Никитин, Бойко - Методы и средства измерений, испытаний и контроля - 2004

Рисунок 15.4, лист 2

Рисунок 15.4, лист 3

Необходимо также остановиться на цифровых СИ. В общем, такие приборы имеют название как (ЦИП) цифровые измерительные приборы или преобразователи. В отличие от аналоговых СИ в ЦИП обязательно выполняются следующие операции:

-квантование измеряемой величины по уровню;

-дискретизация ее про времени;

-кодирование информации.

ЦИП называют такие СИ, в которых автоматически вырабатываются дискретные сигналы измерительной информации, соответствующую по уровню, которая регистрируется показаниями в цифровой форме на цифровом табло. В современных ЦИП присутствует некоторый преобразователь из двоичной системы счисления в десятичную, они сильно упрощаются при применении кодирования двоично-десятичной системы счисления. Принцип работы ЦИП показан на рисунке 15.5, где можно рассмотреть дискретизацию и квантование непрерывной величины, изменяющейся от времени.

х

Д

ххn

х2

х1

X(t)

Тτ

а)

∆х

t

в)

х

∆t

t0	t1			t2		…...	t
							tn
				б)
ххn
х2						n изм
х1	1 изм			2 изм
	х		х			х
t0		t1			t2	…...	t
							tn
					г)

Рисунок 15.5 Принцип работы цифрового измерительного прибора

Принцип работы ЦИП основан на дискретном представлении непрерывных величин. Непрерывная величина x(t) – величина, которая может иметь в заданном диапазоне Д бесконечно большое число значений в интервале времени Т при бесконечно большом числе моментов времени (рисунок 15.5 а). Величина может быть непрерывной либо по значению, либо по времени. Величину, непрерывную по значению и прерывную по времени, называют дискретизированной (рисунок 15.5 б). Значения дискретизированной величины отличны от нуля только в определенные моменты времени. Величину, непрерывную по времени и прерывную по значению, называют квантованной (рисунок 15.5 в). Квантованная величина в диапазоне Д может принимать только конечное число значений. Непрерывная величина x(t) может быть дискретизированной и квантованной одновременно (рисунок 15.5 г). Процесс преобразования непрерывной во времени величины в дискретизированную путем сохранения ее мгновенных значений в моменты времени t0, t1, t2, t3,….tn

(моменты дискретизации) называют дискретизацией. Интервал ∆t между ближайшими моментами дискретизации называют шагом дискретизации. Процесс преобразования непрерывной по значению величины в квантованную путем замены ее значений ближайшими фиксированными значениями х1, х2, х3,…хn называется квантованием. Разность ∆х между двумя определенными (детерминированными) значениями величин называют шагом квантования. При измерении отсчет значения величины x(t) производится в моменты дискретизации с точностью до ближайшего квантованного значения. Поэтому в общем случае полученное в результате квантования значение Хизм. отличается от действительного значения измеряемой величины Хд . Следовательно,

погрешность от замены Хд на Хквант. Может быть снижена за счет уменьшения шага квантования, что и является главным преимуществом ЦИП, так как, если

шаг квантования стремится к нулю, то и погрешность может быть снижена значительно. Процесс измерения в ЦИП включает в себя дискретизацию, квантование и кодирование – получение по определенной системе правил числового значения квантованной величины в виде комбинации цифр (дискретных сигналов). Так, например, кодирование квантованных значений

сигналов х0 изм., х1 изм., х2 изм., …., хn изм. (рисунок 16.1.4г) может быть осуществлено путем выработки в приборе в моменты дискретизации t0, t1, t2,

…., tn пакетов импульсов, с числом импульсов, равным количеству интервалов квантования. Процесс аналого-цифрового преобразования составляет сущность любого ЦИП, более подробно с такими приборами и СИ можно познакомиться в источниках /8, 10, 11, 12, 14/.

Наиболее популярным ЦИП можно привести прибор, зарегистрированный в Государственном реестре СИ под № 17977 – 98 с названием «регулятор микропроцессорный многоканальный серии МЕТАКОН

– 512/522/532/562».

За последние годы номенклатура таких СИ и предприятий, их выпускающих, резко возрастает, поэтому привести перечень всех, подобно вышеуказанному измерительному прибору, СИ не представляется возможным.

16 Измерительные преобразователи неэлектрических величин

16.1 Параметрические измерительные преобразователи неэлектрических величин

Измерительные преобразователи неэлектрических величин делятся на параметрические и генераторные. В параметрических преобразователях выходной величиной является приращение параметра электрической цепи (R, L, М, С), поэтому при их использовании необходим дополнительный источник питания.

В генераторных преобразователях выходной величиной являются ЭДС, ток или заряд которых функционально связанные с измеряемой неэлектрической величиной.

При создании измерительных преобразователей неэлектрических величин стремятся получить линейную функцию преобразования. Отличие реальной градуировочной характеристики от номинальной линейной функции преобразования обусловливает погрешность нелинейности, являющуюся одной из главных составляющих результирующей погрешности при измерениях неэлектрических величин. Одним из способов снижения погрешности нелинейности является выбор в качестве входных и выходных величин преобразователя таких величин, взаимосвязь которых ближе к линейной функции. Так, например, при измерении линейных перемещений с помощью емкостного преобразователя может изменяться либо зазор между пластинами, либо площадь их перекрытия. При этом функции преобразования оказываются различными. При изменении зазора зависимость емкости от перемещения подвижной пластины существенно нелинейная, она описывается гиперболической функцией. Однако, если в качестве выходной величины преобразователя использовать не его емкость, а сопротивление на некоторой частоте, то измеряемое перемещение и указанное емкостное сопротивление оказываются связанными линейной зависимостью.

Другим эффективным способом уменьшения погрешности нелинейности параметрических измерительных преобразователей является их дифференциальное построение. Любой дифференциальный измерительный преобразователь фактически представляет собой два аналогичных измерительных преобразователя, выходные величины которых вычитаются, а входная величина воздействует на эти преобразователи противоположным образом.

Структурная схема прибора с дифференциальным измерительным преобразователем приведена на рисунке 16.1.

Измеряемая величина х воздействует на два аналогичных измерительных преобразователя ИП1 и ИП2, причем соответствующие приращения значений выходных величин у1 и у2 имеют противоположные знаки. Кроме того, есть некоторое постоянное начальное значение x0 величины

на входах этих преобразователей, определяемое обычно конструктивными параметрами преобразователей. Выходные величины у1 и у2 вычитаются, а их разность у3 измеряется электроизмерительным устройством ЭИУ (аналоговым или цифровым).

Предположим, что преобразователи ИП1 и ИП2 идентичны, а их функции преобразования достаточно точно описываются алгебраическим полиномом второго порядка. В этом случае значения у1 и у2 на выходах преобразователей можно записать виде (16.1) /14/

испытания продукции, которая прошла этап конструкторской или рецептурной разработки непосредственно перед решением о постановке ее на производство

– квалификационные испытания качества разработки и на испытания продукции, которая прошла этап технологической разработки, т.е. разработка технологических процессов, технологического оборудования, оснастки, инструмента, технологических линий, обучение и подготовка кадров – квалификационные испытания готовности производства к выпуску качественной продукции. Определения этих видов испытаний можно найти в ГОСТ 16504-81 «Система государственных испытаний продукции. Испытания и контроль качества продукции. Основные термины и определения».

Целью испытаний следует считать нахождение истинного значения параметра (характеристики), определенного не при тех реальных условиях, в которых он фактически может находиться в ходе испытаний, а в заданных номинальных условиях испытания. Реальные условия испытаний практически всегда отличаются от номинальных, поскольку установить параметры условий испытаний абсолютно точно невозможно. Следовательно, результат испытания всегда имеет погрешность, возникающую не только из-за погрешности определения искомой характеристики, но и из-за неточного установления номинальных условий испытания.

Результатом испытаний называется оценка характеристик свойств объекта, установления соответствия объекта заданным требованиям, данные анализа качества функционирования объекта в процессе испытаний. Результат испытаний характеризуется точностью — свойством испытаний, описывающим близость их результатов к действительным значениям характеристик объекта в определенных условиях испытаний.

Между измерением и испытанием существует большое сходство: вопервых, результаты обеих операций выражаются в виде чисел; во-вторых, погрешности и в том, и другом случае могут быть выражены как разности между результатами измерений (испытаний) и истинными значениями измеряемой величины (или определяемой характеристики при номинальных условиях эксплуатации). Однако с точки зрения метрологии между этими операциями имеется значительная разница: погрешность измерения является только одной из составляющих погрешности испытания. Поэтому можно сказать, что испытание — это общая операция, чем измерение. Измерение можно считать частным случаем испытания, при котором условия испытаний не представляют интереса. Кроме того, параметры испытаний назначаются,

исходя из требований превзойти параметры образцов – аналогов, так, чтобы опытные образцы испытаний получили эксплуатационные свойства лучше международных аналогов этой же продукции, такие параметры называют номинальными – ХN .

y = a + a (x + x) + a (x + x)2
1		0	1	0	2	0
y	2	= a + a (x − x) + a				(x − x)2 ,	(16.1)
		0	1	0	2	0
После вычитания получим (16.2) /14/
		y3	= y1 − y2		= 2(a1 + 2a2 x0 ) x ,		(16.2)

Рисунок 16.1 - Структурная схема диф-	Рисунок 16.2 - Реостатные из-
ференциального измерительного пре-	мерительные преобразователи
образователя

Отсюда видно, что результирующая функция преобразования y3 = f(х) оказалась линейной. Так как у3 не зависит от а0 , то происходит компенсация систематических аддитивных погрешностей измерительных преобразователей. Кроме того, по сравнению с одним преобразователем практически вдвое возрастает чувствительность. Все это определяет широкое применение дифференциальных измерительных преобразователей в практике.

