Измерение неэлектрических величин 2 страница

Для симметрии максимум достигается при и, соответственно, . При этом , т. е. меньше, чем при симметрии первого вида, и если мощность источника не ограничена, то целесообразна следующая симметрия

Применение симметричных схем дает возможность избавиться от температурной погрешности преобразователя, так как соседнее с преобразователем плечо (R₂ или R₃) выполняется идентично. Действительно, уравнение равновесия моста выражается в виде .

Если, например, в случае первой симметрии, равные сопротивления R₁ и R₂ одновременно изменят свои величины на ∆ R, то, очевидно, равновесие моста не нарушится. Это свойство, пран да, не относится к преобразователям, удаленным от измеритель ной схемы, и к термометрам сопротивлений.

К о м п е н с а ц и о н н ы е с х е м ы п о с т о я н н о г о и п е р е м е н н о г о т о к о в. Для измерения неэлектрических величин кроме мостовых схем большое распространение получили компенсаци онные схемы постоянного и переменного токов. Компенсационные схемы, не имеющие потребления и обладающие высокой чувстви тельностью, применяются для измерения малых ЭДС, развиваемых преобразователями, например термопарами. Используемые на прак тике самоуравновешивающиеся компенсаторы отличаются от ком пенсаторов с ручным управлением только тем, что часть рабочеп цепи выполнена в виде реохорда, по которому скользит движок, управляемый реверсивным электродвигателем, который начинаем вращаться при разбалансировке компенсационной схемы.

Индикаторы приборов для измерения неэлектрических величин могут быть разделены на две группы: указатели нуля и указатели текущего значения. Для равновесных мостов и компенсаторов посто янного тока в качестве индикаторов применяют магнитоэлектричес кие гальванометры. Эти гальванометры выбирают по величине со противления гальванометра для согласования с выходным сопротивлением схемы и по внешнему критическому сопротивлению гальванометра с тем, чтобы не создать «переуспокоенный» или «недоус-покоенный» режим движения подвижной части гальванометра.

В качестве индикаторов для равновесных мостов переменного тока служат вибрационные гальванометры, электронные приборы, телефоны, различные устройства с выпрямителями.

При выборе индикатора для неравновесных мостов руководствуются теми же требованиями, что и для равновесных. Кроме того, необходимо учитывать точность указателя, так как его погрешность в неравновесных мостах целиком входит в погрешность измерения. Для неравновесных мостов постоянного и переменного токов могут служить показывающие приборы соответственно постоянного и переменного токов всех систем.

При регистрации особо быстрых процессов (ударов, взрывов и т.п.) в качестве указателей используют электронные осциллографы и результаты измерений фотографируют с экрана электронно-лучевой трубки. Такие приборы регистрируют процессы с частотами до 100 кГц и выше.

6.3. ДИНАМИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

При выборе преобразователей для измерения переменных во времени величин (давления, ускорения и т.п.) нужно помнить о погрешностях, связанных с динамическим режимом работы преобразователей и обусловленных их инерционными свойствами. Общий вид модели измерительного преобразователя представлен на рис. 6.8. Внешняя переменная сила F(t) действует на массу m, связанную с неподвижным телом А упругим элементом (например пружиной W). В преобразователях такого вида могут быть погрешности двух типов: амплитудная и фазовая.

Рис. 6.8. Физическая модель измерительного преобразователя: F(t) — внешняя переменная сила; Р — демпфер (успокоитель)

Амплитудная погрешность. Если к массе m приложена переменная сила F(t), то при ее воздействии амплитуда колебаний массы т оказывается больше по сравнению с амплитудой перемещения ее при единичном воздействии силы. Исследования уравнения движения подвижной части преобразователей в динамическом режиме, при синусоидальном законе изменения силы F(t), дали кривые зависимости ∆ =f() (рис. 6.9).

Амплитудная погрешность вынужденных колебаний — отклонение наибольшей амплитуды колебаний в динамическом режиме (вынужденные колебания) к амплитуде перемещения подвижной части при единичном воздействии силы:

При синусоидальном колебании подвижной части амплитудная погрешность

где — отношение угловой частоты вынужденных колебаний к частоте собственных колебаний подвижной части; b = Р/Р_кр — степень успокоения подвижной части; Р_кр — коэффициент успокоения при критическом режиме движения массы, т. е. при наименьшем времени успокоения.

