3.2. Общие сведения об электрических приборах для измерения неэлектрических величин

Приборы для измерения неэлектрических величин состоят из двух основных частей: измерительного преобразователя и измерительного устройства. Часто между первым и вторым звеном имеются дополнительные элементы (провода, кабели, аттенюаторы и согласующие устройства), а измерительное устройство в свою очередь включает в себя ряд блоков: усилительное устройство, измерительный или регистрирующий прибор и блок питания.

Структура большинства электрических приборов для измерения неэлектрических величин может быть представлена схемой, изображенной на рис. 3.1.

Рис.4.1. Блок-схема прибора для измерения неэлектрических величин

Назначение каждого из узлов весьма четко определено его наименованием. Первый из них – преобразователь – является устройством, обеспечивающим восприятие измеряемой входной величины (скорости, давления и т. п.) и преобразование ее в сигнал, удобный для передачи по линиям связи, усиления, измерения или регистрации электрическими средствами.

Наряду с термином «измерительный преобразователь» в технической литературе часто встречается другой термин – «датчик», имеющий одинаковое с первым значение. В настоящем пособии под «датчиком» понимается конструктивно законченный преобразователь, предназначенный для выполнения определенной функции (например, датчик давления, датчик скорости) безотносительно к заложенному в нем принципу преобразования. Когда необходимо одновременно характеризовать и принцип преобразования, в название датчика включается соответствующее определение, например пьезоэлектрический датчик давления и т. д.

Усилитель, равно как и источник питания, не является неотъемлемой частью измерительного устройства. В ряде случаев эти устройства могут отсутствовать (например, при измерении скорости вращения с помощью индукционного тахогенератора и чувствительного гальванометра). В других случаях усилитель разбивается на два блока: предварительный усилитель (катодный или эмиттерный повторитель) и основной усилитель. Такое разделение имеет место, в частности, при применении пьезоэлектрических преобразователей, устанавливаемых далеко от измерительного устройства (блока), когда длинные кабели могут явиться источником помех. В этом случае катодный повторитель с большим входным и малым выходным сопротивлениями располагается вблизи преобразователя, а длинный кабель подключается к низкоомной нагрузке повторителя, не оказывая заметного влияния на передачу сигнала к основному усилителю.

Неэлектрические величины, преобразованные в электрические напряжение или ток, измеряются или регистрируются соответствующим устройством. В качестве такого устройства в большинстве случаев используют показывающие стрелочные и цифровые приборы, а в качестве регистрирующих устройств – различные самописцы, осциллографы и магнитографы.

Преимуществом показывающих приборов является то, что они выдают результат непосредственно в момент измерения, в то время как регистрирующие приборы требуют дополнительной ручной или машинной обработки. В то же время применение показывающих приборов имеет и существенное ограничение, поскольку практически оно допустимо лишь для статических или медленно изменяющихся процессов. Естественно, при необходимости в устройстве могут быть одновременно использованы как показывающий, так и регистрирующий приборы.

Для дальнейшего изложения введем некоторые определения.

Входная величина – механическая величина, воздействующая на преобразователь и трансформируемая им в электрический сигнал.

Выходная величина – физическая величина, получаемая на выходе прибора как результат преобразования, усиления и других трансформаций. Она может быть представлена в виде отклонения стрелки показывающего прибора, отклонения луча электронного или светолучевого осциллографов и т. д. Все промежуточные величины (на выходе датчика, входе и выходе усилителя) будем называть входным или выходным сигналом соответствующего узла или блока.

Чувствительность прибора – отношение изменения сигнала на выходе измерительного прибора к вызывающему его изменению измеряемой величины ; ее размерность определяется размерностью входной и выходной величин.

Общая чувствительность измерительного прибора, состоящего из последовательного ряда блоков и преобразователей, зависит от чувствительности каждого из узлов и определяется произведением частных чувствительностей .

Порог чувствительности – минимальное изменение входной величины, вызывающее заметное изменение выходной величины.

Предел преобразования – максимальное значение входной величины, которое еще может быть воспринято преобразователем без искажений и без повреждения преобразователя.

Динамический диапазон измерения – диапазон входных величин, измерение которых производится без заметных искажений и простирается от максимальной (предельной) величины до минимальной, ограниченной порогом чувствительности или уровнем помех. Количественно динамический диапазон выражается либо крайними значениями (максимальным и минимальным) входной величины, либо в децибелах.

Градуировочная характеристика – зависимость между значениями величин на выходе и входе преобразователя, составленная в виде таблицы или графика.

Основная погрешность – максимальная разность между получаемой и номинальной выходными величинами, определяемыми при нормальных условиях.

Нормальные условия – за нормальные условия принимается следующее состояние окружающей среды: температура +25±10°С; атмосферное давление 10⁵4000 Па (750±30 мм рт. ст.); относительная влажность 65±15%; вибрации, электрические и магнитные поля должны отсутствовать.

Дополнительная погрешность – погрешность, вызываемая изменением внешних условий. Она представляет собой относительное изменение выходной величины в процентах, отнесенное к изменению внешнего фактора на определенную величину (например, температурная погрешность 2,5% на 10°С и т. д.).