4.5. Измерительные мосты

Это и есть условие равновесия одинарного моста постоянного тока, которое можно сформулировать следующим образом: для того чтобы мост был уравновешен, произведения сопротивлений противолежащих плеч должны быть равны. Если сопротивление одного из плеч неизвестно (например, R\=RX), то условие (33) будет иметь вид

Таким образом, измерение при помощи одинарного моста можно рассматривать как сравнение неизвестного сопротивления Rx с образцовым сопротивлением R2 при сохранении неизменным отношения R3/R4. По этой причине плечо R2 называют плечом сравнения, плечи Л3 и R4 - течами отношения.

Основная погрешность уравновешенного моста определяется чувствительностью гальванометра, чувствительностью схемы, погрешностью сопротивлений плеч, а также сопротивлениями монтажных проводов и контактов. При этом ограниченная чувствительность гальванометра и мостовой схемы приводит к погрешности от неполного уравновешивания мостов.

Чувствительность гальванометра SQ представляет собой отношение приращения отклонения стрелки Да к приращению тока Д/д через гальванометр:

Чувствительность мостовой схемы к току 5 ! определяется как отношение изменения выходного сигнала А1Ск изменению входного сигнала ARX:

Необходимая чувствительность моста достигается рациональным выбором мостовой схемы, индикатора нуля и напряжения питания моста.

Автоматизация производственных процессов потребовала создания и широкого использования автоматических устройств для измерения температуры и других неэлектрических величин. Очень часто изменение этих величин преобразуется в изменение электрического сопротивления, которое и измеряется.

На рис. 22 приведена схема автоматического моста для измерения активного сопротивления Rx. Схема по существу представляет собой обычный одинарный мост, уравновешивание которого достигается перемещением ползунка реохорда, включенного в измерительную диагональ. Перемещение осуществляется при помощи реверсивного двигателя РД, ротор которого вращается до тех пор, пока не будет достигнуто равновесие моста, т.е. пока ток в измерительной диагонали не будет равен нулю. В этом случае управляющий

сигнал на выходе усилителя тока исчезнет и двигатель остановится. Одновременно с перемещением ползунка реохорда происходит движение указателя и пера регистрирующего устройства, если таковое имеется. Если сопротивление в одном из плеч изменить, то мост будет разбалансирован, в измерительной диагонали появится ток и процесс автоматического уравновеши­

вания повторится вновь. Питание моста обычно

производится переменным током, поскольку в этом случае схема оказывается проще, чем при использовании постоянного тока. Приведенная погрешность

Рис. 22. Схема автоматического моста автоматических мостов равна 0,25-0,5%.

Конструктивно мосты обычно выполняют в металлическом корпусе, на панели которого размещаются ручки магазина образцовых сопротивлений (плечо сравнения), переключатели плеч отношения, зажимы для подключения измеряемого объекта, наружного гальванометра, источника питания. Некоторые мосты выпускаются со встроенными гальванометрами.

Схемы и конструкции автоматических мостов переменного тока для измерения емкости и индуктивности значительно сложнее и обеспечивают меньшую точность.

5. ЦИФРОВЫЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ

Цифровыми измерительными приборами называются приборы, которые в процессе измерения осуществляют автоматическое преобразование непрерывной измеряемой величины в дискретную с последующей индикацией результата измерения на цифровом отсчетном устройстве [2, 5].

Функциональная схема цифрового прибора представлена на рис. 23.

X

№

Рис. 23. Функциональная схема цифрового прибора

Аналоговая величина X сначала преобразуется входным аналоговым преобразователем ХВАЛ) к виду, удобному для последующего преобразования, затем при помощи АЦП производится ее дискретизация, квантование и кодирование; цифровое отсчетное устройство (ЦОУ) превращает кодированную информацию об измеряемой величине в цифровой отсчет.