Рис. 6.9. Амплитудная погрешность преобразователей

Из кривых на рис. 6.9 видно, что при малых значениях b максимальная амплитудная погрешность имеет место при = 1, т. е. при резонансе (). Поэтому преобразователи перемещений и сил, работающие в динамическом режиме, должны иметь много меньше единицы, т.е. должны иметь собственную частоту больше частоты измеряемого процесса .

Если собственная частота преобразователя будет меньше частоты измеряемого процесса , деталь (масса m) может выходить из соприкосновения с силой F и измерения будут неверные Из кривых на рис. 6.9 видно, что амплитудная погрешность ∆ зависит также от степени успокоения подвижной части преобразо вателя и имеет наименьшее значение при b= 0, 6...0, 7.

Фазовая погрешность. Фазовая погрешность преобразователен выражается в запаздывании вынужденных колебаний подвижной части от колебаний измеряемой величины (рис. 6.10). Из рисунка видно, что при b= 0, 7 изменение фазовой погрешности имеет почти линейную зависимость от , а меньше при малом . Фазовую погрешность можно вычислить по формуле

Таким образом, при измерении переменных во времени меха нических величин во избежание больших амплитудных и фазовых погрешностей важно так подобрать параметры преобразователя, чтобы обеспечить соответствующее соотношение частоты собственных колебаний преобразователя и частоты измеряемого процесса (вынужденных колебаний), а также степень успокоения подвижной части преобразователя b= 0, 6...0, 7.

Погрешности системы преобразования. Основная погрешность прибора, состоящего из цепи измерительных преобразователей, складывается главным образом из двух составляющих:

· инструментальной погрешности, обусловленной погрешностями элементов, входящих в каждое звено (например, погрешность подгонки сопротивлений, трение в подвижных частях механизма, недостаточная тщательность исполнения деталей звена);

· погрешности из-за недостаточной чувствительности усилителя и индикаторов.

Рис. 6.10. Фазовая погрешность преобразователей

Каждое из звеньев цепи вносит свою долю в результирующую основную погрешность прибора, причем при прямом преобразовании все звенья равноценны по степени влияния на общую погрешность. Поэтому стремятся всегда уменьшить число звеньев цепи преобразования.

Точность измерения неэлектрической величины зависит также и от ряда дополнительных факторов, которые также необходимо учитывать. К ним относятся изменения напряжения, частоты и формы кривой напряжения питания, а также окружающей температуры, влажности и вибрации.

Влияние дополнительных факторов можно оценить чувствительностью каждого звена к тому или иному фактору, т. е. отношением изменения выходной величины преобразователя данного звена к изменению дополнительного фактора (относительно его значения при градуировке).

Дополнительные факторы вызывают дополнительную составляющую погрешности нуля и чувствительности прибора. Действительно во всех мостовых цепях (кроме равновесных мостов) при изменении питающего напряжения появляется погрешность чувствительности; в усилителях изменяется чувствительность. При изменении температуры изменяются жесткость упругих элементов, индукция постоянных магнитов, магнитные свойства ферромагнитных материалов. Кроме того, погрешности нуля и чувствительности прибора могут быть вызваны изменением во времени параметров отдельных элементов схемы, шумами в элементах схемы, наводками промышленной частоты и т.д.

Для уменьшения дополнительных погрешностей прибегают к стабилизации напряжения и частоты источников питания, к различным приемам коррекции этих погрешностей и особенно заботятся о стабильности во времени физических свойств и параметров элементов прибора.

Кроме того, при анализе погрешностей сложных измерительных устройств, состоящих из целого ряда самостоятельных звеньев, не всегда можно строго разграничить погрешности на систематические и случайные.

Например, погрешность измерения от колебаний напряжения питающей сети с первого взгляда представляется систематической, так как на каждые ± 10 % питающего напряжения прибор может иметь ± 1 % изменения чувствительности. Однако мгновенные изменения питающего напряжения сети происходят хаотически и погрешность измерения, возникающая из-за этого, хотя и является однозначной функцией этого напряжения, но будучи функцией случайной величины, представляет собой также случайную величину. Это сильно затрудняет суммирование погрешностей измерительных устройств. Поэтому при анализе и выборе метода и суммирования погрешностей сложных измерительных устройств следует делить погрешности не на систематические и случайные, а по признаку их сильной или слабой взаимной корреляционной связи. Если ряд погрешностей одного или нескольких преобразователей вызывается одной общей причиной, в результате чего они оказываются сильно связаны между собой, то эти погрешности будут распределены по одному и тому же закону, а форма результирую щего закона распределения будет также соответствовать этому за кону. Поэтому внутри каждой из этих групп погрешности должны складываться алгебраически с учетом их знака.

