Меню

Левшина новицкий электрические измерения физических величин



Левшина Е.С. Новицкий П.В. Электрические измерения физических величин. Измерительные преобразователи

Левшина Е.С. Новицкий П.В. Электрические измерения физических величин. Измерительные преобразователи

Предисловие

Содержание предлагаемой книги соответствует программе курса «Измерительные преобразователи», читаемого и высших учебных заведениях для специальности 0642 «Информационно-измерительная техника». Современная информационно-измерительная техника располагает средствами измерения около двухсот различных физических величин — электрических, магнитных, тепловых, акустических, механических и т. д. подавляющее большинство этих величин в процессе измерения преобразуется в величины электрические, как наиболее удобные для передачи, усиления, математической обработки и точного измерения. Поэтому в современной измерительной технике находят широкое применение преобразователи разного рода физических величин в электрические величины.¶

Термин «измерительный преобразователь» (ИП употребляется в настоящее время достаточно широко и в разных смыслах. В данной книге под измерительным преобразователем полагается элементарный измерительный преобразователь, выполненный на основе определенного физического принципа: емкостный, магнитоупругий, пьезоэлектрический преобразователь и т. д.¶

Для обозначения совокупности измерительных преобразователей, объединенных в один конструктивный узел, выносимый на объект измерения, сохранен укоренившийся в практике термин «датчи껶

Подбор излагаемого материала базируется на многолетнем опыте чтения лекций в Ленинградском политехническом институте имени М. И. Калинина.¶

Описать в книге небольшого объема все известные типы измерительных преобразователей, а также изложить вопросы теорий и методы расчета этих преобразователей не представляется возможным, да и вряд ли это целесообразно. Поэтому основное внимание при написании книги было направлено на систематизацию физических явлений, положенных в основу построения преобразователей, и систематизацию вопросов теории, используемых для их описания. В соответствии с этим вопросы динамики ИП и теории погрешностей, общие для всех ИП, сосредоточены в первой и второй главах книги.¶

Источник

Левшина — Электрические измерения физических величин. Измерительные преобразователи (1983)

Левшина Е. С. Электрические измерения физических величин: (Измерительные преобразователи). Учебное пособие для вузов. 1983.

Рассмотрены вопросы общей теории, теории погрешностей, измерительных цепей и динамики измерительных преобразователей, а также физические основы, теоретические методы расчета и проектирования основных видов измерительных преобразователей (датчиков), систематизированных по общности физического принципа действия. Для студентов вузов по программе курса «Измерительные преобразователи; для инженерно-технических и научных работников.

Содержание предлагаемой книги соответствует программе курса «Измерительные преобразователи», читаемого в высших учебных заведениях для специальности 0642 «Информационно-измерительная техника». Современная информационно-измерительная техника располагает средствами измерения около двухсот различных физических величин — электрических, магнитных, тепловых, акустических, механических и т. д. Подавляющее большинство этих величин в процессе измерения преобразуется в величины электрические, как наиболее удобные для передачи, усиления, математической обработки и точного измерения. Поэтому в современной измерительной технике находят широкое применение преобразователи разного рода физических величин в электрические величины.

Термин «измерительный преобразователь» (ИП) употребляется в настоящее время достаточно широко и в разных смыслах. В данной книге под измерительным преобразователем понимается элементарный измерительный преобразователь, выполненный на основе определенного физического принципа: емкостный, магнитоупругий, пьезоэлектрический преобразователь и т. д.

Для обозначения совокупности измерительных преобразователей, объединенных в один конструктивный узел, выносимый на объект измерения, сохранен укоренившийся в практике термин «датчик». Подбор излагаемого материала базируется на многолетнем опыте чтения лекций в Ленинградском политехническом институте имени М. И. Калинина. Описать в книге небольшого объема все известные типы измерительных преобразователей, а также изложить вопросы теории и методы расчета этих преобразователей не представляется возможным, да и вряд ли это целесообразно. Поэтому основное внимание при написании книги было направлено на систематизацию физических явлений, положенных в основу построения преобразователей, и систематизацию вопросов теории, используемых для их описания. В соответствии с этим вопросы динамики ИП и теории погрешностей, общие для всех ИП, сосредоточены в первой и второй главах книги. Общим элементом любых измерительных—устройств, использующих ИП, являются измерительные цепи, связывающие ИП — с последующей аппаратурой. Без рассмотрения измерительных цепей не представляется возможным расчет и проектирование ИП. Поэтому измерительным цепям посвящена отдельная глава. Существенная часть описываемых в книге преобразователей предназначена для измерения механических величин. Общими для преобразователей механических величин являются упругие элементы, рассматриваемые в главе четвертой.

