книги из ГПНТБ / Электрические измерения. Общий курс учебник

нагретый выступающий конец и рассеиваться в окружающем пространстве. Этот процесс будет продолжаться до тех пор, пока температура 'контролируемой среды и температура воздуха различны. На всем пути потока тепла должен суще­ ствовать градиент температуры, который обусловливает возникновение погреш­ ности, т. е. разность температур среды и преобразователя.

Аналопічная погрешность возникает прті потерях тепла в результате лучи­ стого теплообмена преобразователя с окружающими телами (стенкамп, ограни-'

интенсивностью излучения. Количество лучистой энергии, излучаемой при дан­ ной температуре единицей поверхности тела в единицу времени для всех длин

воснову измерения температуры прп помощи оптических пирометров.

Дл я абсолютно черного тела зависимость интегральной интенсивности из­ лучения от температуры тела выражается следующим образом:

где а — коэффициент.

350

На этом законе основано измерение температуры радиационными пиромет­ рами.

Монохроматическая и интегральная интенсивности излучения всякого фи­ зического тела всегда меньше, чем у абсолютно черного тела, при одинаковой температуре.

Д л я физических тел

где г-к — коэффициент монохроматического излучения, меньший единицы; е —- коэффициент интегрального излучения, меньший единицы.

Значения в? и е различных физических тел различны и зависят от многих трудно учитываемых факторов: от состава вещества, состояния поверхности тела,. температуры тела л т. д. Поэтому градуировка пирометров излучения производится по излучению абсолютно черного тела. При измерении температуры физического тела возникает погрешность, которую можно учесть, если известны

окуляр 5. При измерении температуры телескоп направляют на исследуемое тело І , и при этом передвижением объектива и окуляра добиваются получения четкого изображения тела и нити фотометрической лампы в одной плоскости.

Изменяя ток в фотометрической лампе, добиваются совпадения яркости нити и исследуемого тела. Отсчет показаний в момент совпадения яркости про­ изводится по шкале вольтметра, который градуируется в градусах температуры абсолютно черного тела.

Иногда для повышения точности измерения тока или падения напряжения

хроматических лучей, в пирометре предусмотрен красный светофильтр 6, про­ пускающий лучи длиной 0,62 мкм и выше. Человеческий глаз чувствителен к лучам длиной волны до 0,73 мкм. Таким образом, сравнение интенсивностей излучения происходит практически в узком спектре 0,62—0,73 мкм.

Нить фотометрической лампы допустимо накаливать до определенной тем­ пературы (1400° С), а поэтому для расширения продела измеряемых температур в пирометре имеется ослабляющий светофильтр 3, уменьшающий яркость иссле­ дуемого тела в определенное число раз.

Основная погрешность оптического пирометра обусловлена неполнотой излучения реальных физических тел.

Наша промышленность выпускает оптические пирометры, с помощью ко­ торых можно производить измерения в широком диапазоне температур, напри­ мер, ОППИР-017 (800 - 6000° С), ОПК-57 (700 - 6000° С).

351

В радиационных пирометрах интегральная интенсивность излучения вос­ принимается теплочувствптельным элементом (обычно термобатареей). На рнс. 264 показана схема, поясняющая устройство и принцип действия такого пиро­ метра.

Внутри телескопа, имеющего объектив і? и о к у л я р а , расположена помещен­ ная в стеклянной колбе термобатарея из последовательно включенных термопар

а)

10 (через ту же диафрагму 3 и светофильтр 8). Диафрагма 3 перекрывается ко­

Результирующий световой поток Ф, имеющий переменную составляющую, амплитуда которой определяется разностью амплитуд переменных составляю­ щих световых потоков Ф х и Ф 3 преобразуется фотоэлементом в фототок.

Переменная составляющая фототока усиливается усилителем переменного тока 5, выпрямляется фазочувствительным выпрямителем б и в виде постоянного тока направляется в измерительный прибор 7 и лампу накаливания 10.

352

Т а к ші образом, в этом приборе осуществляется компенсационное прео­ бразование. Благодаря отрицательной обратной связи через световой поток

тическим пирометрам, и автоматическую работу, что характерно для радиа­ ционных пирометров.

Пирометр имеет несколько диапазонов измерения. Переход с одного диа­ пазона на другой осуществляется заменой диафрагмы 2.

45.Приборы для измерения геометрических

имеханических величин

Прибор для измерения малых перемещений. В качестве примера рассмотрим прибор с индуктивным преобразователем.

На рис. 266 приведена схема прибора с дифференциальным индуктивным преобразователем. Схема включения преобразователя представляет собой нерав­ новесный мост. Мост питается от стаби­

Д л я измерения сравнительно больших перемещений (до 1 м) с малой погреш­ ностью (0,1—1 мкм) в настоящее время стали применять интерферометры с лазерами.

