновешенный мост), выходное напряжение которой при изменении сопротивления Rx создает некоторую разность потенциалов . Усилитель Ус усиливает эту разность и подает на реверсивный двигатель РД, который одновременно управляет положением стрелки отсчетного устройства ОУ, пера регистрирующего устройства РУ и положением движка реохорда R2. Развертку диаграммной бумаги во времени осуществляет двигатель Дт.
Таким образом, благодаря электромеханической отрицательной обратной связи, разница потенциалов устремляется к нулю, мост автоматически уравновешивается, показания на ОУ и РУ пропорциональны сопротивлению Rx и, следовательно, измеряемой величине.
Существует большой класс СП, содержащих преобразователи входных периодических напряжений и токов в постоянные значения (часто — в средние квадратические). Не следует путать частотные свойства входных преобразователей таких СП (обычно — до единиц — десятков килогерц) с динамическими возможностями собственно механизма (обычно — единицы герц).
Англоязычные термины этого класса регистраторов Recorder, Paper Recorder, Y— T Recorder.
В некоторых моделях СП применяется термическая (тепловая) регистрация. При этом РУ представляет собой нагретый стержень (тепловое перо), который, перемещаясь, воздействует на термочувствительный носитель (термобумагу), оставляя видимый след
Быстродействующие самопишущие приборы (БСП) в отличие от обычных СП, имеют более высокое быстродействие. Недостаточно хорошая динамика обычных СП заставила искать конструктивные и технологические решения, обеспечивающие более широкую полосу частот. В основе этих решений лежат использование увеличенного противодействующего момента и сознательное уменьшение размаха (амплитуды) колебаний подвижной части. Диапазоны частот исследуемых сигналов в БСП 0... 150 Гц. Существует разновидность БСП, основанная на струйной записи (отклонение меняющимся электрическим полем заряженной струи краски). Такие приборы обеспечивают еще более высокие динамические характеристики (до 2 кГц), благодаря меньшей, чем в механической системе, массе подвижной части (струи). Однако из-за своей сложной конструкции и специфики обслуживания они распространены не так широко.
Двухкоординатные самопишущие приборы (ДСП) предназначены в основном для построения функциональных зависимостей меняющихся сигналов X(t) и Y(t). Такой прибор может выступать в роли характериографа, инструмента для построения, например, зависимости вход — выход различных четырехполюсников.
Рис. 8.5. Конструкция двухкоординатного самопишущего прибора:
Конструкция ДСП (рис. 8.5) обеспечивает перемещение пера не зависимо по двум координатам (Y и X). Каретка, на которой закреплено перо (фломастер, стеклянный капилляр, карандаш и т.п.) 6, благодаря реверсивному двигателю 3 и нерастяжимой нити, движется по рейке 2. Это определяет положение пера по оси ординат (оси Y). Рейка 2 с расположенной на ней кареткой 1 может перемещаться параллельно-поступательно при вращении вала второго реверсивного двигателя 4, что определяет положение пера по оси абсцисс (оси X). Лист бумаги 5 в этой конструкции неподвижен и по окончании регистрации несет двухкоординатное изображение.
Структура ДСП содержит два обычно идентичных канала уравновешивающего преобразования Y(t) и X(t), которые обеспечивают отклонения, соответственно, по осям ординат и абсцисс (рис. 8.6). Динамические характеристики ДСП аналогичны характеристикам электронных СП.
Рис. 8.6. Структура ДСП
Существует разновидность конструкции ДСП, в которой по одной из осей перемещается лист бумаги (рис. 8.7).
Рис. 8.7. Вариант конструкции двухкоординатного СП: 1 — каретка; 2 — рейка; 3 — реверсивный двигатель оси У; 4 — реверсивный двигатель оси X; 5 — бумага; 6 — перо (фломастер); 7 — прижимные ролики.
При этом рейка 2 с закрепленным на ней реверсивным двигателем 3 неподвижна. По рейке перемещается каретка 1 с пером 6 (как и в предыдущем варианте), что определяет положение пера по оси Y А положение пера относительно листа бумаги 5 по оси Х определяется перемещением собственно листа 5. Эту функцию выполняют реверсивный двигатель 4 и прижимные ролики 7. Окончательный результат регистрации тот же — двухкоординатное изображение (Y—X). Некоторое преимущество подобной конструкции заключается в меньшей механической инерционности тракта X, поскольку масса перемещаемого листа бумаги меньше суммарной массы рейки, закрепленного на ней двигателя и каретки с пером.
Двухкоординатный самопишущий прибор может быть использован и в режиме обычного СП (режим У— Г). Для этого вместо канала (обычно сменного блока) X(t) используется канал (сменный блок) развертывающего линейно изменяющегося напряжения.
Примером отечественного ДСП может служить прибор Н-306, выпускавшийся серийно ПО «Краснодарский ЗИП».
Основные характеристики ДСП Н-306
Режим работы .................................................................. Y—X, Y—T
Размер рабочего поля, мм.............................................. 200х300
Рабочий диапазон частот, Гц ........................................ 0...1
Чувствительность, В/см ................................................. 0,05...10
Коэффициент развертки (режим Y—T), с/см ............ 0,25...50
Максимальная скорость перемещения пера, мм/с ..... 750
Статическая погрешность, %......................................... ±(0,5. -.1,5)
Число сменных функциональных блоков ..................... 6
Существуют устройства, внешне похожие на ДСП, так называемые плоттеры (Plotters), входными сигналами для которых служат цифровые (логические) сигналы. Плоттер не является в полном смысле измерительным прибором, а выступает обычно в качестве периферийного устройства графического вывода для средств вычислительной техники.
