Лекция 16 Электрические измерения неэлектрических величин Общие сведения
Характеристика электрических измерений неэлектрических величин Электрические измерения обладают рядом преимуществ по сравнению с неэлектрическими методами, а именно: • позволяют осуществлять дистанционные измерения; • обеспечивают относительно простые способы усиления сигнала, легкость перехода с одного поддиапазона измерения к другому, • обладают малой инерционностью измерительных устройств, • легкостью обработки сигнала внутри измерительного устройства (дифференцирование, интегрирование, усреднение и т. п. ) и результатов измерения при их введении в ЭВМ. • более удобны для задач автоматического управления; • возможностью измерения как медленных, так и быстрых изменений величин; • обеспечивают большое разнообразие видов измерений.
Преимущества электрических методов Только электрические методы обеспечивают измерения и регулирование сотен параметров, характеризующих сложные технологические процессы; позволяют производить всевозможные измерения за миллионы километров от Земли на планетах солнечной системы, за миллионные доли секунды определять параметры частиц космического излучения.
Распределение доли измерений различных физических величин Температура 50 % Расход (массовый и объемный) Давление Уровень Количество (масса, объем) Время Данные материалов (аналитические измерения) 15 % Электрические и магнитные Менее 5 % 10 % 5% 5% 4% 4%
Абсолютный объем выполняемых измерений На атомной станции среднего размера около 3000 точек измерений различных физических величин. На крупном предприятии химической промышленности только для измерения температуры имеется около 20000 точек измерений.
Обобщенная структурная схема прибора для измерения неэлектрических величин Линия связи представляет собой обычную проводную или кабельную линию x Измерительный преобразователь Расположенные вдали от электрического измерительного прибора первичные преобразователи называют датчиками. Датчик может состоять из нескольких ИП. y Линия связи Блок питания Вторичный электроизмерительный прибор В качестве вторичной измерительной аппаратуры используются стрелочные или цифровые приборы для измерения тока, напряжения, сопротивления, или частоты.
Взаимодействие преобразователя с объектом измерения представляет собой весьма сложный физический процесс, в значительной степени определяющий достоверность измерения. Если присутствие преобразователя искажает измеряемую физическую величину, если преобразователь чувствителен к другим воздействующим на него физическим факторам, которые нельзя учесть и скомпенсировать, то при любом качестве обработки электрического сигнала результат измерения будет недостоверен. Наиболее перспективными в этом отношении являются бесконтактные преобразователи, взаимодействие которых с измеряемым объектом осуществляется не механическим контактом, а через электромагнитное, электрическое или акустическое поле.
В случае передачи сигнала на большие расстояния для уменьшения помех используется кодирование сигналов. Чаще применяется частотное кодирование, при котором частота передаваемого по линии сигнала изменяется пропорционально измеряемой величине, и кодо-импульсное кодирование, при котором сочетание импульсов образует цифровой код численного значения измеряемой величины. N f=F(X) X X Измерительный преобразователь частотное кодирование Измерительный преобразователь 01110 кодо-импульсное кодирование
Особенностью электрических измерений неэлектрических величин является возможность использования для первичного преобразования преобразователей, базирующихся на различных физических явлениях. Так, например, известно около 15 различных преобразователей для измерения температуры. Выбор типа преобразователя для конкретных условий измерения базируется на анализе характеристик как самого преобразователя, так и прибора в целом.
Характеристики измерительных преобразователей неэлектрической величины в электрическую Метрологические характеристики: • Номинальная статическая характеристика преобразования ИП Y= F (X), где у - выходная, а х- входная величины ИП соответственно. • Чувствительность S = ΔY/ ΔX • порог чувствительности; • предел преобразования; • динамический диапазон преобразования; • основная и дополнительная погрешности преобразования; • полное выходное сопротивление Z 6 blx. • динамические характеристики (быстродействие)
Характеристики измерительных преобразователей неэлектрической величины в электрическую Неметрологические характеристики: § габариты; § масса; § взрывобезопасность; § устойчивость к механическим, тепловым, электрическим и другим перегрузкам; § надежность; § стоимость и т. д.
Метрологические характеристики измерительных преобразователей Главная характеристика измерительного преобразователя – номинальная функция преобразования : Y = Fном (Х). Х ИП Она может быть задана в виде формулы или таблицы, или графика. Y 0 Y Х Частный случай – линейная функция, проходящая через начало координат.