Остальные главы книги посвящены отдельным типам преобразователей. При этом, излагая вопросы теории и расчета преобразователей, которые стали уже классическими (тензорезистивные, индуктивные, емкостные и др.), авторы рассматривают также преобразователи, получившие распространение в последние годы (пьезорезонансные, гальваномагнитные, преобразователи с использованием поверхностных акустических волн, магнитомодуляционные и т. д.). В то же время некоторые широко применяемые преобразователи, достаточно подробно описанные в специальной литературе, в настоящей книге не рассматриваются (акустические, преобразователи с радиоактивным излучением, электронно-лучевые и др.).

Авторы старались уделить больше внимания методам расчета измерительных преобразователей с иллюстрацией их достаточным числом примеров. В работе над рукописью и в написании некоторых глав приняли участие д-р техн. наук, профессор Дрезденского технического университета А. Ленк (гл. 4 и 5), сотрудники Ленинградского политехнического института имени М. И. Калинина — канд. техн. наук, доцент С. А. Спектор (§ 8-10 и 8-11), канд. техн. наук, доцент В. С. Гутников (§ 7-4 и 11-5), канд. техн. наук Л. Н. Кнорринг (§ 8-12), канд. техн. наук А. В. Клементьев (§ 5-5), канд. техн. наук, доцент Омского политехнического института Ю. Н. Кликушин (гл. 12). Главы 9 и 10 написаны С. А. Спектором. Авторы выражают особую признательность председателю методического совета Министерства ВиССО СССР — заслуженному деятелю науки и техники РСФСР, д-ру техн. наук, профессору Е. Г. Шрамкову, явившемуся инициатором создания курса «Измерительные преобразователи» и введения его в учебные планы. Авторы считают своим долгом отметить, что излагаемый материал в значительной мере учитывает результаты обсуждений и дискуссий, проводимых в коллективе кафедры информационно-измерительной техники, а также обязан своим созданием лекторам, ранее работавшим над этим курсом: А. М..Туричину, М. М. Фетисову, Д. И. Зорину. Авторы благодарны коллективу кафедры информационно-измерительной техники Ленинградского электротехнического института имени В. И. Ульянова (Ленина), а также д-ру техн. наук, профессору А. М. Мелик-Шахназарову за полезные замечания, сделанные ими при рецензировании рукописи настоящей книги.

Читайте также:  Методы измерения влажности воздуха психрометр

ОБЩИЕ СВОЙСТВА И ВОПРОСЫ ТЕОРИИ ПОГРЕШНОСТЕЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

1-1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Измерительное преобразование представляет собой отражение размера одной физической величины размером другой физической величины, функционально с ней связанной. Применение измерительных преобразований является единственным методом практического построения любых измерительных устройств.

Измерительный преобразователь — это техническое устройство, построенное на определенном физическом принципе действия, выполняющее одно частное измерительное преобразование. Работа измерительных преобразователей протекает в сложных условиях, так как объект измерения — это, как правило, сложный, многогранный процесс, характеризующийся множеством параметров, каждый из которых действует на измерительный преобразователь совместно с остальными параметрами. Нас же интересует только один параметр, который называем измеряемой величиной, а все остальные параметры процесса считаем помехами. Поэтому у каждого измерительного преобразователя целесообразно установить его естественную входную величину, которая лучше всего воспринимается им на фоне помех. Подобным образом можно выделить естественную выходную величину преобразователя. Функция преобразования измерительного преобразователя — это функциональная зависимость выходной величины от входной, описываемая аналитическим выражением или графиком. Чаще всего стремятся иметь линейную характеристику преобразования, т. е. прямую пропорциональность между изменением входной величины и соответствующим приращением выходной величины преобразователя. Для описания линейной характеристики преобразования достаточно двух параметров: начального значения выходной величины (нулевого уровня), соответствующего нулевому (или какому-либо другому характерному) значению входной величины х, и показателя относительного наклона характеристики, называемого чувствительностью преобразователя.

