книги / Электрические измерения электрических и неэлектрических величин

ками регулирующих реле и исполнительными механизмами различных параметров технологических процессов. На лентопротяжном механиз­ ме укреплена съемная, линейка, отградуированная в единицах изме­ ряемой величины.

Упрощенная схема автоматического моста с резистивным преобра­

усилитель; РД — реверсивный двигатель. Для уменьшения влияния сопротивлений соединительных линий на результат измерения приме­ няют трехпроводную схему соединения преобразователя и подгоняют сопротивления линий гл1 и тл3. Чаще всего делают Я% = Яз и тогда полная компенсация сопротивлений линий имеется в начальной точке шкалы прибора хт 1П при минимальном значении измеряемого сопро­

Из последнего выражения видно, что в начальной точке шкалы оди­ наковые по абсолютному значению изменения сопротивлений линий не нарушают условия равновесия моста и, следовательно, не вызывают погрешностей измерения Я (х). В других точках шкалы изменения со­ противлений линий вызывают незначительную погрешность, макси­ мальное значение которой при прочих равных условиях будет иметь место в конце диапазона измерения для Я (х) = Я (х)тах, когда усло­ вие равновесия моста принимает вид

Измерительные преобразователи неэлектрических величин в элек­ трическое сопротивление Я (х) имеют ограниченное значение измери­ тельного тока. Поэтому важно обеспечить, чтобы во всем рабочем диа­ пазоне преобразования его значение не превышало допустимого. При заданном напряжении V питания моста максимальное значение тока через преобразователь

В практике измерений неэлектрических величин с применением резистивных преобразователей приходится часто решать задачу со­ пряжения этих преобразователей с электрическими измерительными устройствами, в частности с выпускаемыми серийно нашей промыш­ ленностью измерительными мостами. При этом в первую очередь воз­ никает задача согласования диапазонов измерения. Это осуществляется путем замены нерегулируемых резисторов Я Я Я2 и ЯЗ, а. также резистора # Ш1 шунтирующего реохорд. В отдельных случаях возни­ кает необходимость включения в диагональ питания дополнительного резистора Яя.

Для нахождения (расчета) сопротивлений указанных резисторов моста при известных значениях Я (х)т |П, Я (х)тах, Яр, С/ и 1Хтах не­ обходимо решить систему уравнений (19.3)...(19.5), приняв, например, Яа = Яз- В случае, когда расчетное значение Яэк получится больше Яр, необходимо в диагонали питания моста предусмотреть дополни­ тельный резистор Яд и расчет повторить.

Мостовые цепи применяются обычно для измерений неэлектриче­ ских величин с резистивными преобразователями при трехпроводном включении последних, если начальное значение его сопротивления не меньше 10 Ом. При использовании более низкоомных преобразо­ вателей, например платиновых термопреобразователей температуры (Я0 = 1 Ом или Яо = 0,1 Ом) для измерений высоких температур, можно использовать фазонечувствительный автоматический компен­

коэффициент трансформации измерительного трансформатора тока. Особенностью схемы фазонечувствительного компенсатора являет­ ся практически полное отсутствие влияния сопротивлений соедини­ тельных линий на результат измерений. Действительно, сопротивления гл3 и гл4 включены во входную цепь усилителя, где в момент компен­ сации ток не протекает, а сопротивления гл1 и г„2, включенные в цепь питания резистивного преобразователя, не вызывают каких-либо погрешностей, так как в момент компенсации значение измеряемой величины определяется лишь значениями сопротивлений Яп» Я9К и коэффициентом трансформации измерительного трансформатора, на

значения которых сопротивления гл1 и гп2 влиять не могут. Сопряжение резистивных преобразователей с фазочувствительным

компенсатором по диапазону преобразования заключается в опреде­ лении при заданных значениях Я (х)т 1пи Я (х)тах резистивного преобра­ зователя, а также Яр, /| „ом и /2ном компенсатора новых значений Я„ и Яш, исходя из выражений (19.6) и (19.7). Значение сопротивления резистора Яд, ограничивающего измерительный ток через преобразо­ ватель, может быть определено, исходя из выражения

результат измерения необходимо в качестве вторичных использовать приборы с высоким входным сопротивлением. В этом случае ток, а следовательно, падение напряжения на сопротивлениях линии связи мало по сравнению с измеряемой э. д. с. первичного преобразователя.

Рассмотренные выше автоматические приборы нашли широкое применение для измерений и регистрации температуры, солесодержания, давления, уровня, расхода, вакуума, значений рН, влажнос­ ти и др. Основная погрешность автоматических приборов составляет от 0,25 до 1,5 %, погрешность записи — от 0,5 до 1,5 %. Время прохо­ ждения шкалы— 1... 10 с, скорость перемещения ленты — от 20 до 5400 мм/ч.

