ЭЛЕМЕНТЫ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ЦЕПИ

Преобразование измеряемого сигнала в требуемый выходной сигнал в измерительной цепи может осуществляться одним или несколькими элементами — измерительными преобразователями.

Измерительный преобразователь, выходной сигнал которого предназначен для наблюдения, имеет специальное название — измерительный прибор. Измерительными приборами являются, например, вольтметр, электросчетчик, рычажные весы, ртутный термометр, автомобильный спидометр, фотоэкспонометр и т. п.

Так как сигнал, предназначенный для наблюдения, является выходным сигналом измерительной цепи, то измерительный прибор всегда бывает последним преобразователем этой цепи. Простая измерительная цепь (рис. 7) состоит из одного измерительного прибора ИП. Уже приводились примеры такой простой измерительной цепи для измерения напряжения вольтметром и взвешивания тела на рычажных весах.

Рис. 7. Простая измерительная цепь: О – объект измерения, ИП – измерительный прибор

В сложной измерительной цепи, составленной из нескольких последовательно соединенных измерительных преобразователей, первый называется первичным преобразователем. Входной сигнал первичного преобразователя является входным сигналом всей цепи, т. е. измеряемым сигналом.

Если сложная измерительная цепь включает помимо первичного преобразователя и измерительного прибора другие измерительные преобразователи, то их называют промежуточными. Все сигналы сложной измерительной цепи за исключением входного и выходного также являются промежуточными. Схема сложной измерительной цепи, состоящей из первичного преобразователя ПП, промежуточного преобразователя ПрП и измерительного прибора ИП, представлена на рис. 8.

Рис. 8. Сложная измерительная цепь:

О — объект измерения, ПП — первичный преобразователь,

ПрП — промежуточный преобразователь, ИП — измерительный прибор

Если для измерения каждого технологического параметра использовать простую измерительную цепь, состоящую из одного измерительного прибора, то потребуется очень много разновидностей подобных приборов. Что бы избежать этого, применяют сложную измерительную цепь. Это позволяет использовать один и тот же измерительный прибор для измерения различных технологических параметров.

Первичный преобразователь находится в контакте с измеряемой средой и часто подвергается воздействию высоких температур и давлений, вибрации, влажности и т. п. Поэтому для измерения даже однотипных параметров выпускаются различные первичные преобразователи, отличающиеся условиями эксплуатации. Иногда непосредственный контакт первичного преобразователя с измеряемой средой вообще недопустим (например, при измерении высоких температур или уровня в сосудах высокого давления). В таких случаях применяют неконтактные первичные преобразователи, не соприкасающиеся с измеряемой средой.

С помощью промежуточного сигнала удается отделить первичный преобразователь от измерительного прибора и разместить измерительный прибор на щите оператора, где обеспечены нормальные условия эксплуатации.

Вид промежуточного сигнала определяется, с одной стороны, принципом действия и конструкцией первичного преобразователя, а с другой — удобством передачи сигнала на расстояние и дальнейшего его преобразования. Зачастую эти требования оказываются противоречивыми: стремление получить простую и надежную конструкцию первичного преобразователя идет вразрез с требованием удобства дистанционной передачи промежуточного сигнала по каналу связи к измерительному прибору. Так, многие промышленные первичные преобразователи имеют неудобный для дистанционной передачи выходной сигнал в виде силы или перемещения.

Такие выходные сигналы могут быть измерены лишь при непосредственной механической связи измерительного прибора с первичным преобразователем. Для этого измерительный прибор должен быть расположен рядом с первичным преобразователем или даже объединен с ним в один блок. Если же измерительный прибор установлен на щите оператора и удален от такого первичного преобразователя, то применяют промежуточное преобразование выходного сигнала первичного преобразователя в сигнал, удобный для дистанционной передачи. Иногда в измерительной цепи может быть несколько промежуточных преобразователей, которые предназначены для усиления, размножения сигнала и т. п.

