Измерительные приборы в электрических измерениях

3. Измерительные приборы в электрических измерениях

3.1 Введение

Продолжая обсуждение общих вопросов измерения физических величин, рассмотренных в предыдущей главе, теперь мы сфокусируем свое внимание на измерительных приборах (системах и подсистемах, а также компонентах), часто используемых в электрических измерениях. Характер этих устройств зависит от цели, которую мы хотим достичь путем измерения.

Перечень возможных целей:

– Исследование. Задачей проведения исследования является расширение нашего понимания различного рода природных и искусственных физических состояний и явлений. Поэтому при исследовании окружающей среды измерительные системы обычно должны быть способны измерять в широком диапазоне с прекрасной линейностью и хорошей динамической характеристикой.

– Измерение расходуемых величин. Измерения расхода выполняются, прежде всего, для количественного определения и регистрации полученной или поглощенной величины. Возьмем, к примеру, электрический счетчик (измеритель кВт*ч), имеющийся в каждом доме, или электронные весы в магазине. Наиболее важным аспектом для такого рода применений является точность измерения, поскольку потребитель должен правильно расплатиться за полученное количество. Поэтому регулярная калибровка оборудования часто является требованием закона.

– Безопасность. Часто измерения предпринимаются для обеспечения безопасности людей и окружающей среды, например, измерения уровня радиации или концентрации токсичных веществ, скажем, в питьевой воде. Для этих систем безопасности решающим является фактор надежности; система всегда должна функционировать в соответствии с ее техническими характеристиками. Если, тем не менее, произойдет авария, это не должно приводить к опасным ситуациям; система должна быть надежной.

– Калибровка. Здесь целью измерения является определение, соответствует ли продукция определенным требованиям. Это требует регулярной калибровки пределов интервала допустимых отклонений в измерениях, по результатам которых производится принятие или отбраковывание.

– Управление процессом. В промышленности, например, целью многих

измерений является получение информации о состоянии данного процесса. Тогда на основе этих измерений может быть проведена коррекция. Если по результатам измерений параметры измеряемого процесса варьируются, то измерительная система является частью петли обратной связи. Решающей здесь становится динамическая характеристика измерительной системы, поскольку она будет влиять на стабильность или нестабильность системы текущего контроля.

Обычно в измерительной системе измеряемая физическая величина при первой возможности преобразуется в электрический сигнал. Это делается постольку, поскольку электрический сигнал легко можно преобразовать почти в любую желаемую форму. Разнообразие имеющихся электронных операций позволяет нам быстро и недорого реализовать необходимую обработку сигнала.

У быстрого развития электронной обработки сигналов имеется несколько причин. Прежде всего, с помощью электронных схем очень легко реализуется усиление сигнала. В процессе усиления увеличивается мощность сигнала без существенной потери информации. Поэтому, используя электронное оборудование, можно получить высокую чувствительность. Например, фотоумножитель позволяет легко достигать коэффициента усиления тока равного 10⁶ – 10⁸.

Во-вторых, использование электроники дает возможность проводить измерения с минимальным воздействием на объект измерения. Например, мощность, отбираемая из жидкости при измерении рН электрометрическим усилителем, менее 10^-15 Вт.

К тому же, электронные схемы бесшумны, поскольку не имеют движущихся частей, свободны от износа и им присуще относительно низкое потребление энергии.

Вероятно, одним из наиболее значительных достоинств электронных схем является скорость, с которой они могут обрабатывать быстро протекающее явление, что связано с отсутствием движущихся частей, обладающих инерцией. Могут быть обнаружены даже события, происходящие в течение 100 пс. Частотный диапазон электронных схем может простираться выше 10 ГГц.

Кроме того, электронная обработка сигнала обладает значительной гибкостью; почти без ограничений можно реализовывать многочисленные функции и комбинировать их для создания более сложных функций. Измерительная информация легко передается на большие расстояния (телеметрия) в широкой полосе частот и с очень низкой чувствительностью к помехам.

Однако электронные приборы имеют все-таки свои недостатки: невозможна обработка сигналов большой мощности (для этого нужны гидравлические сигналы), надежность аппаратуры часто ниже требуемой и, наконец, она крайне чувствительна к таким внешним воздействиям, как температура, влажность, радиация и т. д.

В дальнейшем при рассмотрении измерительных преобразователей мы ограничимся датчиками, преобразующими неэлектрическую физическую величину в электрическую величину (входные преобразователи) и наоборот, преобразователями, осуществляющими преобразование электрической величины в неэлектрическую физическую величину (выходные преобразователи). Начнем мы с входных преобразователей, а выходными преобразователями займемся в параграфе 3.4.

3.2 Входные преобразователи

Перед обсуждением принципов преобразования, часто используемых для измерения обычных физических величин, таких как перемещение, скорость, температура, магнитная индукция и т. д., мы сначала рассмотрим несколько методов, объединяющих преобразователи (датчики) с частными принципами преобразования в один единственный составной преобразователь. Эти «композитные методы» используются для уменьшения или даже полного исключения некоторых ограничений, связанных с отдельными преобразователями.

Широко распространен метод комбинирования преобразователей, при котором два идентичных преобразователя используются в балансной конфигурации (см. рис. 3.1(а)). Если оба преобразователя Т и Т’ имеют одну и ту же передаточную характеристику , то выход у балансной системы имеет вид:

.

Здесь f(x) может быть нелинейной передаточной функцией, которую мы хотим линеаризовать.

Предположим, что функцию f(x) можно представить рядом Тейлора в следующем виде:

Используя полученное выше уравнение для балансной схемы, получаем:

Очевидно, что константа (или смещение) а₀ и четные члены а₂х², а₄х⁴, исчезают при использовании в балансной схеме двух преобразователей. Если нелинейность в функции f(x)  не выражается никакими нечетными членами, то мы получим идеально линейную систему. В этом случае система относится к так называемой «разностной конфигурации». Однако обычно балансирование улучшает линейность системы всего лишь в ограниченном диапазоне значений входной величины х. Такая система называется «дифференциальной конфигурацией». Балансная схема не чувствительна к внешним возмущениям, так как в ней, по существу, применяется параллельная компенсация (см. раздел 2.3.3.3). Схема невосприимчива к аддитивным помехам. Для того, чтобы она была невосприимчива также к мультипликативным помехам, коэффициенты чувствительности по отношению к помехам у преобразователей Т и Т’ должны быть одной величины, но противоположны по знаку. На рис. 3.1(b) показан пример, в котором применена балансная схема преобразователя. Входной величиной является смещение х, а выходной – напряжение V₀. Пренебрегая краевыми эффектами на кромках пластин конденсатора, находим: