книги из ГПНТБ / Электрические измерения. Общий курс учебник

Из описания метода видно, что он достаточно трудоемкий. В на­ стоящее время применяются автоматические дифференциальные кало­

поля используется образцовое сопротивление г и импульсный вольт­

Для определения продолжительности импульса используют элект­ ронный осциллограф, определяя т на уровне 0,1 амплитуды им­

Наибольшей популярностью для определения магнитных харак­ теристик в режиме импульсного намагничивания пользуются раз­ личные варианты осциллографического способа.

310

В связи с массовым использованием сердечников, работающих в режиме импульсного намагничивания, в настоящее время процессы их разбраковки по возможности автоматизируют.

Потери на перемагничивание при импульсном режиме намагни­ чивания определяют либо по площади частного динамического не­ симметричного цикла, либо калориметрическим способом.

Глава восьмая

ИЗМЕРЕНИЯ НЕЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

41. Общие сведения

Применение электрических приборов для измерения неэлектриче­ ских величин. При контроле технологических процессов, а также при научных исследованиях приходится производить измерения раз­ личных и в том числе неэлектрических величии.

Разновидностей электрических приборов для измерения неэлект­ рических величин значительно больше, чем приборов для измерения электрических величин. Это объясняется тем, что контролируемых неэлектрических величин значительно больше, чем электрических. Даже краткое перечисление групп неэлектрических величин, которые измеряются электрическими приборами, показывает большое разно­ образие этих величин, а следовательно, методов и приборов для из­ мерения.

Приведем перечень групп нечлектрлческих величии. . 1. Тепловые величины (температура, количество тепла).

2.Механические и геометрические величины (силы, моменты сил, напря­ жения, деформации, перемещения, скорости, ускорения, размеры, количества, расходы, уровни).

3.Промежутки времени.

4 . Величины, характеризующие излучения (потоки излучения, спектраль­ ный состав).

Г). Энергия и мощность (неэлектрическне), коэффициент полезного действия,

Наиболее важные причины широкого применения электрических приборов для измерения неэлектрических величии заключаются

вследующем.

1.Электроизмерительные приборы лучше неэлектрических при­ боров позволяют осуществлять дистанционные измерения, благодаря чему обеспечиваются измерения в одном месте различных по своей природе параметров, контролируемых нередко в территориально

удаленных друг от друга и недоступных для наблюдения точках.

2. Электроизмерительные приборы легче поддаются автомати­ зации, что значительно улучшает их качество. Автоматизация пол­ ностью или в значительной мере исключает субъективные свойства оператора. В электроизмерительных приборах имеются широкие воз­ можности для автоматического и непрерывного проведения матема-

312

тических операции над результатами измерений, что позволяет ав­

ровать как очень медленно меняющиеся величины, так и быстро ме­ няющиеся (например, с помощью электронного осциллографа), имеют широкий диапазон пределов измерения как в сторону весьма боль­ ших значений, так и в сторону весьма малых значений измеряемой величины.

Структурные схемы электрических приборов для измерения неэлектрических величин. Электрические приборы для измерения неэлектрических величин отличаются от подобных приборов для из­

На рис. 230 показана упрощенная структурная схема электриче­ ского прибора для измерения неэлектрической величины. Изме­ ряемая неэлектрическая величина х подается на вход измерительного

устройства определяются требованиями при измерении выходной величины измерительного преобразователя. Электрическое измери­ тельное устройство может быть выполнено как по схеме прямого пре­ образования, так и по схеме компенсационного преобразования (см. гл. 1).

Таким образом, в зависимости от электрической величины и тре­ бований, предъявляемых к прибору, электрическое измерительное устройство может быть различной степени сложности. В одном слу­

тельный прибор. Обычно шкала отсчетного устройства электрического измерительного устройства градуируется в единицах измеряемой неэлектрической величины.

На рассматриваемой структурной схеме не указаны вспомога­ тельные узлы (например, блоки питания).