Результирующие погрешности, полученные после суммирова ния в каждой из групп, уже не имеют между собой сильных кор реляционных связей и должны рассматриваться как независимые и, следовательно, должны складываться геометрически.

6.4. КЛАССИФИКАЦИЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

Преобразователи обычно классифицируются по принципу их работы или практическому применению.

П о н а з н а ч е н и ю измерительные преобразователи делят на первичные преобразователи (датчики), унифицированные и промежуточные.

Первичный преобразователь является первым в измерительной цепи и включает в себя чувствительный элемент (зонд, мембрану) и другие необходимые элементы для преобразования входной неэлектрической величины в выходную электрическую величину. Датчик может состоять из одного или нескольких измерительных преобразователей, объединенных в единую конструкцию. На датчик непосредственно воздействует измеряемая неэлектрическая величина (сила, давление, уровень, температура и т.д.).

Унифицированный преобразователь состоит из датчика и схемы согласования, измеряемая физическая величина преобразуется с использованием источника энергии в нормированную выходную величину. Нормированные сигналы постоянного тока находятся в диапазоне 0...± 5 мА или 0...± 20 мА. Для устройств со смещенным нулем диапазон тока сужен: ±1...± 5 мА или ±4...±20мА.

При необходимости регулирования границы диапазона токовых сигналов лежат в пределах: нижняя 0...5 мА, верхняя 12... 25 мА. В устройствах с нормированными токовыми сигналами допускается применение различных измерительных приборов с внутренним сопротивлением не более 1 кОм. Нормированные значения диапазонов сигналов напряжения составляют 0...±1 В и 0...±10 В, причем внутреннее сопротивление измерительных приборов не должно быть менее 1 кОм. При использовании в качестве выходной величины частоты рекомендуемый диапазон ее изменения составляет 5... 25 Гц. В пневматических системах нормировано давление газа. Оно должно находиться в диапазоне 0, 02...0, 1 МПа.

Промежуточный преобразователь получает сигнал измерительной информации от предшествующего преобразователя и передает после преобразования этот сигнал последующему преобразователю.

П о х а р а к т е р у п р е о б р а з о в а н и я в х о д н о й в е л и ч и н ы измерительные преобразователи делят на линейные и нелинейные. У линейных преобразователей функциональная зависимость между входной и выходной величинами линейная; у нелинейных преобразователей — нелинейная.

П о п р и н ц и п у д е й с т в и я д а т ч и к и делятся на генераторные и параметрические. Выходным сигналом генераторных датчиков являются ЭДС, напряжение, ток или электрический заряд, функционально связанные с измеряемой величиной, например ЭДС термопары. В параметрических датчиках измеряемая величина вызывает пропорциональное ей изменение параметра электрической цепи (R, L, С), например сопротивления реостатного датчика. К генераторным относятся: индукционные, пьезоэлектрические, термоэлектрические и некоторые разновидности электрохимических датчиков. Остальные датчики являются параметрическими.

По принципу действия их также подразделяют на типы:

резистивные, в которых измеряемая величина преобразуется в изменение его сопротивления;

электромагнитные, в которых измеряемая величина преобразуется в изменение индуктивности или взаимоиндуктивности;

емкостные, в которых измеряемая величина преобразуется в изменение емкости;

пьезоэлектрические, в которых динамическое усилие преобразуется в электрический заряд;

гальваномагнитные, основанные на эффекте Холла и преобразующие действующее магнитное поле в ЭДС;

тепловые, в которых измеряемая температура преобразуется в ЭДС или в величину термосопротивления;

оптоэлектронные, в которых оптические сигналы преобразуются в электрические.

Для датчиков основными характеристиками являются: тип, диапазон измеряемой величины, диапазон рабочих температур и погрешность в этом диапазоне, обобщенное входное и выходное сопротивления, частотная характеристика.

Области применения датчиков чрезвычайно разнообразны. Благодаря внедрению новых технологий изготовления (высоковакуумное напыление, распыление, химическое осаждение из газовой фазы, фотолитография и т.д.) и новых материалов непрерывно расширяются сферы их применения. Рассмотрим лишь некоторые из них.

В п р о м ы ш л е н н о й т е х н и к е стандартные датчики используют для измерения: расхода, объема; давления; температуры; уровня; химического состава.

Таблица

Из стандартных датчиков все большим спросом пользуются датчики новых типов, например:

· датчики положения, перемещения и изображения;

· оптические и волоконно-оптические датчики;

· биодатчики (биотехнология);

· многокоординатные датчики (распознавание образов).

Для современных производств характерна тенденция применения датчиков в интерактивном режиме, т. е. когда результаты измерений сразу же используются для регулирования процесса. Благодаря этому в любой момент обеспечивается корректировка технологического процесса, что естественно ведет к более рациональному производству. При промышленном применении определяющим фактором является погрешность, которая при регулировании процессов должна быть не более 1... 2 %, а для задач контроля — 2...3 %.

В р о б о т о т е х н и к е, которая в принципе представляет собою сложную информационную систему, робот обеспечивает получение, обработку и преобразование информации. При получении информации через датчики роботу требуется прежде всего способность «видеть» и «ощупывать», т.е. использование оптических и многокоординатных датчиков.

При изготовлении датчиков для а в т о м о б и л ь н о й э л е к т р о н и к и все в большей мере применяют современные технологии, обеспечивающие экономичное изготовление датчиков минимальных размеров для отдельных систем автомобиля (рулевое управление, двигатель, тормоза, электроника кузова), для обеспечения безопасности и надежности (система блокировки и противоугонная система), информационная система (расход топлива, температура, маршрут движения и т.д.). С помощью этих датчиков измеряются различные физические параметры — температура, давление, скорость вращения, ускорение, влажность, перемещение или угол, расход и т.д. Требования к этим датчикам в отношении воздействия окружающей среды достаточно высокие. В табл. 6.1 приведены области применения некоторых типов датчиков.

Контрольные вопросы

1. Перечислите достоинства электрических методов измерения неэлекрических величин.

2. Изобразите графически структурную схему:

а) прибора прямого преобразования;

б) прибора уравновешивающего преобразования;

в) прибора с отрицательной обратной связью.

3. Запишите аналитическое выражение:

а) для определения чувствительности прибора;

б) для определения эффективности преобразования прибора.

4. Изобразите графически эквивалентную схему измерительной цепи прибора.

5. Дайте определение эффективности преобразования, характеристического сопротивления, обобщенного входного и выходного сопротивлений преобразователя.

6. Сформулируйте преимущества равновесных мостовых схем.

7. Сформулируйте основное отличие равновесных мостовых схем от неравновесных.

8. Приведите способы включения преобразователей в мостовые схемы.

9. Перечислите основные виды симметрии мостовых схем и условия оптимального выбора параметров.

10. Как осуществляется выбор индикаторов к мостовым и компенсационным схемам?

11. Приведите классификацию первичных преобразователей.

12. Какие преобразователи относятся к генераторным?

13. Какие преобразователи относятся к параметрическим?

14. Перечислите погрешности преобразователей в динамическом режиме их работы.

15. Приведите физическую модель измерительного преобразователя

16. Опишите основные источники погрешности приборов для измерения неэлектрических величин.

17. Как находится общая погрешность системы преобразования?

18. Приведите примеры использования датчиков для различных облп стей применения.

ГЛАВА 7 ПАРАМЕТРИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

7.1. ФОТОЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

Фотоэлектрическими называются такие преобразователи, у которых выходной сигнал изменяется в зависимости от светового Потока, падающего на преобразователь. Явление фотоэффекта было открыто русским ученым А. Г. Столетовым в 1888 г.

Фотоэлектрические преобразователи или, как мы будем их называть в дальнейшем, фотоэлементы делятся на три типа: фотоэлементы с внешним фотоэффектом, фотоэлементы с внутренним фотоэффектом и фотогальванические преобразователи.

Рассмотрим отдельные типы фотоэлементов с точки зрения их Характеристик и применения.

Фотоэлементы с внешним фотоэффектом. Они представляют собой вакуумные или газонаполненные сферические стеклянные баллоны, на внутреннюю поверхность которых наносится слой фоточувствительного материала, образующий катод. Анод выполняется в виде кольца или сетки из никелевой проволоки. В затемненном состоянии через фотоэлемент проходит темновой ток, как следствие термоэлектронной эмиссии (порядка 10" '2А) и утечки между электродами (порядка 1040... 10" 7А). При освещении фото-Катод под влиянием фотонов света имитирует электроны. Если между анодом и катодом приложено напряжение, то эти электроны образуют электрический ток. При изменении освещенности фотоэлемента, включенного в электрическую цепь, изменяется соответственно фототок в этой цепи. Выходные токи вакуумных фотоэлементов не превышают нескольких микроампер. Значительное усиление тока фотоэмиссии (порядка 1 мА) получают в фотоумножителях.

