Аналоговые измерительные приборы

Аналоговый измерительный прибор характеризуется тем, что информативный параметр входного сигнала (измеряемая величина) преобразуется в информативный параметр выходного сигнала (измеренное значение), при этом информативный параметр выходного сигнала в зависимости от значения измеряемой величины может принимать любые значения в пределах заданных границ.

Для обеспечения возможиости дать заключение относительно значения неизвестной входной величины (измеряемой величины) исходя из выходного сигнала измерительного прибора (измеренного значения) необходимо знать градуировочную характеристику измерительного прибора, т. е. особенности преобразования сигналов при воздействии влияющих величин. Измеряемая величина поступает с выхода измерительного преобразователя, сравнивается с сигналом согласующего устройства, усиливается, ослабляется и (или) преобразуется, а затем выдается выходным устройством в виде однозначной информации, воспринимаемой человеком или же направляемой в вычислительный блок.

Каждый измерительный прибор состоит из трех функциональных блоков: первичного измерительного преобразователя, согласующего устройства (блока сравнения) и устройства вывода измерительного сигнала. Каждый функциональный блок может рассматриваться как соединение одинаковых или различных по своим функциональным характеристикам элементов и узлов. При этом не всегда возможно однозначно разграничить отдельные функциональные блоки.

Первичные преобразователимогут бытьактивными или пассивными элементами измерительной системы. Активные первичные преобразователи требуют обычно дополнительных источников энергии.

Наиболее широко распространены такие первичные преобразователи, как механическкие, пневматические, гидравлические, оптические, электрические, емкостные и индуктивные.

Механические первичные преобразователи (см. рис. 3.12) используются для линейных и угловых размеров, объема, времени (путем непосредственной силовой или кинематической связи с объектом измерения); силы и давления (через деформируемые элементы); температуры (за счет теплового расширения твердых тел, жидкостей и газов).

Пневматические и гидравлические первичные преобразователи используются (рис. 3.13) для длин, скоростей (объема), частоты вращения, сил (через связь давления, расхода и сечения сопла) и температуры (через изменение давления).

Оптические первичные преобразователи используются (рис. 3.13) для длин и углов (непосредственное измерение, через интерференцию света); концентрации растворов (через поляризацию света и преломление лучей); механических напряжений (через поляризацию света).

Электрические первичные преобразователиподразделяются на:

1) Пассивные электрические преобразователи(рис. 3.14), которые могут быть: пьезоэлектрическими - для длин, сил и давления (используется пьезоэлектрический эффект); электродинамическими для колебаний – для частоты вращения, скорости (используется пропорциональность индуцируемого в катушке напряжения переменному магнитному потоку, вызванному перемещением катушки); электрическими для температур (используется термоэлектрический эффект Зеебека); световыми для светового потока (используется светоэффект).

Длина	Угол	Длина	Угол	Объем	Время
je (to)   je Se
Штриховая мера длины	Рычаг	Резьба	Зубчатые колеса	Вращающие- ся лопости	Маятник
Сила	Сила	Давление	Давление	Температура	Температура
Sa Te Sa pe pe
Плоская пружина	Деформируемое тело	Трубчатая пружина	Кольцевой дифманометр	Дилатометрический стержень	Биметаллическая пластина

Рис. 3.12. Механические первичные измерительные преобразователи [46]

Длина	Скорость (объем)	Частота вращения	Сила (длина)	Сила (длина)	Температура
Сопло-заслонка	Сопло Вентури	Насос с дросселем	Пластинчатая пружина	Сильфон	Газовый манометрич. термометр
Длина	Длина	Угол (длина)	Угол (длина)	Механич. напряжение	Показатель преломлен.
Se Sa
Измерительный микроскоп	Интерференционный компаратор	Автоколлиматор	Наклонное зеркало	Поляриметр	Рефрактометр

Рис. 3.13. Пневматические, гидравлические (вверху) и

оптические (внизу) первичные преобразователи [46]

2) Активные резистивные преобразователи (см. рис. 3.14), которые включают в себя: резистивные преобразователи длин (используется зависимость длины резистора и выходного напряжения); резистивные тензометрические преобразователи длины (используется зависимость сопротивления проволоки от ее удлинения) применяются для измерения внутренних напряжений в материале; резистивные преобразователи силы (используется изменение сопротивления контактируемых повехностей под действием силы); резистивные преобразователи температуры (используется температурная зависимость сопротивления проводников и полупроводников).

