Глава одиннадцатая. ПРИБОРЫ И ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЙ НЕЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

11-1. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

Применение электрических приборов и преобразователей для измерения неэлектрических величин.

Среди множества величин, которые необходимо измерять, значительное их число являются неэлектрическими. Поэтому промышленность выпускает разнообразные приборы и преобразователи для измерения неэлектрических величин, причем среди них значительную долю составляют электрические средства измерений.

Рис. 11-1. Структурная (а) и функциональная (б) схемы прибора прямого преобразования

Причины широкого применения электроизмерительных приборов для измерения неэлектрических величин заключаются в следующем:

1) приборы позволяют осуществлять дистанционные измерения, т. е. измерения, когда результат измерения может быть получен на значительном расстоянии от объекта исследования;

2) в приборах возможны автоматические преобразования как информативных параметров сигналов, так и результатов измерений, с целью, например, введения поправок;

3) эти приборы более удобны, чем неэлектрические, для решения задач автоматического управления;

4) приборы дают возможность регистрировать как очень медленно меняющиеся величины, так и быстро меняющиеся (например, с помощью электронного осциллографа), могут иметь широкий диапазон измерений.

Структурные схемы электрических приборов для измерения неэлектрических величин.

Особенностью электрических приборов для измерения неэлектрических величин является обязательное наличие измерительного преобразователя неэлектрической величины в электрическую.

Измерительный преобразователь неэлектрической величины устанавливает однозначную функциональную зависимость выходной электрической величины от входной измеряемой неэлектрической величины.

На рис. 11-1, а показана упрощенная структурная схема электрического прибора прямого преобразования для измерения неэлектрической величины. Измеряемая неэлектрическая величина х подается на вход измерительного преобразователя ИП. Выходная электрическая величина у преобразователя измеряется электрическим измерительным прибором ЭИП. В зависимости от рода выходной величины и требований, предъявляемых к прибору, электрический измерительный прибор может быть различной степени сложности. В одном случае это — магнитоэлектрический милливольтметр, а в другом — автоматический компенсатор или цифровой измерительный прибор. Обычно шкалу ЭИП градуируют в единицах измеряемой неэлектрической величины. На рассматриваемой структурной схеме не указаны вспомогательные узлы (например, блок питания).

На рис. 11-1, б в качестве примера показан электрический прибор для измерения температуры. В этом приборе (комплекте) — термопара, ЭДС которой является функцией

Рис. 11-2. Структурная схема прибора с дифференциальным измерительным преобразователем

измеряемой температуры; — милливольтметр для измерения ЭДС термопары. В данном случае термопара — измерительный преобразователь, а милливольтметр — электрический измерительный прибор.

Измеряемая неэлектрическая величина может неоднократно преобразовываться для согласования пределов ее изменения с ИП, для получения более удобного для ИП вида входного воздействия и т. д. Для выполнения подобных преобразований в прибор вводят предварительные преобразователи неэлектрическпх величин в неэлектрические.

При большом числе промежуточных преобразований в приборах прямого преобразования существенно возрастает суммарная погрешность. Для снижения погрешности применяют дифференциальные измерительные преобразователи (ДИП), которые имеют меньшую аддитивную погрешность, меньшую нелинейность функции преобразования и повышенную чувствительность по сравнению с аналогичными недифференциальными преобразователями.

На рис. 11-2 показана структурная схема прибора, включающая в себя дифференциальный измерительный преобразователь. Особенность этой схемы заключается в наличии двух каналов преобразования и дифференциального звена , имеющего один вход и два выхода. При изменении входной величины х относительно начального значения выходные величины звена получают приращения с разными знаками относительно начального значения Следовательно, при изменении входной величины информативный параметр сигнала одного канала увеличивается, а другого — уменьшается. Выходные величины каналов вычитаются в вычитающем устройстве ВУ и образуют выходную величину у, т. е.

При идентичных каналах, т. е. при величина

Аддитивная погрешность идентичных каналов ДИП не влияет на характеристику преобразования. Действительно,

Рис. 11-3. Прибор с дифференциальным преобразователем

Иногда нелинейность функций преобразования идентичных каналов не влияет на линейность характеристики преобразования ДИП. Например, при имеем

Практически полной компенсации аддитивных погрешностей и нелинейностей характеристик преобразования каналов ДИП не получается из-за некоторой неидентичности каналов преобразования.

В приборе для измерения угла поворота а (рис. 11-3) применен индуктивный ДИП. Катушка 1 питается от источника переменного тока. Изменение положения ферромагнитного подвижного якоря А относительно неподвижного сердечника Б в процессе измерения вызывает изменение магнитного сопротивления сердечников катушек 2 и 2 на одинаковые значения с противоположными знаками, в результате чего ЭДС, наводимые переменным магнитным потоком в катушках, получат приращения: при симметричном относительно обеих катушек положении якоря А). Разность ЭДС на выходе получается встречным включением катушек 2 и 2 и измеряется милливольтметром

В настоящее время находят применение приборы уравновешивающего преобразования неэлектрических величин. В таких приборах могут быть получены более высокая точность, большее быстродействие и меньшее потребление энергии от объекта исследования. В качестве узлов обратной связи используют обращенные преобразователи, преобразующие электрическую величину в неэлектрическую (электромеханические преобразователи, лампы накаливания).

Рассмотрим в качестве примера прибор для измерения малых вращающих моментов (рис. 11-4, а). Измеряемый момент прикладывают к валику, на котором укреплены зеркальце 3 и катушка магнитоэлектрического механизма — обращенного преобразователя Ток к катушке подводится через безмоментные токоподводы. Под действием момента начинают поворачиваться валик, зеркальце и катушка. При повороте зеркальца освещается фотоэлемент ФЭ и появляется фототок, который усиливается усилителем У и подается в миллиамперметр и катушку ОП. Этот ток, протекая по катушке, создает в ОП компенсирующий момент направленный навстречу измеряемому

Рис. 11-4. Функциональная (а) и структурная (б) схемы компенсационного прибора для измерения вращающего момента

Поворот зеркальца, а следовательно и увеличение тока в катушке, происходит до тех пор, пока компенсирующий и измеряемый моменты не станут равными (моментами трения в опорах и моментом, создаваемым токоподводами, пренебрегаем).

На рис. 11-4, б приведена структурная схема этого прибора, где — звенья цепи прямого преобразования; — звено обратной связи; СУ — сравнивающее устройство; — разность моментов а — угол поворота валика; Ф — световой поток, падающий на фотоэлемент; — фототок фотоэлемента; — выходное напряжение усилителя; I — выходной ток усилителя. При полной компенсации (с учетом сделанных допущений) где — соответственно индукция, число витков и площадь катушки — ток в катушке. Из последнего равенства

Таким образом, по току I можно судить об измеряемой величине Из этого выражения видно, что ток в миллиамперметре не зависит от параметров осветительной лампы, фотоэлемента и усилителя, не зависит от напряжений источников питания осветительной лампы и усилителя, а также от сопротивления цепи катушки, т. е. не зависит от параметров звеньев цепи прямого преобразования.

Электрические приборы для измерения неэлектрических величин могут быть не только аналоговыми, о которых говорилось выше, но и цифровыми (см. гл. 8).

Характеристики измерительных преобразователей неэлектрических величин.

Важнейшими метрологическими характеристиками преобразователей являются: номинальная статическая характеристика преобразования, чувствительность, основная погрешность, дополнительные погрешности, или функции влияния, вариация выходного сигнала, выходное полное сопротивление, динамические характеристики и т. д.

К важнейшим неметрологическим характеристикам относят габариты, массу, удобство монтажа и обслуживания, взрывобезопасность, устойчивость к механическим, тепловым, электрическим и другим перегрузкам, надежность, стоимость изготовления и эксплуатации и т.

В зависимости от вида выходного сигнала все измерительные преобразователи делят на параметрические и генераторные. Их классифицируют также по принципу действия. Ниже рассматриваются только измерительные преобразователи, получившие наибольшее применение.