В настоящее время широко распространен еще один самостоятельный класс приборов, которые могут выдавать результат регистрации в виде диаграммы сигнала на бумаге —цифровые измерительные регистраторы (Transient Memory Recorder, ADC Recorder). Но внутреннее содержание таких приборов совершенно другое. Основными узлами их являются аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и достаточно большого объема запоминающее устройство. Полоса частот исследуемых сигналов у таких регистраторов определяется быстродействием АЦП и значительно шире (может достигать 1 единиц—десятков мегагерц). Зарегистрированный массив кодов затем преобразуется в графический образ входного сигнала на бумаге.
СВЕТОЛУЧЕВЫЕ ОСЦИЛЛОГРАФЫ
Динамика светолучевых осциллографов (СЛО) существенно лучше, чем у самопишущих приборов СП, поскольку масса подвижной части (рамки) осциллографического гальванометра СЛО существенно меньше массы катушки или ротора двигателя СП. Понятно, что отклонять поток света легче, чем поворачивать стрелку ОУ и, тем более, пишущий орган (например, стеклянный капилляр) РУ. В основе СЛО (рис. 8.8) лежит классический принцип магнитоэлектрического механизма — взаимодействие тока рамки 6 гальванометра с полем постоянного магнита 5. Рамка висит на натянутых упругих растяжках, на одной из которых закреплено крошечное зеркало 4 (обычно кусочек фольги).
Рис. 8.8. Устройство светолучевого осциллографа: 1 — источник света; 2 — конденсор; 3 — диафрагма; 4 — зеркало; 5 — постоянный магнит; 6— рамка; 7— полупрозрачное зеркало; 8 — фотопленка (фотобумага); 9 — зеркальный многогранник; 10 - матовый экран
Поворот рамки (и, следовательно, зеркальца) приводит к отклонению потока света, падающего на зеркальце, и к отклонению светового пятна на светочувствительном носителе (фотобумаге или фотопленке) 8 и/или матовом экране 10. Развертка во времени осуществляется равномерным движением носителя (бумаги, пленки) и вращением зеркального многогранника 9. Поток света (спектр которого обычно смещен в ультрафиолетовую область) формируется источником 1, конденсором 2 (задача которого — формирование параллельного потока из расходящегося) и диафрагмой 3 (предназначенной для «вырезания» узкого пучка для каждого отдельного гальванометра — канала).
Осциллографический гальванометр (ОГ) — Oscillographic Galvanometer — содержит рамку, растяжки, токоподводы, зеркальце. Он выполнен в виде неразборной конструкции и представляет собой миниатюрный цилиндр длиной 60... 90 мм и диаметром 4...6 мм, в котором имеется прозрачное окно для узкого потока света. Корпус ОГ выполнен из немагнитного материала, но в него встроены элементы общего магнитопровода. В случае использования жидкостного успокоения корпус ОГ заполнен неорганической прозрачной жидкостью, обладающей определенной вязкостью.
Светолучевые осциллографы — многоканальные приборы, поэтому содержат несколько ОГ (например, 12).
Конструктивно все ОГ объединены общим магнитопроводом. Расположение ОГ в общем магнитопроводе СЛО показано на рис. 8.9.
Рис. 8.9. Расположение гальванометров в магнитопроводе
Важной характеристикой ОГ является его чувствительность S, которая определяется отношением отклонения пятна на фотопленке (бумаге) или на экране к току, вызывающему это отклонение. Отклонение пятна зависит не только от текущего в ОГ тока, но и от «длины луча», т.е. от расстояния от зеркальца до пленки (бумаги) или до экрана. Поэтому принято приводить значение чувствительности к длине луча L = 1 м. Поэтому размерность чувствительности выглядит, например, так: S= 20 мм/(мА-м). Иногда в паспортных данных ОГ задается обратная чувствительности величина — постоянная ОГ. Зная значение чувствительности и имея результат регистрации, можно определить текущие значения тока, протекавшего в ОГ во время эксперимента. Если с помощью СЛО зарегистрирован некий сигнал, известны значения чувствительности ОГ и скорости движения фотопленки (бумаги), то можно найти его основные параметры. На рис. 8.10 приведен пример записи некоторого переходного процесса изменения тока.
Рис. 8.10. Пример записи сигнала
Предположим, что нас интересуют амплитудное значение Im, и период T колебаний этого сигнала. Линейные размеры этих параметров на диаграмме равны, соответственно, 40 и 100 мм. Чувствительность ОГ известна: S = 20 мм/(мА-м), скорость движения фотопленки v = 500 мм/с, длина луча L = 1 м- Пренебрегая всеми погрешностями, найдем интересующие нас параметры. Амплитудное значение тока Im = 40 мм мА-м/(20 мм-1 м) = 2 мА. Период колебаний сигнала равен Т= 100 мм-с/500 мм = 0,2 с.
Дата добавления: 2018-06-27; просмотров: 1070; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!