книги / Электрические измерения электрических и неэлектрических величин

чают интегрирующее устройство, например ЯС-цепочку. Допуская, что входное сопротивление осциллографа бесконечно большое, для мгновенных значений э. д. с. получаем

о

где е2,12и 1 а — соответственно э. д. с., ток и индуктивность обмотки п>2.

где Хя и Ув — соответственно абсцисса и ордината точки, для кото­ рой определяют Н (() п В (0; тх и ту — масштабы по горизонтальной и вертикальной осям осциллограммы.

Для определения масштабов измеряют амплитудным вольтметром падение напряжения на Я0 и вольтметром средних значений напряже­ ние на измерительной обмотке. Тогда масштабы

У

'■* ~ /СрЛо*о"’

где Х0 и У0 — отклонения луча по горизонтальной и вертикальной осям соответственно.

Осциллограф применяют для определения динамических петель перемагничивания в диапазоне частот до 100 кГц. Погрешность изме­ рения достигает 10 %. Наиболее целесообразно применять осциллографический метод в тех случаях, когда имеются стандартные образцы магнитных материалов й измерения сводятся к сравнению динамиче­ ских петель исследуемого и стандартного образцов.

Часть четвертая

ИЗМЕРЕНИЕ НЕЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

Г л а в а 19. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ ОВ ИЗМЕРЕНИЯХ НЕЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

19.1. Особенности измерения неэлектрических величин

Количество неэлектрических величин, которые необходимо изме­ рять, значительно превышает количество измеряемых электрических и магнитных величин. Так, в современном энергоблоке необходимо постоянно измерять и контролировать десятки параметров (темпе­ ратуру, давление, химический состав, вибрацию и т. п.), определя­ ющих его технико-экономические показатели. Например, при контроле состояния гидротехнических сооружений и работы агрегатов электро­ технических систем и аппаратов Саяно-Шушенской ГЭС приходится осуществлять измерение параметров примерно в 3000 точках [30].

Можно выделить следующие основные группы неэлектрических ве­ личин, которые наиболее часто приходится измерять в энергетике:

м е х а н и ч е с к и е в е л и ч и н ы — это силы, давления, де­ формации, моменты, линейные размеры, уровни, вибрации, расходы, скорости потоков и др.;

т е п л о в ы е в е л и ч и н ы — температура, количества тепло­ ты, тепловые потоки, теплоемкость и т. п.;

в е л и ч и н ы , х а р а к т е р и з у ю щ и е с в о й с т в а и с о ­ с т а в в е щ е с т в — концентрация, химический состав, влажность, содержание взвешенных веществ и др.;

с в е т о в ы е в е л и ч и н ы — освещенность, сила света и ее распределенность, яркость, цвет и т. п.

Множество измеряемых параметров, их пространственное рассредо­ точение, необходимость автоматизации управления путем централи­ зованного получения измерительной информации, ее обработки и вы­ работки управляющих воздействий предопределяют преимуществен­ ное использование электрических методов измерения неэлектрических величин, так как электрические сигналы наиболее удобны для переда­ чи, измерения и обработки.

Измерение неэлектрических величин электрическими средствами измерений становится возможным благодаря предварительному пре­ образованию исследуемых неэлектрических величин в функционально связанные с ними электрические величины посредством соответству­ ющих измерительных преобразователей. Следовательно, при измере­ нии неэлектрических величин электрическими методами предусматри­ вается наличие первичного измерительного преобразователя физиче­ ской величины в выходную электрическую, вторичного электрического измерительного прибора, а также устройств их сопряжений, включаю-

щих в себя линии связи, промежуточные электрические преобразова­ тели (масштабирующие, линеаризирующие)..