Особенность построения приборов для измерений неэлектрических величин обусловлена необходимостью обеспечения метрологической совместимости при сопряжении первичного преобразователя с нели­ нейной функцией преобразования (каким является в общем случае первичный преобразователь) с электрическим средством измерения, для которого характерна линейная зависимость показания от значения входной величины. В аналоговых измерителях неэлектрических вели­ чин нелинейность первичного преобразователя компенсируется гра­ дуировкой шкалы, которая в этом случае будет нелинейной. Если не­ обходимо обеспечить линейную шкалу, применяют различные конструк­ торско-технологические или структурные методы. Примером приме­ нения первых из них может служить использование в автоматических приборах уравновешивания (см. рис. 19.3...19.5) реохордов с изменя­ ющимся шагом намотки по длине каркаса, применение специального профиля каркаса при равномерной намотке либо специального профи­ ля кулачка в приборах, собранных по схеме рис. 19.6.

Структурные методы линеаризации в тех же приборах обычно ос­ нованы на функциональном изменении тока в цепи реохорда, например путем соответствующего включения другого аналогичного реохорда, движок которого механически связан с движком основного (измери­ тельного) реохорда, перемещение которого является функцией изме­ ряемой величины.

При сопряжении первичных преобразователей с цифровыми изме­ рительными устройствами линеаризация осуществляется структурны­ ми методами, например согласно схемам рис. 19.7.

В схеме рис. 19.7, а линеаризация осуществляется с помощью ана­ логового функционального преобразователя, на вход которого подает­ ся выходной информативный электрический сигнал у от первичного измерительного преобразователя {ИП). В результате реализации в аналоговом функциональном преобразователе (АФП) функции преоб­

разования в виде г = Е-1 (х), обратной функции преобразования

В схеме рис. 19.7, б сигнал у с выхода ИП подается непосредственно на вход функционального аналого-цифрового преобразователя (ФАЦП), на выходе которого формируется цифровой код Их, пропор­ циональный измеряемой величине х. Существует большое разнообра­ зие схем ФАЦП, определяемое не только количеством реализуемых

функций Их = Р~1 (х), но и числом возможных реализаций одной и той же функции. Трудности построения ФАЦП заключаются в отсут­ ствии обобщенного подхода к их проектированию.

Наиболее перспективным путем осуществления линеаризации, осо­ бенно в приборах промышленного назначения, является применение функциональных преобразователей кодов (ФПК) или цифровых вы­ числительных устройств (ЦВУ), в первую очередь микропроцессоров. На рис. 19.7, в представлена структурная схема такого средства изме­ рения неэлектрических величин. Выходной сигнал у ИП преобразует­ ся ЛАЦП в пропорциональный ему цифровой код Ыу, который преоб­ разуется в цифровой код Ых, пропорциональный измеряемой величи­ не х, с помощью ФПК или ЦВУ. При этом может быть достигнута лю­ бая, наперед заданная точность линеаризации для самого большого разнообразия функций преобразования. Осуществление линеаризации с помощью ЦВУ особенно целесообразно в многоканальных устрой­ ствах с большим количеством параметров при большом объеме обра­ ботки по различным алгоритмам 1161.

Для измерений неэлектрических величин с использованием емкост­ ных или индуктивных преобразователей в качестве вторичных при­ боров используют главным образом трансформаторные мосты перемен­ ного тока. В качестве примера на рис. 19.8 приведена схема трансфор­ маторного моста с емкостным первичным преобразователем.

Основными проблемами, которые возникают при измерениях с при­ менением емкостных и индуктивных преобразователей, являются про­ блемы, связанные с устранением влияния линии связи, особенно в тех случаях, когда первичный преобразователь находится на большом расстоянии от измерительного прибора. Вследствие большой протя­ женности в линии могут наводиться значительные активные помехи. Поэтому осуществляют фильтрацию помех, в частности разделением

спектра частот информативного параметра и помехи. А поскольку в условиях промышленного производства помехи в большинстве случаев низкочастотные (промышленной частоты), преобразование информа­ тивного параметра осуществляют на сравнительно высоких частотах.

Другим источником погрешности, связанным с линией связи, яв­ ляются распределенные емкостные и индуктивные сопротивления уте­ чек между линиями, шунтирующие выходной информативный пара­ метр первичного преобразователя. Если учесть, что выходные емкости первичных преобразователей составляют десятки пикофарад, то при погонной емкости между проводами линии связи, которая может до­ стигать десятков пикофарад на метр, ее шунтирующее действие столь велико, что измерение становится невозможным. Для устранения влия­ ния паразитных емкостей прибегают к экранированию линий и соот­ ветствующему схемному решению, при котором шунтирующее действие паразитных емкостей на первичный преобразователь было бы устра­ нено или значительно уменьшено. Например, в схеме рис. 19.8 пара­ зитная емкость между жилой линии связи и экраном оказывается включенной параллельно сравнительно высокоомным сопротивлениям обмоток щ ! компаратора тока и тют1 трансформатора напряжения и их шунтирующее действие будет незначительным.

