8. Электрические измерения неэлектрических величин

При проведении экспериментов очень часто измеряемые и контролируемые величины имеют неэлектрический характер. Это, например, длина, давление, скорость и т.д. В то же время для фиксации и наблюдений удобнее эти параметры представлять в виде электрических сигналов. В связи с этим получили большое распространение методы преобразования неэлектрических величин в электрические.

Информацию о значении неэлектрической величины получают с помощью датчиков, которые либо непосредственно преобразовывают эту величину в электрическую, либо в датчике сначала производится преобразование неэлектрической величины, например, в механическую, а уже затем – в электрическую. Примером может служить датчик давления мембранного типа, в котором давление жидкости или газа сначала преобразуют в линейное перемещение мембраны или сильфона, а уже затем это перемещение преобразовывают в электрический сигнал. При контроле температуры ее значение сначала преобразовывают в перемещение биметаллической пластины, а уже затем это перемещение используют, например, в электроконтактных устройствах.

Безусловно, если неэлектрическую величину можно сразу преобразовать в электрическую, то так и поступают. Например, с помощью термопары или термометра сопротивления температуру можно сразу преобразовать в электрический сигнал.

После получения от датчика электрического сигнала (сопротивление, индуктивность и т.д.) его нужно измерить соответствующим измерительным прибором. В то же время для согласования сигнала датчика и измерительного прибора нужна определенная типом датчика электрическая схема.

Таким образом, схема электрического измерения неэлектрической величины может представлена следующим образом (рис. 8.1)

Рис. 8.1.Структурная схема электрического измерения неэлектрической величины

Каждый элемент схемы обладает чувствительностью S и сопротивлением Z. Все они могут питаться от одного или нескольких источников питания (на рисунке не показаны).

Чувствительностью датчика называют отношение изменения выходного сигнала к изменению входного сигнала:

В задачу измерительной схемы входит преобразование одного электрического параметра у в другой электрический параметр z, который и измеряется измерительным прибором, который в соответствии с поступившим на него сигналом z дает показания в виде величины α , которая может фиксироваться, например, в виде отклонения стрелки, пропорциональное параметру z.

Таким образом чувствительность измерительной схемы определяется из выражения

,

чувствительность прибора

,

а чувствительность, обеспечиваемая при электрическом методе неэлектрической величины х

.

Чувствительность прибора (по крайней мере максимальная) зависит от его устройства и может считаться величиной заданной и постоянной, так как изменение схемы готового, серийно выпускаемого прибора реально производится чрезвычайно редко. Чувствительность измерительной схемы можно существенно изменять, так как, как правило, такие схемы изготавливаются под конкретные задачи измерения и в их устройство включают элементы, позволяющие менять чувствительность.

Различают два режима работы измерительной схемы:

1. Внутреннее сопротивление прибора Z_ПР значительно больше выходного сопротивления измерительной схемы Z_СХ, т.е. Z_ПР >> Z_СХ. В этом случае показания прибора зависят только от напряжения на выходе схемы и поэтому для такого режима определяют чувствительность по напряжению, полагая, что ΔZ=ΔU:

.

2. Внутреннее сопротивление прибора соизмеримо с выходным сопротивлением измерительной схемы, прибор реагирует на изменение силы тока I_ПР и поэтому для такого режима определяют чувствительность по току:

.

В первом случае в качестве измерительного прибора используются вольтметры, во втором – амперметры.

Существующие методы электрических измерений можно в основном разделить на два класса:

1. Непосредственная оценка, при которой измерительная схема выполняет лишь функции преобразования выходного сигнала датчика, например, усиливает его или согласует выходное сопротивление датчика с входным сопротивлением прибора. Метод прост, но применяется сравнительно редко, так как имеет большую погрешность.

2. Метод сравнения. Обеспечивает более высокую точность и чувствительность В нем используются мостовые, дифференциальные и компенсационные схемы измерений.