Все методы измерения неэлектрических величин можно разделить на контактные и бесконтактные. При контактном методе первичный преобразователь находится в непосредственном контакте с исследуе­ мым объектом. Контактные методы сравнительно просты в реализации и обеспечивают высокую чувствительность, а также возможность ло­ кализации точки измерения в том месте технологического процесса, которое является наиболее информативным. В то же время при кон­ тактном методе имеет место обратное влияние измерительного преоб­ разователя на параметры исследуемого объекта, что может привести к значительному искажению результата измерения. Кроме того, в ряде случаев невозможно осуществить непосредственный контакт измери­ тельного преобразователя с исследуемым объектом вследствие, напри­ мер, неблагоприятных условий измерения (влажность, запыленность, вибрации, опасность механического разрушения, химическая и радиа­ ционная агрессивность, большая удаленность объекта и т. п.).

При бесконтактном методе измерения первичный преобразователь не находится в непосредственном контакте с исследуемым объектом и не искажает его параметров. При этом, однако, на результат измерения в большой степени влияет окружающая среда, отделяющая исследуе­ мый объект от первичного преобразователя.

Следовательно, при измерениях неэлектрических величин наряду с погрешностями самих средств измерений существенное место зани­ мают методические погрешности, обусловленные, во-первых, непосред­ ственным воздействием преобразователя на исследуемый объект и искажением измеряемого параметра, а во-вторых — влиянием окру­ жающей среды на цепь передачи измерительной информации и ее ис­ кажением. Поэтому выбор вида первичного преобразователя, оценка методических погрешностей и погрешностей от влияющих факторов при измерениях неэлектрических величин приобретают особое значе­ ние и требуют тщательного изучения в каждом конкретном случае.

19.2. Основные характеристики первичных преобразователей неэлектрических величин

В зависимости от энергетических свойств выходного сигнала и спо­ соба его дальнейшего использования первичные преобразователи раз­ деляют на две большие группы: генераторные и параметрические.

В генераторных преобразователях входная величина преобразуется в выходной сигнал, обладающий энергетическими свойствами. При­ мерами генераторных преобразователей могут быть термоэлектриче­ ский преобразователь температуры, пьезоэлектрический преобразова­ тель силы, давления и т. п.

В параметрических преобразователях входная величина, воздей­ ствующая на определенный параметр преобразователя, приводит к из­ менению этого параметра (сопротивления, емкости, индуктивности). Особенностью работы параметрических' преобразователей является потребность в дополнительном источнике энергии для получения или дальнейшего преобразования измерительной информации.

По физическим закономерностям, положенным в основу принципа действия, преобразователи неэлектрических величин в электрические можно разделить на следующие группы.

1. Р е з и с т и в н ы е п р е о б р а з о в а т е л и м е х а н и ч е ­ с к и х в е л и ч и н . Принцип действия таких преобразователей осно­ ван на изменении электрического сопротивления преобразователя под действием входной механической величины. К ним относятся реостат­

К электростатическим относятся преобразователи, переносчиком из­ мерительной информации в которых является электрический заряд. Различают две основные разновидности электростатических преоб­ разователей: емкостные, принцип действия которых основан на взаи­ модействии двух заряженных тел, и пьезоэлектрические, возникновение электрических зарядов в которых является следствием механических напряжений в чувствительном элементе преобразователя.

3. Э л е к т р о м а г н и т н ы е п р е о б р а з о в а т е л и . Под этим названием объединена большая группа преобразователей, прин­ цип действия которых основан на использовании электромагнитных явлений. При этом в зависимости от способа использования этих явле­ ний электромагнитные преобразователи могут быть разделены на

индуктивные и взаимоиндуктивные. Выходным информативным пара­ метром индуктивных преобразователей является индуктивность или полное электрическое сопротивление обмотки, нанесенной на ферро­ магнитный сердечник, магнитные параметры которого являются функ­ цией измеряемой неэлектрической величины, например длины воздуш­ ного зазора. Выходным информативным параметром взаимоиндуктивных преобразователей является э. д. с., наведенная во вторичной обмотке, значение которой зависит от магнитных параметров магнитопровода, а в конечном счете от измеряемой неэлектрической величины, воздействующей на магнитную цепь. К электромагнитным относят часто индукционные преобразователи, принцип работы которых основан на использовании явления электромагнитной индукции.