Наряду с блоками СУ, ГЛИН и БУ в схему входят блок формирования БФ, временной селектор ВС и генератор счетных импульсов ГСИ. На БФ с БУ поступает опорный импульс Ut\. Это приводит к тому, что временной селектор начинает пропускать на выход счетные импульсы, следующие с частотой f 0. Одновременно запускается ГЛИН. Линейно изменяющееся напряжение Un подается на устройство сравнения, которое в момент, когда Ux становится равным иЛ9 вырабатывает импульс Ua•

Рис. 27. Временные диаграммы времяимпульсного вольтметра

Импульс Ua приводит к закрытию временного селектора и прекращению прохождения через него счетных импульсов. Таким образом, БФ вырабатывает прямоугольный импульс С/пр длительностью ТХ) который подается на один из входов ВС. Счетные импульсы проходят через ВС на выход только тогда, когда ВС открыт этим прямоугольным импульсом, т.е. в течение временного интервала Тх. Соответствующие временные диаграммы приведены на рис. 27.

Число импульсов Nx, заполняющих временной интервал Тх с точностью до одного импульса, описывается формулой

Но TX= U J K , где К - известный коэффициент, зависящий от скорости нарастания линейно изменяющегося напряжения. Таким образом,

откуда

(35)

Jo

В вольтметре отношение K/f0 выбирается равным 10'т, где m -1, 2, 3, ..., поэтому прибор непосредственно показывает значение измеряемого напряжения (число т определяет положение запятой в цифровом отсчете). Указанный цикл работы вольтметра периодически повторяется. Возврат генератора линейно изменяющегося напряжения в исходное состояние и подготовка схемы к очередному измерению осуществляется импульсами от БУ после истечения времени t2.

Основным недостатком метода время-импульсного преобразования является его невысокая помехоустойчивость. Шумовая помеха, наложенная на измеряемое напряжение UXi изменяет его и, следовательно, изменяет момент появления импульса Ua, определяющего длительность времени счета. Погрешности метода определяются нестабильностью линейно изменяющегося напряжения, погрешностью преобразования измеряемого временного интервала в длительность прямоугольного импульса, открывающего ВС и погрешностью дискретности. Тем не менее время-импульсное преобразование постоянных напряжений позволяет создавать сравнительно простые и достаточно точные вольтметры с погрешностью, не превышающей 0,1...0,05%.

6.ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ

ИИЗМЕРИТЕЛЬНО-ВЫЧИСЛИТЕЛЬНЫЕ КОМПЛЕКСЫ

Усложнение современного производства, развитие научных исследований привело к необходимости измерять и контролировать одновременно сотни и тысячи различных физических величин. Естественная физиологическая ограниченность возможностей человека в восприятии и обработке больших объемов информации стала одной из причин появления таких СИ, как измерительные системы. Измерительные системы (ИС) - это совокупность функционально объединенных средств измерений, средств вычислительной техники и вспомогательных устройств, соединенных между собой каналами связи, предназначенных для выработки сигналов измерительной информации о физических величинах, свойственных данному объекту, в форме, удобной для автоматической обработки, передачи и (или) использования в автоматических системах управления [3].

В зависимости от назначения ИС разделяют на измерительные, контролирующие, управляющие.

По числу измерительных каналов системы подразделяются на одно-, двух-, трех- и многоканальные.

Важной их разновидностью являются информационно-измерительные системы (ИИС), предназначенные для представления измерительной информации в виде, необходимом потребителю. По организации алгоритма функционирования различают системы:

•с заранее заданным алгоритмом работы (для исследования объектов, работающих в постоянном режиме);

•программируемые, алгоритм работы которых меняется по заданной программе, составляемой в соответствии с условиями функционирования объекта исследования;

•адаптивные, алгоритм работы которых изменяется, приспосабливаясь к изменениям измеряемых величин и условий работы объекта.

Наиболее перспективным методом разработки и производства ИИС является метод агрегатно-модульного построения из сравнительно ограниченного набора унифицированных, конструктивно законченных узлов или блоков. При этом должны быть решены задачи совместимости и сопряжения блоков как между собой, так и с внешними устройствами. Применительно к ИИС существует пять видов совместимости:

•информационная, которая предусматривает согласованность входных и выходных сигналов по видам и номенклатуре, информативным параметрам и уровням;

•конструктивная;

•энергетическая, -предполагающая согласованность напряжений и токов, питающих блоки;

•метрологическая, обеспечивающая сопоставимость результатов измерений, рациональный выбор и нормирование метрологических характеристик блоков;

•эксплуатационная,, т.е. согласованность характеристик блоков по надежности и стабильности.