Метрологические характеристики измерительных преобразователей Под порогом чувствительности понимается то минимальное изменение входной величины, которое может быть обнаружено с помощью данного преобразователя. Предел преобразования определяется как максимальное значение входной величины Хмах, которое может быть воспринято преобразователем и преобразовано в электрический сигнал без повреждения самого преобразователя. Динамическим диапазоном измерений называется диапазон входных величин, от максимальных, ограниченных пределом преобразования, до минимальных Хмин , обусловленных порогом чувствительности.
Метрологические характеристики измерительных преобразователей Основная погрешность характеризует максимальную разность выходных или входных величин, полученных в результате измерения в нормальных условиях и вычисленных по статическим характеристикам преобразования. Дополнительная погрешность определяет увеличение основной погрешности за счет проведения измерения в условиях, отличающихся от нормальных. Нормальными считаются условия при температуре (20± 5)°С, атмосферном давлении 760± 20 мм. рт. ст. , относительной влажности 60± + 20%, отсутствии вибраций, электрических и магнитных полей. Дополнительная погрешность нормируется в процентах к изменению внешнего фактора (например, температурная погрешность 1, 5% на 10 °С).
Погрешности измерительных преобразователей погрешность на входе Δвх погрешность на выходе Δвых Y Y Yизм Yном 0 Хд Хном Δвх = Хном – Хд Х 0 Хд Δвых = Yизм – Yном Х
В целях унификации выходной электрический сигнал преобразователей в тех случаях, когда это возможно, должен удовлетворять определенным требованиям. Чаще всего стандарт рекомендует для преобразователей унифицированный выходной сигнал в виде постоянного тока 0 -5 м. А, напряжения переменного тока 0 - 2 В или напряжения постоянного тока 0 - 10 В. Унифицированный выходной сигнал I_ = 0 – 5 м. А X Измерительный преобразователь U_ = 0 – 10 В U˜ = 0 – 2 В
Во вторичной аппаратуре может происходить и обработка электрического сигнала преобразователя. Так, если выходной сигнал ИП пропорционален перемещению какого-либо объекта, то, дифференцируя этот сигнал, можно получить информацию о его скорости, двойное дифференцирование даст сигнал, пропорциональный ускорению. Возможна и обратная задача, решаемая интегрированием сигнала преобразователя. Вторичная аппаратура может усреднять сигнал преобразователя во времени или сигналы нескольких преобразователей. . Измерение Y Вторичный электроизмерительный прибор Обработка информации Дифференцирование Двойное дифференцирование Интегрирование, осреднение
Структурные схемы электрических приборов для измерения неэлектрических величин Схемы прямого преобразования. В общем виде схема прибора представляет собой последовательное соединение некоторого числа различных ИП и ЭИП. X S 1 ΔY 1 S 2 ΔY 2 Δy 1, Δy 2, …. Δyn - погрешности ИП S 3 ΔY 3 y. N Sn ΔYn Yn
Измеряемая неэлектрическая величина может неоднократно преобразовываться для согласования пределов ее изменения с пределом измерения ЭИП или для получения более удобного для ЭИП вида воздействия. При этом общая чувствительность прибора: S = S 1∙S 2. . . Sn, а погрешность измерения, приведенная к выходу, ΔY= S 2 ∙ S 3. . . ∙ SN ΔYl +S 3 S 4 Sn ΔY 2. . . + ΔYn, т. е. погрешности преобразователей в такой схеме суммируется с соответствующими весами. Для уменьшения погрешностей используют специальные схемы включения ИП - дифференциальную и логометрическую.
Дифференциальная схема включения ИП Вариант 1 X 1 Y 1 ИП 1 Y 1 - Y 2 ЭИП X 2 =0 ИП 2 Y 2 Второй канал прибора служит для компенсации погрешностей, вызванных изменением условий работы устройства и для устранения аддитивной погрешности преобразователей (при условии, что характеристики ИП одинаковы).
