Электрические измерения неэлектрических величин

В системах автоматики сигналы управления зависят от различных неэлектрических и электрических величии, характери­зующих данный производственный процесс. Информация об этих величинах должна быть получена от датчика и сформирована в виде некоторого сигнала. Наиболее удобно использовать электри­ческий сигнал. По сравнению с другими сигналами (например, механическими, пневматическими, световыми, звуковыми) элект­рический сигнал обладает целым комплексом преимуществ: воз­можностью передачи на большие расстояния, простотой преобра­зования и усиления, возможностью ввода в ЭВМ. Поэтому элект­рические методы измерения неэлектрических величин получили ши­рокое распространение. Они должны обеспечивать высокую точ­ность преобразования неэлектрической величины в электрический сигнал и быстро реагировать на ее изменение.

Информация о контролируемой неэлектрической величине по­лучается с помощью датчика. Следует отметить, что многие неэлектрические величины удобно предварительно преобразовывать в механическое перемещение, а затем уже с помощью датчика перемещения получить электрический сигнал. Например, в пере­мещение преобразуются такие неэлектрические величины, как давление (с помощью упругой мембраны), температура (с по­мощью биметаллической пластины), уровень жидкости (с по­мощью поплавка), усилие (с помощью пружины). Практически большинство неэлектрических величин сравнительно несложно преобразовать в перемещение. Поэтому в автоматике широкое распространение получили датчики перемещения. Если можно сразу превратить неэлектрическую величину в электрический сиг­нал, то используются датчики непосредственного преобразования (например, термосопротивления и термопары).

Итак, от датчика получен электрический сигнал, несущий ин­формацию о неэлектрической величине. Этот сигнал представляет собой изменение активного сопротивления, или индуктивности, или напряжения, или тока, или какого-либо другого электрического параметра. Чтобы измерить этот параметр, нужен соответствую­щий электроизмерительный прибор. А для согласования сигнала датчика с электроизмерительным прибором необходима измери­тельная схема. Таким образом, схема электрического измерения неэлектрической величины может быть представлена на рис. 2.1. Каждый элемент схемы обладает чувствительностью S и сопротивлением Z. Все они могут питаться от источника электроэнер­гии (на рис. 2.1 источник питания не показан). Датчик преобра­зует входную неэлектрическую величину х в электрический пара­метр у (сопротивление, напряжение или др.). Чувствительность датчика Измерительная схема преобразует изменение одного электрического параметра у в другой электрический па­раметр г. Чувствительность измерительной схемы Электроизмерительный прибор дает показания а (например, в ви-

Рис. 2.1. Структурная схема электрического измерения неэлектрической ве­личины

де отклонения стрелки на шкале), пропорциональные параметру г. Чувствительность прибора Чувствительность, обеспечиваемая при электрическом методе измерения неэлектрической величины х,

Чувствительность прибора будем полагать величиной заданной и неизменной. А вот чувствительность измерительной схемы можно существенно изменять выбором как самой схемы, так и ее эле­ментов. Различают два режима работы измерительной схемы.

1. Внутреннее сопротивление прибора значительно больше выходного сопротивления измерительной схемы
В этом случае показания прибора зависят от напряжения на вы­ходе схемы и поэтому для такого режима определяют чувствительность по напряжению (полагая ):

(2.1)

2. Внутреннее сопротивление прибора соизмеримо свыходным
сопротивлением измерительной схемы. Прибор реагирует на из­менение силы тока Для такого режима определяют чувстви­тельность по току:

(2.2)

Очень часто в качестве измерительного прибора используется миллиамперметр. В дальнейшем будем рассматривать именно чув­ствительность по току.

Существующие методы электрических измерений можно в ос­новном разделить на два класса: непосредственной оценки и срав­нения. При непосредственной оценке измерительная схема выпол­няет лишь функции преобразования выходного сигнала датчика, например, усиливает его или согласует выходное сопротивление датчика с входным сопротивлением прибора. Этот метод прост, но применяется сравнительно редко, так как ему свойственны зна­чительные погрешности (особенно при изменении напряжения пи­тания датчика). Метод сравнения обеспечивает более высокие точность и чувствительность. При этом используются мостовые, дифференциальные и компенсационные схемы измерения.