Matavimų keitikliai

4.3.1. Bendrosios žinios ir klasifikavimas Matavimo keitikliu vadinama matavimo priemonė, kuri determinuotu dėsniu keičia matuojamąjį dydį kitu tos pačios arba kitos rūšies fizikiniu dydžiu ir turi normuotas metrologines charakteristikas. Taip keičiama tuo atveju, kai pakeistąji dydi yra paprasčiau arba patogiau matuoti arba toliau keisti kitu matavimo keitikliu, pavaizduoti rodmenų itaise, perduoti informacijos perdavimo kanalu arba kaupti atminties itaisuose. Patys matavimo keitikliai neturi rodmenų itaiso ir todėl negali veikti kaip matavimo prietaisai. Keičiamas fizikinis dydis x yra paduodamas i matavimo keitiklio iėjimą ir yra vadinamas keitiklio įėjimo dydžiu. Keitiklio išėjime gaunamas pakeistasis fizikinis dydis y vadinamas ke'itiklio išėjimo dydžiu. Šiuos dydžius siejanti det_rminuota funkcija y = f(x) yra vadinama keitiklio matavimo lygtimi arba matavimo keitiklio keitimo charakteristika (keitimo funkcija). Tai svarbiausia matavimo keitiklio metrologinė charakteristika. Jeigu keitiklio išėjimo dydis yra vienarūšis su jo iėjimo dydžiu, tai toks matavimo keitik1is vadinamas mastelio keitikliu. Tokie keitikliai yra, pavyzdžiui, matavimo stiprintuvai, matavimo transformatoriai, matavimo ateniuatoriai ir kiti panašūs matavimo keitikliai. Dažniausia vieno matuojamojo dydžio keitimo nepakanka, kad jis būtų pakeistas i patogiausiai atvaizduojamą rodmenų itaise dydi. Tada tenka sudaryti matavimo keitiklių grandinę (matavimo grandinę), kurioje nuosekliai vyksta matuojamojo dydžio keitimas tol, kol bus gautas dydis tinkamas atvaizduoti rodmenų itaise. Matavimo grandinės pirmasis matavimo keitiklis, kurio iėjime veikia matuojamasis fizikinis dydis, yra vadinamas pirminiu matavimo keitikliu. Jeigu pirminis keitiklis yra padarytas kaip savarankiška konstrukcija ir atskirtas nuo likusios matavimo priemonės dalies, tai jis vadinamas jutikliu. Kiti matavimo grandinės keitikliai yra vadinami tarpiniais keitikliais. Pagal keitimo operacijos pobūdi, matavimo keitiklius skirs to i analoginius, analoginius-skaitmeninius (ASK), skaitmeninius­analoginius (SAK) ir skaitmeninius (SSK). Pastarieji keitikliai keičia skaičių formatą (kodą). Kartais iėjimo analoginis dydis matavimo keitiklyje yra diskretizuojamas, bet nekoduojamas skaičiumi. Toki matavimo keitikli tektų vadinti analoginiu-diskretiniu matavimo keitikliu. Analoginiai matavimo keitikliai bei jų grandinė, kurios įėjimo ir išėjimo dydžiai yra analoginiai, gali būti tiesiniai ir netiesiniai. Dažniausiai stengiamasi sukurti tiesinius keitiklius, nes tada jo parametrai nepriklauso nuo keičiamo dydžio vertės. Matavimo keitikliai, kurių išėjimo dydis yra reikiamu netiesiniu dėsniu pakeistas matuojamasis dydis, vadinami funkciniais matavimo keitikliais. Tokie yra logaritmuojantys, keliantys kvadratu, keičiantys įėjimo dydį jo harmonine funkcija ir kiti panašūs matavimo keitikliai. Funkciniais keitikliais gali būti ir SAK bei SSK. 4.3.2. Statinės matavimo keitiklių charakteristikos ir parametrai Jeigu keičiamas pastovus ar lėtai kintantis fizikinis dydis, tai matavimo keitiklis veikia statinio keitimo režimu. Jo statinė keitimo charakteristika yra y=F(x). Keitimo charakteristika gali būti nurodyta ne tik formule, bet ir lentele arba grafiku. Šios keitimo charakteristikos vadinamos matavimo keitiklio gradavimo lentele ir gradavimo grafiku. Jeigu keitimo charakteristika yra ties inė: y=kx, tai dydis k vadinamas matavimo keitiklio keitimo koeficiento. Tokie keitikliai yra geriausi. Tačiau praktiškai keitimo charakteristika būna daugiau ar mažiau netiesinė ( 4.20 pav). Matavimo keitiklio keitimo sritimi vadinamas jo įėjimo dydžio x verčių ruožas nuo Xmin iki Xmax, kuriame matavimo keitiklis keičia fizikinį dydį su leistinomis keitimo paklaidomis. Keitiklio jautris S rodo, kaip pakinta keitiklio išėjimo dydis, šiek tiek pakeitus jo įėjimo dydį: S=dy/dx=Dy/Dx Kai keitimo charakteristika yra tiesi, tai keitiklio jautris S yra pastovus ir lygus keitimo koeficientui k. Jei keitiklis yra netiesinis, dydis S yra keičiamo fizikinio dydžio x vertės funkcija. Dėl matavimo keitiklių schemų, konstrukcijų bei veikimo netobulumų, norint gauti pastebimą išėjimo dydžio pokytį, reikia įėjimo dydį pakeisti tam tikru dydžiu >=x1 Dydis x1 vadinamas matavimo keitiklio jautrio (išskirties) slenksčio. Jautrio slenkstis gali būti kitoks skirtinguose keitimo charakteristikos taškuose. Dydis x parodo, kokios yra matavimo keitiklio įėjimo dydžio kitimo ribos, nesukeliant išėjimo dydžio kitimo. Šis intervalas vadina­mas matavimo keitiklio nejautrumo sritimi. Ši sritis bendruoju atveju gali būti skirtinga įvairiose keitimo charakteristikos vietose. Kai x=O, matavimo keitiklio išėjimo dydis gali būti nelygus nuliui ir šis dydis yo yra vadinamas matavimo keitiklio nulio dreifu. Keitimo charakteristikos neapibrėžtumas sukelia matavimo paklaidas. Keitimo charakteristika y=F(x) yra vardinė keitimo charakteristika. Matavimo keitiklio keitimo dinaminio diapazonu vadinamas keitimo srities ir jautrio slenksčio o (kai x=O) santykis: D = (xmax – xmin)/ o 4.3.3.Matavimo keitiklių paklaidos Matavimo keitikliai projektuojami su tam tikromis norimomis keitimo charakteristikomis, kurios, vadinamos vardinėmis. Konkretus keitiklis tokios charakteristikos neturi, nes ji sudarančių schemos ir konstrukcijos elementų parametrų ir charakteristikų vertės nėra vardinės. Žinomos tik jų verčių leistinos ios ribos. Gauta konkreti keitimo charakteristika vadinama faktine keitimo charakteristika. Faktinės ir vardinės keitimo charakteristikų skirtumas, kai keičiamas dydis Xv , rodo absoliutinę keitiklio paklaidą: Jeigu keitiklio paklaida yra adityvi, tai faktinė keitimo charakteristika yra lygiagreti vardinei (4.21 a pav.). Kai keitiklio paklaida yra multiplikatyvi, tai jų skirtumas keičiasi, kintant matuojamajam dydžiui (4.21 b pav.). Dažnai vienu metu veikia abi šią paklaidų rūšys ir keitiklio paklaida gaunama mišri (4.21 c pav.). Faktinė keitimo charakteristika priklauso ne tik nuo faktinią keitiklio schemos ir konstrukcijos elementų charakteristiką bei parametrų, bet ir nuo tuo metu veikiančių nekontroliuojamų paveikhĮjlĮ fizikinių dydžių itakos. Prie keitiklio išėjimo dydžio prisideda ir keitiklio triukšmai, 0 keitimo charakteristiką veikia ivairūs trukdžiai. Keitiklio triukšmai sukuria atsitiktinę adityvią keitiklio paklaidos dali. Dažniausiai jie traktuojami kaip stacionarusis atsitiktinis procesas su normaliuoju tikimybių skirstiniu, 0 šio proceso vidurkio funkcija yra anksčiau aptartasis keitiklio nulio dreifas. Trukdžių itaka keitimo charakteristikai mažinama naudojant keitiklių apsaugos nuo trukdžių priemones - ekranus, filtrus, stabilizatorius ir kitas. Keitimo paklaidos gaunamos ir dėl matavimo keitiklio itakos prieš ji esančiam matavimo grandinės elementui. Tai gali būti kitas matavimo keitiklis arba (pirminio keitiklio atveju) matavimo objektas. Matavimo keitiklių sistemingosios ir atsitiktinės paklaidos yra vertinamos ir sumuojamos taip pat kaip ir anksčiau aptartosios matavimų paklaidos. 4.3.4. Matavimo keitiklių dinaminės savybės Matavimo keitiklių dinaminės savybės yra aprašomos ir vertinamos taip pat kaip grandinių teorijoje vertinamos dvipolių ir keturpolių dinaminės avybės. Kai matavimo keitiklis keičia kintantį laike fizikinį dydį x(t), jo isejimo dydis y(t) gaunamas taip pat kintantis laike. Taikant grandinių eorijos sąvokas, dydis x(t) vadinamas poveikiu, 0 y(t) - reakcija (atsaku). Kadangi dažniausiai daromi tiesiniai matavimo keitikliai, tai reakcijos y(t) dėsnis turėtų sutapti su poveikio x(t) dėsniu. Šių dėsnių neatitikimas ir turi būti traktuojamas kaip matavimo keitiklio dinaminė paklaida. Dinaminės paklaidos suprantamos kaip skirtinga matavimo keitiklio reakcija i statini ir kintanti laike iėjimo dydi. Dėl matavimo keitiklių inercinių savybių reakcijos laiko funkcija ne tik neatitinka poveikio funkcijos, bet gaunama ir vėluojanti laike. Funkciniai matavimo keitikliai (pavyzdžiui, integratoriai, diferenciatoriai, kvadratoriai ir kt.) privalo pakeisti poveikio dėsni. Todėl tokiems matavimo keitikliams dinaminės paklaidos turi būti nustatomos kaip reakcijų laiko funkcijų skirtumai, kai poveikio funkcijos yra skirtingo kitimo greičio. Pavyzdžiui, integratoriaus paklaida gali labai išaugti, kai integruojamas dydis x(t) kinta lėtai. Pagal dinaminių paklaidų atsiradimo priežastis, jas reikėtų priskirti prie papildomųjų paklaidų. Tiesinio neparametrinio matavimo keitiklio, keičiančio kintantį laike dydį x(t), dinaminės savybės gali būti visiškai nusakytos tiesine diferencialine Iygtimi su pastoviaisiais koeficientais: (4.4) kur m >q, kvantavimo paklaidos matematine viltis yra lygi 0, o jos standartine paklaida pirmuoju atveju q=q/saknys(3), o antruoju q=q/saknys(6) ASK isejimo dydis – skaicius m vadinamas keiciamojo dydzio x kodu. Skaitinis kodas paprastai gaunamas naudojant tam tikra skaiciavimo sistema m=sumani=1biai-1 cia a – skaiciavimo sistemos pagrindas, n – skilciu skaicius, bi – skilciu koeficientai. Paprasčiausia būtų vienetainė (unitarinė) skaičiavimo sistema, kurios a=1, tačiau ja išreikšti didelius skaičius būtų labai nepatogu. Įprasta dešimtainė sistema su a=lO techninėmis priemonėmis sunkiai realizuojama. Keitikliuose, dažniausiai naudojama dvejetainė (binarinė) skaičiavimo sistema su a = 2, nes jos skilčių koeficientai yra 0 ir 1, todėl ją lengviausia realizuoti techninėmis priemonėmis. Naudojamos taip pat kombinuotosios skaičiavimo sistemos: dvejetainė - šešioliktainė, dvejetainė - dešimtainė ir kitos. Matavimo rezultatai matavimų priemonių rodmenų įtaisuose visuomet vaizduojami dešimtainės sistemos skaičiais. Todėl naudojami įvairūs perkodavimo įtaisai - dešifratoriai. Papildomai koduojama siekiant apsaugoti duomenis nuo įvairių trukdžių įtakos. Naudojamas kodavimas Fibonačio, Rydo ir Solomono (angl. RSC) ir kitais trukdžiams atspariais kodais, ypač kai analoginio-skaitmeninio keitimo rezultatus (duomenis) tenka perduoti duomenų perdavimo kanalais arba saugoti atminties įtaisuose. Be