В сложной измерительной цепи (см. рис. 8) входным сигналом измерительного прибора является уже не измеряемый, а промежуточный сигнал. В промышленности используют ограниченное число промежуточных сигналов, что позволяет существенно уменьшить номенклатуру измерительных приборов — наиболее сложных и дорогих элементов измерительной цепи. Благодаря этому один и тот же измерительный прибор может применяться для измерения различных технологических параметров. В этом основное преимущество сложной измерительной цепи перед простой.

Выходные сигналы промежуточных преобразователей, как правило, бывают электрические или пневматические. Такие сигналы наиболее удобны для дистанционной передачи. Вид и пределы изменения промежуточных сигналов унифицированы Государственной системой приборов (ГСП).

В табл. 1 приведены наиболее часто употребляемые в системе ГСП унифицированные сигналы и пределы их изменения.

Таблица 1 Унифицированные сигналы и пределы их изменения

Унификация промежуточных сигналов позволила вместо специализированных измерительных приборов для измерения конкретных технологических параметров использовать небольшую группу приборов для измерения промежуточных параметров: тока, напряжения, частоты, взаимной индуктивности и давления сжатого воздуха. В производственных условиях это дает возможность сократить потребность в запасных приборах и частях к ним, облегчает их ремонт.

При выборе унифицированного промежуточного сигнала руководствуются главным образом длиной канала связи. При длине канала связи до 300 м в качестве промежуточного сигнала можно применять любой унифицированный сигнал, при длине до 10 км — постоянный ток или частотный сигнал, при большей длине — кодированный дискретный сигнал.

Иногда при выборе вида сигнала для дистанционной передачи приходится учитывать такие факторы, как пожаро- и взрывоопасность производства, помехоустойчивость канала связи и др. В этих случаях следует иметь в виду, что пневматический сигнал является пожаро- и взрывобезопасным, а код — наиболее помехоустойчивым.

Если первичный преобразователь имеет электрический выходной сигнал, то для упрощения измерительной цепи его обычно не преобразуют в унифицированный. Для измерения таких неунифицированных электрических сигналов применяют специальные измерительные приборы. Наиболее часто используют такие неунифицированные сигналы, как электрическое сопротивление терморезистора и э.д.с. термопары, которые служат для измерения температуры.

Наиболее распространенные промежуточные, унифицированные и выходные сигналы измерительных цепей приведены в табл. 2.

Таблица 2 Промежуточные, унифицированные и выходные сигналы измерительных цепей

Выходные сигналы, приведенные в табл. 2, применяют, когда результат измерения должен быть доступным для оператора. Если же измерительная цепь является элементом АСР и ее выходной сигнал поступает в регулятор, то в измерительном приборе нет необходимости.

Итак, в сложной измерительной цепи обычно применяют три способа связи первичного преобразователя с последним измерительным преобразователем (измерительным прибором, регулятором АСР, УВМ и т. п.):

1) прямая механическая связь посредством неэлектрического сигнала — силы или перемещения;

2) дистанционная связь посредством электрической неунифицированного сигнала (сопротивление терморезистора, э.д.с. термопары и т.п.);

3) дистанционная связь через промежуточный преобразователь посредством унифицированного сигнал ГСП.

МЕТРОЛОГИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

Ко всей измерительной цепи и к каждому преобразователю в отдельности предъявляются определенные требования: точность измерения или преобразования, заданная зависимость выходного сигнала от входного, чувствительность преобразователей, мощность выходного сигнала и др. Для соответствия этим требованиям каждый измерительный преобразователь и вся измерительная цепь должны обладать заданными метрологическими характеристиками.

Погрешности измерительных преобразователей. Любой технологический параметр невозможно измерить абсолютно точно. Это объясняется несовершенством измерительных преобразователей, воздействием на процесс измерения различных внешних возмущений и другим факторами. Поэтому всякое измерение производится с погрешностью, под которой понимают отклонение результата измерения от истинного значения измеряемого параметра.

Погрешность измерения — основная метрологическая характеристика измерительных преобразователей и измерительной цепи. Поэтому изучение погрешностей является главным в теории измерений.

