Раздел 7. Электрические измерения неэлектрических величин
При контроле технологических процессов приходится производить измерения различных, в т. ч. неэлектрических величин. Среди множества физических величин бόльшая часть относится к неэлектрическим (температура, влажность, скорость, ускорение, перемещение и т. д.). При измерениях таких величин часто возникают задачи дистанционного измерения, передачи, регистрации и обработки измерительной информации. Наилучшим образом эти задачи решаются путем преобразования измеряемой неэлектрической величины Хнэ в электрический сигнал Хэ, связанный с измеряемой величиной однозначной функциональной зависимостью Хэ = f(Хнэ). Полученный электрический сигнал измеряется средствами электрических измерений или может быть передан по линии связи на значительное расстояние.
Преобразование неэлектрической величины в электрическую осуществляется с помощью измерительных преобразователей (ИП). Структурная схема любого средства измерения неэлектрических величин электрическими методами содержит такой измерительный преобразователь (рис. 7.1, а). Измеряемая неэлектрическая величина Хнэ подается на вход измерительного преобразователя. Выходная электрическая величина Хэ преобразователя измеряется электрическим измерительным устройством (ЭИУ). В зависимости от рода выходной электрической величины и требований, предъявляемых к прибору, электрическое измерительное устройство может быть различной степени сложности. В одном случае – это магнитоэлектрический милливольтметр, а в другом – автоматический потенциометр или цифровой измерительный прибор. Обычно шкала отсчетного устройства ЭИУ градуируется в единицах измеряемой неэлектрической величины.
На рассматриваемой структурной схеме не указаны вспомогательные узлы (например, блоки питания).
На рис. 7.1, б в качестве примера показан электрический прибор, предназначенный для измерения температуры.
В этом приборе: ТП – термопара, ЭДС которой является функцией измеряемой температуры; mV – милливольтметр для измерения ЭДС термопары. В данном случае термопара – измерительный преобразователь, а милливольтметр – электрическое измерительное устройство.
Измерительные преобразователи классифицируют по роду измеряемой величины (температуры, давления, влажности и др.) и по выходной величине (генераторные, параметрические).
Выходным сигналом генераторных датчиков является ЭДС, напряжение, ток или электрический заряд, функционально связанные с измеряемой величиной. В параметрических преобразователях выходной величиной является изменение параметра электрической цепи (R, L, C).
Важнейшими метрологическими характеристиками измерительных преобразователей являются: номинальная статическая характеристика преобразования, чувствительность, основная и дополнительные погрешности, динамические характеристики и др.
Промышленностью выпускаются как отдельные измерительные преобразователи неэлектрических величин, так и приборы для измерения неэлектрических величин, неотъемлемой частью которых является соответствующий датчик.
Поскольку средства электрических измерений, применяемые при измерениях неэлектрических величин, имеют, как правило, несравненно лучшие метрологические характеристики по сравнению с датчиками неэлектрических величин, то основной вклад в погрешность результата измерения вносится составляющей, обусловленной погрешностью датчика. Это необходимо иметь в виду при выборе датчиков неэлектрических величин для решения конкретной измерительной задачи.
Рассмотрим принципы действия и устройство некоторых преобразователей неэлектрических величин.