Модуль 19. Электрические измерения

19.4. Измерения неэлектрических величин

Ранее были рассмотрены методы и средства измерения электрических величин. В инженерной практике при контроле различных производственных процессов часто приходится иметь дело с измерением неэлектрических величин: механических (сила, давление, перемещение, скорость), тепловых (температура, теплоемкость), световых (освещенность, световой поток) и др.

Для контроля неэлектрических величин и управления ими в настоящее время широко применяют электрические методы и электроизмерительные приборы. Они позволяют: получать данные с высокой степенью точности и в широком диапазоне изменения значений величин, определять характеристики объектов, находящихся на больших расстояниях и в труднодоступных местах, изучать быстропротекающие процессы, запоминать результаты измерения с помощью вычислительных машин или информационных систем и т. д.

Для того чтобы измерить ту или иную неэлектрическую величину, ее нужно предварительно преобразовать в электрический сигнал.

Такое преобразование осуществляют с помощью датчиков или первичных преобразователей (ППр).

На рис. 19.16 показана структурная схема устройства для измерения неэлектрической величины электрическим методом. Здесь ППр - первичный преобразователь, ЭИЦ - электрическая измерительная цепь, УОИ - устройство обработки и индикации. Измеряемая незлектрическая величина x поступает на вход ППр, на выходе которого появляется электрический сигнал y(x). Далее этот сигнал преобразуется в ЭИЦ в другой электрический сигнал u(x), который воспринимается УОИ, в результате чего на выходе всего устройства получается, например, угловое отклонение α(x) индикаторного устройства. Шкала этого устройства градуирована непосредственно в значениях неэлектрической величины x.

Первичные преобразователи(ППр), используемые в измерениях, чрезвычайно разнообразны по устройству и принципу действия. Они делятся на генераторные и параметрические.

Генераторные ППр вырабатывают ЭДС или ток и для их работы, как правило, не требуется дополнительный источник питания. К генераторным ППр относятся термоэлектрические (термопары), индукционные, пьезоэлектрические и датчики Холла.

Параметрические ППр преобразуют изменение измеряемой неэлектрической величины в изменения того или иного параметра электрической цепи (R, L, М, С) и для их работы требуется дополнительный источник питания. К параметрическим ППр относятся: терморезисторы, тензорезисторы, реостатные, индуктивные и емкостные преобразователи. Остановимся на особенностях таких преобразователей.

Реостатные преобразователи. Сопротивление реостата зависит от положения движка. Применяются для измерения уровня жидкости, линейных и угловых перемещений.

Термисторные преобразователи. У них сопротивление зависит от температуры окружающей среды. Служат для измерения температур, скорости движения газов, определение состава вещества, измерения вакуума и т.д. Эти датчики обычно включаются в одно из плеч моста

Тензометрические преобразователи. Сопротивление преобразователя меняется при деформации датчика. Применяется для измерения деформаций и усилий, действующий на детали конструкции.

Индуктивные преобразователи. Индуктивность L меняется в зависимости от перемещения ферромагнитного сердечника в поле катушки. Используется для измерения механической силы, давления, линейного и углового перемещений.

Емкостные преобразователи. Применяется для измерения малых перемещений, силы давления, уровня жидкости, влажности, толщины тонких пленок и т. д.

Фотосопротивления. Сопротивление преобразователя меняется в зависимости от интенсивности падающего на него светового потока. Используются для измерения температур, прозрачности и мутности газов и жидкостей.

Одну и ту же неэлектрическую величину часто можно измерить с помощью различных ППр. Например, для измерения давления можно использовать пьезоэлектрические, тензорезистивные, индуктивные, емкостные и реостатные датчики.

Погрешности преобразователей лежат в пределах от 0,01% до 2% и зависят от принципа действия, конструкции и условий применения.

Электрические измерительные цепи (ЭИЦ) в рассматриваемых устройствах состоят обычно из мостов или измерительных потенциометров. В простейшем случае ЭИЦ может отсутствовать. Например, при использовании в качестве ППр термопары (рис. 19.17) сигнал в виде термо-ЭДСпоступает непосредственно на выходной прибор.

Устройства обработки и индикации (УОИ), используемые при измерениях неэлектрических величин, весьма различны - от стрелочного магнитоэлектрического милливольтметра до самопишущего прибора с записью на диаграммной ленте или ЭВМ. При большом количестве одновременно контролируемых величин сигналы со всех УОИ поступают на диспетчерский пункт или в измерительную информационную систему (см. ниже).