Введение
Принцип действия приборов для измерения неэлектрических величин основан на преобразовании неэлектрической величины в электрическую, которая затем измеряется электроизмерительным механизмом.
Обобщённая структурная схема прибора содержит 3 основных узла:
1) первичный входной преобразователь измеряемой неэлектрической величины в электрическую;
2) цепи вторичного преобразования, преобразующие выходную величину первичного преобразователя к виду, удобному для восприятия выходным измерительным механизмом;
3) выходной измерительный механизм, измеряющий выходное напряжение цепи вторичного преобразования и представляет результат измерений.
U
Xэл.
Xн.в.
Первичный преобразователь
Цепи вторичного преобразования
И
Рис. 1. Обобщённая структурная схема прибора для измерения неэлектрических величин; Xн.в. – неэлектрическая величина, Xэл. – электрическая величина; U – электрический сигнал, И – выходной измерительный механизм
По виду выходной электрической величины первичные входные преобразователи разделяют на генераторные и параметрические.
Генераторные преобразователи под воздействием измеряемой неэлектрической величины сами генерируют эдс. Поэтому если мощность преобразователя достаточно высокая для приведения в действие выходного измерительного механизма, то прибор содержит только 2 узла: преобразователь и измерительный механизм.
Генераторный
первичный преобразователь
E
Xн.в.
И
Рис. 2. Последовательная измерительная цепь с генераторным первичным преобразователем; E – эдс, которую генерирует преобразователь
Если мощность преобразователя недостаточна, то в качестве цепи вторичного преобразования используют усилитель напряжения.
Uу=Kу*E
Xн.в.
Генераторный
первичный преобразователь
E
И
Усилитель
Рис. 3. Структурная схема прибора для измерения неэлектрических величин с генераторным первичным преобразователем; Kу – коэффициент усиления, Uу – напряжение после усиления
Наиболее часто применяемые на практике генераторные преобразователи – это индукционные, термоэлектрические и пьезоэлектрические.
Принцип действия индукционных преобразователей основан на явлении электромагнитной индукции. Их используют для измерения скорости вращения объекта контроля или вибрации.
Термоэлектрические преобразователи применяются для измерения температуры. Принцип действия основан на возникновении термоэдс в термопаре.
Пьезоэлектрические преобразователи используются для измерения ударных усилий. Принцип действия основан на возникновении электрических зарядов на боковых гранях некоторых материалов.
Параметрические преобразователи сами не генерируют эдс, в них под действием измеряемой неэлектрической величины изменяется определённый параметр электрической цепи (активное сопротивление R, индуктивность L, ёмкость C). Для оценки уровня выходной величины преобразователя необходимо использовать внешний источник питания.
Если мощность преобразователя соизмерима с мощностью измерительного механизма, то прибор содержит 3 узла: преобразователь, измерительный механизм и источник питания.
U(R, L, C)
Xн.в.
Параметрический
первичный преобразователь
И
Источник питания
Рис. 4. Последовательная измерительная цепь с параметрическим первичным преобразователем; U(R, L, C) – напряжение, приложенное к измерительному механизму после преобразования неэлектрической величины и зависящее от изменения выходного параметра цепи (R, L, C)
Если мощность преобразователя небольшая, то применяют цепи вторичного преобразования. Их разделяют на 2 узла:
1) цепи предварительного преобразования, в которых параметр цепи (R, L, C) преобразуется в напряжение;
2) согласующие цепи, согласующие по напряжению и сопротивлению цепь предварительного преобразования и выходной измерительный механизм; согласующей цепью является усилитель.
U(R, L, C)
Xн.в.
Параметрич.
первичный преобраз.
И
Источник питания
Рис.5. Структурная схема прибора для измерения неэлектрических величин с параметрическим первичным преобразователем; ЦПП – цепь предварительного преобразования; Uцпп – выходное напряжение ЦПП
Параметрические преобразователи в зависимости от выходной величины делятся на резистивные, индуктивные и ёмкостные.
Выходной величиной резистивных преобразователей является активное сопротивление R. Наиболее часто применяются 3 вида таких преобразователей: реостатные, тензочувствительные и термочувствительные.
Реостатные преобразователи используются для измерения линейных и угловых размеров или небольших перемещений. Принцип действия основан на изменении сопротивления реостата при перемещении ползунка, соединённого с объектом контроля.
Тензочувствительные преобразователи применяются для измерения статических механических воздействий. Принцип действия основан на зависимости сопротивления проводника или полупроводника от механических воздействий, которые изменяют его размеры и удельное сопротивление.
Термочувствительные преобразователи применяются для измерения температуры. Принцип действия основан на зависимости сопротивления проводника или полупроводника от температуры.
Выходной величиной индуктивных параметрических преобразователей является индуктивность L. Они используются для измерения очень малых перемещений – менее 5 мм. Принцип действия основан на зависимости индуктивности проволочной катушки, размещённой на ферромагнитном сердечнике, от величины воздушного зазора в этом сердечнике.
Выходной величиной ёмкостных параметрических преобразователей является ёмкость C. Их используют для измерения толщины тонких металлических или выполненных из диэлектрика лент. Принцип действия основан на зависимости ёмкости конденсатора от расстояния между его обкладками.