2.7.8. Измерение неэлектрических величин.

Современная информационно-измерительная техника располагает средствами измерения около двухсот различных физических величин – электрических, магнитных, тепловых, механических, акустических и т.д. Подавляющее большинство этих величин в процессе измерения преобразуется в величины электрические, как наиболее удобные для передачи, усиления, математической обработки и точного измерения. Поэтому в современной измерительной технике находят широкое применение измерительные преобразователи разного рода физических величин в электрические величины.

Термин “измерительный преобразователь” (ИП) употребляется в настоящее время широко и в разных смыслах. Будем понимать под ИП элементарный измерительный преобразователь, выполненный на основе определенного физического принципа: емкостной, индуктивный, пьезоэлектрический и т.д.

Для обозначения совокупности измерительных преобразователей, объединенных в один конструктивный узел, выносимый на объект измерения, будем использовать укоренившийся на практике термин “датчик”.

В ИП с известной точностью реализуется однозначная функциональная связь между двумя физическими величинами Х и Y. Зависимость Y = f(Х) называется функцией преобразования, которая может быть задана аналитически, в виде таблицы соответствия или графически на основе опытных данных.

При рассмотрении принципа действия ИП необходимо придерживаться следующего порядка:

• указать физический закон, на основе которого конструируется и функционирует ИП;

• проследить цепь преобразования от входа до выхода (X  Y);

• привести функцию преобразования в виде уравнения или графика;

• привести конструктивную схему.

На входе ИП, кроме измеряемой величины, действуют многие другие параметры объекта измерения и окружающей среды (температура, влажность окружающей среды, вибрации, наводки, неинформативные параметры объекта измерения и т.д.). В этих условиях основной задачей ИП оказывается задача выделения из многообразия действующих на него факторов только значение измеряемой величины Х (информативный параметр) и “отстроится” от влияния всех остальных.

Измерительные преобразователи по виду выходной измеряемой величины делятся на генераторные (выходная величина ЭДС, ток, заряд) и параметрические (выходная величина – параметр электрической цепи R, L, C, M). К генераторным преобразователям относятся индукционные, термоэлектрические, пьезоэлектрические и др., к параметрическим – резистивные, индуктивные, емкостные и др.

К основным статистическим характеристикам ИП относится:

• коэффициент преобразования K = Y/X;

• порог преобразования – такое значение входной величины, когда X = ₀ (₀ –погрешность нуля);

• рабочий диапазон по входу и выходу D_X = X_B –X_Н, D_Y = Y_B –Y_Н, где Х_В (Y_В) – верхнее значение входной (выходной) величины; X_н (Y_н) – нижнее значение входной (выходной) величины;

• абсолютные, относительные и приведенные погрешности по входу и выходу (_X, _Y, _X, _Y, _X, _Y).

Между погрешностями по входу и выходу существует взаимосвязь. Например, для абсолютных погрешностей _Y = K_x .

Следует отметить, что диапазон изменения многих физических величин очень широк. Например, современная практика требует измерения линейных размеров в диапазоне 10^-15  10²³ м, угловых размеров 0,0001”  360⁰; диапазоны измеряемых усилий также весьма широки: внутренние напряжения в материалах 0-2000МПа, силы 0 10⁹ Н, давления 0-10¹⁰ Па и т.д. В связи с этим весь диапазон измерения какой-либо физической величины с помощью одного типа датчика измерить оказывается невозможным. Поэтому этот диапазон разбивается на поддиапазоны, внутри которых используются различные методы измерения и типы преобразователей. Для примера рассмотрим методы измерения температуры.

Диапазон существующих температур можно разделить на ряд характерных поддиапазонов: сверхнизкие температуры (0  4,2 К), низкие (4,2 273 К), средние (273 1300 К), высокие (1300  5000 К), сверхвысокие (от 5000 К и выше). Сверхнизкие и низкие температуры необходимо измерять при проведении различных физических экспериментов, и особенно при исследовании сверхпроводимости, в криогенной технике и т.д. Наиболее часто измеряемые температуры лежат в области низких, средних и высоких температур (научные исследования, медицина, промышленность и т.д.). Потребность в измерении сверхвысоких температур непрерывно возрастает особенно с развитием плазменных методов обработки материалов, ракетной и космической техники, исследовании управляемых термоядерных реакций и т.д. Широкий диапазон подлежащих измерению температур обусловил многочисленность методов и средств измерения температуры. Отдельные методы измерения удобно классифицировать по механизму передачи энергии от объекта исследования к термопреобразователю. В соответствии с этим методы и средства измерения температуры можно разделить на термометрические, пирометрические и спектрометрические.

Термометрические методы, как правило, являются контактными, при которых энергообмен между объектом и термопреобразователем осуществляется главным образом путем теплопроводности (при измерении температуры твердых тел) и конвекции. Эти методы основаны на температурной зависимости свойств различных веществ, используемых в качестве термопреобразователя, который находится в непосредственном контакте с объектом и температура которого принимается равной измеряемой температуре. Сюда относятся терморезистивные, термоэлектрические, термошумовые, термочастотные и др. методы.

Неконтактные методы основаны на энергообмене путем излучения между объектом и измерительным преобразователем. Все тела излучают в окружающее пространство электромагнитные волны различных длин. В зависимости от вида излучения и определяемых его параметров неконтактные методы можно разделить на пирометрические, применяемые для измерения температур до 4000  6000 К по тепловому излучению исследуемых объектов, и спектрометрические, используемые для измерения сверхвысоких температур, главным образом температуры плазмы. Спектрометрические методы основаны на измерении параметров отдельных спектральных линий или других величин, зависящих от спектральных свойств излучения исследуемого объекта.