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 бесы, 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. В сложной изме­рительной цепи, составленной из нескольких последовательно соединенных измерительных преобразователей,

­

Рис. 7. Простая измерительная цепь:

Датчик 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, то структура выглядит так:

Рис. 8. Сложная измерительная цепь:

О - объект измерения, ПП - первичный преобразователь, ПрП - промежуточный преобразователь, ИП – измерительный прибор

другие измерительные преобразователи, то их называют промежуточными. Все сигналы сложной измери­тельной цепи за исключением входного и выходного так­же являются промежуточными. Схема сложной измери­тельной цепи, состоя щей из первичного преобразователя ПП, промежуточного преобразователя ПрП и измери­тельного прибора ИП, представлена на рис. 8. Если для измерения каждого технологического пара­метра использовать простую измерительную цепь, состо­ящую из одного измерительного прибора, то потребуется очень много разновидностей подобных приборов. Что­бы 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 из- меряемый, 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 измери­тель ной 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

№ п.п	Ветвь ГСП	Унифицированный сигнал	Пределы измерений
	Электрическая (аналоговая)	Постоянный ток (мА).	(0 – 5); (0 – 20).
Постоянное напряжение (мВ).	(0 – 10); (0 – 100)
Переменное напряжение (В).	(1 – 0 – 1); (0 – 2).
Взаимная индуктивность (мГ).	(0 – 10); (10 – 0 – 10);
Частота (кГц).	(4 – 8).
	Электрическая (дискретная)	Код	ГОСТ 13052 – 74
	Пневматическая	Давление сжатого воздуха (Па).	(0,2 – 1,0)*105

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. 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 регу­ля - тор, то в измерительном приборе нет необходимости.

Таблица 2

Измеряемые параметры	Промежуточные параметры	Унифицированные сигналы	Выходные сигналы
Давление	Сила. Перемещение (линейное или угловое). Электрическое сопротивление. Э.д.с.	Ток	Положение отсчётного устройства Запись на диаграмме Число на цифровом индикаторе
Уровень
Расход	Напряжение
Температура
Плотность	Частота
Вязкость
Влажность	Взаимная индуктивность
Концентрация	Код

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 электрического неунифицированного сигнала (сопротивление терморе­зистора, э.д.с. термопары и т.п.);

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

III. Расчёт метрологических характеристик измерительных каналов