Методы и средства измерений неэлектрических величин
03.10.2009 19:21

Измерение - единственный способ получения количественной информации о величинах, характеризующих те или иные физические явления или процессы. Поэтому разработка новых машин, механизмов, аппаратов, а также непосредственное осуществление сложных технических производственных процессов в промышленности связаны с необходимостью измерения многочисленных физических величин.
При этом число подлежащих измерению механических, тепловых, химических, оптических, акустических и т.д. величин, то есть так называемых неэлектрических величин, интересующих науку и производство, во много раз больше числа всех возможных электрических и магнитных величин. Поэтому измерение неэлектрических величин достигло сейчас высокого развития и образует наиболее крупную, разветвленную и стремительно развивающуюся я область современной измерительной техники, а производство приборов для измерения различных физических величин составляет основную часть приборостроительной промышленности.
До появления автоматических управляющих устройств и ЭВМ потребителем измерительной информации на выходе измерительных приборов был человек (экспериментатор, оператор, диспетчер). Теперь же очень часто измерительная информация от приборов непосредственно поступает в автоматические управляющие устройства. В этих условиях главное положение при измерении любых физических величин заняли электрические средства измерений благодаря присущим им следующим основным преимуществам.
1. Исключительная простота измерения чувствительности в весьма широком диапазоне значений измеряемой величины, то есть широкий амплитудный диапазон. Использование электроники позволяет в тысячи раз усиливать электрические сигналы, а следовательно в такое же число раз увеличивать чувствительность аппаратуры. Благодаря этому электрическими методами можно измерять такие величины, которые другими методами вообще не могут быть измерены.
2. Весьма малая инерционность электрической аппаратуры, то есть широкий частотный диапазон. Это дает возможность измерять как медленно протекающие, так и быстро протекающие во времени процессы с их регистрацией светолучевыми и электронными осциллографами.
3. Возможность измерения на расстоянии, в недоступных местах, вредных условиях, возможность централизации и одновременности измерения многочисленных и различных по своей физической природе величин, то есть возможность создания комплексных информационно-измерительных систем, возможность передачи результатов измерений на большие расстояния, математической обработке и использования их для управления.
4. Возможность комплектования измерительных и обслуживаемых или автоматических систем из блоков однотипной электрической аппаратуры, что имеет важнейшее значение для создания информационно-измерительных систем, как для научного, так и для промышленного измерения.

Измерительные преобразователи

Для того, чтобы неэлектрические величины можно было измерить с помощью электрической измерительной аппаратуры, необходимы устройства. которые преобразовывали бы измеряемую величину сначала в нескорую промежуточную электрическую величину, а затем в окончательный результат измерения. Устройства, осуществляющие однозначную функциональную зависимость одной неэлектрической или электрической величины от другой, называются измерительными преобразователями.
Наиболее важную роль в технике электрических измерений неэлектрических величин играют преобразователи неэлектрических величин в электрические (например, термопара, развивающая Э.Д.С. пропорциональную температуре; фотоэлемент, дающий величину электрического тока, пропорциональную падающего на него светового потока и т.д.)
Кроме этого, в аппаратуре для измерения неэлектрических величин применяются чисто неэлектрические преобразователи (рычажные и зубчатые передачи, пружины, мембраны, сильфоны и т.д.), чисто электрические преобразователи (линии связи, делители напряжения и тока, мосты, усилители, выпрямители и т.д.), а также так называемые обратные преобразователи, то есть преобразователи электрических величин в неэлектрические.

Принцип построения измерительных устройств

Составление структурной схемы измерительного устройства рассмотрим на примере, представленном на рис.8, где схематично показана конструкция электрического устройства для измерения уровня бензина в баке автомобиля.