Различают случайные, грубые и систематические погрешности. Случайные погрешности изменяются случайным образом при многократных измерениях одного и того же параметра. Они принципиально не могут быть устранены или учтены при измерениях.

Грубые погрешности возникают вследствие неправильной организации процесса измерения (например, из-за неправильной эксплуатации измерительных преобразователей, неправильного отсчета показаний, выхода из строя какого-либо элемента измерительной цепи и т.п.). Такие погрешности принципиально могут быть обнаружены и устранены.

Кроме того, бывают погрешности, которые закономерно изменяются или остаются постоянными при многократных измерениях одного и того же параметра. Это систематические погрешности. Они вызваны недостатками методов измерений и конструкций измерительных преобразователей. Систематические погрешности могут быть вычислены и, следовательно, учтены в результатах измерений.

Погрешность измерения определяют по абсолютной величине (модулю) разности между измеренным и истинным значениями параметра. Это абсолютная погрешность измерения. Если через х_п обозначить результат измерения, а через х — истинное значение параметра, то абсолютная погрешность Δх равна:

Δх = х_и-х (1)

Например, если показания весов 11 г и известно, что истинная масса тела 10 г, то абсолютная погрешность измерения будет 1 г.

Поскольку истинное значение измеряемого параметра не может быть определено, так как его нельзя измерить абсолютно точно, то, следовательно, и точное определение погрешности измерения по формуле (1) принципиально невозможно. Поэтому для оценки погрешности измерения вместо неизвестного истинного значений измеряемого параметра х обычно используют результат измерения его более точным прибором или его значение, найденное теоретически.

Часто абсолютная погрешность оказывается неудобной для сравнения точности различных измерений. Так, ошибка в 1 г при взвешивании массы в 10 г значительно более существенна, чем при взвешивании массы в 1 кг, хотя абсолютная погрешность в обоих случаях одинакова. Поэтому вводится понятие относительной погрешности измерения. Относительная погрешность измерения δ— отношение абсолютной погрешности к истинному значению измеряемого параметра, т.е.

δ = Δх/х=(х_и-х)/х. (2)

Относительная погрешность в отличие от абсолютной — безразмерная величина и может быть выражена в процентах. Так, в нашем примере относительная погрешность равна 10%.

Точность измерительных преобразователей оценивают по приведенной погрешности γ, которая определяется как отношение абсолютной погрешности Δх к некоторой постоянной нормирующей величине х_N:

γ = Δх/ х_N. (3)

В качестве нормирующей величины чаще всего принимают диапазон возможного изменения входного сигнала преобразователя, так называемый диапазон измерения.

Приведенная погрешность, как и относительная, является безразмерной величиной и обычно выражается процентах. Кроме того, она пропорциональна абсолютной погрешности. Поэтому если абсолютная погрешность измерительного преобразователя постоянна во всем диапазоне измерения, то приведенная будет также постоянной. Следовательно, она характеризует точность измерительного преобразователя независимо от значения измеряемого параметра. Поэтому приведенную погрешность считают основной метрологической характеристикой измерительного преобразователя.

Любой измерительный преобразователь подвержен возмущающим воздействиям, искажающим его выходной сигнал. Такими возмущающими воздействия: могут быть, например, изменение температуры, давление и влажности окружающего воздуха, напряжения источника питания, вибрация и т.п. Приведенная погрешность преобразователя изменяется под действием этих возмущений. В связи с этим для каждого измерительного преобразователя регламентируют нормальные условия эксплуатации (температуру и влажность в помещении, напряжение питания и т.п.).

Погрешность измерительного преобразователя при его эксплуатации в нормальных условиях является основной. Изменение основной погрешности, возникающее при отклонении условий эксплуатации от нормальных, - дополнительная погрешность преобразователя.

Наличие различных показателей точности — абсолютной и приведенной, основной и дополнительной погрешностей — затрудняет сравнение измерительных преобразователей. Поэтому необходима обобщенная характеристика их метрологических свойств. Такой характеристикой измерительного преобразователя является класс точности, под которым понимают его максимальную приведенную погрешность (в процентах) при нормальных условиях эксплуатации.