Дифференциальная схема включения ИП Вариант 2 X 0+k. X X ИП 2 Y 1 ИП 1 Y 1 -Y 2 ЭИП X 0 -k. X ИП 3 Y 2 Измеряемая величина X после преобразования в ИП 1 воздействует на оба канала, причем при возрастании входной величины на входе одного канала (например, ИП 2), на входе другого (ИПЗ) - она уменьшается на ту же величину. Выходные величины ИП 2 и ИПЗ вычитаются. В такой схеме аддитивные погрешности каналов взаимно компенсируют друга, и при этом чувствительность прибора возрастает вдвое. Полной компенсации аддитивной погрешности и нелинейности характеристики преобразования на практике не удается получить из-за неидентичности каналов прибора.
Логометрическая схема соединения ИП Для уменьшения мультипликативной погрешности в схемах прямого преобразования используется логометрическая схема соединения ИП Y 1 X 1 ИП 1 Логометр X 2 ИП 2 Y=F (Y 1/Y 2) Оба канала прибора одинаковы и находятся в одинаковых условиях. Выход логометра пропорционален отношению X 1/X 2 при равенстве параметров каналов
Уравновешивающие (компенсационные) схемы преобразования Преобразователь сравнения X Xk X-Xk Цепь прямого преобразования ИП 1 . . . Y ИПn ЭИП Цепь обратного преобразования ПОС Суть измерения заключается в уравновешивании измеряемой величины X такой же, но образцовой величиной Xk , формируемой преобразователем цепи обратной связи ПОС.
Уравновешивающие (компенсационные) схемы преобразования Известно, что в устройствах с отрицательной обратной связью выходной параметр Чувствительность цепи прямого преобразования Чувствительность цепи обратного преобразования При петлевом усилении Sпр∙ So 6 p » 1 т. е. параметры прибора определяются только цепью обратной связи, в которую обычно ставятся высокоточные образцовые элементы.
Наиболее радикальным способом линеаризации статической характеристики преобразователя и уменьшения погрешностей преобразования является включение в средство измерения неэлектрических величин микропроцессорных устройств.
Динамические характеристики измерительных преобразователей Измерительные преобразователи обладают определенной инерционностью, связанной с наличием в них перемещающихся инерционных масс, тепловой инерционности, наличием пружин, индуктивностей, емкостей. Все они характеризуются разными способностями аккумулировать и рассеивать подводимую к ним энергию, что и определяет динамические свойства преобразователя
Динамические характеристики измерительных преобразователей Динамическую характеристику конкретного преобразователя устанавливают аналитически или экспериментально, определяя закон изменения выходного сигнала при известном законе изменения входного сигнала Y Y=F (X) Скачкообразное изменение входного сигнала X
Классификация измерительных преобразователей неэлектрических величин в электрические По назначению Измерительные преобразователи Механичес ких величин Оптических величин Тепловых величин Химических величин Биологических величин Других величин
Классификация измерительных преобразователей неэлектрических величин в электрические В зависимости от источника энергии для выходного сигнала преобразователи делятся на генераторные и параметрические. Измерительные преобразователи Генераторные преобразователи Источник энергии генераторных преобразователей - сама измеряемая величина, выходной величиной у них является напряжение или ток. Параметрические преобразователи включаются в электрическую схему, питающуюся от внешнего источника. При изменении входной величины, действующей на преобразователь, изменяется один из параметров схемы - сопротивление, емкость, индуктивность, резонансная частота, магнитный поток и т. д. , что и приводит к появлению на ее выходе электрического сигнала.
По принципу действия
Первичные измерительные преобразователи Частота Сила вращения Частота Скорость Температура вращения Световой поток Ua Фe Пьезокристал л Редукцион. Генератор тахометр Длина Подвижная Термоэлемент Фотоэлемент Температура Свет. поток Терморезистор Фоторезистор катушка Сила Электр. ток(магнитная Длина индукция) Ua Потенциомет Тензометр. Угольные Генератор
Длина (толщина) Длина Угол (уровень) Ca (Ua) Диффер. конденсатор Цилидр. конденсатор Паралл. Перп. расп. Поворотны расп. граничн. й диэл. перем. диэлектрика. конденс. емкости Длина Длина Сила Дифференц. Втяжной якорь Дифференц. Магнитоупруги La (Ua) Поперечный якорь поперечный якорь втяжной якорь трансформатор й преобразоват.
Скачать презентацию Лекция 16 Электрические измерения неэлектрических величин Общие сведения
Лекция 14 обобщ стр сх прибора для изм нэв.pptx