keitimo paklaidos, kurios didžiąją dalį sudaro aptartoji kvantavimo paklaida, ASK dar nusakomi: keitimo laiku, atsparumu trukdžiams, datavimo paklaida ir išėjimo kodo tipu, ski1čių skaičiumi ir kodo pavidalu - nuosekliuoju arba lygiagrečiuoju. Keitimo laikas - laikas, reikalingas vienai analoginio įėjimo dydžio diskretinei vertei pakeisti skaitmenų kodu. Jis turi būti trumpesnis nei keitimo ciklo trukmė. Keitimo laikas ir pereinamąjų procesų trukmė ASK analoginėje dalyje lemia ASK dinamines paklaidas. ASK gaunama neapibrėžta situacija: kokiai keičiamojo dydžio vertei priskirti i_ėjimo kodą, kai per keitimo laiką pakinta įėjimo dydis. Tai specifinė dinaminė paklaida, vadinama datavimo paklaida. Ji mažinama analoginiu atminties įtaisu fiksuojant įėjimo dydžio tam tikrą diskrečiąją vertę per visą keitimo laiką. Pagal keitimo laiko trukmę ASK skirstomi į mažos keitimo spartos (keitimo laikas 102 . ..105 s), vidutinės keitimo spartos (keitimo laikas 10.. .100 I1s), didelės keitimo spartos (keitimo laikas 0,1.. .10 f.ls) ir labai didelės keitimo spartos (keitimo laikas _0,01...0,1 f.ls). Panagrinėsime keletą labiausiai paplitusių analoginio-skaitmeninio keitimo būdų. Dažniausias ASK iėjimo dydis yra nuolatinė itampa: vieno ženklo lėtai kintanti (lyginant su keitimo sparta) itampa. Dauguma ASK yra pritaikyti būtent tokiam dydžiui keisti. Nuosekliojo skaičiavimo ASK. Jo schema pavaizduota 4.26 paveiksle. Keitimo ciklo pradžioje impulsų skaitiklis IS yra nustatomas i nulinę padėti. Paskui vyksta taktinių impulsų generatoriaus TIG impulsų skaičiavimas ir sy­kiu auga skaitmeninio-analoginio keitiklio SAK išėjimo itampa Uk. Kai ši itampa pasiekia U dydi, tai komparatoriaus KaMP išėjimo itampa uždaro impulsų skaitikli ir jo kodas irašomas i atminties registrą - AR. PaskUtinio palyginimo ASK. Juose iėjimo itampa lyginama su atramine itampa Uk , keičiama iš valdymo bloko per SAK (4.27 pav.). Lyginimas pradedamas aukščiausia SAK kodo skiltimi. Po m darbo taktų yra peržiūrimos visos m kodo skiltys. Tokie ASK pasižymi mažu keitimo laiku. Dvigubo integravimo ASK priklauso tarpinio keitimo ASK grupei. Jie keičia itampą i laiko intervalą, 0 pastarąji - i skaitini kodą (4.28 pav.). Keitimo ciklo pirmojo takto trukmę Tl nustato valdymo blokas. Jo metu integruojama keičiamoji itampa U. Antrojo takto metu integruojama priešingo ženklo atraminė itampa Uo ir integratoriaus itampa po laiko T2, proporcingo iėjimo itampai, sumažėja iki nulio. Laiko T2 trukmę apskaičiuoja impulsų skaitiklis IS, skaičiuodamas kvarcinio generatoriaus KG periodus. Tokie ASK yra pakankamai tikslūs (keitimo paklaida apie 0,01 %) ir atsparūs trukdžiams, tačiau jlĮ veikimo greitis nėra didelis (keitimo laikas _ 100 Įls). Tarpinio keitimo į dažnį ASK. Juose iėjimo itampa iš pradžių yra keičiama i jai pro­porcingą periodinio virpesio dažni, 0 paskui dažnis keičiamas skaičių kodu skaitmeniniame dažnimatyje SDM (4.29 pav.). Integruojant iėjimo itampą U, auga integratoriaus išėjimo itampa, kol per laiką T1 pasiekia atramini lygi Uo. Paskui impulslĮ formuotuvas IF formuoja didelio lygio Uk ir praktiškai pastovaus ploto (UkT2) impulsą kuris, per laiką T2 suma_ina integratoriaus išėjimo itampą iki nulio. Tarp paminėtlĮ itampų ir laiko intervalų gaunamas toks ryšys: U(T1 +T2)=UkT2; U=***=kfx Šie ASK yra taip pat tikslūs ir labai