4. Т е п л о в ы е п р е о б р а з о в а т е л и . В основу принципа работы тепловых преобразователей положены физические закономер­ ности, определяемые тепловыми и связанными с ними другими про­ цессами. Тепловые преобразователи в основном преобразователи темпе­ ратуры. Однако они широко используются для преобразования других

Принцип действия этих преобразователей основан на зависимости электрических параметров электролитической ячейки от состава, кон­ центрации и других свойств исследуемого раствора. Входными сигна­ лами электрохимических преобразователей могут быть разнообразные физические величины: качественный и количественный состав слож­ ных жидких и газообразных сред, давление, скорость, ускорение и т. п.

6. О п т и к о - э л е к т р и ч е с к и е п р е о б р а з о в а т е л и . В основу принципа действия оптических преобразователей положено преобразование потока оптического (светового и теплового) излучения. Преобразование измерительной информации осуществляется здесь обычно путем модуляции параметров источника излучения или опти­ ческого канала.

7. И о н и з а ц и о н н ы е п р е о б р а з о в а т е л и . Принцип действия таких преобразователей основан на преобразовании интен­ сивности ионизирующего излучения.

Значительное место среди преобразователей неэлектрических вели­ чин занимают механические упругие преобразовательные элементы. Они используются в качестве первичных или промежуточных преобра­ зователей. В основу принципа их действия положены зависимости уп­ ругих свойств деформированных материалов под воздействием усилий, давлений, крутящих моментов и т. п.

Основной статической характеристикой первичных преобразовате­ лей неэлектрических величин является функция преобразования или градуировочная характеристика. Для большинства преобразователей неэлектрических величин их функция преобразования существенно нелинейна. Поэтому при их сопряжении с электрическими измеритель­ ными приборами, обладающими линейной зависимостью показаний от значения входной величины, возникает необходимость линеаризации функции преобразования первичного преобразователя. Линеаризация может быть осуществлена конструкторскими, технологическими либо структурными методами (см. п. 4.3).

Номинальная функция преобразования обычно устанавливается либо на основе детального изучения физических закономерностей, по­ ложенных в основу принципа действия преобразователя, либо в ре­ зультате усреднения полученных экспериментальным путем функций преобразования однотипных преобразователей. Отклонение действи­ тельных градуировочных характеристик от номинальных обусловлено, в первую очередь, несовершенством технологии изготовления преобра­ зователя. Кроме того, в процессе эксплуатации преобразователей мо­ гут иметь место необратимые изменения свойств его чувствительного элемента, например вследствие старения чувствительного элемента. Преобразователи неэлектрических величин подвергаются также воз­ действиям всевозможных внешних случайных факторов, что приводит

кслучайным изменениям (дрейфу) функции преобразования. Очевидно, для обеспечения заданной точности измерения необходи­

мо существенно уменьшить влияние разброса и дрейфа градуировоч­ ных характеристик. Это достигается в процессе изготовления конструк­ торско-технологическими путями, а в процессе эксплуатации готовых преобразователей — структурными и схемотехническими приемами, направленными на уменьшение влияния указанных факторов. Повы­ шение точности измерительных преобразователей достигается также путем их индивидуальной градуировки.

Часто на основе изучения изменений градуировочной характерис­ тики, обусловленных тем или иным влияющим фактором, создаются специальные таблицы поправок, которые используются для коррек­ ции показаний приборов.

Для компенсации влияния дестабилизирующих факторов особо эффективно построение (если это возможно) дифференциальных пре­ образователей. В таких преобразователях используются два чувстви­ тельных элемента, в одном из которых под воздействием измеряемой величины выходная величина увеличивается, а во втором — уменьша­ ется. Результирующий выходной сигнал формируется как разность вы­ ходных сигналов первого и второго чувствительных элементов. При этом изменения выходных сигналов вследствие воздействия внешних факторов взаимо компенсируются.

Применение дифференциальных преобразователей обеспечивает, кроме того, устранение начального выходного сигнала при нулевом входном, а также частичную линеаризацию общей функции преобра­ зования за счет вычитания четных членов полиноминального разложе­ ния функции преобразования.

Для использования первичных преобразователей в системах центра­ лизованного контроля и управления применяют унификацию их вы­ ходных сигналов с помощью унифицирующих преобразователей. Уни­ фицирующие преобразователи обеспечивают один и тот же уровень выходного сигнала для различных диапазонов изменения разнообраз­ ных измеряемых величин. Номинальная зависимость выходных сиг­ налов унифицирующих преобразователей в основном является линей­ ной от измеряемой величины, что существенно упрощает сопряжение первичных преобразователей с вторичными измерительными прибора­ ми, значительно сокращает номенклатуру приборов и регуляторов, упрощает их структуры.

Наибольшее распространение получили унифицированные сигналы в виде постоянного тока и напряжения 0...5, 0...20, 4...20 мА, 0...100 мВ, 0...10 В, а также частоты 4...8 кГц. Преимуществами сиг­ налов в виде постоянного тока и напряжения являются простота мас­ штабирования, отсутствие влияния реактивных параметров линии связи, возможность фильтрации помех и наводок, а сигналов с частот­ ным информативным параметром — возможность высокоточной пере­ дачи и измерения, а также простота цифрового измерения.

Весьма важными являются динамические характеристики измери­ тельных преобразователей неэлектрических величин. Аккумуляция механической, тепловой, электрической или другой энергии в элемен­ тах преобразователя делает его инерционным. Инерционность прояв­ ляется в том, что выходной сигнал преобразователя не успевает сле­ дить за изменениями измеряемой величины, вследствие чего могут воз­ никнуть существенные динамические погрешности вплоть до того, что результаты измерения становятся совершенно неприемлемыми. Так как измерение быстропротекающих процессов увеличивается во все­ возрастающем объеме, то при выборе соответствующих преобразовате­ лей необходимо всегда исходить из условия обеспечения согласования их динамических характеристик с динамикой объекта.

Согласование динамики объекта исследования и первичного преоб­ разователя необходимо обеспечивать в первую очередь конструктивным путем. Однако конструкция первичного преобразователя определяет его как статические, так и динамические характеристики и улучшение динамических характеристик преобразователя приводит, как прави­

ло, к ухудшению статических характеристик и снижению надеж­ ности.

При этом приходится прибегать к коррекции динамических харак­ теристик. Использование для этой цели корректирующих устройств сопряжено, с одной стороны, с увеличением статических погрешностей, а с другой — с возрастанием влияния дестабилизирующих факторов и, главным образом, помех. Кроме того, для эффективной коррекции необходимо знать динамические характеристики преобразователя. Следует, однако, отметить, что динамические характеристики преобра­ зователей неэлектрических величин не всегда являются постоянными, ибо в ряде случаев они определяются не только конструкцией преоб­ разователя, но зависят также от свойств исследуемой среды и условий взаимодействия с ней. Это создает дополнительные трудности при коррекции динамических характеристик, так как значение параметров динамических характеристик должно измеряться в этом случае наряду с измерением искомой неэлектрической величины и должна быть обес­ печена автоматическая подстройка корректирующего преобразователя.

19.3. Основные структурные схемы электрических приборов для измерения неэлектрических величин

В общем случае приборы для измерения неэлектрических величин, включающие в себя первичный преобразователь и вторичный электри­ ческий измерительный прибор, могут быть построены по схеме пря­ мого или уравновешивающего преобразований. Следует отметить, что часто выходная электрическая величина первичного преобразователя может подвергаться дополнительным промежуточным преобразовани­ ям, главным образом с целью усиления, унификации, линеаризации и т. п. Схема уравновешивающего преобразования вследствие слож­ ностей создания достаточно мощных, надежных и точных обратных преобразователей электрических величин в неэлектрические нашла ограниченное применение.