Рассмотрим кратко основные типы используемых параметрических преобразователей неэлектрических величин.

16.1.1 Реостатные преобразователи

Параметрические преобразователи, выходной величиной которых является электрическое сопротивление, называются резистивными. В том случае, когда входной величиной является перемещение, используют реостатные преобразователи, в которых движок реостата перемещается в соответствии со значением измеряемой величины. На рисунке 16.2 схематически показаны конструкции реостатных преобразователей угловых (рисунок 16.2 а) и линейных (рисунок 16.2 б) перемещений. Преобразователь состоит из обмотки, намотанной на каркас, и подвижной щетки. Форма каркаса зависит от характера преобразуемого перемещения (линейное, угловое) и от вида необходимой функции преобразования (линейная, нелинейная). Используют каркасы в виде пластины, цилиндра, кольца и т. д. Они изготовляются из диэлектрика (гетинакс, керамика) или металла

(дюралюминий с анодированной поверхностью). Проволока для обмотки выполняется из различных сплавов платины, обладающих повышенной коррозионной стойкостью и износоустойчивостью; применяются также манганин, константан, фехраль. Реостатные преобразователи с проволочной обмоткой являются ступенчатыми (дискретными) преобразователями, поскольку непрерывному изменению перемещения соответствует дискретное изменение сопротивления. Дискретный характер выходной величины определяет возникновение соответствующей погрешности дискретизации, которая уменьшается с увеличением числа витков обмотки. Поэтому реостатные преобразователи обычно имеют не меньше 100-200 витков обмотки. Указанная погрешность дискретизации отсутствует в реохордных преобразователях, в которых щетка скользит вдоль оси калиброванной проволоки.

16.1.2 Тензочувствительные преобразователи (тензорезисторы)

Другим типом резистивных преобразователей являются широко используемые тензочувствительные преобразователи (тензорезисторы).

В основе работы тензорезисторов лежит явление тензоэффекта, заключающееся в изменении сопротивления резисторов, выполненных из проводников или полупроводников, при их механической деформации.

Характеристикой тензоэффекта материала является коэффициент относительной тензочувствительности вычисляемый по формуле (16.3) /14/

Рисунок 16.3 - Тензочувствительный преобразователь.
			k = εR ε	,	(16.3)
				l
где εR = ∆R		R	- относительное изменение сопротивления резистора;
εl = ∆l
	l		- относительное изменение линейного размера резистора.

В настоящее время наиболее широко используются наклеиваемые тензопреобразователи (рисунок 16.3). Преобразователь представляет собой тонкую зигзагообразно уложенную и приклеенную к полоске бумаги (подложке 1) проволоку 2 (проволочную решетку). Преобразователь включается в схему с помощью привариваемых или припаиваемых выводов /8/. Преобразователь наклеивается на поверхность исследуемой детали так, чтобы направление ожидаемой деформации совпадало с продольной осью решетки.

Для изготовления преобразователей применяется главным образом проволока диаметром 0,02-0,05 мм из константана, имеющего коэффициент k=1,9-2,1.

Применяются также фольговые и пленочные тензорезисторы, габаритные размеры которых меньше габаритных размеров проволочных тензорезисторов.

Изменение температуры вызывает изменение функции преобразования тензорезисторов, что объясняется температурной зависимостью сопротивления преобразователя и различием температурных коэффициентов линейного расширения материала тензорезистора и исследуемой детали. Влияние температуры устраняется обычно путем применения соответствующих методов температурной компенсации. Для измерения выходной величины тензорезисторного преобразователя чаще всего применяют мостовые схемы.

Существенно более высокой тензочувствительностью обладают полупроводниковые тензорезисторы. Так, полупроводниковые тензорезисторы из кристаллов кремния или германия имеют коэффициент тензочувствительности k = 50 - 200.

В последние годы появились конструктивно новые полупроводниковые тензорезисторные датчики, в которых полупроводник выращивается непосредственно на упругом элементе из кремния или сапфира. Такие чувствительные элементы обладают хорошими упругими свойствами, в частности малой погрешностью гистерезиса. На одном упругом элементе выращивается обычно не один, а несколько тензорезисторов, образующих измерительную цепь в виде моста (или полумоста). Это обеспечивает малые габаритные размеры преобразователя и лучшую температурную компенсацию. Тензорезисторы всех типов находят широкое применение для измерения деформаций, усилий, давлений, моментов и т. п.

16.1.3Термопреобразователи сопротивления. Они были подробно рассмотрены в главе 14 – «Измерение тепловых величин», поэтому, считаем повторение излишне.

16.1.4Индуктивные преобразователи

Принцип действия индуктивных преобразователей основан на зависимости индуктивности или взаимной индуктивности обмоток от положения, геометрических размеров и магнитного состояния элементов их магнитной цепи.

Индуктивности и взаимные индуктивности обмоток, расположенных на магнитопроводе, при отсутствии рассеяния магнитного потока определяются формулами (16.4) и (16.5) /14/

L =ω2		/ Z	m ,	(16.4)
i	i