Определение линейных и угловых перемещений параметрическими измерительными преобразователями
p>В связи с развитием операционных интегральных усилителей для параметрических преобразователей начали широко применяться мостовые цепи с автоматическим уравновешиванием.Схема моста следящего уравновешивания со статической характеристикой приведена на рис. 1. 4. Здесь R1 —медный терморезистор, предназначенный для измерения температуры, а остальные плечи моста образованы резисторамиR2 R4 и Rз+Rm.
Рис. 1. 4. Схема моста со статическим следящим уравновешиванием
Пусть при измеряемой температуре 0=0 сопротивление R. 1 = Rз + RM и R2 = R4, тогда напряжение на диагонали Uав, подаваемое на вход усилителя, также равно нулю и ток указателя Iуk=0. При возрастании и сопротивления R1 усилитель будет давать на выходе такой ток Iyk, чтобы падение напряжения на резисторе Rм уравновешивало прирост напряжения на резисторе R1. Таким образом, мост будет оставаться в равновесии и шкала прибора будет линейна при приращениях ДR1 а сопротивление Rм определит масштаб соотношения между ДR1 и Iyk. Измерительные цепи уравновешивающего преобразования с компенсацией измеряемых неэлектрических величин применяются часто для измерения механических усилий, крутящих моментов, магнитных величин и др.
Первичные преобразователи с помощью соединительных проводов могут быть удалены от ИЦ на некоторое расстояние. В этом случае на результат измерения могут оказывать влияние вариация значений сопротивлений соединительных проводов при изменении температуры окружающей среды и паразитные ЭДС, возникающие от действия внешних электромагнитных полей.
Погрешность, вносимая соединительной линией (каналом связи), должна рассматриваться как составляющая методической погрешности, входящей в суммарную погрешность измерений неэлектрической величины. Точность результата такого измерения может быть оценена приближенной максимальной погрешностью по формуле:
|дmax|=|дпп|+|диц|+|деr|+|дм| (1. 3)
где дmax —предел допускаемой относительной погрешности измерения неэлектрической величины; дпп — максимальное значение относительной погрешности первичного преобразователя ; диц — относительная погрешность измерительной цепи; деr—относительная погрешность измерения выходного показывающего прибора; дм —методическая погрешность.
II. Общая часть
1. Характеристики измерительных преобразователей неэлектрических величин.
Зависимость выходной величины измерительного преобразователя у от входной х выражается уравнением преобразования у =f (х)Уравнение преобразования (функцию преобразования) обычно приходится находить экспериментально, т. е. прибегать к градуировке преобразователей. Результаты градуировки выражаются в виде таблиц, графиков или аналитически. Часто у преобразователей выходной сигнал у зависит не только от входной измеряемой величины х, но и от внешнего фактора Z , т. е. функция преобразования в общем виде, y =f(х, Z). В этом случае при градуировке определяется ряд функций преобразования при разных значенияхZ.
Знание функций преобразования при разных значениях влияющего фактора позволяет тем или иным способом (введением поправки, автоматической коррекцией) учесть влияние внешнего фактора. Например, электрическая проводимостьк растворов электролитов зависит от концентрации С и температуры t. Поэтому при использовании зависимости к =f(С)для определения концентрации нужно либо поддерживать температуру раствора постоянной, либо вводить поправки (расчетным путем или автоматически), зная влияние температуры на эту зависимость.
При оценке и сравнении измерительных преобразователей необходимо учитывать следующие их основные свойства.
1. Воспроизводимость функции преобразования. Возможность изготовлять преобразователи с заранее предусмотренными характеристиками является необходимым условием выпуска взаимозаменяемых преобразователей.
2. Постоянство во времени функции преобразования. При изменении с течением времени функции преобразования приходится повторять градуировку, что крайне нежелательно, а в некоторых случаях невозможно (например, преобразователь работает в недоступном месте).
3. Вид функции преобразования. Обычно наиболее желателен линейный вид зависимости y=f/(х), что облегчает унификацию выходного сигнала преобразователей с целью использования их с цифровыми измерительными приборами, измерительными информационными системами и вычислительными машинами.
