ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

УТОЧНЕНИЕ ПОНЯТИЯ ФИЗИЧЕСКОЙ ВЕЛИЧИНЫ И УРАВНЕНИЯ ИЗМЕРЕНИЙ

Не все физические величины могут быть измерены. Чтобы величина была измерима, она должна обладать свойствами аддитивности, т.е. для нее должно быть известно, как физически (а не математически) выполнить операции сравнения и сложения (суммирования).

Рассмотрим пример. Имеется стержень длиной X. Совместим один конец второго стержня с концом первого стержня, а выступающую за противоположный конец первого стержня часть второго стержня отрежем. Мы выполнили операцию сравнения. Получились два стержня длиной X. Расположив их один за другим по одной прямой соприкасающимися концами, получим общую длину Х{ = X + X = 2 X, тем самым выполнив операцию физического суммирования. Продолжая указанный процесс, можно сопоставить стержень длиной X со стержнем любой другой длины п ? X, где п — целое число.

Теперь достаточно принять длину Xза единицу измерения х, чтобы реализовать основное уравнение измерений:

где х — принятая за единицу величина той же природы, что и Хп; имеет соответствующее наименование (один метр, один фут, один дюйм); п — неименованное число, указывающее, сколько единиц измерения х содержит измеряемая физическая величина Хп; называется это число числовым значением величины.

Следовательно, физическая величина «длина» является аддитивной, и ей может быть сопоставлено число, указывающее, во сколько раз данная физическая величина Хп больше такой же по природе физической величины, принятой за единицу измерения 1^.. Свойством аддитивности обладают такие физические величины, как длина, площадь, масса, время, электрический ток и др. Их называют экстенсивными (аддитивными) величинами.

Упрощенная функциональная схема измерительного прибора экстенсивных величин приведена на рис 5.1. В прибор входит средство измерений, хранящее единицу физической величины х, называемую мерой. Чтобы сравнивать с мерой входную величину согласно уравнению, количество мер, во-первых, должно быть равно максимальному значению п. Такое устройство называется «магазином мер» (ММ).

Во-вторых, нужно устройство, которое обеспечивало бы выполнение операции сравнения измеряемой физической величины Хп с установленным на магазине мер значением п Лх. Такое устройство называется нуль-органом (НО) или компаратором. На выходе НО появляется один из трех сигналов: Хп больше п 1х; Xп меньше п *1 ;

-'.V

В-третьих, должно быть устройство выработки и хранения чисел п. По сигналу с НО числа п должны возрастать (если Хп > п Тх), уменьшаться (если Хп < п-1 ). Назовем это устройство генератором чисел (ГЧ).

Упрощенная функциональная схема измерений аддитивной физической величины

Рис. 5.1. Упрощенная функциональная схема измерений аддитивной физической величины

По сигналу с ГЧ в магазине мер количество единиц должно возрастать или уменьшаться согласно росту или уменьшению числа п. Процесс измерения считается завершенным, когда на выходе НО появляется сигнал равенства^ = п ? х. Установившееся в ГЧ число п будет числовым результатом измерения физической величины Хп.

Попытаемся указанным способом организовать измерение температуры. Выясняется, что не существует процедур, позволяющих непосредственно установить температуру тела А равной температуре тела В; можно только дать оценку, у какого из тел температура выше. Как реализовать операцию суммирования температур тел А и В, неясно. Например, имеются два ведра с водой определенной температуры. Сольем воду в одну бочку. Понятно, что при этом объем воды в бочке станет равен сумме объемов ее в каждом ведре (объем — аддитивная величина). А температура? Тоже сложится? Очевидно, нет. Если температура воды в ведрах была одинаковой, то после объединения в бочке она останется такой же.

Подобные физические величины, не обладающие свойством аддитивности, называются интенсивными (неаддитивными). В рамках данного определения измерений и их основного уравнения такие величины не могут быть измеримыми. В то же время интенсивные величины (температура, плотность, давление, твердость) являются определяющими параметрами физических и химических процессов, и без знания их значений невозможны ни теоретический анализ, ни техническая реализация большинства физических и химических процессов.

Выход из тупика был найден Г. Галилеем. Для подлежащей определению интенсивной физической величины X находят экстенсивную величину Y, связанную хорошо изученной зависимостью Y=f(X) с интенсивной величиной. Измеряют экстенсивную величину Ги по известной зависимости X=f'l(Y) определяют значение интенсивной физической величины X.