Г л а в а 20. ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ НЕЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН В ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ

20.1. Резистивные преобразователи механических величин

Реостатные преобразователи. Реостатными называются преобра­ зователи, выполненные в виде реостата, движок которого перемещает­ ся под действием входной преобразуемой величины. Выходной величи­ ной является электрическое сопротивление, функционально связанное е положением движка. Так как в перемещение могут быть преобра­ зованы с помощью механических упругих элементов многие неэлектри­ ческие величины, то реостатные преобразователи широко используют­ ся также в датчиках давления, силы, ускорения, расхода, уровня и т. п.

Реостатные преобразователи бывают проволочными и непроволочними. Проволочные отличаются высокой точностью и стабильностью функции преобразования. Их недостатками являются низкая разре­ шающая способность, невысокое сопротивление (до десятков килоом). Указанные недостатки отсутствуют в непроволочных преобразовате­ лях, однако они значительно уступают проволочным по точностным характеристикам.

Реостатные преобразователи в зависимости от конструктивного ис­ полнения делятся на преобразователи с линейным (рис. 20.1, а) и вра­ щательным (рис. 20.1, б) перемещениями подвижного элемента.

В проволочных преобразователях на каркас 1 наматывается об­ мотка 2, изготовленная из изолированной манганиновой, константановой или вольфрамовой проволоки, а при повышенных требованиях в отношении износоустойчивости — из сплава платины с иридием (Р1 — 90 %, 1г — 10 %). Контактная щетка 3, изготовленная из платины,

В ряде случаев применяются реостатные преобразователи с функ­ циональным (нелинейным) распределением сопротивления вдоль кар­ каса. Заданная функция преобразования Ях = Р (х) обеспечивается, например, изменением профиля каркаса, применением намотки с пе­ ременным шагом, намотки отдельных участков каркаса проводами разного диаметра или разного удельного сопротивления, шунтирова­ нием участков линейного реостата соответствующими сопротивле­ ниями.

Выходное сопротивление реостатных проволочных преобразовате­ лей в зависимости от перемещения изменяется ступенчато. Это обстоя­ тельство вызывает погрешность квантования, приведенное значение

Число витков т преобразователя обычно составляет 100...200, а в пре­ цизионных — даже десятки тысяч.

Суммарная погрешность, вызванная непостоянством параметров преобразователей, составляет 0,05...0,1 %. Температурная погреш­ ность, определяемая температурным коэффициентом сопротивления материала провода, не превышает обычно 0,1 % на 10 °С.

Тензорезистивные преобразователи. Тензорезистивными преобра­ зователями называются резисторы, в которых под действием механи­ ческой деформации изменяется активное сопротивление. Они могут быть проводниковыми (проволочными или фольгированными) и полу­

проводниковыми.

Основной характеристикой тензорезисторов является коэффици­ ент относительной тензочувствительности К, определяемый как отно­

/ 2 3 - + !

-е*$=Гг=&*»-

д

Рис. 20.2. Некоторые разновидности тензопреобразователей

шение относительного изменения сопротивления к относительному изменению длины чувствительного элемента:

гггя __ ыун

А ~ е, ~ М/1 •

При деформациях твердых тел изменения их сопротивления обусловлены изменением длины I, поперечного сечения з и удельного сопротивления р чувствительного элемента:

В некоторых металлах удельное сопротивление под действием ме­ ханических деформаций изменяется незначительно; поэтому коэффи­ циент К для них может быть принят равным /0 » 1 + 2р. Так как коэффициент Пуассона для металлов имеет значение 0,24...0,4, то зна­ чение коэффициента К при этом примерно равно 1,48..Л ,8. В общем случае удельное сопротивление металлов может изменяться под дей­ ствием механических деформаций в несколько раз (при этом как в сто­ рону увеличения, так и в сторону уменьшения); поэтому коэффициент относительной тензочувствительности для металлов лежит в пределах 0,5...4.

Так как значение относительной деформации Д/// в пределах упру­

гих свойств материала не превышает порядка 2,5 10“ 3, то при К => =* 0.5...4 относительное изменение сопротивления Л/?//? = (1,25...

...10) 10-3, т. е. не превышает 1 %.

