Введение

Изучение физических величин является основой научных экспериментов, различных испытаний и массовых измерений во всех отраслях человеческой деятельности. Современная практика требует измерений множества физических величин, как электрических, так и неэлектрических.

Данное пособие позволяет студентам получить углубленные знания в области физических основ получения измерительной информации. Эти знания помогут студентам целенаправленно и детально изучить вопросы использования технических средств обработки и представления информации. В настоящее время, в связи с ускорением научно-технического прогресса и внедрением ЭВМ во все технологические процессы, немаловажным фактом является получение достоверной информации. Получение такой информации – прямой путь к точному выполнению заложенной программы или процесса. К сожалению, не все современные приборы измерения и контроля обладают удобным интерфейсом и связью с ЭВМ. Кроме того, для передачи этой информации необходимо правильно ее скомпоновать и подготовить. Для получения и обработки измерительной информации используется анализ и синтез физических явлений и эффектов применительно к конкретному средству измерения, управления, диагностики и контроля.

В пособии рассмотрены два раздела дисциплины: «Измерительные преобразователи» и «Принципы измерения физических величин».

В первом разделе пособия рассматриваются общие вопросы теории измерительных преобразователей: основные определения, классификация, принципы действия, общие характеристики, особенности построения, достоинства и недостатки измерительных преобразователей. Рассматриваются преобразователи не только те, которые стали уже классическими (тензорезистивные, индуктивные, емкостные, реостатные и др.), но и новые, не совсем еще изученные виды преобразователей (волоконно-оптические, акустические, радиоактивные и др.).

Во втором разделе пособия излагаются принципы измерения наиболее встречающихся величин, в основном неэлектрических. При этом сделана попытка найти общие признаки у ряда принципов, кажущихся на первый взгляд различными, и систематизировать их. Такой подход позволяет легче ориентироваться в существующих принципах измерений, выбрать необходимый принцип и средства измерений для решения задачи.

Полученные знания позволяют познать основы взаимодействия физических полей, корпускулярных частиц и проникающих веществ с исследуемыми объектами; узнать основные закономерности построения измерительного тракта различных приборов.

Первый раздел принципы построения, точность, достоинства и недостатки измерительных преобразователей

1 Общие свойства, структура и погрешности измерительных преобразователей

1.1 Измерения и измерительная информация. Основные понятия

Приведем некоторые определения понятий из теории измерений и измерительных преобразователей и приборов [5,12].

Измерение – это нахождение значения физической величины опытным путем с помощью специальных технических средств.

Измерения являются основным методом получения информации о явлениях и процессах познания закономерностей в природе, обществе и технике. Измерительная информация (информация о значениях измеряемых физических величин), получаемая в результате измерений, помогает глубже познать мир и его закономерности и использовать это в целях создания материальных и духовных ценностей.

Физической величиной называют свойство, общее в качественном отношении многим физическим объектам (физическим системам, их состояниям и происходящим в них процессам), но в качественном отношении индивидуальное для каждого объекта, например, геометрические величины, плотность, масса, температура и др. Значение физической величины, найденное путем ее измерения, называют результатом измерения.

Важнейшими характеристиками измерения являются принцип измерения, метод измерения, погрешность измерения.

Принцип измерения – это совокупность физических явлений, на которых основано измерение (например, на термоэлектрическом эффекте основан принцип измерения температуры с помощью термоэлектрического термометра).

Метод измерения – совокупность приемов использования принципов и средств измерения.

Виды измерений могут быть прямыми, косвенными и совокупными.

Если результат измерения У находится непосредственно из опытных данных Х, то измерения называются прямыми, здесь У = Х. Примером прямого измерения являются измерения длины линейкой, массы с помощью весов и т. д.

Косвенные измерения – здесь искомое значение измеряемой величины находят на основе известной зависимости ее от величин, значение которых

получают прямыми измерениями: у = f (х ₁, х ₂,…х_n), где х ₁, х ₂,…х_n – величины, определяемые прямыми измерениями (например, определение плотности однородного тела по его массе и объему и т. д.).

Совокупные измерения характеризуются одновременным измерением нескольких одноименных величин, при которых искомое значение величин находят решением системы уравнений, получаемых при прямых измерениях различных сочетаний этих величин или ряда других величин, функционально связанных с измеряемыми.

Существуют следующие методы измерения геометрических величин:

1. Метод непосредственной оценки, в котором значение измеряемой величины определяют непосредственно по отсчетному устройству прибора. Например, измерение давления пружинным манометром, силы тока амперметром…

2. Метод сравнения с мерой – метод измерения, в котором измеряемую величину сравнивают с величиной, воспроизводимой мерой (измерение длины метром…)

3. Косвенный метод измерения, при котором искомое значение величины находят на основании известной зависимости между этой величиной и величинами, подвергаемыми прямым измерениям.

4. Разностный метод – это разновидность метода непосредственной оценки, при котором результат измерения находится по разности показаний отсчетного устройства прибора.

5. Нулевой метод – это разновидность метода сравнения с мерой, при котором результирующий эффект воздействия на прибор измеряемой величины и величины, воспроизводимой мерой, доводят до нуля [15].

Погрешность измерения – отклонение результата измерения от истинного значения измеряемой величины. Величину, обратную погрешности измерения, принято называть точностью. Погрешность и точность относятся к важнейшим параметрам измерения и контроля.