Газонаполненный фотоэлемент аналогичен вакуумному, но имеет определенное газовое наполнение. Благодаря ионизации газа происходит повышение чувствительности фотоэлемента и увеличение тока фотоэмиссии. К газонаполненным фотоэлементам относятся, например, кислородно-цезиевые типа ЦГ; к вакуумным — кисло-родно-цезиевые типа ЦВ и сурьмяно-цезиевые типа СЦВ.

Фотоэлементы с внешним фотоэффектом, как правило, требуют применения усилителей, так как их мощность очень мала.

мкА| 60 40 20

ствительность газонаполненных фотоэлементов значительно выше вакуумных и составляет 100...250 мкА/лм.

Вольт-амперные характеристики вакуумных и газонаполненных фотоэлементов (рис. 7.2, а, б) имеют различный характер кривых насыщения. Преобразование светового потока в ток в вакуумных фотоэлементах зависит от напряжения питания фотоэлемента весьма незначительно, а это значит, что в данном случае динамическое сопротивление фотоэлемента остается практически неизменным.

Чувствительность газонаполненных фотоэлементов (см. рис. 7.2, б) сильно зависит от напряжения питания, поэтому оно должно стабилизироваться и не превышать 100...240 В, так как выше этого значения идет область самостоятельного разряда.

На практике широко используют вакуумные фотоэлементы, имеющие бесспорные преимущества перед газонаполненными: независимость в определенном диапазоне от питающего напряжения, высокая температурная устойчивость, меньшая утом-

Рис. 7.2. Вольт-амперные характеристики фотоэлементов:

а — вакуумных; б — газонаполненных

Рис. 7.1. Световая характеристика фотоэлемента:

— кислородно-цезиевого типа ЦГ;

— сурьмяно-цезиевого типа СЦВ;

ил. мкАА

3 — вакуумного типа ЦВ

Как видно из световых характери стик фотоэлементов различных типов (рис. 7.1), пропорциональность между фототоком и свето вым потоком сохраняется не на всем протяжении кривых 1—3, что важно учитывать для получения линейной шкалы измерительного прибора.

Отношение тока, усиленного за счет ионизации, к первичному фототоку называется коэффициентом газового усиления, который может достигать значения 6... 7. Чув ляемость и инерционность (преобразование светового потока в ток в них осуществляется практически безынерционно).

Фотоэлементы с внутренним фотоэффектом (фоторезисторы).

Они представляют собой однородную полупроводниковую пластинку с контактами, например из селенида кадмия, которая под действием светового потока изменяет свое сопротивление. Внутренний фотоэффект заключается в появлении свободных электронов, выбитых квантами света из электронных орбит атомов, остающихся свободными внутри вещества. Появление свободных электронов в материале, например в полупроводнике, эквивалентно уменьшению электрического сопротивления. Фоторезисторы имеют высокую чувствительность и линейную вольт-амперную характеристику (ВАХ), т.е. их сопротивление не зависит от приложенного напряжения. Темновое сопротивление, чувствительность, инерционность зависят от температуры. Для уменьшения температурной погрешности рекомендуется включать фоторезисторы в смежные плечи моста.

Внутренний фотоэффект наиболее сильно выражен у таких по
лупроводников, как селен Se, сернистый свинец PbS, сернистый
кадмий CdS, селенид кадмия CdSe и др. В зависимости от силы
света электрическое сопротивление фоторезистора изменяется в
пределах от 100 Ом до 1 кОм. Спектральная чувствительность
определяется выбором материала. Так, CdS обладает максималь
ной чувствительностью в зеленой области спектра, поэтому он
особенно пригоден для применения в измерителях освещенно
сти. В противоположность этому максимум спектральной чувстви
тельности CdSe находится в красной области, а у фоторезисторов
из PbS/PbSe — в инфракрасной области. Фоторезисторы могут иметь
самые разнообразные конструктивные решения, обеспечивающие
разнообразие возможностей применения. Они обладают высокой
удельной чувствительностью (до 7000 мкА/лмВ), что в некоторых
случаях дает возможность обойтись без усилителей, низким тем
пературным коэффициентом -0, 2 %, сравнительно большой мощностью рассеивания (0, 6...0, 7 Вт); имеют практически неограниченный срок службы и достаточно стабильны. К недостаткам этих фотоэлементов можно отнести значительную инерционность и сравнительно высокий уровень шумов.