Структурная схема уравновешивающего преобразования

Особенность уравновешивающего или, как еще говорят, компенсационного преобразования состоит в том, что выходная величина средства измерений UВЫХ (рисунок 1.11) подвергается обратному преобразованию в величину , однородную с входной величиной ∆U. Следовательно, используется отрицательная обратная связь.

Средства измерений, имеющие такую структуру, могут работать в двух режимах: неполного уравновешивания, когда сигнал рассогласования , и полного уравновешивания, когда ∆U=0. Рассмотрим сначала первый режим.

Для вывода уравнения преобразования UВЫХ=φ(UВХ) будем считать справедливыми те упрощающие предположения, которые были приняты при анализе схемы прямого преобразования. При отсутствии помех сигнал рассогласования ∆U поступает на вход измерительной цепи прямого преобразования.  Ее выходной сигнал ,

где Кi - коэффициент преобразования i-го структурного элемента цепи прямого преобразования. Сигнал UВЫХ является входным для цепи обратного преобразования. Ее выходное напряжение , где βi — коэффициент преобразования i-го структурного элемента цепи обратного преобразования.

      Коэффициент преобразования СИ с учетом двух последних уравнений имеет вид , а уравнение преобразования соответственно  .                               Следовательно, выходной сигнал зависит от коэффициентов преобразования цепей прямого и обратного преобразования. При βК>>1 выходное напряжение , цепь прямого преобразования практически не влияет на работу прибора, поэтому нестабильность коэффициентов преобразования К, не вызывает погрешности измерения.

Относительная мультипликативная погрешность, обусловленная нестабильностью коэффициентов преобразования К и β, находится: ,

где ∆К, ∆β - суммарные погрешности, обусловленные нестабильностью коэффициентов К и β. При βK>>1 погрешность  от нестабильности коэффициентов преобразования прямой цепи уменьшается в (1+βК) раз. Погрешность , обусловленная нестабильностью коэффициентов преобразования цепи обратной связи, при этих условиях почти полностью входит в суммарную погрешность. Следовательно, в прямой цепи можно использовать активные нестабильные преобразователи, например усилители, но при этом необходимо выполнять условие βK>>1. Коэффициент обратного преобразования β, наоборот, должен иметь высокую стабильность во времени.

            Аддитивная погрешность, обусловленная дрейфом нуля, наводками, порогом чувствительности звеньев и другими аналогичными причинами, моделируется путем введения в структурную схему (рисунок 1.11) дополнительных сигналов . Абсолютная аддитивная погрешность, приведённая к входу СИ, .

В режиме полного уравновешивания рассогласование ∆U=U–U¢m=0. Это возможно,  если в цепи  прямого  преобразования имеется интегрирующий  элемент с функцией преобразования ,например, электродвигатель, интегратор, выполненный на операционном усилителе.

Уравнение преобразования СИ для этого случая имеет вид UВЫХ=UВХ/- Коэффициент преобразования полностью определяется параметрами цепи обратной связи и не зависит от параметров цепи прямого преобразования.

            Мультипликативная относительная погрешность, связанная с нестабильностью коэффициентов преобразования блоков βi,  зависит только от свойств цепи обратной связи.

            Аддитивная погрешность схем с полным уравновешиванием почти целиком обуславливается порогом чувствительности звеньев ∆Un - минимальным сигналом на входе, способным вызвать сигнал на выходе (см. рисунок 1.10,б). При входном сигнале меньше ∆Un сигнал на выходе не появляется. Следовательно, уравновешивание схемы наступает при . При этом играет роль порог чувствительности звеньев в цепи прямого преобразования до интегрирующего звена включительно.

            Приведённая к входу абсолютная аддитивная погрешность

, где ∆U0i - порог чувствительности интегрирующего звена. Для уменьшения погрешности, обусловленной порогом чувствительности звеньев, следует увеличивать коэффициенты преобразования звеньев прямой цепи. В приведенных формулах фигурирует суммарная погрешность - сумма случайной и систематической составляющих.

   Схемы СИ зачастую могут быть комбинированными, т.е. содержать цепь прямого преобразования, звенья которой охвачены отрицательной обратной связью. Следует отметить, что принцип построения структурной схемы влияет на многие параметры СИ, такие как входные и выходные сопротивления, динамические и другие характеристики.