Наиболее распространенные конструкции наклеиваемых металли­ ческих тензопреобразователей приведены на рис. 20.2.

Преобразователь с плоской формой решетки (рис. 20.2, а) имеет подложку 1 из тонкой бумаги или лаковой пленки, на которую наклеена плоская решетка 2 из тензочувствительной проволоки. К концам прово­ локи присоединены пайкой или сваркой выводы 3 из медного провода. Такие тензопреобразователи имеют измерительную базу (длину, зани­ маемую проволокой) обычно 3...20 мм и их сопротивление равно 20...

...500 Ом. Для получения тензопреобразователей с малой базой (1.. .3 мм) их делают двухслойными.

В фольговых тензопреобразователях (рис. 20.2, б) чувствительный элемент выполнен в виде фольги толщиной 0,01...0,02 мм. Они имеют определенные преимущества перед проволочными. В частности, по­

скольку отношение поверхности тензочувствительной дорожки к ее поперечному сечению велико, улучшается теплоотдача, что позволяет значительно увеличить плотность тока, если только деталь, к которой приклеивается тензопреобразователь, не обладает очень малой тепло­ емкостью. Недостатком обычных фольговых преобразователей являет­ ся сравнительно низкое сопротивление, не превышающее обычно 50 Ом. Тензочувствительный элемент может быть выполнен также в виде пленки путем осаждения паров металла на подложку.

В тех случаях, когда от тензопреобр'азователя необходимо полу­ чить большую мощность, их чувствительные элементы выполняют в виде большого числа (до 30...50) параллельно соединенных прово­ лочек (рис. 20.2, в), однако такие тензопреобразователи имеют обыч­ но базу до 150...200 мм, в противном случае они обладали бы очень малым электрическим сопротивлением.

В навесных тензорезистивных преобразователях (рис. 20Д г) тензочувствительные проволоки натягиваются между двумя планками, одна из которых неподвижна, а другая может перемещаться.

Широкое распространение получили также полупроводниковые тензорезисторы. Коэффициент тензочувствительности полупроводни­ ковых тензорезисторов определяется в основном изменением удель­ ного сопротивления и составляет 100...200; при этом в полупроводни­ ках п-типа он отрицательный, а в полупроводниках р-типа — поло­ жительный.

Такие тензорезисторы имеют различное конструктивное исполне­ ние, бывают как с подложками, так и без них. В частности, широко распространенные тензорезисторы типов 10-8 и Ю-12 (рис. 20.2, д) изготавливаются без подложек в виде пластины кремния 1, к которой посредством контактного слоя 2 присоединены выводы 3. Они имеют коэффициент тензочувствительности порядка 110 при относительной деформации 0,1 %, базу / = 5...7 мм, номинальное электрическое со­ противление 100...200 Ом.

Для тензорезисторов характерен разброс значений коэффициента тензочувствительности и начального сопротивления от экземпляра к экземпляру. Для металлических тензорезисторов разброс коэффициен­ та тензочувствительности составляет единицы, а для полупроводнико­ вых — даже десятки процентов.

Погрешности тензорезисторов обусловлены в основном температур­ ными изменениями сопротивления материала, линейным расширением чувствительного элемента, а также возникновением термо-э. д. с. в точках подсоединения проводов к выводам. Погрешности металличе­ ских тензорезисторов составляют порядка 0,1...0,2 %, а полупроводни­ ковых — 0.5...1 %.

Тензорезистивные преобразователи нашли широкое применение для измерения механических величин, предварительно преобразованных в деформацию упругого элемента,— перемещений, сил, давлений, мо­ ментов, параметров вибраций.

20.2. Электростатические преобразователи

Емкостные преобразователи. Емкостным называется преобразова­ тель в виде конденсатора, емкость которого зависит от измеряемой не­ электрической величины.

Емкость конденсатора определяется его конструктивными пара­ метрами и относительной диэлектрической проницаемостью среды между обкладками. Наибольшее распространение получили преобра­ зователи с плоскостными и цилиндрическими электродами.

Емкость плоского конденсатора (рис. 20.3, а)

а емкость цилиндрического конденсатора (рис. 20.3, б)

Как видно из приведенных выражений, емкостные преобразователи могут использоваться для измерения свойств материалов (на основе изменения их диэлектрической проницаемости), а также для измерения перемещений или других величин, предварительно преобразованных в перемещение.

Чувствительность емкостных преобразователей с плоскостными электродами является линейной функцией изменения площади взаимо­ действия электродов и изменения диэлектрической проницаемости среды между ними:

_ Д5 _ ДС8 _ Дег

С5~ ’ ~С ~ — ~ Т Г '

Вто же время чувствительность относительного расстояния между электродами является нелинейной функцией: