Елена Серафимовна Лёвшина
Пётр Васильевич Новицкий
ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ ИЗМЕРЕНИЯ
ФИЗИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН
ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ
*** 1983 ***
|
ПРЕДИСЛОВИЕ
Современная информационно-измерительная техника располагает средствами измерения около двухсот различных физических величин — электрических, магнитных, тепловых, акустических, механических и т. д. Подавляющее большинство этих величин в процессе измерения преобразуется в величины электрические, как наиболее удобные для передачи, усиления, математической обработки и точного измерения. Поэтому в современной измерительной технике находят широкое применение преобразователи разного рода физических величин в электрические величины. Термин «измерительный преобразователь» (ИП) употребляется в настоящее время достаточно широко и в разных смыслах. В данной книге под измерительным преобразователем понимается элементарный измерительный преобразователь, выполненный на основе определенного физического принципа: емкостный, магнитоупругий, пьезоэлектрический преобразователь и т. д. Для обозначения совокупности измерительных преобразователей, объединенных в один конструктивный узел, выносимый на объект измерения, сохранен укоренившийся в практике термин «датчик». Подбор излагаемого материала базируется на многолетнем опыте чтения лекций в Ленинградском политехническом институте имени М. И. Калинина. Описать в книге небольшого объема все известные типы измерительных преобразователей, а также изложить вопросы теории и методы расчета этих преобразователей не представляется возможным, да и вряд ли это целесообразно. Поэтому основное внимание при написании книги было направлено на систематизацию физических явлений, положенных в основу построения преобразователей, и систематизацию вопросов теории, используемых для их описания. В соответствии с этим вопросы динамики ИП и теории погрешностей, общие для всех ИП, сосредоточены в первой и второй главах книги. Общим элементом любых измерительных устройств, использующих ИП, являются измерительные цепи, связывающие ИП-с последующей аппаратурой. Без рассмотрения измерительных цепей не представляется возможным расчет и проектирование ИП. Поэтому измерительным цепям посвящена отдельная глава. Существенная часть описываемых в книге преобразователей предназначена для измерения механических величин. Общими для преобразователей механических величин являются упругие элементы, рассматриваемые в главе четвертой. Остальные главы книги посвящены отдельным типам преобразователей. При этом, излагая вопросы теории и расчета преобразователей, которые стали уже классическими (тензорезистивные, индуктивные,, емкостные и др.), авторы рассматривают также преобразователи, получившие распространение в последние годы (пьезорезонансные, гальваномагнитные, преобразователи с использованием поверхностных акустических волн, магнитомодуляционные и т. д.). В то же время некоторые широко применяемые преобразователи, достаточно подробно описанные в специальной литературе, в настоящей книге не рассматриваются (акустические, преобразователи с радиоактивным излучением, электронно-лучевые и др.). Авторы старались уделить больше внимания методам расчета измерительных преобразователей с иллюстрацией их достаточным числом примеров. В работе над рукописью и в написании некоторых глав приняли участие д-р техн. наук, профессор Дрезденского технического университета А. Ленк (гл. 4 и 5), сотрудники Ленинградского политехнического института имени М. И. Калинина — канд. техн. наук, доцент С. А. Спектор (§ 8-10 и 8-11), канд. техн. наук, доцент В. С. Гутников (§ 7-4 и 11-5), канд. техн. наук Л. Н. Кнорринг (§ 8-12), канд. техн. наук А. В. Клементьев (§ 5-5), канд. техн. наук, доцент Омского политехнического института Ю. Н. Кликушин (гл. 12). Главы 9 и 10 написаны С. А. Спектором. Авторы выражают особую признательность председателю методического совета Министерства ВиССО СССР — заслуженному деятелю науки и техники РСФСР, д-ру техн. наук, профессору Е. Г. Шрам-ков у, явившемуся инициатором создания курса «Измерительные преобразователи» и введения его в учебные планы. Авторы считают своим долгом отметить, что^ излагаемый материал в значительной мере учитывает результаты обсуждений и дискуссий, проводимых в коллективе кафедры информационно-измерительной техники, а также обязан своим созданием лекторам, ранее работавшим над этим курсом: А. М. Туричину, М. М. Фетисову, Д. И. Зорину. Авторы благодарны коллективу кафедры информационно-измерительной техники Ленинградского электротехнического института имени В. И. Ульянова (Ленина), а также д-ру техн. наук, профессору А. М. Мелик-Шахназарову за полезные замечания, сделанные ими при рецензировании рукописи настоящей книги. Замечания и пожелания по книге просьба направлять по адресу: 191041, Ленинград, Марсово поле, 1, Ленинградское отделение Энергоатомиздата. Авторы ГЛАВА ПЕРВАЯ ОБЩИЕ СВОЙСТВА И ВОПРОСЫ ТЕОРИИ ПОГРЕШНОСТЕЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ 1-1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ и ОПРЕДЕЛЕНИЯ Измерительное преобразование представляет собой отражение размера одной физической величины размером другой физической величины, функционально с ней связанной. Применение измерительных преобразований является единственным