19. Цифровые измерительные приборы, принципы построения, свойства.

Цифровыми измерительными устройствами называются устройства, в которых численное значение измеряемой величины отображается в виде числа, представленного в той или иной системе счисления.

Следует отметить, что цифровые измерительные устройства могут быть с ручным управлением процесса измерения (в случае измерения пассивных параметров электрических цепей их называют измерительными мостами, а в случае измерения активных параметров – измерительными компенсаторами) и автоматическим. Однако, в настоящее время, под цифровыми измерительными устройствами обычно понимают цифровые устройства, измерительный процесс в которых осуществляется автоматически.

Цифровые измерительные устройства (ЦИУ) обычно имеют более сложную структуру, чем аналоговые, и могут состоять из нескольких сравнительно автономных узлов.

В современных ЦИУ процесс сравнения измеряемой величины с мерами и получение ее численного значения полностью автоматизирован, а блок ЦИУ, реализующий этот процесс, получил название аналого-цифрового преобразователя (АЦП).

Получение числового эквивалента аналоговой величины может быть осуществлено только в результате дискретизации (квантования) этой величины по уровню, которая определяет так называемую погрешность квантования.

Основными характеристиками цифровых измерительных устройств являются: инструментальная статическая погрешность, нормируемая двучленной формулой, погрешность квантования, задаваемая числом разрядов отсчетного устройства, быстродействие, предел измерения, входное сопротивление, потребляемая мощность, а также апертурное время, характеризующее временную неопределенность привязки отчета при измерении различного рода процессов.

Здесь: ВУ – блок входных устройств, к которым относятся устройства выбора предела измерения, устройства определения и выбора полярности измеряемой величины, устройства, повышающие входное сопротивление цифрового прибора и его помехозащищенность и т.п.

АП – блок аналогового преобразования, в котором происходит преобразование аналогового сигнала одного вида в аналоговый сигнал другого вида, наиболее удобный для процесса получения численного значения измеряемой величины.

АЦП – блок аналого-цифрового преобразования, в котором выполняются основные измерительные операции – дискретизация во времени, квантование по уровню и кодирование измеряемой аналоговой величины в той или другой системе счисления.

УО – устройство обработки, в котором может происходить простейшая предварительная обработка результатов измерения.

ЦОУ - блок цифрового отсчетного устройства.

21.Измерительные преобразователи неэлектрических величин. Датчики температур.

Чтобы измерить ту или иную неэлектрическую величину, ее нужно предварительно преобразовать в электрический сигнал. Такое преобразование осуществляется с помощью первичных преобразователей. Упрощенная структурная схема измерительного устройства включает первичный преобразователь, электрическую измерительную цепь, выходное устройство. Измеряемая неэлектрическая величина х поступает на вход первичного преобразователя, в котором преобразуется в электрический сигнал у(х). Этот сигнал преобразуется в измерительной цепи в другой электрический сигнал у и воспринимается выходным устройством. Шкала выходного устройства б(х) градуируется непосредственно в значениях неэлектрической величины х.

По принципу действия первичные преобразователи делятся на резистивные, электромагнитные, электростатические, тепловые.

Резистивные преобразователи подразделяют на реостатные и тензочувствительные.

Резистивные преобразователи применяют для измерения перемещений, а также других величин, которые могут быть преобразованы в линейное или угловое перемещения: давление, усилие, вращающие моменты, уровень жидкостей, ускорения и др.

Электромагнитные преобразователи подразделяются на индуктивные, магнитоупругие и индукционные.

Электромагнитные преобразователи применяют для измерения скорости, линейного и углового перемещения и других величин, предварительно преобразованных в перемещение.

Электростатические преобразователи подразделяются на емкостные и пьезоэлектрические.

Электростатические преобразователи используются при измерении силы, давления, влажности сыпучих веществ, перемещения и количества вещества.

Действие тепловых преобразователей основано на тепловых процессах: нагрев, охлаждение, теплообмен и др. Они подразделяются на терморезйстивные и термоэлектрические.

Тепловые первичные преобразователи применяют в основном для измерения температуры.

Существуют электрохимические, ионизационные, фотоэлектрические преобразователи и др. Они служат для измерения состава и концентрации растворов и газов, прозрачности жидкостных и газовых смесей, количества электричества, температуры и геометрических параметров.

Часто такими методами измеряют температуру, давление, частоту вращения, расход жидкостей и газов и др. Приборы, предназначенные для измерения этих величин, имеют преобразователь -- датчик, а их шкала отградуирована непосредственно в единицах измеряемых величин.

Датчик представляет собой элемент, преобразующий какую-либо физическую величину в сигнал, удобный для измерения, передачи, регистрации, а также для воздействия им на управляемые процессы.

Наиболее широко применяют датчики, действие которых основано на изменении электрического сопротивления, емкости, индуктивности (параметрические датчики) или на возникновении ЭДС вследствие механического, акустического, теплового, магнитного или оптического воздействия (генераторные датчики).

Параметрические датчики включают в цепь, содержащую источник тока и чувствительный измерительный прибор, который регистрирует изменение силы тока, вызванное изменением сопротивления датчика.

Реостатные датчики представляют собой специальные резисторы, изменяющие под влиянием механических воздействий на них сопротивление цепи, в которую они включены. При механическом воздействии, например, на подвижный контакт реостата сопротивление цепи и сила тока в ней изменяются, и прибор сигнализирует в итоге о степени неэлектрического воздействия.

Тензометры (проволочные датчики) изменяют электрическое сопротивление в результате деформации. проводниками, с помощью которых тензометр включают в электрическую цепь. Тензометр, воспринимая механическую нагрузку, деформируется, и электрическое сопротивление проволочки изменяется.

Индуктивные датчики при сжатии, растяжении, нагревании или охлаждении их сердечника изменяют свое индуктивное сопротивление. Индуктивные датчики включают в цепь переменного тока. При изменении индуктивного сопротивления датчика соответственно меняется и сила тока в цепи.

Емкостный датчик при механическом воздействии на него изменяет значение емкостного сопротивления, в результате чего соответственно изменяется сила тока в цепи, в которую он включен.

Генераторные датчики включают в цепь без самостоятельного источника питания, так как они сами вырабатывают электрическую энергию.

Измерение неэлектрических величин электрическими методами получило широкое распространение в промышленности, на транспорте и во многих других случаях. С применением этих методов связано также осуществление автоматического контроля и управления.