Погрешность преобразователя в каждом отдельном измерении может быть и меньше максимальной. Поэтому класс точности не может служить непосредственным показателем точности преобразователя, он лишь определяет предельное возможное значение приведенной погрешности. ГОСТом установлены стандартные классы точности измерительных преобразователей, например: 0,005; 0,02; 0,05; 0,1; 0,25; 0,5; 1,0; 1,5; 2,5; 4,0.

При выборе измерительного преобразователя для измерения конкретного технологического параметра необходимо обращать внимание не только на его класс точности, но и на диапазон измерения. Например, необходимо измерить напряжение сети переменного тока 220 В. Имеются два вольтметра с одинаковыми классами точности 1,5, но с диапазонами измерения 0 — 300 В и 0 — 1000 В. Наибольшая абсолютная погрешность у таких вольтметров в соответствии с формулой (3) равна (нормирующие значения соответственно 300 и 1000 В):

Из приведенного примера видно, что при одном и том же классе точности прибор с меньшим диапазоном измерения дает меньшую абсолютную и, следовательно, относительную погрешность измерения, чем прибор с большим диапазоном.

Измерительный преобразователь, как любой элемент, преобразующий входной сигнал в выходной, может находиться в установившемся или неустановившемся состоянии. Все рассмотренные погрешности характеризуют измерительные преобразователи в состоянии равновесия. Если же измеряемый параметр изменяется во времени, то преобразователь находится в неустановившемся состоянии. При этом начинают проявляться его динамические свойства, которые приводят к тому, что выходной сигнал — результат измерения — изменяется не синхронно с входным — измеряемым параметром. В результате возникает дополнительная погрешность измерительного преобразователя, которая проявляется только в его неустановившемся состоянии.

Так, при мгновенном (скачкообразном) увеличении температуры, измеряемой ртутным термометром, ртуть в его баллоне будет нагреваться до новой температуры постепенно, в течение некоторого времени. Показания термометра в течение этого времени будут ниже измеряемой температуры (рис. 9). Здесь мы сталкиваемся проявлением инерционности ртутного термометра преобразователя. Вследствие отставания результата измерения от измеряемой температуры и появляется дополнительная погрешность ртутного термометра.

Дополнительная погрешность измерительного преобразователя, возникающая при измерении изменяющегося во времени параметра, называется динамической в отличие от нее погрешность измерительного преобразователя при измерении постоянного параметра — статическая. Ясно, что динамическая погрешность измерительного преобразователя достигает наибольшей величипы при наиболее резком, скачкообразном измене измеряемого параметра.

Чувствительность измерительных преобразователей. Чувствительность измерительного преобразователя характеризует его способность измерять малые сигналы Чем меньшие сигналы может измерять измерительный преобразователь, тем выше его чувствительность; например милливольтметром можно измерять очень малые, напряжения, порядка тысячных долей вольта. Обычный вольтметр не воспринимает такие сигналы и непригоден для их измерения.

На первый взгляд может показаться, что чем выше чувствительность и, следовательно, уже диапазон измерения преобразователя, тем он лучше. Однако с ростом чувствительности увеличивается и погрешность преобразователя. Это объясняется тем, что при уменьшении диапазона измерения не удается во столько же раз снизить абсолютную погрешность преобразователя. Поэтом; в формуле (3) для приведенной погрешности величина равная диапазону измерения, убывает быстрее, чем абсолютная погрешность Δх. Таким образом, чем выше чувствительность измерительного преобразователя, труднее обеспечить требуемую приведенную погрешность γ, т.е. требуемый класс точности.

Поэтому для каждой конкретной конструкции измерительного преобразователя существует так называемый порог чувствительности — минимально возможный диапазон измерения, при котором абсолютная погрешность становится равной величине этого диапазона и, следовательно, приведенная погрешность достигает 100%. Ясно, что преобразователь, работающий в диапазоне, близком к своему порогу чувствительности, не пригоден для измерения. Наличие порога чувствительности ограничивает технические возможности измерения малых сигналов.