методом практического построения любых измерительных устройств. Измерительный преобразователь — это техническое устройство, построенное на определенном физическом принципе действия, выполняющее одно частное измерительное преобразование. Работа измерительных преобразователей протекает в сложных условиях, так как объект измерения — это, как правило, сложный, многогрйнный процесс, характеризующийся множеством параметров, каждый из которых действует на измерительный преобразователь совместно с остальными параметрами. Нас же интересует только один параметр, который называем измеряемой величиной, а все остальные параметры процесса считаем помехами. Поэтому у каждого измерительного преобразователя целесообразно установить его естественную входную величину, которая лучше всего воспринимается им ка фоне помех. Подобным образом можно выделить естественную выходную величину преобразователя. По виду естественной выходной электрической величины преобразователи подразделяются на две большие группы: генераторные (с выходной величиной е — / (х) или i = / (х) и внутренним сопротивлением ZBH = const) и параметрические (с ЭДС е = О и выходной величиной в виде изменения R, L или С в функции х). Функция преобразования измерительного преобразователя — это функциональная зависимость выходной величины от входной, описываемая аналитическим выражением или графиком. Чаще всего стремятся иметь линейную характеристику преобразования, т. е. прямую пропорциональность между изменением входной величины и соответствующим приращением выходной величины преобразователя. ... Понятия реальной и номинальной характеристик и погрешности измерительного преобразователя. При градуировке серии однотипных преобразователей оказывается, что их характеристики несколько отличаются друг от друга, занимая некоторую полосу. Поэтому в паспорте измерительного преобразователя приводится некоторая средняя характеристика, называемая номинальной. Разности между номинальной (паспортной) и реальной характеристиками преобразователя рассматриваются как его погрешности. Систематические, прогрессирующие и случайные погрешности измерительных преобразователей. Систематическими называются погрешности, не изменяющиеся с течением времени или являющиеся не изменяющимися во времени функциями определенных параметров. Основное свойство систематических погрешностей состоит в том, что они могут быть почти полностью устранены введением соответствующих поправок. Особая опасность постоянных систематических погрешностей заключается в том, что их присутствие чрезвычайно трудно обнаружить. В отличие от случайных, прогрессирующих или являющихся функциями определенных параметров погрешностей постоянные систематические погрешности внешне себя никак не проявляют и могут долгое время оставаться незамеченными. Единственный способ их обнаружения состоит в поверке нуля и чувствительности путем повторной аттестации прибора по образцовым мерам. Примером второго вида систематических погрешностей служит большинство дополнительных погрешностей, являющихся не изменяющимися во времени функциями вызывающих их влияющих величин (температура, частота, напряжение и т. п.). Эти погрешности благодаря постоянству во времени функций влияния также могут быть скорректированы введением дополнительных корректирующих преобразователей, воспринимающих влияющую величину и вводящих соответствующую поправку в результат преобразования основного преобразователя. Прегрессирующими называются погрешности, медленно изменяющиеся с течением времени. Эти погрешности, как правило, вызываются процессами старения тех или иных деталей аппаратуры (разрядка источников питания, старение резисторов, конденсаторов, деформация механических деталей, усадка бумажной ленты в самопишущих приборах и т. д.). Особенностью прогрессирующих погрешностей является то обстоятельство, что они могут быть скорректированы без выяснения вызвавших их причин введением поправки, но лишь в данный момент времени, а далее вновь монотонно возрастают. Поэтому в отличие от систематических погрешностей прогрессирующие погрешности требуют непрерывного повторения коррекции, и тем более частого, чем менее желательно их остаточное значение. Другая особенность прогрессирующих погрешностей состоит в том, что с точки зрения теории вероятностей их изменение во времени представляет собой нестационарный процесс и не может быть описано в рамках хорошо разработанной теории стационарных процессов. Случайными называются неопределенные по своему значению или недостаточно изученные погрешности, в появлении различных значений которых нам не удается установить какой-либо закономерности. Они определяются сложной совокупностью причин, трудно поддающихся анализу. Их частные значения не могут быть предсказаны, а для всей их совокупности может быть установлена закономерность лишь для частот появления их различных значений. Присутствие случайных погрешностей (в отличие от систематических) легко обнаруживается при повторных измерениях в виде некоторого разброса рег зультатов. В подавляющем большинстве случаев процесс появления случайных погрешностей есть стационарный случайный процесс. Поэтому размер случайных погрешностей характеризуют указанием закона распределения их вероятностей или указанием параметров этого закона, разработанных в теории вероятностей и теории информации. KOHEЦ ФPAГMEHTA КНИГИ |