Связь между блоками системы и их совместимость устанавливается посредством стандартных интерфейсов.

Важной разновидностью ИИС являются измерительно-вычислительные комплексы (ИВК) - функционально объединенная совокупность средств измерений, компьютеров и вспомогательных устройств, предназначенная для выполнения конкретной измерительной задачи. Основными признаками принадлежности средства измерений к ИВК являются: наличие процессора или компьютера; программное управление средствами измерений; наличие нормированных метрологических характеристик; блочно-модульная структура, состоящая из технической (аппаратной) и программной (алгоритмической) подсистем.

ИВК предназначены для выполнения таких функций, как:

осуществление прямых, косвенных, совместных или совокупных измерений физических величин;

управление процессом измерений и воздействием на объект измерений;

-представление оператору результатов измерений в требуемом виде.

По назначению различают следующие ИВК:

•типовые (для решения широкого круга типовых задач автоматизации измерений независимо от области применения);

•проблемные (для решения специфичной для конкретной области применения задачи автоматизации измерений);

•специализированные (для решения уникальных задач автоматизации измерений, для которых разработка типовых и проблемных комплексов экономически нецелесообразна).

Основными составными частями комплекса являются (рис. 28):

•компьютер с периферийными устройствами, подключенными к нему, в том числе и посредством компьютерной сети;

•программное обеспечение;

•интерфейс, организующий связь технических устройств ИВК с компьютером;

•формирователь испытательных сигналов, которыми воздействуют на объект измерения с целью получения измерительных сигналов. Каждый такой сигнал (/-й сигнал) вырабатывается с помощью последовательно соединенных ЦАП/ и преобразователя «напряжение - испытательный сигнал» (ПНИС,);

•измерительные каналы (ИК), предназначенные для преобразования в цифровой код заданного числа сигналов (К - для первого ИК и L - для N-ro ИК). Структура ИК существенно зависит от решаемой задачи. Однако практически в любом случае каждый из них^содержит аналоговый измерительный (АИП) и аналого-цифровой (АЦП) преобразователи. При обработке нескольких

измерительных сигналов одним АЦП в состав комплекса включается коммутатор, предназначенный для поочередного подключения сигналов к входу АЦП. Коммутатор может включаться как после АИЛ (ИК1), так и перед ним (ИК N).

Рис. 28. Структурная схема измерительно-вычислительного комплекса

АИП предназначен для преобразования измерительного сигнала в сигнал, однородный с входным сигналом АЦП (т.е. в напряжение), и масштабирования (усиления или ослабления) его до уровня, необходимого для проведения операции аналого-цифрового преобразования с минимальной погрешностью.

АЦП преобразует сигнал в цифровой код и передает его через интерфейс в компьютер. Работой всей аппаратной части ИВК управляет компьютер. Это осуществляется посредством:

подачи управляющих сигналов различного рода; считывания и передачи по требуемым адресам цифровой информации

(сигналы «данные» и «адрес» на рис. 28).

По команде оператора выбирается тот или иной режим работы ИВК из числа реализованных в программном обеспечении. Компьютер рассчитывает цифровой код, описывающий заданное изменение во времени каждого из М испытательных сигналов, и в виде двоичного цифрового кода записывает в оперативные запоминающие устройства формирователя испытательных сигналов. Оттуда эти коды последовательно во времени циклически поступают на вход каждого из ЦАП. Формируемые на их выходах напряжения с помощью ПНИС преобразуются в требуемые физические величины, воздействующие на объект измерения.

Измерительные сигналы, представляющие собой отклик объекта измерения на испытательные воздействия, преобразуются в измерительных каналах в двоичный цифровой код и считываются компьютером. Полученные коды обрабатываются по заданным алгоритмам, в результате получается искомая измерительная информация.

Каждый ИВК - это сложное техническое устройство, поэтому содержит средства диагностики его состояния.

7.МЕТОДЫ И СРЕДСТВА ИЗМЕРЕНИЙ НЕЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

Среди множества физических величин большая 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 Хю в электрический сигнал ХЪ} связанный с измеряемой величиной однозначной функциональной зависимостью Хэ = f(XHJ. 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 - датчиков. Структурная схема любого СИ неэлектрических величин электрическими методами содержит такой измерительный преобразователь (рис. 29).