Контроль представляет собой процесс установления соответствия между состояниями или свойствами объекта и заранее заданной нормой. При контроле определяют, находится ли физическая величина в заданных пределах. Измерение и контроль осуществляют с помощью технических средств – средств измерений, имеющих нормированные метрологические характеристики, т. е. заданные точность, диапазон измерений, надежность и воспроизводимость получаемых результатов. К средствам измерения относятся меры, измерительные инструменты, измерительные преобразователи и приборы, измерительные установки и информационно-измерительные системы.

Мера – это средство измерения для воспроизведения физической величины заданного размера (например, линейка, конденсатор…)

Измерительным преобразователем (ИП) называют средство измерений, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и (или) хранения, но не поддающейся непосредственному восприятию наблюдателем (отсутствует устройство индикации). Если измерительный преобразователь дополнить устройствами индикации, записи или переработки информации, то получим измерительный прибор.

Измерение и контроль являются информационными процессами, в которых участвуют и взаимодействуют между собой объект измерения, получатель или потребитель измерительной информации, в качестве которого может выступать человек или техническое устройство, например, система автоматического управления, и техническое средство измерения. Указанная совокупность вместе с окружающей средой образует функционирующий в пространстве и во времени измерительный прибор.

Измерительная установка – совокупность функционального объединения средств измерения (мер, измерительного преобразователя, измерительного прибора) и вспомогательных устройств, предназначенных для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для непосредственного восприятия наблюдателем, и расположенных в одном месте.

Измерительное преобразование представляет собой отражение размера одной физической величины размером другой физической величины, функционально с ней связанной.

Главным требованием измерительных преобразователей является высокое значение энергетического КПД, (т. е. малые потери при передаче энергии) и точная передача информации, (т. е. минимальные потери информа- ции – минимальные погрешности).

Чтобы понять, что представляет собой преобразователь, рассмотрим схему измерительного прибора – уровнемера для измерения уровня бензина в баке автомобиля (рис.1.1).

Рис. 1.1. Структурная схема уровнемера

Высота измеряемого уровня Х воспринимается поплавком 1, который с помощью рычажной передачи 2 перемещает рычажок реостата R, эта часть устройства обеспечивает функциональную зависимость ℓ = f (α), где α = f (Х) = arcsin Х/R. Реостат с равномерной намоткой (реостатный измерительный преобразователь) дает однозначную зависимость R = f (ℓ). Электрическая измерительная цепь (при постоянстве напряжения Е источника питания и всех сопротивлений цепи, кроме сопротивления реостата) осуществляет однозначную зависимость тока I от сопротивления R. Шкала электроизмерительного прибора (указателя), которая отсчитывает показания n, проградуирована в значениях измерительного уровня. Все измерительные преобразования, используемые в уровнемере, можно изобразить последовательной цепью:

Х → α → R → I → Y → n. (1)

При рассмотрении измерительного преобразователя выделяются три основные части:

а) объект измерения – это сложный процесс, характеризующийся множеством отдельных параметров, каждый из которых может быть измерен в отдельности, но в реальных условиях действует на ИП совместно со всеми остальными параметрами;

б) измеряемая величина – это единственный интересующий нас параметр из всего множества параметров объекта измерения;

в) результат измерения – это выходной параметр измерительного преобразователя.

По виду входных и выходных величин ИП можно разделить:

а) на преобразователи электрических величин в электрические;

б) преобразователи неэлектрических величин в неэлектрические;

в) преобразователи электрических величин в неэлектрические;

г) преобразователи неэлектрических величин в электрические.

Для измерения физических величин наиболее часто встречается путь преобразования физической величины в другую, удобную для измерения и отсчета, по указывающему или отсчетному устройству. При этом по виду входных сигналов преобразователи могут быть разделены на следующие:

- ИП с электрическими входными сигналами;

- ИП с магнитными входными сигналами;

- ИП с механическими входными сигналами;

- ИП с тепловыми входными сигналами;

- ИП с оптическими входными сигналами;

- ИП с химическими входными сигналами;

- ИП с радиоактивными входными сигналами.

Функция преобразования ИП – это функциональная зависимость выходной величины от входной, описываемая аналитическим выражением или графиком. Чаще всего стремятся получить линейную характеристику преобразования, т. е. прямую пропорциональность между изменениями входной величины и соответствующим приращением выходной величины преобразователя.

Для описания линейной характеристики у = f (х) (рис. 1.2) достаточно двух параметров: начального значения выходной величины y₀ (нулевого уровня), соответствующего нулевому (или другому характерному) значению входной величины х, и показателя относительного наклона характеристики:

S = Δу /Δх = у ^/ (х), (2)

называемого чувствительностью преобразователя.

Чувствительность ИП – это именованная величина с разнообразными единицами, зависящими от природы входной и выходной величины. Чувствительность измерительного прибора, состоящего из последовательного ряда измерительных преобразователей, определяется произведением чувствительностей всех преобразователей, образующих канал передачи информации:

S_п = S_ип1 · S_ип2 · … · S_ипN, (3)

где S_п – результирующая чувствительность прибора;

S_ип – чувствительность одного измерительного преобразователя.

Рис. 1.2. График функции преобразования