Техническая реализация метода отклонений

При технических реализациях этого метода процесс сравнения из­меряемой величины с ее единицей, воспроизводимой мерой, часто ока­зывается более скрытым, нежели, к примеру, измерение длины линей­кой. Во многих случаях измеряемая величина преобразуется в свое ото­бражение, при котором вторичные сигналы отображения возникают в результате обмена энергией между объектом и средством измерений, что вызывает (в случае механиче­ских величин) соответствующие силы (усилия). В измерительном приборе возникает измерительная сила дей­ствия, которой противопоставляется сила противодействия, формируемая специальным устройством. Это устройство и выполняет функцию встроенной меры. При уравновеши­вании указанных сил процесс изме­рения завершается [1].

Для примера рассмотрим работу мембранного манометра (с плоской пластинчатой пружиной), схематич­но изображенного на рисунке 2, а. Измеряемое давление р_и вызывает соответствующий прогиб мембраны 1, который через поворотный рычаг 2и зубчатую передачу преобразуется в отклонение L стрелки указателя шкалы. На рисунке 2, б показана упрощенная блок-схема сигналов этого манометра, а на рисунке 2, в − полная блок-схема сигналов, вклю­чающая сравнение двух сил − изме­рительной F_м и противодействую­щей F_G.

Измерительная сила соз­дается действием давления р_и на мембрану с площадью поверхности А, т.е. F_м =р_иА. При этом возни­кает противодействующая сила реакции мембраны F_G, пропорциональная высоте прогиба l₁, т.е. F_G = − D_F l₁, где D_F − постоянная пружины. Эта сила на блок-схеме (рисунок 2, в) действует в цепи обрат­ной связи и сравнивается с силой F_м. Наличие такой обратной связи не противоречит принципам метода отклонения, так как сила противо­действия не является аналогом урав­новешивающей величины в компен­сационном методе: сила противо­действия возникает вследствие от­бора энергии от объекта измерений, тогда как для формирования урав­новешивающей величины требуется специальный внешний источник энергии.

а – схематическое изображение; б, в – блок-схемы сигналов.

Рисунок 2 ─ Схема мембранного манометра

При измерениях, основанных на принципах переноса тепловой энер­гии, действие упомянутых выше сил протекает на молекулярном и ато­марном уровнях, и их не указывают на блок-схемах сигналов.

Обобщая изложенное, можно указать следующие характерные особенности метода отклонения.

1. Отображаемый результат из­мерения представляет собой непо­средственную реализацию зависи­мости выходной величины х_а от входной величины х_е, описываемую статической характеристикой сред­ства измерений. При наличии про­межуточных величин х_а, в конечном счете, также зависит от х_е.

2. Выходной сигнал, с учетом погрешностей, представляет собой отображение абсолютного значения измеряемой величины.

3. Обычно шкала прибора, рабо­тающего по методу отклонения, на­чинается с натурального нуля. Однако в некоторых приборах тре­буется коррекция нулевой точки.

4. Обмен энергией между объек­том и средством измерений сопро­вождается их взаимными воздейст­виями. Значимость этих воздействий определяется соотношением требуе­мой и имеющейся в наличии энер­гий. По методу отклонения рабо­тают, например, жидкостные термометры, простейшие электроизмерительные приборы, пружинные весы.

Разностный метод

Чисто разностный метод осно­ван на сравнении измеряемой вели­чины или ее отображения с задан­ным значением однородной вели­чины, а выходной сигнал соответст­вующего средства сравнения пред­ставляет собой отображение откло­нения измеряемой величины от упо­мянутого заданного значения. Срав­нение указанных величин осуществ­ляет компаратор. Неконтролируе­мые изменения заданной величины сравнения приводят к неисключаемым погрешностям измерений [1].

Примером реализации чисто раз­ностного метода измерений является термопара, схематично изображен­ная на рисунок 3. Она состоит из двух проводников (или полупроводников) А и В с различной работой выхода электронов. При равенстве темпера­тур 0_О и Gj точек соединений про­водников из проводника А в про­водник В поступит за определенное время, допустим, п электронов, а обратно, за то же время, 2п элект­ронов. При температурном равно­весии термо-э.д.с. выходная величина термопары равна 0. Один из спаев термопары является рабочим. а температуру 0_о второго спая (не­рабочего, холодного) поддерживают строго постоянной.