Измерительные преобразователи классифицируют по роду измеряемой величины (температуры, давления, влажности и др.) и по выходной величине (генераторные, параметрические) [2, 5].

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, С).

Важнейшими метрологическими характеристиками измерительных преобразователей являются: номинальная статическая характеристика преобразования, чувствительность, основная и дополнительные погрешности, динамические характеристики и др.

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.

7.1. Генераторные измерительные преобразователи

Термоэлектрические преобразователи (термопары). Эти преобразователи применяются для измерения температуры. Принцип действия термопары поясним на примере термоэлектрической, составленной из двух разнородных проводников А и В (рис. 30, а). Точки 1 и 2 соединения проводников называются спаями термопары.

Если температуры t спаев одинаковы, то ток в термоэлектрической цепи отсутствует. Если же температура одного из спаев (например, спая 1) выше, чем температура спая 2, то в цепи возникает термоэлектродвижущая сила (ТЭДС) Е,

Эту зависимость используют для измерения температуры с помощью термопар. Для измерения ТЭДС электроизмерительный прибор включают в разрыв спая 2 (рис. 30, б). Спай 1 называют горячим (рабочим) спаем, а спай 2 - холодным (концы - 2 и 2 называют свободными концами).

Чтобы ТЭДС термопары однозначно определялась температурой горячего спая, необходимо температуру холодного спая поддерживать всегда одинаковой.

Одна из причин появления погрешности термоэлектрического термометра - несоответствие температуры свободных концов термопары температуре, при которой была произведена градуировка.

Для изготовления электродов термопар используют как чистые металлы, так и специальные сплавы стандартизованного состава.

Максимальная развиваемая стандартными термопарами ТЭДС составляет от единиц до десятков милливольт.

Погрешность термоэлектрического термометра появляется также в результате изменения сопротивления измерительной цепи термоэлектрического преобразователя.

Для измерения ТЭДС могут применяться магнитоэлектрические, электронные (аналоговые и цифровые) милливольтметры и потенциометры постоянного тока. При использовании милливольтметров магнитоэлектрической системы следует иметь в виду, что измеряемое им напряжение на его зажимах

U = IR„

где I - ток в цепи термопары, a RB- сопротивление милливольтметра. Так как источником тока в цепи является термопара, то

I = E/(RB+ RBJ,

где RBH - сопротивление участка цепи внешнего по отношению к милливольтметру (т.е. электродов термопары и компенсационных проводов).

ТЭДС термопары, чем больше отношение RBl/RB. Для уменьшения погрешности от влияния внешнего сопротивления милливольтметры, предназначенные для работы с термопарами (так называемые пирометрические милливольтметры) градуируются для конкретного типа термопар и при определенном номинальном значении Лвн, указываемом на шкале прибора. Пирометрические милливольтметры серийно выпускаются классов точности от 0,5 до 2,0.

Термоэлектрический термометр с потенциометром свободен от рассматриваемой погрешности. В момент компенсации по внешней цепи ток не течет и на ее сопротивлении отсутствует падение напряжения. Потенциометр измеряет термоЭДС.

Пьезоэлектрические преобразователи. Такие преобразователи основаны на использовании прямого пьезоэлектрического эффекта, заключающегося в появлении электрических зарядов на поверхности некоторых кристаллов (кварца, турмалина, сегнетовой соли и др.) под влиянием механических напряжений. Пьезоэлектрическим эффектом обладают также некоторые поляризованные керамические материалы (титанат бария, цирконат-титанат свинца) [2, 5].

Если из кристалла кварца вырезать пластинку в форме параллелепипеда с гранями, расположенными перпендикулярно оптической OZ, механической OY и электрической ОХ осям кристалла (рис. 31), то при воздействии на пластинку усилия FXJ направленного вдоль электрической оси, на гранях х появляются заряды Qx = KJFXi где Кп - пьезоэлектрический коэффициент (модуль).

При воздействии на пластину усилия Fy вдоль механической оси, на тех же гранях х возникают заряды:

Qx =KnFya/bi

где а, Ь - размеры граней пластины. Механическое воздействие на пластину вдоль оптической оси появления зарядов не вызывает.

Кварцевые пластинки используются для изготовления преобразователей, измеряющих давление и силу.