Рис. 9. Погрешность ртутного термометра при скачкообразном изменении температуры	Рис. 10. Линейная статическая характеристика преобразователя

Статическая характеристика измерительных преобразователей.Для измерительного преобразователя важным метрологическим показателем является зависимость его выходного сигнала от входного в установившемся состоянии — статическая характеристика.

Обычно стремятся к линейной зависимости выходного сигнала от входного, т. е. к линейной статической характеристике (рис. 10), которая определяется двумя величинами: начальным значением выходного сигнала у_н, соответствующим начальному значению входного сигнала х_н, и углом ее наклона α. Как видно из рис. 10, тангенс угла наклона характеристики равен отношению диапазона изменения выходного сигнала преобразователя δy к диапазону изменения его входного сигнала δх. Эта величина называется коэффициентом передачи к измерительного преобразователя:

k=tg α =δy/δx (4)

Если входной и выходной сигналы преобразователя выражены в одинаковых единицах измерения, то коэффициент передачи оказывается безразмерным и в этом случае употребляют термин коэффициент усиления. Например, коэффициент усиления усилителя напряжения показывает, во сколько раз напряжение на его выходе больше напряжения, поданного на вход.

Метрологические характеристики измерительной цепи. В сложной измерительной цепи необходимо определить ее погрешность и коэффициент передачи. Однако, как правило, нельзя установить связь между результирующей погрешностью измерительной цепи и погрешностями составляющих ее преобразователей. Можно лишь оценить границы значений приведенной погрешности сложной цепи.

Если считать, что погрешности всех преобразователей измерительной цепи одного знака, то результирующая погрешность цепи будет равна их сумме. В этом случае погрешность сложной цепи окажется максимальной γ_max:

γ_max= γ₁ + γ₂ + … + γ_n (5)

где γ₁, γ₂, … γ_n — погрешности измерительных преобразователей цепи.

Более реальная оценка получается, если считать погрешности всех преобразователей случайными и вызванными независимыми между собой факторами. В этом случае приведенная погрешность цепи будет меньше γ_max . Такая приведенная погрешность называется среднеквадратичной γ_ск и находится по формуле

(6)

Формулы (5) и (6) используют для приближенной оценки величины приведенной погрешности сложной измерительной цепи. Как видно из этих формул, чтобы снизить погрешность всей измерительной цепи, следует уменьшить погрешности составляющих ее преобразователей.

Для определения коэффициента передачи сложной измерительной цепи ее удобно представить как один эквивалентный измерительный преобразователь (рис. 11). Входным сигналом такого эквивалентного преобразователя будет входной сигнал первого преобразователя х₁, а выходным — выходной сигнал последнего преобразователя х_п+1.. Коэффициент передачи эквивалентного преобразователя П по формуле (4) равен:

(7)

а с другой стороны:

(8)

Рис. 11. Эквивалентный преобразователь: П — эквивалентный преобразователь, П₁, П₂,…, П_n — измерительные преобразователи, х₁, х_2, ... х_n+1 — сигналы преобразователей

В соответствии с определением коэффициента передачи каждая дробь в правой части этого тождества представляет собой коэффициент передачи соответствующего преобразователя П₁, П₂, ..., Пn. Отсюда следует, что коэффициент передачи цепи последовательно включенных преобразователей равен произведению их коэффициентов передачи:

K=k₁·k₂·…·k_n (9)

Из этой зависимости вытекает следующее правило: если статические характеристики всех преобразователей измерительной цепи линейны, то такой же будет и статическая характеристика измерительной цепи. Это правило широко применяется при создании промежуточных преобразователей и измерительных приборов.

В процессе эксплуатации измерительных преобразователей их метрологические характеристики могут изменяться. Поэтому с периодичностью, установленной ГОСТом, все технические средства измерений должны подвергаться поверке, при которой их показания сравниваются с показаниями более точного — образцового преобразователя. Класс точности образцового преобразователя должен быть не менее чем в три раза выше класса точности поверяемого. Так, для поверки преобразователя с классом точности 1,5 требуется преобразователь с классом точности 0,5.