Рисунок 3 ─ Схема действия термопары

Если темпера­тура 0₁ рабочего спая возрастет до температуры 0₂, при которой ра­бота выхода уменьшится наполови­ну, то из проводника А в проводник В поступит 2п электронов, а обрат­но – 4п электронов. В результате на выходных зажимах возникнет раз­ность потенциалов, обусловленная возникновением термо-э.д.с, вели­чина которой зависит от разности температур 0₀ и 0₂ • Нестабильность температуры 0_о предопределяет со­ответствующую погрешность изме­рений.

Шкала средства измерений мо­жет быть проградуирована как в единицах отклонения, так и в абсо­лютных значениях измеряемой ве­личины (рисунок 4).

Рисунок 4 − Примеры шкал, отградуированных в абсолютных

значениях и в единицах откло­нения измеряемой

величины

Переход от одной шкалы к дру­гой не должен представлять ка­ких-либо трудностей. К примеру, термометр со шкалой, проградуированной в градусах Цельсия, пред­ставляет собой прибор, показываю­щий отклонения температуры, так как положительные и отрицатель­ные значения температуры есть не что иное, как отклонения от 0 град.С – точки таяния льда. Если вместо 0 град.С на этой шкале указать 273 К, то будет выполняться отсчет абсолют­ных значений температуры в кельвинах.

Можно выделить следующие преимущества чисто разностного метода измерений:

1. Возможность полного исполь­зования диапазона измерений уст­ройства, так как выходной сигнал отображает отклонения в обе сто­роны от заданного значения вели­чины сравнения. При необходимости коррекции нуля ее можно осущест­вить соответствующим смещением величины сравнения.

2. Достигается взаимная авто­матическая компенсация некоторых видов помех благодаря вычитанию сигналов – измеряемого и сравнения.

Описание лабораторной работы представлено в параграфе 2.

Дифференциальный метод

Дифференциальный метод (его не следует путать с методом дифференцирования, при котором определяется скорость изменения изме­ряемой величины) требует примене­ния двух симметричных элементов, образующих устройство сравнения для определения разности. Поэтому значения вторичных сигналов ото­бражения в средствах измерения, работающих по дифференциальному (разностному) методу, удваиваются. Примером может служить диффе­ренциальный конденсатор, являю­щийся основой емкостного измери­тельного преобразователя малых перемещений ∆l в электрический сигнал. Если такой преобразователь выполнен в виде конденсатора с плоскими пластинами (рисунок 5, а) емкостью С, то его чувствительность составит

S_c = – C/(d +∆ d) ≈ – C∕d.

Дифференциальный конденсатор с плоскими пластинами схематично изображен на рисунок 5, б; его средняя пластина 2 является подвижной и связана с объектом измерений [1].

а – обычного; б – дифференциального. 1 – неподвиж­ная пластина; 2 – подвижная пластина.

Рисунок 5 ─ Схемы емкостных измерительных преобразователей

Примером реализации дифференциального метода измерения в сочетании с методом отклонений может служить следящий мембранный манометр (рисунок 6). Принцип действия мембранного манометра пояснен ранее на рисунке 2. В следящем устройстве перемещение s_p, отображающее измеряемое дав­ление p, преобразуется дифферен­циальным трансформатором в на­пряжение U_D. Обмотки этого тран­сформатора (как и сердечник) по­движны и перемещаются под воз­действием электропривода 5, снаб­женного системой передачи. Такой дифференциальный трансформатор выполняет функцию устройства сравнения перемещений s_p (отобра­жающего измеряемую величину) и s_sp (величины сравнения).

При отклонении сердечника от симметричного положения относи­тельно обмоток возникающее на­пряжение рассогласования U_D уси­ливается до напряжения U_v, которое включает электропривод. Последний при вращении через систему пере­дачи смещает обмотки дифференциального трансформатора до вос­становления их симметричного рас­положения относительно сердечни­ка. При этом ∆s = 0 (см. блок-схему сигналов на рисунке 6, б), что приво­дит к исчезновению (в пределах по­грешности) напряжения U_v, и элект­ропривод останавливается.

а – схематичное изображение; б – блок-схема сигналов. 1 – мембранный манометр; 2 – подвижные катушки дифференциального трансформатора; 3 – его неподвижные катушки; 4 – сердечник; 5 – электропривод.

Рисунок 6 ─Следящий мембранный манометр

Компенсационный метод

Метод компенсации пригоден для измерений энергозначимых величин, таких, как сила, давление, крутящий момент, различные излучения, электрическое напряжение и ток. Рассмотрим ряд примеров.

Компенсация токов (напря­жений). Такую компенсацию рас­смотрим на примере устройства контроля (рисунок 7) отклонения от заданной толщины движущегося по­лотна материала, например, бумаж­ного полотна. Контроль толщины осуществляется по поглощению материалом проникающего ионизи­рующего излучения. Сравнивается поглощение излучения образцом 4 заданной толщины и контролируе­мым материалом 1 в процессе пере­мещения последнего. Проникающее через образец и материал излучение воспринимается приемниками 5 и преобразуется в соответствующие взаимно компенсируемые токи Iv и Im . В случае отклонения толщины контролируемого материала от за­данного значения появляется раз­ность указанных токов, обра­зующая падение напряжения на ре­зисторе К. Это напряжение усили­вается до напряжения Uv , которое воздействует на электропривод (М), управляющий положением клино­вого поглотителя, находящегося в полосе ионизирующего излучения. Клиновый поглотитель, перемещаясь, уменьшает интенсивность излучения через контролируемый материал, вследствие чего возникающая раз­ность токов сводится к нулю (без учета погрешностей компенсации токов Iv и Im).

Компенсационный метод имеет следующие преимущества:

− в уравновешенном состоянии практически не отбирается энергия от источника измеряемой (или ее отображающей) величины;

− если на компенсирующую ве­личину оказывают воздействие те же влияющие величины, что и на изме­ряемую, то при компенсации эти воздействия также взаимно уравно­вешиваются и их разность сводится к нулю.

а –схематичное изображение; б – блок-схема сигналов; 1 – образец ; 2 – клиновый поглотитель; 3 – источник ионизирующего излучения; 4 – контролируемый материал; 5 – приемник излучателя.

Рисунок 7 ─ Устройство контроля толщины движущегося полотна по

степени поглощения ионизирующего излучения

Характерные особенности реали­зации рассматриваемой модифика­ции компенсационного метода рас­смотрим на примере двухканаль­ного фотометра, предназначенного для определения концентрации ком­понентов жидкой многокомпонент­ной среды. Схема фотометра приве­дена на рисунке 8. Излучение источ­ника 1 при помощи оптики (на схеме не показана) подводится к двум кю­ветам сравнительной 2 и измери­тельной 3. В сравнительной кювете помещается образцовое вещество с максимально возможной концент­рацией С анализируемого компо­нента. Интенсивность излучения (опорная интенсивность) на выходе кюветы или его ослабление постоян­ны и однозначно определяются кон­центрацией этого компонента. В измерительной кювете нахо­дится исследуемое вещество. Так как концентрация с анализируемого ком­понента в измерительной кювете меньше, то интенсивность из­лучения на выходе измерительной кюветы оказывается выше опорной интенсивности излучения на выходе сравнительной кюветы. Соответст­вующие токи фотоприемников 4указанных излучений − опорного и измеряемого − сравниваются компа­ратором 5; их разность усиливается и воздействует на двигатель М, ро­тор которого поворачивает заслонку 6, перекрывающую фотопоток на выходе измерительной кюветы. По­ворот ротора происходит до уста­новления равенства интенсивностей обоих излучений на входах соот­ветствующих фотоприемников. Одновременно вращение ротора двигателя передается движку потен­циометра 7, к которому подключен прибор, показывающий значение измеряемой величины, разности концентраций которой определяют искомую концен­трацию с.

1−источник света; 2− сравнительная кювета; 3−из­мерительная кювета; 4− фотоприемник; 5 −компа­ратор; 6− заслонка; 7− потенциометр.

Рисунок 8 − Схема двухканального фотометра, предназначенного для

измерений концентра­ции компонентов в жидких смесях

В отличие от предыдущего при­мера − устройства контроля толщи­ны полосы материала − в рассмот­ренном фотометре изменяется не опорное излучение, а измеряемое − до его уравновешивания с опорным.