Взависимости от типа первичного измерительного преобразователя

ивида выходного информативного параметра используются те или иные схемы вторичных электроизмерительных приборов. В большин­ стве случаев вторичные приборы для электрических измерений неэлек­ трических величин не отличаются от приборов для измерения электри­ ческих величин.

Так как выходными информативными параметрами наиболее часто применяемых генераторных преобразователей является напряжение или ток, а параметрических преобразователей — сопротивление, ем­ кость или индуктивность, то вторичными измерительными приборами являются приборы для измерения соответствующих электрических величин. При этом, как правило, вторичные приборы проградуированы

сучетом функции преобразования измерительного преобразователя в единицах измеряемой неэлектрической величины.

Особенностью схем вторичных приборов является то, что в них пред­ усмотрена коррекция неинформативных параметров, влияющих как на измерительный преобразователь, так и на линию связи и яа сам

вторичный прибор. Такая коррекция должна производиться автомати­ чески, поскольку приборы работают длительное время без настройки в тяжелых условиях промышленного производства.

Передача измерительной информации от первичного преобразова­ теля ко вторичному прибору осуществляется посредством линии связи. В промышленности, в основном, используются двух-, трех- и четырехлроводные линии связи, обычно медные.

В зависимости от типа применяемого первичного преобразователя на погрешность измерения оказывают влияние разные параметры ли­ нии связи. Так, при измерении неэлектрических величин с помощью резистивных первичных преобразователей на постоянном токе влия­ ние оказывают активные сопротивления проводов линии связи. На­ пример, при двухпроводной линии связи возникает погрешность 8* измерения неэлектрической величины, значение которой равно

где Д#ль Д#л2— временные и температурные изменения сопротивле­ ний линии связи; АЯХ— изменение сопротивления первичного резис­ тивного преобразователя, соответствующее диапазону измеряемой величины; 5 — относительная чувствительность первичного преобразо­ вателя, соответствующая определенному значению измеряемой вели­ чины х. Номинальные значения сопротивлений линии связи учитыва­ ются при градуировке прибора. Для низкоомных резистивных первич­ ных преобразователей, как правило, значение АЯХ незначительно, так что погрешность 6Хможет достигать недопустимо больших значе­ ний. Поэтому двухпроводные линии связи используют при измерениях на небольших расстояниях-; а также при сопротивлениях первичных преобразователей на несколько порядков больших сопротивлений про­ водов линии связи. Однако в последнем случае оказывает влияние со­ противление изоляции проводов. Поэтому качество изоляции проводов линии связи должно быть высоким.

Уменьшение погрешностей от влияния линии связи достигается применением трехили четырехпроводных линий. Значение этой по­ грешности определяется соотношением между параметрами линии свя­ зи и параметрами измерительной схемы и может быть оценено в каж­ дом конкретном случае в зависимости от схемы вторичного измеритель­ ного прибора.

В качестве вторичных измерительных приборов чаще всего исполь­ зуют ферродинамические или магнитоэлектрические логометры, изме­ рительные мосты или компенсаторы. При этом применяют как урав­ новешенные, так и неуравновешенные мостовые и компенсационные цепи. Простейшая схема магнитоэлектрического логометра с резистив­ ным преобразователем К (х) неэлектрической величины приведена на рис. 19.1, а. Для уменьшения влияния сопротивлений соединительных проводов на результат измерений используют трехпроводное подсо­ единение преобразователя к логометру. Сопротивление линии гл1 в этом случае находится в цепи питания логометра и не влияет на его показания, а сопротивления линий гл2 и гл3, во-первых, включены последовательно с относительно большими сопротивлениями рамок