На рис. 231 в качестве примера показан электрический прибор, предназначенный для измерения температуры. В этом приборе (ком­ плекте): ТП — термопара, э. д. с. которой является функцией

313

измеряемой температуры; mV — милливольтметр для измерения э. д. с. термопары. В данном случае термопара — измерительный преобразователь, а милливольтметр — электрическое измерительное устройство. Таким образом, прибор выполнен по структурной схеме рис. 230.

Применяются также электрические приборы, в которых изме­ ряемая неэлектрическая величина претерпевает несколько преобра­ зований. В качестве предварительных преобра­ зователей часто используются неэлектрические измерительные механизмы, преобразующие из­ меряемую неэлектрическую величину в пере­ мещение подвижной части этих механизмов.

Перемещение подвижной части измерительным преобразователем преобразуется в электриче­ скую величину.

Па рис. 232 показан электрический прибор для измерения давления воздуха. Давление воздуха Q подается на манометр М , с под­

вижной частью которого связана щетка реостата Р . При изменении давления перемещаются подвижная часть манометра и щетка рео­ стата, в результате чего изменяется сопротивление части реостата, включенной в цепь миллиамперметра. Это приводит к изменению тока, протекающего через миллиамперметр, и изменению показаний прибора. Таким образом, этот прибор построен по структурной схеме прямого преобразования с несколькими предварительными преобра­ зователями.

Так как в приборах прямого преоб­ разования из-за суммирования погреш­ ностей звеньев трудно получить высо­ кую точность измерений, в настоящее время все больше применяются при­ боры компенсационного преобразова­ ния .

В приборах компенсационного пре­ образования могут быть получены бо­ лее высокая точность, более высокое быстродействие и меньшее потребление энергии от объекта измерения. В ка­ честве узлов обратной связи исполь­

зуются обращенные преобразователи, преобразующие электрическую величину в неэлектрическую (электромагнитные механизмы, лам­ почки накаливания).

Рассмотрим, например, прибор для измерения малых вращающих моментов (рис. 233, а ) . Измеряемый момент М х прикладывается к валику, на котором укреплены зеркальце 3 и рамка магнитоэлект­ рического механизма — обращенного преобразователя ОП. Ток к рамке подводится через безмоментные токоподводы. Под действием момента М х начинают поворачиваться валик, зеркальце и рамка. При повороте зеркальца освещается фотоэлемент ФЭ и появляется

314

фототок. Фототок усиливается и подается в рамку магнитоэлектриче­ ского механизма и миллиамперметр тА.

Этот ток, протекая по рамке, создает в магнитоэлектрическом механизме компенсирующий момент Мк, направленный навстречу измеряемому Мх. Поворот зеркальца, а следовательно, и увеличение тока в рамке будет происходить до тех пор, пока компенсирующий момент и измеряемый момент не станут равными (пренебрегая момен­ тами трения в опорах и моментом, создаваемым токоподводами).

На рис. 233, б приведена структурная схема этого прибора, где

Рис. 233. Компен­ сационный прибор для измерения ме­ ханического мо­ мента: а — устрой­ ство; б — струк­

турная схема

б)

При полной компенсации (с учетом сделанных допущений) полу­

Таким образом, по току в цепи можно судить об измеряемой ве­ личине Мх. Из этого выражения видно, что ток в миллиамперметре не зависит от параметров осветительной лампы, фотоэлемента, уси­ лителя, от напряжений источников питания осветительной лампы и усилителя, а также от сопротивления цепи рамки, т. е. не зависит от параметров звеньев цепи прямого преобразования,

315

Электрические приборы для измерения неэлектрических величин могут быть не только аналоговыми, о которых говорилось выше, но и цифровыми (гл. 9).

Характеристики измерительных преобразователей неэлектрнческих величин. Зависимость выходной величины измерительного преобразователя у от входной х в общем виде выражается уравнением преобразования у — / { х ) . Уравнение преобразования (функция пре­ образования) для некоторых преобразователей известно, а для дру­ гих функцию преобразования приходится находить эксперименталь­ но, т. е. прибегать к градуировке преобразователей. Результаты градуировки выражаются в виде таблиц, графиков или аналитиче­ ски.

