Файл: Электрические измерения. Общий курс учебник.pdf

тических операции над результатами измерений, что позволяет ав­

ровать как очень медленно меняющиеся величины, так и быстро ме­ няющиеся (например, с помощью электронного осциллографа), имеют широкий диапазон пределов измерения как в сторону весьма боль­ ших значений, так и в сторону весьма малых значений измеряемой величины.

Структурные схемы электрических приборов для измерения неэлектрических величин. Электрические приборы для измерения неэлектрических величин отличаются от подобных приборов для из­

На рис. 230 показана упрощенная структурная схема электриче­ ского прибора для измерения неэлектрической величины. Изме­ ряемая неэлектрическая величина х подается на вход измерительного

устройства определяются требованиями при измерении выходной величины измерительного преобразователя. Электрическое измери­ тельное устройство может быть выполнено как по схеме прямого пре­ образования, так и по схеме компенсационного преобразования (см. гл. 1).

Таким образом, в зависимости от электрической величины и тре­ бований, предъявляемых к прибору, электрическое измерительное устройство может быть различной степени сложности. В одном слу­

тельный прибор. Обычно шкала отсчетного устройства электрического измерительного устройства градуируется в единицах измеряемой неэлектрической величины.

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

На рис. 231 в качестве примера показан электрический прибор, предназначенный для измерения температуры. В этом приборе (ком­ плекте): ТП — термопара, э. д. с. которой является функцией

313

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. 230.

Применяются также электрические приборы, в которых изме­ ряемая неэлектрическая величина претерпевает несколько преобра­ зований. В качестве предварительных преобра­ зователей часто используются неэлектрические измерительные механизмы, преобразующие из­ меряемую неэлектрическую величину в пере­ мещение подвижной части этих механизмов.

Перемещение подвижной части измерительным преобразователем преобразуется в электриче­ скую величину.

Па рис. 232 показан электрический прибор для измерения давления воздуха. Давление воздуха Q подается на манометр М , с под­

вижной частью которого связана щетка реостата Р . При изменении давления перемещаются подвижная часть манометра и щетка рео­ стата, в результате чего изменяется сопротивление части реостата, включенной в цепь миллиамперметра. Это приводит к изменению тока, протекающего через миллиамперметр, и изменению показаний прибора. Таким образом, этот прибор построен по структурной схеме прямого преобразования с несколькими предварительными преобра­ зователями.

Так как в приборах прямого преоб­ разования из-за суммирования погреш­ ностей звеньев трудно получить высо­ кую точность измерений, в настоящее время все больше применяются при­ боры компенсационного преобразова­ ния .

В приборах компенсационного пре­ образования могут быть получены бо­ лее высокая точность, более высокое быстродействие и меньшее потребление энергии от объекта измерения. В ка­ честве узлов обратной связи исполь­

зуются обращенные преобразователи, преобразующие электрическую величину в неэлектрическую (электромагнитные механизмы, лам­ почки накаливания).

Рассмотрим, например, прибор для измерения малых вращающих моментов (рис. 233, а ) . Измеряемый момент М х прикладывается к валику, на котором укреплены зеркальце 3 и рамка магнитоэлект­ рического 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

314

фототок. Фототок усиливается и подается в рамку магнитоэлектриче­ ского механизма и миллиамперметр тА.

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

На рис. 233, б приведена структурная схема этого прибора, где

Рис. 233. Компен­ сационный прибор для измерения ме­ ханического мо­ мента: а — устрой­ ство; б — струк­

турная схема

б)

При полной компенсации (с учетом сделанных допущений) полу­

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

315

Электрические приборы для измерения неэлектрических величин могут быть не только аналоговыми, о которых говорилось выше, но и цифровыми (гл. 9).

Характеристики измерительных преобразователей неэлектрнческих величин. Зависимость выходной величины измерительного преобразователя у от входной х в общем виде выражается уравнением преобразования у — / { х ) . Уравнение преобразования (функция пре­ образования) для некоторых преобразователей известно, а для дру­ гих функцию преобразования приходится находить эксперименталь­ но, т. е. прибегать к градуировке преобразователей. Результаты градуировки выражаются в виде таблиц, графиков или аналитиче­ ски.

Обычно у преобразователей выходной сигнал у зависит не только

В этом случае при градуировке определяется ряд функций пре­ образования при разных значениях z.

Знание функций преобразования при разных значениях влияю­ щего фактора позволяет тем или иным способом (введением поправки, автоматической коррекцией) учесть влияние внешнего фактора. На­ пример, электропроводность к растворов электролитов зависит от концентрации С и температуры t. Поэтому при использовании зави­ симости к = / (С) для определения концентрации нужно либо под­ держивать температуру раствора постоянной, либо вводить поправки (расчетным путем или автоматически), зная влияние температуры на эту зависимость.

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

1.Воспроизводимость функции преобразования. Возможность изготовлять преобразователи с заранее предусмотренными характе­ ристиками является необходимым условием выпуска взаимозаменяе­ мых преобразователей.

2.Постоянство во времени функции преобразования. При из­ менении с течением времени функции преобразования приходится повторять градуировку, что крайне нежелательно, а в некоторых случаях невозможно (например, прибор работает в недоступном месте).

3.Вид функции преобразования. Обычно наиболее желателен линейный характер зависимости у = f ( х ) . Многозначность пли раз­ рыв функции преобразования указывают на непригодность преобра­ зователя в данном интервале изменения измеряемой величины.

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 внеш­ них факторов.

Дополнительные погрешности обусловлены также принципом дей­ ствия, несовершенством конструкции и технологии изготовления,

316

ио проявляются они при отклонении внешних факторов от номиналь­ ных значений.

Основная погрешность рассматриваемого отдельно преобразова­ теля может складываться из некоторых составляющих: погрешности, обусловленной неточностью образцовых приборов и мер, с помощью которых производилась градуировка; погрешности за счет прибли­ женного выражении (табличным, графическим, аналитическим спо­ собом) функции преобразования; погрешности, обусловленной непол­ ным совпадением функций преобразования при возрастании и убы­ вании измеряемой величины (гистерезис функции преобразования); погрешности от неполной воспроизводимости характеристик преоб­ разователя (например, чувствительности). Последняя погрешность

пути потока газа или жидкости, скорость которого измеряется. Изме­ нение скорости потока вызывает изменение условий теплообмена терморезистора со средой, изменение его температуры и сопротивле­ ния. Измеряя сопротивление резистора тем или иным способом, можно судить о скорости потока. Но очевидно, что терморезистор, помещен­ ный на пути потока, изменяет скорость его, и в этом проявляется обратное влияние преобразователя на измеряемую величину. Обрат­ ное влияние на практике учесть трудно, а поэтому стараются его сделать минимальным.

(5. Динамические свойства преобразователя. При изменении вход­ ной величины в преобразователе возникает переходный процесс, характер которого зависит от наличия в преобразователе элементов, запасающих энергию (двигающиеся детали, электрические емкости, индуктивности, детали, обладающие теплоемкостью и т. д.).

Переходный процесс проявляется в виде инерции — запаздыва­ ния реакции преобразователя на изменение входной величины. Например, при погружении термопары в среду, температура которой измеряется, термо-э. д. с. на выходе термопары установится в соот­ ветствии с измеряемой температурой только по истечении некоторого промежутка времени.

При измерении быстро изменяющихся величин преобразователь работает в нестационарном режиме, а поэтому при оценке качеств преобразователей необходимо учитывать их динамические характе-

317