Автокомпенсационная измерительная система повышенной точности

В теории измерений давно уже стало постулатом, что при оценке системы необходимо рассматривать ее точность, чувствительность, быстродействие и энергопотребление. Причем все четыре характеристики не только важнейшие: обязательным является их совместное рассмотрение (аддитивное). Согласно информационной теории измерительных устройств:

γ²×η_э×Pt = 3,5×10^–20 Дж,          (1)

где γ — относительная погрешность; η_э — энергетический КПД; Pt — энергия, потребляемая прибором в обмен на информацию [3].

Автокомпенсатор в простейшем виде имеет структуру, показанную на рис. 1. Схема состоит из следующих элементов:

• ЭС — элемента сравнения;
• УЭ — усилителя сигнала ошибки Δx;
• ИЭ — исполнительного силового элемента;
• КЭ — компенсационного элемента.

С точки зрения информационной теории информационный КПД η_q ≈ 16%, в то время как система прямого измерения, например вольтметр, имеет всего лишь η_q ≈ 5,8%. Преимущество очевидно, и это хорошо знают инженеры, применяя в ответственных системах автокомпенсационные самопишущие приборы [2].

Если быть очень придирчивым относительно получения высокой точности, то, анализируя структурную схему автокомпенсатора, можно заметить, что следящая система имеет зону нечувствительности, и она всегда работает. При малых входных сигналах его проходная характеристика имеет характер пропорциональной зависимости, и только где-то на уровне 0,2% от динамического диапазона она насыщается, и двигатель начинает отрабатывать величину x. Снизить зону нечувствительности можно, но система становится неустойчивой. Количество получаемой от прибора информации составляет:

q = 9,3+(lgPt)/2.                     (2)

Корректирующие цепи усложняют систему, а снижение коэффициента обратной связи резко снижает быстродействие.

В этой работе мы предлагаем, не нарушая условие (1), повысить точность автокомпенсационной системы.

Любой специалист знает, что наибольшая погрешность измерительных систем присуща при малых входных сигналах — в начале шкалы, а автокомпенсационная система работает в нормальном режиме всегда в начале динамического ее диапазона, то есть при аддитивных и мультипликативных погрешностях. Причем, как видно на рис. 1, это астатическая система второго порядка, и ее динамическая ошибка равна 0 при отслеживании ẍ. Но в режиме малых сигналов: именно в режиме нормальной работы автокомпенсационной системы двигатель не может отслеживать сигнал из-за «пропорционального» участка характеристики усилителя. Эта зона нечувствительности ИС равна обычно 0,2–0,5% от динамического диапазона.

Рис. 1. Упрощенная структурная схема автоматического компенсатора

Суть нашего предложения заключается в следующем: в зоне нечувствительности (зоне пропорционального участка характеристики усилителя) следует применить импульсное управление следящей системой. Это позволит увеличить мощность управления, согласно теоретическим исследованиям, в 10¹⁴ раз. Это фантастическая величина, но нам это и не нужно. У нас трудность другого плана — бесконечно малый сигнал на входе усилителя. Выход здесь таков: нужно применить схему преобразования входной величины (рис. 2).

Рис. 2. Схема преобразования малой измеряемой величины х

Отличие нашего решения от всех других следующее: малое значение х преобразуется мостом М₁ в малое же напряжение, под действием которого между мостами протекает уравнительный ток I_у, направление которого определяется знаком разности потенциалов Y_AB–Y_CD. Эту разность потенциалов увеличиваем на статистическом усилителе — потенциометре R_п — до значения, когда схема преобразования напряжения в импульсы (рис. 3) будет работать «комфортно» [4].

Рис. 3.
а) Вольт-амперная характеристика (ВАХ) туннельного диода;
б) электрическая схема съема входного сигнала

При повышении напряжения на ТД значение М в точке Е ВАХ «перескакивает» в точку F характеристики, при этом ток также скачком меняется на резисторе R_п от значения N до значения L. Сигнал на входе усилителя У (рис. 2) скачком меняется до уровня насыщения, двигатель отрабатывает R_К до нулевого уровня F_ТД, точка М (рис. 3) уходит вниз, ток скачком уменьшается от точки L до точки N и т. д. На R_б получим напряжение диода.

На рис. 4 Т — период, t_U — длительность управляющих импульсов, t_U/Т — скважность. Мощность поступающего на вход электрического сигнала увеличивается в Т/t_U раз, то есть на несколько порядков, так как при перескакивании точки Е в точку F ВАХ диода будет определяться быстродействием следящей системы.

Рис. 4. Напряжение на входе усилителя

Сложность реализации заключается в следующем: в зоне нечувствительности трудно создать U_ТД, равное U_М, на ВАХ диода. Здесь на помощь приходит М₂, резистором R₀ которого создаем противоток на R_б таким образом, чтобы при необходимом значении x (нуль нашей шкалы) рабочая точка на ВАХ диода была максимально приближена к точке М [1].

Эта подстройка нуля у прибора, так же как подстройка чувствительности, осуществляется резистором R_К и делителем R_б.

Порог энергетической чувствительности, равный:

C_э = γ2×η_э×Pt,                    (3)

можно подстроить с помощью R_б и соответствующей характеристики туннельного диода (скважности).

Вывод. При малых входных сигналах энергетический порог чувствительности приборов, определяемый соотношением (2), становится меньше уровня термодинамического шума 3,5×10^–20 Дж, и здесь никакие измерения приборами невозможны. Использование импульсного управления и методики его реализации позволяет на несколько порядков увеличить мощность входного сигнала, обеспечивая как условие (2), так и уровень энергетического порога чувствительности.