Обычно у преобразователей выходной сигнал у зависит не только

В этом случае при градуировке определяется ряд функций пре­ образования при разных значениях z.

Знание функций преобразования при разных значениях влияю­ щего фактора позволяет тем или иным способом (введением поправки, автоматической коррекцией) учесть влияние внешнего фактора. На­ пример, электропроводность к растворов электролитов зависит от концентрации С и температуры t. Поэтому при использовании зави­ симости к = / (С) для определения концентрации нужно либо под­ держивать температуру раствора постоянной, либо вводить поправки (расчетным путем или автоматически), зная влияние температуры на эту зависимость.

При оценке и сравнении измерительных преобразователей необ­ ходимо учитывать следующие их основные свойства.

1.Воспроизводимость функции преобразования. Возможность изготовлять преобразователи с заранее предусмотренными характе­ ристиками является необходимым условием выпуска взаимозаменяе­ мых преобразователей.

2.Постоянство во времени функции преобразования. При из­ менении с течением времени функции преобразования приходится повторять градуировку, что крайне нежелательно, а в некоторых случаях невозможно (например, прибор работает в недоступном месте).

3.Вид функции преобразования. Обычно наиболее желателен линейный характер зависимости у = f ( х ) . Многозначность пли раз­ рыв функции преобразования указывают на непригодность преобра­ зователя в данном интервале изменения измеряемой величины.

4.Важными характеристиками преобразователя являются его погрешности и чувствительность.

Основная погрешность преобразователя может быть обусловлена принципом действия, несовершенством конструкции и технологии изготовления и проявляется она при номинальных значениях внеш­ них факторов.

Дополнительные погрешности обусловлены также принципом дей­ ствия, несовершенством конструкции и технологии изготовления,

316

ио проявляются они при отклонении внешних факторов от номиналь­ ных значений.

Основная погрешность рассматриваемого отдельно преобразова­ теля может складываться из некоторых составляющих: погрешности, обусловленной неточностью образцовых приборов и мер, с помощью которых производилась градуировка; погрешности за счет прибли­ женного выражении (табличным, графическим, аналитическим спо­ собом) функции преобразования; погрешности, обусловленной непол­ ным совпадением функций преобразования при возрастании и убы­ вании измеряемой величины (гистерезис функции преобразования); погрешности от неполной воспроизводимости характеристик преоб­ разователя (например, чувствительности). Последняя погрешность

пути потока газа или жидкости, скорость которого измеряется. Изме­ нение скорости потока вызывает изменение условий теплообмена терморезистора со средой, изменение его температуры и сопротивле­ ния. Измеряя сопротивление резистора тем или иным способом, можно судить о скорости потока. Но очевидно, что терморезистор, помещен­ ный на пути потока, изменяет скорость его, и в этом проявляется обратное влияние преобразователя на измеряемую величину. Обрат­ ное влияние на практике учесть трудно, а поэтому стараются его сделать минимальным.

(5. Динамические свойства преобразователя. При изменении вход­ ной величины в преобразователе возникает переходный процесс, характер которого зависит от наличия в преобразователе элементов, запасающих энергию (двигающиеся детали, электрические емкости, индуктивности, детали, обладающие теплоемкостью и т. д.).

Переходный процесс проявляется в виде инерции — запаздыва­ ния реакции преобразователя на изменение входной величины. Например, при погружении термопары в среду, температура которой измеряется, термо-э. д. с. на выходе термопары установится в соот­ ветствии с измеряемой температурой только по истечении некоторого промежутка времени.

При измерении быстро изменяющихся величин преобразователь работает в нестационарном режиме, а поэтому при оценке качеств преобразователей необходимо учитывать их динамические характе-

317

рнстикп, которые в значительной мере определяют точность измере­ ния.

Динамические свойства преобразователя могут быть охарактери­

от его частоты, или двумя характеристиками — амплитудно-частот­ ной у = Ух (w) и фазо-частотной ср = cpj (w) для линейных преобра­ зователей, т . е . преобразователей, поведение которых в переходных режимах описывается линейным дифференциальным уравнением;

в) аналитически в виде дифференциального уравнения, связы­ вающего выходную и входную величины, или в виде передаточной функции s (р), определяемой как отношение изображения (по Лап­ ласу) выходной величины у (р) к изображению входной величины

X (р).