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 внешних факторов. Основная погрешность рассматриваемого отдельно преобразователя может складываться из некоторых составляющих: погрешности, обусловленной неточностью образцовых приборов и мер, с помощью которых производилась градуировка; погрешности за счет приближенного выражения (табличным, графическим, аналитическим способом) функции преобразования; погрешности, обусловленной неполным совпадением функций преобразования при возрастании и убывании измеряемой величины (гистерезис функции преобразования);
погрешности от неполной воспроизводимости характеристик преобразователя (например, чувствительности). Последняя погрешность исключается при индивидуальной градуировке. На практике все составляющие проявляются в виде одной основной погрешности.
Дополнительные погрешности преобразователя, обусловливаемые принципом его действия, несовершенством конструкции и технологии изготовления, проявляются при отклонении влияющих величин от их номинальных значений. Рассмотренные выше погрешности определяются при неизменных во времени измеряемых величинах и носят название статических
5. Обратное воздействие преобразователя на измеряемую величину. Преобразователи оказывают обратное влияние на измеряемую величину, искажая ее и вызывая тем самым изменение выходного сигнала.
Рис. 1. 5. Электрический
термоанемометр
Пояснить это можно на примере термоанемометра (рис. 1. 5), который представляет собой термочувствительный резисторR, нагреваемый электрическим током и помещаемый на пути потока газа или жидкости, скорость которого измеряется. Изменение скорости потока вызывает изменение условий теплообмена терморезистора со средой, изменение его температуры и сопротивления. Измеряя сопротивление резистора тем или иным способом, можно судить о скорости потока. Но очевидно, что терморезистор, помещенный на пути потока, изменяет скорость его, и в этом проявляется обратное влияние преобразователя на измеряемую величину. Обратное влияние на практике учесть трудно, а поэтому стараются его сделать минимальным.
6. Динамические свойства преобразователя. При изменении входной величины в преобразователе возникает переходный процесс, характер которого зависит от наличия в преобразователе элементов, запасающих энергию (двигающиеся детали, электрические конденсаторы, катушки индуктивности, детали, обладающие теплоемкостью и т. д. ).
Переходный процесс проявляется в виде инерции —запаздывания реакции преобразователя на изменение входной величины. Например, при погружении
термопары в среду, температура которой измеряется, термо-э. д. с. на выходе термопары установится в соответствии с измеряемой температурой только по истечении некоторого промежутка времени.
При измерении быстро изменяющихся величин преобразователь работает в нестационарном режиме, а поэтому при оценке качества преобразователей необходимо учитывать их динамические характеристики, которые в значительной мере определяют точность измерения.
Динамические свойства преобразователя в соответствии с ГОСТ 8. 256—77 могут быть охарактеризованы полными и частными динамическими характеристиками.
Обычно от преобразователя требуется, чтобы он вносил минимальное запаздывание в процесс преобразования.
Кроме рассмотренных свойств, при оценке преобразователей учитываются также и другие показатели качества их работы; влияние внешних факторов (температуры, давления, вибрации и т. д. ), взрывобезопасность, устойчивость к механическим, тепловым, электрическим и другим перегрузкам, удобство монта/ка и обслуживания, габариты, масса, удобство градуировки, стоимость изготовления и эксплуатации, надежность и т. д.
Для удобства изучения измерительные преобразователи классифицируют по принципу их действия, т, е. по тому явлению, которое используется для преобразования неэлектрической величины в электрическую. Преобразователей, отличающихся принципом действия, очень много. Ниже будут рассмотрены только наиболее часто применяемые преобразователи.
III. Устройство и принцип работы измерительных преобразователей Физические основы его работы
Для измерения линейных и угловых премещений служат реостатные преобразователи, емкостные преобразователи, индуктивные преобразователи.
Опишем каждый тип преобразователей в отдельности.
1. Реостатные преобразователи.
Реостатные преобразователи основаны на изменении электрического сопротивления проводника под влиянием входной величины—перемещения. Реостатный преобразователь, как показывает само название, представляет собой в простейшем случае реостат, щетка (движок) которого перемещается под воздействием измеряемой неэлектрической величины. На рис. 1. 6. схематически показаны некоторые варианты конструкций реостатных преобразователей для углового (рис. 1. 6. а) и линейного (рис. 1. 6. в) перемещений. Преобразователь состоит из обмотки, нанесенной на каркас, и щетки. Форма каркаса зависит от характера измеряемого перемещения (линейное, угловое), от вида функций преобразования (линейная, нелинейная) и других факторов и может иметь вид цилиндра, тора, призмы и т. д. Для изготовления каркасов применяются диэлектрики (гетинакс, пластмасса, керамика) и металлы (дюралюминий с анодированной поверхностью).
