Измерения неэлектрических величин

ИЗМЕРЕНИЯ НЕЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

Применение электрических  приборов для измерения неэлектрических  величин. При контроле технологических процессов, а также при научных исследованиях приходится производить измерения различных, и в том числе неэлектрических, величин.

Разновидностей электрических  приборов для измерения неэлектрических  величин значительно больше, чем  приборов для измерения электрических  величин. Это объясняется тем, что  контролируемых неэлектрических величин  значительно больше, чем электрических.

Наиболее важные причины  широкого применения электрических  приборов для измерения неэлектрических  величин заключаются в следующем.

1. Электроизмерительные приборы лучше неэлектрических приборов позволяют осуществлять дистанционные измерения, благодаря чему обеспечиваются измерения в одном месте различных по своей природе параметров, контролируемых нередко в территориально удаленных друг от друга и недоступных для наблюдения точках.
2. Электроизмерительные приборы легче поддаются автоматизации, что значительно улучшает их качество. Автоматизация исключает субъективные свойства оператора. В электроизмерительных приборах имеются широкие возможности для автоматического и непрерывного проведения математических операций над результатами измерений, что позволяет автоматически вводить поправки, интегрировать, дифференцировать результат и т.д.
3. Электроизмерительные приборы более удобны, чем неэлектрические для решения задач автоматического управления.
4. Электроизмерительные приборы дают возможность регистрировать как очень медленно меняющиеся величины, так и быстро меняющиеся (например, с помощью электронного осциллографа), имеют широкий диапазон пределов измерения.

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 (э. д. е., сопротивления и т. д.) от входной измеряемой неэлектрической величины (температуры, перемещения и т. д.).

На рис. 1, а показана упрощенная структурная схема электрического прибора прямого преобразования для измерения неэлектрической величины. Измеряемая неэлектрическая величина х подается на вход измерительного преобразователя ИИ. Выходная электрическая величина у преобразователя измеряется электрическим измерительным устройством ЭИУ. В зависимости от рода выходной электрической величины и требований, предъявляемых к прибору,  электрическое измерительное устройство может быть различной степени сложности. В одном случае это — магнитоэлектрический милливольтметр, а в другом — автоматический потенциометр или цифровой измерительный прибор. Обычно шкала отсчетного устройства ЭИУ градуируется в единицах измеряемой неэлектрической величины.

На рассматриваемой структурной  схеме не указаны вспомогательные узлы (например, блоки питания).

На рис. 1, б в качестве примера показан электрический прибор, предназначенный для измерения температуры. В этом приборе (комплекте): Тп — термопара,  э.д.с. которой является функцией измеряемой температуры; mV — милливольтметр для измерения э.д.с. термопары.

 

В данном случае термопара — измерительный преобразователь, а милливольтметр — электрическое измерительное устройство. Таким образом, прибор выполнен по структурной схеме рис. 1, а.

Часто измеряемая неэлектрическая  величина неоднократно преобразуется  в целях согласования пределов ее изменения с рабочим диапазоном ИП, получения более удобного для ИП вида входного воздействия и т. д. Для выполнения подобных преобразований в прибор вводятся предварительные преобразователи неэлектрических 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 ИП.

 

 

 

 

 

 

 

На рис. 2 показана структурная схема прибора, включающая в себя дифференциальный измерительный преобразователь. Характерная особенность этой схемы заключается в наличии двух каналов преобразования и дифференциального звена П_д, имеющего один вход и два выхода. При изменении входной величины х относительно начального значения х₀ выходные величины звена П_Д получают приращения с разными знаками относительно начального значения х₁₀. Следовательно, при изменении входной величины информативный параметр сигнала одного канала увеличивается, а другого— уменьшается. Выходные величины у_х и у’_х каналов вычитаются и образуют выходной электрический сигнал ДИП (у), т. е.