Высота измеряемого уровня бензина х воспринимается поплавком 1, который с помощью рычажной передачи 2 перемещает движок реостата R. Таким образом эта часть устройства обеспечивает однозначную функциональную зависимость перемещения от измеряемой величины х. Реостат с равномерной намоткой (реостатный измерительный преобразователь) дает однозначную зависимость . Электрическая измерительная цепь (при постоянстве напряжения Е источника питания и всех сопротивлений цепи, кроме сопротивления реостата) осуществляет однозначную зависимость тока I от сопротивления R. Поэтом шкала электроизмерительного прибора (указателя), по которой отсчитываются показания "n" может быть отградуирована непосредственно в значениях измеряемого уровня бензина х. Таким образом, все измерительные преобразования, используемые в уровнемере, могут быть представлены последовательной цепью

где преобразование есть снятие отсчета и регистрация показаний, производимые при использовании визуального указателя человеком-оператором, а в регистрирующих приборах осуществляемые автоматически без участия человека.
Приборы для измерений как электрических, так и неэлектрических величин конструктивно чаще всего разделяются на три самостоятельных узла:
" датчик;
" измерительное устройство;
" указатель(регистратор),
которые могут размещаться отдельно друг от друга и соединяются между собой лишь кабелем.
Датчиком прибора для измерения той или иной величины называется конструктивная совокупность ряда измерительных преобразователей, размещаемых непосредственно у объект измерения.
Требования и эксплутационные условия на объекте измерения, как правило, более суровы (повышенная температура, вибрации, влажность т т.д.), чем в месте отсчета при регистрации. Поэтому непосредственно в точку пространства, в которой необходимо произвести измерение, помещается минимум измерительных преобразователей, которые могут воспринимать информацию о значении измеряемой величины и преобразовывать её в вид, пригодный для передачи хотя бы на небольшое расстояние.
Используя возможность дистанционной передачи, остальную часть измерительной аппаратуры (измерительные цепи, усилители, источники питания и т.д.), называемую обычно измерительными устройством, выполняют в виде отдельного самостоятельного конструктивного узла, который может быть размещен в более благоприятных условиях и не отягощать объект измерения.
К последнему конструктивному узлу измерительного прибора - устройству представления информации (указателю результата измерения), - вновь предъявляются специфические требования по его размещению, на приборных щитках операторах, доступных для визуального наблюдения.
Раздельное конструктивное выполнение датчиков, измерительных устройств и указателей обеспечивает большую гибкость, взаимозаменяемость, быстрый ремонт и универсальность электрической аппаратуры.
Из структурной схемы прибора на рис. 9 видно, что датчиком этого прибора, вынесенным непосредственно на объект измерения, является конструктивная совокупность двух первых преобразователей структурной схемы: предварительного преобразователя, воспринимающего измеряемый уровень - поплавка с рычажной передачей, и основного - реостатного измерительного преобразователя. Измерительное устройство прибора включает в себя остальные звенья структурной схемы и соединяется с датчиком и указателем только линией связи. Однако основной принцип, заключающийся в том, что любое измерительное устройство представляет собой канал приема и преобразования информации о размере измеряемой величины, образованной последовательной цепью более простых и сложных измерительных преобразователей, всегда остается справедливым.

Классификация измерительных преобразований неэлектрических величин

Существующие преобразователи электрических величин в неэлектрические основаны на различных физических явлениях. Одним из основных классификационных признаков является физический принцип, построены в основу построения преобразователей.
Потенциометрические (реостатные) преобразователи. В основу их построения заложено преобразование измеряемой физической величины в изменение омического сопротивления. При этом измеряемая механическая величина предварительно преобразуется в линейное или угловое перемещение.
Электромагнитные преобразователи. К этой группе относятся преобразователи, использующие взаимодействие магнитных потоков, создаваемых протекающим по контурам электрическим током. В свою очередь электромагнитные преобразователи подразделяются на:
индуктивные;
трансформаторные (взаимоиндуктивные);
индукционные.
Тензорезисторные (тензометрические) преобразователи. В основе их работы лежит явление тензоэффекта, сущность которого состоит в изменении активного сопротивления проводника (тензорезистора) при его механической деформации.
Термоэлектрические преобразователи. Основаны на явлении возникновения термозависимой ЭДС в спаянных или сваренных разнородных проводниках (электродах).
Механотронные преобразователи - электронный преобразователь механических величин в электрический сигнал.