13. Электрические преобразователи и приборы для измерения неэлектрических величин

13.1. Основные понятия и классификации

Среди всего разнообразия физических величин, подлежащих измерению, огромное множество составляют неэлектрические величины. При этом электрические средства измерений имеют целый ряд существенных достоинств, благодаря чему их применение весьма значительно. К таким достоинствам можно отнести возможность проведения дистанционных измерений, возможность автоматического преобразования как информативных параметров сигнала, так и результатов измерений, способность непрерывной регистрации очень медленных и быстро меняющихся величин, возможность автоматического управления процессом измерения, широкий диапазон значений измеряемых величин и т. п.

При измерении неэлектрических величин электрическими приборами измеряемая неэлектрическая величина должна предварительно преобразовываться в электрическую величину (ЭДС, сопротивление и др.). Поэтому любой подобный прибор обязательно включает в себя измерительный преобразователь неэлектрической величины в электрическую, который устанавливает однозначную функциональную связь между измеряемой неэлектрической и преобразованной с его помощью электрической величинами.

Многообразие методов и приборов, применяемых при электрических измерениях неэлектрических величин, весьма велико, поэтому создать единую классификацию достаточно сложно. Вследствие этого приведем примеры лишь некоторых классификаций (измерительных преобразователей):

1. По роду измеряемой величины:

а) тепловые (измеряют температуру и другие тепловые параметры);

б) механические (проводят измерение механических напряжений, деформаций, моментов и т. д.);

в) геометрические (измеряют перемещения, размеры и т. п.);

г) излучения (определяют потоки излучения, спектральный состав);

д) для измерения параметров, характеризующих свойства веществ, их состав и т. д.

2. По точности измерения неэлектрических величин.

3. По принципу преобразования:

а) с аналоговым прямым преобразованием в величину непрерывного электрического сигнала;

б) с преобразованием, основанном на дифференциальном методе измерения;

в) с преобразованием, основанном на принципе компенсации (уравновешивания).

В первом случае прибор состоит из измерительного преобразователя неэлектрической величины в электрическую и электроизмерительного устройства, шкала которого градуируется в единицах измеряемой неэлектрической величины. (Например, прибор для измерения температуры с термопарой в качестве измерительного преобразователя, термо-ЭДС которой пропорциональна измеряемой температуре и измеряется магнитоэлектрическим милливольтметром).

Во втором случае преобразователь включает в себя дифференциальное звено с двумя выходами, два канала преобразования и вычитающее устройство. При изменении входной измеряемой величины x относительно начального значения x₀ на Δx выходные величины дифференциального звена получают приращения с разными знаками относительно начального значения, преобразуются в электрические величины и вычитаются. В результате выходная величина преобразователя оказывается пропорциональной приращению Δx измеряемой неэлектрической величины. Такое преобразование имеет меньшую аддитивную погрешность, меньшую нелинейность функции преобразования и большую чувствительность по сравнению с прямым преобразованием.

При третьем варианте преобразования в узле сравнения преобразователя происходит сопоставление однородных измеряемой и изменяемой, создаваемой узлом обратной связи величин до их полного уравновешивания. В качестве узла обратной связи используют преобразователь электрической величины в неэлектрическую (лампа накаливания, электромеханический преобразователь и др.). Применение метода уравновешивания (компенсации) повышает точность измерения, быстродействие и уменьшает потребление энергии от объекта исследования.