РД8ДЕД

ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ

НЕЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

СОДЕРЖАНИ Е

I9-I. Основные определения. Характеристики электрических измерителей ие-электрических величин ...... 453

19-2. Датчики электрического сопротивления .............. 556

Реостатные (потенциометрические) датчики (456). Тензодатчики (проволочные датчики) (458). Датчики контактного сопротивления (459). Датчики термозависимого сопротивления (460). Полупроводниковые терморези-стсры (461). Диодные датчики температуры (462). Магнитоомические датчики (462). Электролитические датчики (462). Контактные датчики (463). 19-3. Индуктивные датчики ...... 464

19-4. Емкостные датчики ....... 466

19-5. Магнитоупругие датчики ..... 467 19-6. Электростатические датчики .... 468

19-7. Генераторные датчики ...... 468

Индукционные датчики (468). Термоэлектрические датчики (термопары) (469). Пьезоэлектрические датчики (471).

19-8. Ламповые датчики (мехатроны) . . 472

19-9. Радиационные датчики...... 472

19-10. Датчики, основанные на эффекте

Холла............ 474

Б©

19-11. Комбинированные датчики . . i

Комбинированный пружинный датчик (475). Комбинированные датчики давления (476). Биметаллический датчик (476). Гироскопический датчик (477). Датчики ускорений (акселерометры) (478). Датчики расхода жидкостей и газов (479). Датчики скоростного напора (479).

19-12. Измерительные цепи.......

Мостовая схема на постоянном токе (480). Мостовая схема на переменном токе (482). Дифференциальная измерительная цепь (484). Компенсационные цепи (484). Измерительная цепь fc колебательным контуром (485). Измерительная цепь с автогенератором (485). Фазовая измерительная цепь (486). Устройства преобразования электрического напряжения в число (486).

19-13. Усилители сигналов датчиков ...

Усилители постоянного тока (488). Магнитные усилители (490). Релейные усилители (491).

19-14. Индикаторные и регистрирующие устройства измерителей неэлектрических величин ..........

19-1. ОСНОВНЫЕ ОПРЕДЕЛЕНИЯ.

ХАРАКТЕРИСТИКИ ЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ИЗМЕРИТЕЛЕЙ НЕЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

Современное развитие измерительной техники характеризуется широким применением электрических приборов для измерения почти всех известных неэлектрических

величин. Объясняется это тем, что электрическая измерительная аппаратура имеет высокую чувствительность и точность измерений, возможность непрерывного измерения величин во времени и удобную регистрацию результатов измерений. Кроме того, электрические методы измерений позволяют наиболее просто производить измерения на расстоянии (дистанционно), что особенно важно при создании автоматиче-

ских систем и систем контроля производственных процессов.

Принцип измерения неэлектрических величин. При создании электрических приборов для измерения неэлектрических величин возникает ряд задач, из которых наиболее важными являются преобразование измеряемой неэлектрической величины в тот или иной электрический сигнал, передача этого сигнала к измерительному устройству и, наконец, измерение сигнала с наименьшей погрешностью.

Преобразование неэлектрических величин производится различными датчиками. Передача сигнала происходит через измерительные цепи (провода, согласующие и усиливающие устройства). Электрический сигнал в зависимости от его вида измеряют соответствующим электроизмерительным прибором (стрелочным, пишущим или электроннолучевым)

Преобразовать в электрические можно следующие неэлектрические величины:

механические, к которым относятся перемещения (линейные и угловые) скорость, ускорение, силы и моменты сил, упругость, частота колебаний, размеры, вес и объем различных тел, уровень жидкости;

физические, к- которым относят температуру, количество тепла, теплоемкость, тепловое сопротивление, магнитные свойства материала, цвет, освещенность, световой поток, силу света, интенсивность излучения;

химические, такие как концентрация вещества и его состав;

органические, связанные с физиологическими процессами жизни растений и животных.

Все известные методы измерения неэлектрических величин электрическими измерителями можно разделить иа Методы непосредственной оценки и методы сравнения.

Рис. 19-1. Функциональные схемы измерителей неэлектрических величин.

а - метод непосредственной оценки; б - метод сравнения.

Методы непосредственной оценки характеризуются тем, что неэлектрическая величина N, преобразуемая Датчиком Д в электрическую величину М (рис. 19-1, я), затем проходит через измерительную цепь ИЦ к

измеряется соответствующим электрическим прибором.

Метод сравнения характеризуется тем, что используются два датчика: один рабочий Др, другой эталонный Дз (рис. 19-1,6). Напряжение датчиков через согласующее устройство СУ подводится к вычитающему устройству ВУ, Выделяющийся разностный сигнал, характеризующий в данном случае измеряемую неэлектрическую величину, через измерительную цепь ЙЦ подводится к электроизмерительному прибору. Каналы рабочего и нерабочего датчиков до вычитающего устройства должны быть идентичны, тогда ошибка измерения из-за нестабильности окружающей температуры, питающих напряжений и других дестабилизирующих факторов будет наименьшей.