Прибор для измерения усилий (динамометр). На рис. 267 показано устрой­ ство динамометра для измерения больших усилий с использованием проволочных тензочувствительных преобразователей.

Чувствительным элементом динамометра является круглая пластина 4 с наклеенными проволочныші преобразователями 5. Пластина опирается на цилиндрическое основание 6. Усилие на пластину передается диском 1 с выступом в форме кольца диаметром d. Диск прижат к основанию колпачковой гайкой 2.

1 Туричин A . M . Электрические измерения неэлектрических величин. «Энерг гия», 1966,

353

Измеряемое усилие передается через металлическую прокладку 3, прилегающую к диску 1 по сферической поверхности. При наличии нагрузки пластина 4 про­ гибается, что фиксируется проволочными преобразователями. Преобразователи включаются в мостовую схему.

При номощн такого динамометра можно измерить нагрузку в 70 т.

Прибор для измерения скорости жидкостей. Д л я измерения скорости (рас­ хода) электропроводной жидкости может применяться индукционный расходометр.

Принцип действия индукционного расходометра основан на том, что при

туры, плотности, вязкости). Кроме того, в отличие от других известных рас­ ходомеров этот расходомер не создает дополнительного сопротивления для потока жидкости.

Индукционный расходомер имеет погрешность, обусловленную появлением дополнительных паразитных э. д. с , наводимых в цепи электродов. При кон­ струировании расходомеров принимается ряд мор для снижения этой погрешно­ сти. Основная погрешность таких расходомеров находится в пределах 1,0—2,5%.

354

Эти приборы состоят из гальванического преобразователя и измеритель­ ного устройства.

IIa практике используются различные по конструкции и применяемым по­ луэлементам гальванические преобразователи, выбор которых определяется

из равновесного состояния и через гальванометр Г протекает ток. При компен­ сации измеряемой з. д. с. преобразователя мост возвращается в равновесное состояние и стрелка гальванометра устанавливается на нуле.

Д л я измерения э. д. с. гальванических преобразователей в промышленности применяются автоматические потенциометры с большим входным сопротивле­ нием (не менее 101 0 Ом).

В указанных потенциометрах предусматривается автоматическое введение по­ правки на изменение температуры контролируемого раствора.

Приборы для измерения концентрации компонентов газовых смесей.

Приборы, предназначенные для анализа газовых смесей, называются газоана­ лизаторами. Газоанализаторы основаны на различных принципах. В качестве примера рассмотрим газоанализатор, предназначенный для определения про­ центного содержания водорода в газовой смеси. В этом приборе используется зависимость теплопроводности газовой смеси от содержании водорода, которая отличается от теплопроводности от остальных компонентов смеси.

355

Д л я определения теплопроводности смеси применяются перегревные термосопротпвления.

На рис. 271 показана упрощенная принципиальная схема газоанализа­ тора. Схема состоит из двух неравновесных мостов — измерительного / и срав­

виде спиралей, помещенных в стеклянных баллончиках. Плечевые элементы моста расположены в одном металлическом блоке.

Рис, 270. Схема переносного рЯ - метра

Два рабочих плечевых элемента 1 и 4 измерительного моста омываются анализируемой газовой смесью, два сравнительных плечевых элемента 2 и 3 измерительного моста и два элемента 6 и 7 сравнительного моста находятся в запаянных баллончиках, наполненных постоянной по составу газовой смесью-,

Рис. 271. Схема газоанализатора с использованием зависимости теплопроводности газовой смеси от ее состава

содержащей водород в количестве, соответствующем нижнему пределу измере­

Измерительный мост находится в равновесии лишь при пропускании через рабочие камеры газовой смеси с процентным содержанием водорода, соответ­ ствующим нижнему пределу измерения прибора.

При пропускании газовой смеси с содержанием водорода, большим соот­ ветствующего нижнему пределу измерения, измерительный мост выходит из равновесного состояния и на его диагонали (на сопротивлении гн ) появляется

356

напряжение, которое автоматически компенсируется напряжением, снимаемым

среохорда г р .

Дл я автоматической компенсации в приборе предусмотрен усилитель У

переменного тока с реверсивным двигателем РД на выходе. Двигатель механи­ чески связан с движком реохорда г р .

Таким образом, каждому значению определяемого компонента в анализи­ руемой газовой смеси соответствует вполне определенное положение движка реохорда, а следовательно, и положение стрелки, а также при необходимости положение записывающего и регулирующего устройства.

Сравнительный мост исключает влияние на результат измерения ряда внеш­

Д л я работы газоанализатора необходимо вспомогательное оборудование, которое служит для продувания газа через преобразователь, очищения его от агрессивных газов, для регулирования и контролирования расхода газовой смеси, стабилизации температуры газа и т. д.

