–возможность измерять очень малые ЭДС и напряжения, по-

скольку в момент компенсации ток от источника Еx в компенсатор не поступает;

–отсутствие влияния сопротивления соединительных прово-

дов.

Недостатки компенсационных методов измерения:

–сложность изготовления потенциометров;

–высокая стоимость;

–влияние на показания приборов внешних воздействий (например вибраций).

5.5. Понятие о цифровых и электронных измерительных приборах

Цифровые приборы работают по принципу преобразования измеряемого напряжения в электрический код, отображенный в цифровой форме.

Цифровые приборы применяются для измерения частоты, напряжения, интервалов времени, разности фаз и т. д.

Структурная схема цифрового вольтметра постоянного тока

(рис. 48).

UX	ВхУ	АЦП	ЦОУ

Рис. 48

На данной схеме UX – неизвестное измеряемое напряжение; ВхУ – входное устройство, предназначенное для создания большого входного сопротивления, изменения пределов измерения и определения полярности входного сигнала; АЦП – аналого-цифровой преобразователь, который преобразует аналоговую величину в дискретный сигнал в виде электрического кода, пропорционального измеряемой величине; ЦОУ – цифровое отсчетное устройство, регистрирующее результат измерения.

В цифровом вольтметре измеряемое напряжение сначала преобразуется в пропорциональный интервал времени t = UX /S, где S называется крутизной преобразования, а затем этот интервал вре-

69

мени преобразуется в пропорциональное интервалу число импульсов n = t f = f UX /S, которое фиксируется цифровым индикатором. Так как частота f велика, а крутизна преобразования S мала, то даже малым значениям измеряемого напряжения UX соответствует большое число импульсов n, что обеспечивает высокую чувствительность и точность прибора. Цифровая индикация результатов измерения обеспечивает объективность отсчета показаний.

Преимущества цифровых приборов:

–малые погрешности измерения (0,1– 0,01 %) в широком диапазоне измеряемых напряжений (1 мкВ до 1000 В);

–высокое быстродействие, чувствительность и точность;

–объективность отсчета показаний;

–выдача результатов измерений в цифровом виде и возможность регистрации их с помощью цифропечатающих устройств;

–возможность ввода измерительной информации в ЭВМ и информационно-измерительные системы.

Недостатки цифровых приборов:

–сложность изготовления и ремонта;

–высокая стоимость;

–утомление оператора при длительном наблюдении за цифровым индикатором.

Однако с дальнейшим развитием микроэлектроники эти недостатки устраняются.

Электронные приборы – это сочетание электронного преобразователя и электромеханического измерительного механизма.

Существует много разновидностей этих приборов. Электронные приборы кратко рассмотрим на примере электронного вольтметра.

У электронных вольтметров большие входные сопротивления (до 10 Мом), что существенно расширяет область их применения по сравнению с электромеханическими вольтметрами, у которых сопротивление цепи вольтметра всего 5–10 кОм. Кроме того, электронные вольтметры могут иметь очень высокую чувствительность, что весьма важно при точных измерениях.

Структурная схема электронного вольтметра показана на рис. 49.

70

U X

UВХ

UВЫХ

ВхУ

УПН

МП

Для измерений в цепях постоянного тока

U ВХ

U ВХ =

UВЫХ

U X

ВхУ

Пр

УПН

МП

Для измерений в цепях переменного тока

Рис. 49

На схеме: ВхУ – входное устройство (высокоомный резистивный делитель напряжения); УПН – усилитель постоянного напряжения, который служит для увеличения чувствительности и усиления мощности измеряемого сигнала с целью приведения в действие магнитоэлектрического измерительного механизма; МП – магнитоэлектрический измерительный прибор, отклонение стрелки которого пропорционально значению измеряемого напряжения; ПР – преобразователь переменного напряжения в постоянное (могут быть среднего, действующего и амплитудного значения).

Преимущества электронных вольтметров по сравнению с электромеханическими:

–большое входное сопротивление (до 10 МОм);

–высокая чувствительность;

–диапазон измерений – от десятых до сотен вольт.

Точность электронного вольтметра не может быть выше точности индикатора, которым служит показывающий прибор с электромеханическим измерительным механизмом.

5.6. Понятие об измерении неэлектрических величин электрическими методами

При контроле производственных процессов имеют дело с измерениями неэлектрических величин, например, механических (сила,

71

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.

Y 1

(X)

X

Y(X)

ПП

ЭЦ

ВУ

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 информа- ционно-измерительные системы.

72

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 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 0,5–0,2 % от предела измерения. Эти мосты являются неотъемлемой частью самопишущих приборов.

73