Все известные датчики можно разделить на два класса: параметрические и генераторные.

Параметрический датчик - это пассивный элемент электрической цепи питаемой от постороннего источника.

В генераторных датчиках входная величина непосредственно преобразуется в электрический сигнал. Постороннего источника энергии при этом не требуется.

Выходными электрическими величинами параметрических датчиков обычно являются: активное, индуктивное или емкостное сопротивление и падение напряжения, а генераторных - э. д. с, частота и фаза переменного тока.

Да1-чик должен иметь непрерывную зависимость выходной величины от измеряемой входной достаточную чувствительность, необходимый диапазон изменений измеряемой величины, удобное согласование с измерительной аппаратурой и не должен оказывать существенного обратного влияния на измеряемую неэлектрическую величину.

Зависимость выходной величины от фиксированных значений преобразуемой входной величины называется статической характеристикой датчика (рис. 19-2, я).

В большинстве случаев стремятся сделать эту зависимость линейной (кривая 2). Вместе с тем широко используются датчики и с нелинейными статическими характеристиками (кривая 1). Крутизну К статической характеристики, определяемую как отношение малого приращения выходного сигнала AM к соответствующему приращению входной величины AN (Д=ДМ/ДЛ/) называют чувствительностью датчика.

Инерционные (динамические) свойства датчика оцениваются по его переходной характеристике, выражающей изменения выходной величины во времени M(t) при скачкообразном изменении преобразуемой величины на входе (рис. 19-2,6).

Обычно в датчиках входная реэлекгри-ческая величина непосредственно преобразуется в нужную электрическую величину, а иногда путем нескольких последовательных преобразований (комбинированные датчики) .

Известно большое число датчиков, различных по своей конструкции и назначению. Они могут быть классифицированы по

0,85

Рис. 19-2. Характеристики датчика.

а - статические; б - переходная; /(/V - выходная величина, равная М; Г - постоянная времени, характеризующая инерциоииость датчика; уст~ время установления, в течение которого выходная величина достигает 0,95 KN; i< -чувствительность датчика.

различным признакам, важным в том или другом отношении. В последнее время широко используется классификация по принципу действия датчиков.

Важнейшие характеристики измерителей неэлектрических величин: характер зависи-.мости отклонения стрелки индикаторногб прибора от значений измеряемой неэлектрической величины, чувствительность, погрешность измерения и динамические свойства измерителя.

В большинстве случаев электрические измерители йеэлектрических величин выполняются с линейной зависимостью отклонения стрелки индикаторного прибора от значения измеряемой неэлектрической величины. В ряде специальных случаев эта зависимость может иметь и другой характер.

Под чувствительностью измерителя неэлектрической величины Кизы понимается крутизна характеристики M=f(N) в рабочей точке, т. е.

dM dN

Чувствительность измерителя при линейном характере зависимости в диапазоне изменений неэлектрической величины постоянна. Ее величина определяется произведением чув-ствительностей элементов, входящих в измеритель неэлектрических величин: датчика (/Сд), измерительной цепи (/Сиц) и электрического прибора (Kyi)

изм = д иц<п

(19-2)

(19-1)

В реальных условиях работы элементы электрического измерителя неэлектрических величин подвергаются воздействию различных дестабилизирующих факторов (изменение амплитуды, частоты и формы питающих напряжений, температуры и давления окружающей среды и т. п.). Это вызывает погрешность измерения и ведет к снижению точности.

На погрешность измерения неэлектрической величины значительное влияние оказывает погрешность преобразования, осуществляемого датчиком и последующими элементами измерителя.

Важнейшим средством уменьшения погрешности измерения неэлектрических величин с помощью электрических измерителей является уменьшение влияния дестабилизирующих факторов на характеристики элементов измерителя. Это достигается применением стабилизированных источников питания и выбором наиболее подходящи! схемы измерительной цепи и выходного индикатора. Например, в измерителях, основанных на использовании метода сравнения, влияние внешних дестабилизирующих факторов на точность измерения оказывается менее существенным из-за компенсации искажений сигналов измерительного и эталонного датчиков в вычитающем устройстве.

При измерении или контроле быстроиз-меняющихся величин важное значение имеют инерционные (динамические) свойства измерителя, ограничивающие его быстродействие; обычно это - датчики и индицирующие (регистрирующие) приборы.-Инерционность измерительной цепи, как правило, весьма мала и не является ограничивающей.

Выбор элементов измерителя, и прежде всего датчика, необходимо производить после того, как выяснено назначение прибора и учтены внешние условия его работы (температура, влажность, вибрации и др.); пределы измерения; скорость (частота) изменения измеряемой неэлектрической величины; допустимая погрешность измерения; допустимые вес и габариты датчика и измерителя в целом; источники питания.

Выбор датчика связан с методом измерения, который предполагается использовать в измерителе. Так, например, в случае использования метода сравнения лучше применять дифференциальные датчики, -которые имеют лучшую симметрию измерительной и эталонной ветвей измерителя, при