Сила	Частота вращения	Частота вращения	Скорость	Температура	Световой поток
Пьезокристалл	Редукцион. тахометр	Генератор	Подвижная катушка	Термоэлемент	Фотоэлемент
Длина	Длина	Сила	Электр. ток	Температура	Свет. поток
Ua			(магнитная индукция)
Потенциометр	Тензометр. пеобразов.	Угольные пластинки	Генератор Холла	Терморезистор	Фоторезистор

Рис. 3.14. Пассивные электрические (вверху) и активные ресистивные

(внизу) первичные измерительные преобразователи [46]

3) Емкостные преобразователи (рис. 3.15), применяемые для измерения длин (через зависимость емкости от площади электродов и расстояния между ними), уровней и толщин твердого неэлектропроводного вещества (используется зависимость емкости от смещения границы двух веществ с различными диэлектрическими свойствами, расположенными между пластинами конденсатора).

4) Индуктивные преобразователи (см. рис. 3.15), в которых используется зависимость индуктивности катушки от изменения магнитного сопротивления, которое происходит благодаря изменению магнитного пути или магнитной проницаемости. Эти преобразователи могут быть: перемещения с поперечным якорем (используется изменение магнитного пути); перемещения с втяжным якорем (используется изменение магнитной проницаемости); магнитоупругими (используется принцип магнитоупругости, поскольку магнитная проницаемость ряда материалов зависит от механического напряжения).

Длина	Длина	Длина	Длина (толщина)	Длина (уровень)	Угол
Ca (Ua)
Световой поток	Дифференц. конденсатор	Цилидрич. конденсатор	Паралл. расп. граничн. диэл.	Перп. расп. граничн. диэлектрика.	Повортный конденс. перем. емкости
Длина	Длина	Длина	Длина	Длина	Сила
La (Ua)
Поперечный якорь	Дифференц. поперечный якорь	Втяжной якорь	Дифференц. втяжной якорь	Дифференц. трансформатор	Магнитоупругий преобразоват.

Рис. 3.15. Активные емкостные (вверху) и индуктивные (внизу)

первичные измерительные преобразователи [46]

Длина	Сила	Давление	Сила тока
Ползунковый реостат	Поршневая система	Струйный усилитель	Усилитель на транзисторах
Напряжение	Мощность	Световой поток	Освещенность
Xa
Магнитный усилитель	Электромашинный усилитель	Фоторезистор	Собирающая линза

Рис. 3.16. Усилительные звенья [46]

Согласующие устройства аналоговых измерительных сигналов могут вкючать в себя: измерительную мостовую схему; измерительный усилитель (механические, гидравлические, пневматические, электрические магнитные и оптические) (рис. 3.16); демпфирующие звенья (резинометаллические, поршневые, воздушные, на вихревых токах, электические демпфирующие резисторы, тепловые экраны, поглощаюшие фильтры, поляризационные фильтры); вычислительные элементы (звенья).

Устройства вывода измерительного сигнала. Представление измеренного значения в аналоговой форме характеризуется непрерывным изменением относительного положения указателя (индекса, метки) и шкалы. В зависимости от вида представляемых входных сигналов существуют системы с механическими, пневматическими или электрическими измерительными свойствами (рис. 3.17).

Длина	Длина	Уровень	Частота вращения	Сила
Штангенциркуль	Индикатор часового типа	Поплавок	Центробежный регулятор	Поршневой манометр
Давление	Расход	Напряжение	Сила тока	Температура
Мембранная коробка	Напорный диск	Измерит. мех. магнитоэлектрич. прибора	Измерит. мех. прибора тепловой системы	Биметаллически термометр

Рис. 3.17. Аналоговые показывающие приборы [46]

С целью снижения субъективных влияний, особенно при измерении быстро изменяющихся во времени величин, осуществляется регистрация выходных величин. Аналоговыми регистрирующими приборами являются приборы: с непрерывной записью, точечной записью, с непрерывной световой записью, светолучевые осциллографы, электронно-лучевые осциллографы, регистрирующие устройства на магнитной ленте.