При идентичных каналах, т. е. при k₁ — k’ ₁ = k_Д,

у = 2kk_ДЛ_х.

Одинаковая аддитивная погрешность Лх_а идентичных каналов ДИП не влияет на функцию преобразования. Действительно,

у = у₁ — у'₁ — К_Д (х₁₀ + k Лх 4- Лх_а) — К_Д (х₁₀ — k Лх + Лх_а) = 2kk_ДЛх.

Одинаковые нелинейности функций преобразования идентичных каналов не влияют на линейный характер функции преобразования ДИП. Например, приy₁ = k_Д (х₁₀ + kЛx)² и y’₁= k_Д (х₁₀ — kЛх)² имеем

у = у₁ - у'₁=2kk_Д х₁₀ Лх.

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

В приборе для измерения  угла поворота  α  (рис. 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 катушек 2 и 2' на одинаковые значения с противоположными знаками, в результате чего э. д. е., наводимые переменным магнитным потоком в катушках, получат приращения: Е₁=Е₀+ЛЕ и Е₂ = Е₀ —ЛЕ (Е₁ = E₂ = Е₀ при симметричном относительно обеих катушек положении якоря А).

Разность э. д. с. на выходе (Е₁— Е₂ — 2ЛЕ) получается встречным включением катушек 2 и 2' и измеряется милливольтметром тV.

В настоящее время находят  применение приборы компенсационного преобразования неэлектрических величин.

В приборах компенсационного преобразования могут быть получены более высокая точность, большее быстродействие и меньшее потребление энергии от объекта измерения. В качестве узлов обратной связи используются обращенные преобразователи, преобразующие электрическую величину в неэлектрическую (электромеханические преобразователи, лампы накаливания).

Рассмотрим, например, прибор для измерения малых вращающих моментов (рис. 4, а). Измеряемый момент М_х прикладывается к валику, на котором укреплены зеркальце 3 и рамка магнитоэлектрического механизма — обращенного преобразователя ОП. Ток к рамке подводится через безмоментные токоподводы. Под действием момента М_х начинают поворачиваться валик, зеркальце и рамка.

При повороте зеркальца освещается фотоэлемент ФЭ и появляется фототок. Фототок усиливается усилителем У и подается в рамку магнитоэлектрического механизма и миллиамперметр тА.

Этот ток, протекая по рамке, создает в магнитоэлектрическом механизме компенсирующий момент УИ_К, направленный навстречу измеряемому М_х. Поворот зеркальца, а следовательно, и увеличение тока в рамке будет происходить до тех пор, пока компенсирующий и измеряемый моменты не станут равными (моментами трения в опорах и моментом, создаваемым токоподводами, пренебрегаем).

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

На рис. 4, б приведена  структурная схема этого прибора, где П₁ — П₅ — звенья цепи прямого преобразования; П₆ — звено обратной связи; ЛM — разность моментов М_х и М_к; α - угол поворота; Ф — световой поток, падающий на фотоэлемент; I_ф — фототок фотоэлемента; U_B — выходное напряжение усилителя; I — выходной ток усилителя. 

При полной компенсации (с  учетом сделанных допущений)

M_x = M_K = BωsI,

где В, w, s — соответственно индукция, число витков и площадь рамки магнитоэлектрического механизма;I — ток в рамке. Решая уравнение относительно I, будем иметь 

Таким образом, по току в  цепи можно судить об измеряемой величине М_х. Из этого выражения видно, что ток в миллиамперметре не зависит от параметров осветительной лампы, фотоэлемента, усилителя, от напряжений источников питания осветительной лампы и усилителя, а также от сопротивления цепи рамки, 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.

Характеристики  измерительных преобразователей неэлектрических величин. Зависимость выходной величины измерительного преобразователя у от входной х выражается уравнением преобразования у = f (х). Уравнение преобразования (функцию преобразования) обычно приходится находить экспериментально, т. е. прибегать к градуировке преобразователей. Результаты градуировки выражаются 5 виде таблиц, графиков или аналитически.

Часть у преобразователей выходной сигнал у зависит не только от входной измеряемой величины х, но и от внешнего фактора z, т. ё. функция преобразования в общем виде у = [ (х, z).

В этом случае при градуировке  определяется ряд функций преобразования при разных значениях г.

Знание функций преобразования при разных значениях влияющего фактора позволяет тем или иным способом (введением поправки, автоматической коррекцией) учесть влияние внешнего фактора. Например, электрическая проводимость x растворов электролитов зависит от концентрации С и температуры t. Поэтому при использовании зависимости  х = f (С) для определения концентрации нужно либо поддерживать температуру раствора постоянной, либо вводить поправки (расчетным путем или автоматически), зная влияние температуры на эту зависимость.

При оценке и сравнении  измерительных преобразователей необходимо учитывать следующие их основные свойства.

1. Воспроизводимость функции преобразования. Возможность изготовлять преобразователи с заранее предусмотренными характеристиками является необходимым условием выпуска взаимозаменяемых преобразователей.
2. Постоянство во времени функции преобразования. При изменении с течением времени функции преобразования приходится повторять градуировку, что крайне нежелательно, а в некоторых случаях невозможно (например, преобразователь работает в недоступном месте).
3. Вид функции преобразования. Обычно наиболее желателен линейный вид зависимости у =f(х), что облегчает унификацию выходного сигнала преобразователей с целью использования их с цифровыми измерительными приборами, измерительными информационными системами и вычислительными машинами.
4. Важными характеристиками преобразователя являются его погрешности и чувствительность.

Основная погрешность  преобразователя может быть обусловлена  принципом действия, несовершенством  конструкции и технологии изготовления и проявляется она при номинальных значениях внешних факторов.

Основная погрешность  рассматриваемого отдельно преобразователя может складываться из некоторых составляющих: погрешности, обусловленной неточностью образцовых приборов и мер, с помощью которых производилась градуировка; погрешности за счет приближенного выражения (табличным, графическим, аналитическим способом) функции преобразования; погрешности, обусловленной неполным совпадением функций преобразования при возрастании и убывании измеряемой величины (гистерезис функции преобразования); погрешности от неполной воспроизводимости характеристик преобразователя (например, чувствительности). Последняя погрешность исключается при индивидуальной градуировке. На практике все составляющие проявляются в виде одной основной погрешности.

Дополнительные погрешности  преобразователя, обусловливаемые принципом его действия, несовершенством конструкции и технологии изготовления, проявляются при отклонении влияющих величин от их номинальных значений.

Рассмотренные выше погрешности  определяются при неизменных во времени измеряемых величинах и носят название статических.

Рис. 5. Электрический термоанемометр

5. Обратное воздействие преобразователя на измеряемую величину. Преобразователи оказывают обратное влияние на измеряемую величину, искажая ее и вызывая тем самым изменение выходного, сигнала. Пояснить это можно на примере термоанемометра (рис.5), который представляет собой термочувствительный резистор R, нагреваемый электрическим током и помещаемый на пути потока газа или жидкости, скорость которого измеряется. Изменение скорости потока вызывает изменение условий теплообмена терморезистора со средой, изменение его температуры и сопротивления. Измеряя сопротивление резистора тем или иным способом, можно судить о скорости потока. Но очевидно, что терморезистор, помещенный на пути потока, изменяет скорость его, и в этом проявляется обратное влияние преобразователя на измеряемую величину. Обратное влияние на практике учесть трудно, а поэтому стараются его сделать минимальным.
6. Динамические свойства преобразователя. При изменении входной величины в преобразователе возникает переходный процесс, характер которого зависит от наличия в преобразователе элементов, запасающих энергию (двигающиеся детали, электрические конденсаторы, катушки индуктивности, детали, обладающие теплоемкостью и т. д.).