Галилей обратил внимание на то, что если в колбе нагревать воздух, то в ^-образной стеклянной трубке, соединенной с колбой, изменяется уровень жидкости: в одном колене понижается, а в другом — повышается. Поэтому, нанеся деления на трубку, интенсивную физическую величину — температуру мы заменяем измерением линейного перемещения зеркала жидкости.

По такой же логике давление с помощью мембраны или сильфона преобразуется в линейное перемещение (прогиб мембраны, перемещение дна сильфона), которое подлежит измерению. Температура может быть преобразована в линейное перемещение жидкости в трубке (как в медицинских термометрах), угловое перемещение биметаллической пластинки, приращение омического сопротивления проводника или полупроводника и т.д. Таким образом, в процедуры измерения входит операция преобразования одной физической величины в другую.

Большинство экстенсивных величин так же не могут быть непосредственно сопоставлены с единицей соответствующей физической величины. Измерения расстояния до космических объектов, измерения электрических и магнитных величин (тока, напряжения, мощности, индуктивности и т.д.) могут быть выполнены только с помощью преобразования измеряемой величины в связанную с ней функциональной зависимостью другую, легко измеримую физическую величину. Таким образом мы приходим к понятию «измерительный преобразователь» — устройство, преобразующее одну физическую величину в другую по известной функциональной зависимости.

Не всякий преобразователь может быть измерительным. Например, обычный рычаг является преобразователем силы, но его нельзя считать измерительным преобразователем. Чтобы преобразователь отнести к категории «измерительный», он должен обладать набором характеристик, позволяющих определить степень отличия преобразованной величины данным преобразователем от преобразованной величины, полученной с помощью некоего «идеального» преобразователя.

Указанные характеристики называются метрологическими и в дальнейшем будут рассмотрены более подробно. Теперь можно дать точное определение термину «измерительный преобразователь».

Измерительный преобразователь (ИП) — техническое средство, имеющее метрологические характеристики и предназначенное для преобразования измеряемой величины в другую величину или измерительный сигнал, удобный для обработки, хранения, дальнейших преобразований, индикации или передачи [18].

Функциональная схема измерительной цепи интенсивной физической величины, в которую входит ИП, представлена на рис. 5.2.

Упрощенная функциональная схема измерительной цепи интенсивной физической величины

Рис. 5.2. Упрощенная функциональная схема измерительной цепи интенсивной физической величины

В процессе развития измерительной техники ИП получили широчайшее распространение для преобразования не только интенсивных, но и экстенсивных физических величин, и входят в состав измерительных приборов и систем в качестве важнейших устройств. Отметим два существенных обстоятельства, связанных с ИП:

  • • преобразование физической величины в измерительный сигнал, пригодный для сравнения с мерой, достигается чаще всего рядом преобразований. Например, изменение температуры преобразуется в изменение величины электрического сопротивления проволоки; сопротивление преобразуется в напряжение; напряжение усиливается (что тоже есть измерительное преобразование) и только после этого подается на НО для сравнения с мерой. Поэтому под ИП на рис. 5.2 нужно понимать в общем случае последовательность ИП. Первый конструктивно обособленный ИП называется датчиком;
  • • преобразование одной и той же физической величины может выполняться ИП, работающими на различных принципах измерений (принцип измерений - физическое явление или эффект, положенное в основу преобразований [18]). Например, изменение температуры можно преобразовать в линейное перемещение столба жидкости (как в медицинском термометре), в изменение электрического сопротивления (терморезистор) или электрического напряжения (термопара). Объемный расход жидкости можно преобразовать в частоту электрического сигнала, высоту подъема образцового тела специальной формы, величину электрического тока.

Практически все датчики преобразуют входные физические величины в тот или иной параметр электрического сигнала (амплитуду напряжения или тока, частоту или фазу синусоподобного сигнала и т.д.). Это связано с хорошо развитой техникой преобразования электрических сигналов, передачей их на большие расстояния, сравнения с мерой и получения кодов числовых значений величин. Коды легко вводятся в системы автоматического управления (регулирования) производственными процессами или выводятся на цифровые дисплеи для представления измерительной информации потребителю.

Перед рассмотрением особенностей преобразования той или иной физической величины с целью получения измерительного сигнала необходимо кратко проанализировать общие для всех преобразователей свойства и ввести показатели, в соответствии с которыми одни физические эффекты будут считаться более предпочтительными, чем другие при преобразовании одних и тех же физических величин.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >