5.6. Понятие об измерении неэлектрических величин электрическими методами
При контроле производственных процессов имеют дело с измерениями неэлектрических величин, например, механических (сила, давление, скорость, перемещение); тепловых (температура, теплоемкость); световых (освещенность, световой поток) и т. д.
Для контроля неэлектрических величин и управления ими применяются электрические методы и электроизмерительные приборы. Они позволяют получать данные с высокой степенью точности, определять характеристики объектов, находящихся на больших расстояниях, изучать быстропротекающие процессы, запоминать результаты измерения с помощью ЭВМ и т. д.
Любую неэлектрическую величину можно преобразовать в электрическую с помощью преобразователей (датчиков).
Преобразователи бывают параметрические и генераторные.
Параметрические преобразователи преобразуют изменение измеряемой неэлектрической величины в изменение того или иного параметра электрической цепи (R; L; С).
Генераторные преобразователи преобразуют измеряемую неэлектрическую величину в ЭДС. Эти преобразователи сами вырабатывают ЭДС или ток; для их работы не требуется дополнительного источника питания. Структурная схема измерения неэлектрических величин приведена на рис. 50.
На схеме: ПП – первичный преобразователь; ЭЦ – электрическая измерительная цепь. ЭЦ обычно состоит из мостов или измерительных потенциометров.
В случае применения простейших генераторных преобразователей (например термопары) ЭЦ, может отсутствовать, так как термоЭДС, вырабатываемая термопарой пропорциональна разности температур ее спаев и сигнал Y = f () поступает непосредственно на выходной прибор.
ВУ – выходное устройство (может быть различное: от стрелочного МЭ прибора до самопишущего прибора с записью на магнитной ленте или ЭВМ). При большом количестве одновременно контролируемых величин сигналы со всех ВУ поступают в информационно-измерительные системы.
X – измеряемая неэлектрическая величина; Y(X) – электрический сигнал; Y 1– другой электрический сигнал, в который, если это необходимо, преобразуется Y(X); например, ток – в напряжение.
Сигнал, снимаемый с ЭЦ воспринимается ВУ, в результате чего на выходе имеем отклонение указателя, пропорциональное измеряемой неэлектрической величине.
К параметрическим преобразователям относятся:
– реостатный, основанный на изменении сопротивления участка проводника, длину которого определяет положение подвижного контакта, зависящее от координаты X контролируемого объекта;
– термочувствительный, основанный на зависимости сопротивления полупроводниковых резисторов (терморезисторов) от температуры объекта;
– тензометрический, основанный на зависимости сопротивления участка проводников и полупроводников от механических напряжений, возникающих, например, при их изгибах или скручивании;
– электромагнитный, объединяющий большую группу пребразователей, в которых параметры электромагнитного поля зависят от параметров контролируемого объекта;
– емкостной или индуктивный преобразователь, в котором используется зависимость емкости конденсатора или индуктивности катушки от взаимного расположения электродов конденсатора или от положения сердечника катушки (иногда взаимной индуктивности двух катушек) от координаты контролируемого объекта.
К генераторным преобразователям относятся:
– пьезоэлектрический, представляющий собой кристалл (кварц, сегнетовая соль и др.), в котором ЭДС возникает под действием внешних механических сил, например давления на поверхность кристалла;
– термоэлектрический, основанный на зависимости ЭДС термопары от температуры контролируемого объекта.
Примером измерения неэлектрической величины электрическим методом является аналоговый автоматический мост постоянного тока, который позволяет непрерывно следить за изменением измеряемого параметра (например, температуры) и осуществлять его регулирование. Погрешность автоматических мостов не превышает 0,5–0,2 % от предела измерения. Аналоговые автоматические мосты являются неотъемлемой частью самопишущих измерительных приборов.