atsparūs trukdžiams, bet veikia lėtai. Tiesioginio palyginimo ASK. Juosekeičiamosios itampos diskrečioji vertė vienu metu yra lyginama komparatoriuose (4.30 pav.) su daugeliu (pavyzdžiui, 256) atraminių itampų, gaunamų nuo rezistyvinio itampos daliklio. Komparatorių išėjimo lygiai, priklausomai nuo palyginimo rezultato, yra 0 arba 1. Gautas dvejetainis kodas yra keičiamas dešifratoriumi DŠ ir per atminties registrą AR išvedamas iš ASK. Tai didelės veikimo spartos, tačiau mažesnio tikslumo ir atsparumo trukdžiams ASK. Jie naudojami ir kintamajai itampai keisti. Statistiniai ASK. Statistinių bandymų metodas (Monte Kario metodas), be kitų taikymo sričių, leidžia sukurti ir ASK (4.31 pav.). Atsitiktinių skaičių generatoriaus generuojami [O,L] intervalo atsitiktiniai skaičiai yra skaitmeninio-analoginio keitiklio verčiami atsitiktiniu itampos lygiu y( t). Keičiamojo virpesio xCI) diskrečioji itampos vertė ir atsitikti nė įtampa y(t) yra lyginamos komparatoriuje. Kai x(t»y(t), tai komparatorius formuoja vienetinio lygio impulsą, 0 skaitiklis IS juos skaičiuoja. Po N palyginimų gaunamas rezultatas, kuris rodo proceso xCI) matematinės vilties (arba kitos skaitinės charakteristikos) įvertį. Šiuo būdu galima nustatyti ir kitas proceso x(t) charakteristikas. ASK su delta moduliacija struktūra yra nesudėtinga (4.32 pav.). Ji susideda beveik vien iš skaitmeninių elementų, paprastai realizuojamų skaitmeninių integrinių mikroschemų pavidalu. Delta moduliatoriuose naudojamas aukštas diskretizacijos dažnis f". Komparatoriumi tikrinama, ar skirtumas tarp integratoriumi atstatyta virpesio y(t) ir keičiamojo virpesio url) per mažą diskretizacijos periodą yra teigiamas, ar neigiamas. Formuojama nulių ir vienetų seka, kuri per diskretizacijos periodą fiksuojama vieno bito atminties itaise. Paskui gaunama didelio dažnio vienskilčio dvejetainio kodo skaičių seka. Virpesys y(t) yra formuojamas e]ementariu SAK - integratoriumi. Duomenų srauto spartai sumažinti naudojama decimacija - iš duomenų srauto išrenkami bitai tik kas k diskretizacijos periodų. Delta sigma moduliatoriuose prieš virpesių palyginimą komparatoriuje skirtumo virpesys yra integruojamas. Atkurtąji virpesi y(t) tada reikėtų diferencijuoti, bet kadangi yra ir integravimo operacija, tai atkuriančioje grandinėje tada virpesio keisti nereikia. Naudojami ir kintamojo statumo delta moduliatoriai (angl. CVSD­Continously Variable Slope Deltamoduliation). Juose, atsižvelgiant i keičiamojo virpesio kitimo greiti, keičiama arba integratoriaus laiko pastovioji, arba perduodamo i ji skirtuminio virpesio amplitudė arba diskretizacijos dažnis. Gaunamas platesnis keitiklio dinaminis diapazonas. ASK su delta moduliatoriais efektyvusis skiltiškumas siekia iki 24 bitų, 0 dinaminis diapazonas - iki 120 dE. Tačiau diskretizacijos dažnis turi būti šimtus tūkstančių ar net milijonus kartų didesnis nei Naikvisto dažnis

Daugiau informacijos...

★ Klientai rekomenduoja

Šį rašto darbą rekomenduoja mūsų klientai. Ką tai reiškia?

Mūsų svetainėje pateikiama dešimtys tūkstančių skirtingų rašto darbų, kuriuos įkėlė daugybė moksleivių ir studentų su skirtingais gabumais. Būtent šis rašto darbas yra patikrintas specialistų ir rekomenduojamas kitų klientų, kurie po atsisiuntimo įvertino šį mokslo darbą teigiamai. Todėl galite būti tikri, kad šis pasirinkimas geriausias!