Эти газоанализаторы выпускаются на различные пределы измерения (в

Глава девятая

ЦИФРОВЫЕ ПРИБОРЫ И ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

47. Общие сведения

Основные понятия и определения. В настоящее время широко применяются цифровые измерительные приборы (ЦИП), имеющие ряд достоинств по сравнению с аналоговыми электроизмерительными приборами. Цифровыми называются приборы, в которых измеряемая величина преобразуется в код, а затем в соответствии с кодом изме­ ряемая величина представляется на отсчетном устройстве в цифровой форме.

Код — серия условных сигналов (обычно электрических) или комбинация состояний или положений элементов ЦИП. Код может подаваться в регистрирующее устройство, вычислительную машину или другие автоматические устройства.

Неавтоматические лабораторные потенциометры и мосты с декад­ ными магазинами сопротивлений по существу являются цифровыми приборами (неавтоматическими), так как в них измеряемая величина с помощью оператора преобразуется в определенные положения ру­ чек (штепселей) декадных магазинов и результат выражается в циф­ ровой форме.

Развитие электроизмерительной техники, а также других смеж­ ных областей привело к созданию автоматических цифровых прибо­ ров, которые будут рассматриваться в этой главе.

Цифровой прибор можно считать состоящим из двух обязательных фушіциональных узлов: аналого-цифрового преобразователя (АЦП)

357

или просто кодирующего устройства и цифрового отсчетного устрой­ ства.

Аналого-цифровой преобразователь преобразует измеряемую ве­ личину в код, а в соответствии с этим кодом на отсчетном устройстве устанавливается показание измеряемой величины.

Аналого-цифровые преобразователи являются не только состав­ ной частью ЦИП, но они также используются в качестве автономных узлов измерительных информационных систем, управляющих устройств и т. д. Автономные АЦП отличаются от ЦИП отсутствием отсчетного устройства, т. е. они дают на выходе только код. АЦП обычно выполняются более быстродействующими, чем ЦИП, по ме­ нее точными; обычно они имеют один диапазон для одной измеряемой

Кроме АЦП, к цифровым преобразователям относят цифро-ана­ логовые преобразователи (ЦАП), предназначенные для преобразова­ ния кода в аналоговую величину. ЦАП может применяться не только как составной узел ЦИП и АЦП, но и как автономное устройство.

Иногда ЦИП содержат предварительные аналоговые преобразо­ ватели, преобразующие измеряемую величину в непосредственно преобразуемую в код величину.

Для образования кода непрерывная измеряемая величина в ЦИП дискретизируется во времени и квантуется по уровню.

^Дискретизацией во времени непрерывной во времени величины X (t) называется операция преобразования х (t) в прерывную во вре-і мени, т. е. в величину, значения которой отличны от нуля и совпа­ дают с соответствующими значениями х (t) только в определенные моменты времени. Промежуток времени между двумя соседними мо­ ментами времени дискретизации называется шагом дискретизации, который может быть постоянным или переменным.

Квантованием по уровню непрерывной по уровню величины х (t) называется операция преобразования х (t) в квантованную величину хк (t). Квантованная величина — величина, которая может принимать в заданном диапазоне определенное конечное число значений. Фикси­ рованные значения квантованной величины называются уровнями квантования. Разность между двумя ближайшими уровнями назы­ вается ступенью или шагом квантования.

Код в ЦИП вырабатывается в соответствии с уровнем квантова­ ния, ближайшим к значению измеряемой величины. Число возмож­ ных уровней квантования определяется устройством ЦИП, от кото­ рого, в частности, зависит емкость отсчетного устройства. Например, если у ЦИП отсчетное устройство имеет емкость 999, то такой прибор бесконечное множество значений измеряемой величины в пределах от 0 до 999 отражает всего 1000 различными показаниями, т. е. в этом приборе измеряемая величина преобразуется в квантованную, имею­ щую 1000 уровней квантования.

Таким образом в ЦИП в результате квантования измеряемой величины по уровню возникает погрешность дискретности, обуслов-

358

ленная тем, что бесконечное множество значений измеряемой вели­ чины отражается лишь ограниченным количеством показаний ЦИІІ. Возникновение погрешности дискретностиуиллюстрирует рис. 272, а;

Иногда возникает необходимость восстанавливать все значения непрерывной измеряемой величины по ряду измеренных мгновенных значений. Практически это удается сделать всегда с погрешностью, носящей название погрешности интерполяции.

Известны различные способы восстановления непрерывного сигнала. Часто применяемый способ восстановления — линейная интерполяция, при которой исходная функция восстанавливается по полученным дискретным значениям — ординатам A t , л2 ,..., А п (рис. 272, б) с помощью отрезков прямой линии, соеди­ няющих вершины соседних ординат. Очевидно, точность интерполяции без учета других погрешностей зависит от формы кривой измеряемой величины и числа

измерений.

359