Обычно от преобразователя требуется, чтобы он вносил минималь­ ное запаздывание в процесс преобразования.

Кроме рассмотренных свойств, при оценке преобразователей учи­ тываются также и другие показатели их качества работы: влияние внешних факторов (температуры, давления, вибрации и т. д.), взрывобезопасность, устойчивость к механическим, термическим, элект­ рическим и другим перегрузкам, удобство монтажа и обслужива­ ния, габариты, вес, удобство градуировки, стоимость изготовления и эксплуатации, надежность и т . д .

Для удобства изучения измерительные преобразователи класси­ фицируются по принципу их действия, т. е. по тому явлению, кото­ рое используется для преобразования неэлектрической величины в электрическую. Преобразователей, отличающихся принципом дей­ ствия, очень много. Ниже будут рассмотрены только наиболее часто применяемые преобразователи.

42. Параметрические измерительные преобразователи неэлектрических величин в электрические

Общие замечания. В параметрических преобразователях выход­ ной величиной является параметр электрической цепи (r, L , М, С ) . Параметрические преобразователи весьма разнообразны по своему устройству, назначению и областям применения. Ниже приводится описание устройства и основы теории параметрических преобразова­ телей, получивших наибольшее практическое применение.

Реостатные преобразователи. Реостатные преобразователи осно­ ваны на изменении величины электрического сопротивления провод­ ника под влиянием входного перемещения. Реостатный преобразо­ ватель, как показывает само название, представляет собой в простей­ шем случае реостат, щетка (движок) которого перемещается под воздействием измеряемой неэлектрическоп величины. На рис. 235 схематически показаны некоторые варианты конструкций реостат-

318

ных преобразователен для углового (рис. 235, а) и линейного (рпс. 235, 6) перемещений. Преобразователь состоит из обмотки, на­ несенной на каркас, и щетки. Форма каркаса зашісит от характера измеряемого перемещения (линейное, угловое), от вида функции пре­ образования (линейная, нелинейная) и других факторов и может иметь вид цилиндра, тора, призмы и т. д. Для изготовления карка­

Проволока для обмотки выполняется из сплавов. Хорошим, но дорогим материалом является сплав платины с иридием (5—30%). Добавка иридия к платине придает ей большую твердость, увеличи­ вает удельное сопротивление и понижает температурный коэффициент

Рис. 235. Реостатные преобразователи: а — для угловых пере­ мещений; б — для линейных перемещений; в — для функцио­ нального преобразования линейных перемещений

электрического сопротивления. Дешевым и часто используемым ма­ териалом является константан. При высоких температурах приме­ няются нихром и фехраль. Для обмотки преобразователя обычно используется изолированный эмалью или оксидной пленкой провод. После изготовления обмотки изоляция провода счищается в местах соприкосновения его со щеткой.

Щетка преобразователя выполняется либо из проволок, либо из плоских пружинящих полосок, причем используются как чистые металлы (платина, серебро), так и сплавы (платина с иридием, фос­ фористая бронза, медно-серебряные сплавы и т. д.). Качество кон­ такта щетки и обмотки определяется контактным давлением, которое выбирается в широких пределах от десятых долей грамма до сотен граммов в зависимости от материалов контакта и обмотки и условий работы преобразователя.

Габариты преобразователя определяются его конструкцией, со­ противлением и величиной мощности, выделяемой в обмотке.

Для получения нелинейной функции преобразования приме­ няются функциональные реостатные преобразователи. Нужный ха­ рактер функции преобразования очень часто достигается путем про­ филирования каркаса преобразователя (рис. 235, в).

В рассматриваемых реостатных преобразователях зависимость изменения сопротивления от перемещения щетки имеет ступенчатый характер, так как сопротивление изменяется скачками на величину сопротивления одного витка. Это вызывает погрешность преобразо-

319