Чувствительность преобразователя — это, как правило, именованная величина с разнообразными единицами, зависящими от природы входной и выходной величин. Чувствительность измерительного прибора, состоящего из последовательного ряда измерительных преобразователей, определяется произведением чувствительностей всех преобразователей, образующих канал передачи информации. Чтобы это наглядно пояснить, рассмотрим прибор (рис. 1-1) для измерения и регистрации быстрых линейных перемещений, состоящий из датчика, измерительного неравновесного моста, усилителя и вибратора магнитоэлектрического осциллографа. Пусть датчик при воздействии на него измеряемого перемещения I мм изменяет свое сопротивление на 1 % начального значения.

Понятия реальной и номинальной характеристик и погрешности измерительного преобразователя. При градуировке серии однотипных преобразователей оказывается, что их характеристики несколько отличаются друг от друга, занимая некоторую полосу. Поэтому в паспорте измерительного преобразователя приводится некоторая средняя характеристика, называемая номинальной. Разности между номинальной (паспортной) и реальной характеристиками преобразователя рассматриваются как его погрешности.

Систематические, прогрессирующие и случайные погрешности измерительных преобразователей. Систематическими называются погрешности, не изменяющиеся с течением времени или являющиеся не изменяющимися во времени функциями определенных параметров. Основное свойство систематических погрешностей состоит в том, что они могут быть почти полностью устранены введением соответствующих поправок. Особая опасность постоянных систематических погрешностей заключается в том, что их присутствие чрезвычайно трудно обнаружить.

В отличие от случайных, прогрессирующих или являющихся функциями определенных параметров погрешностей постоянные систематические погрешности внешне себя никак не проявляют и могут долгое время оставаться незамеченными. Единственный способ их обнаружения состоит в поверке нуля и чувствительности путем повторной аттестации прибора по образцовым мерам. Примером второго вида систематических погрешностей служит большинство дополнительных погрешностей, являющихся не изменяющимися во времени функциями вызывающих их влияющих величин (температура, частота, напряжение и т. п.). Эти погрешности благодаря постоянству во времени функций влияния также могут быть скорректированы введением дополнительных корректирующих преобразователей, воспринимающих влияющую величину и вводящих соответствующую поправку в результат преобразования основного преобразователя.

Прогрессирующими называются погрешности, медленно изменяющиеся с течением времени. Эти погрешности, как правило, вызываются процессами старения тех или иных деталей аппаратуры (разрядка источников питания, старение резисторов, конденсаторов, деформация механических деталей, усадка бумажной ленты в самопишущих приборах и т. д.). Особенностью прогрессирующих погрешностей является то обстоятельство, что они могут быть скорректированы без выяснения вызвавших их причин введением поправки, но лишь в данный момент времени, а далее вновь монотонно возрастают. Поэтому в отличие от систематических погрешностей прогрессирующие погрешности требуют непрерывного повторения коррекции, и тем более частого, чем менее желательно их остаточное значение. Другая особенность прогрессирующих погрешностей состоит в том, что с точки зрения теории вероятностей их изменение во времени представляет собой нестационарный процесс и не может быть описано в рамках хорошо разработанной теории стационарных процессов.

Случайными называются неопределенные по своему значению или недостаточно изученные погрешности, в появлении различных значений которых нам не удается установить какой-либо закономерности. Они определяются сложной совокупностью причин, трудно поддающихся анализу. Их частные значения не могут быть предсказаны, а для всей их совокупности может быть установлена закономерность лишь для частот появления их различных значений. Присутствие случайных погрешностей (в отличие от систематических) легко обнаруживается при повторных измерениях в виде некоторого разброса результатов. В подавляющем большинстве случаев процесс появления случайных погрешностей есть стационарный случайный процесс. Поэтому размер случайных погрешностей характеризуют указанием закона распределения их вероятностей или указанием параметров этого закона, разработанных в теории вероятностей и теории информации. Так как большинство составляющих погрешности реальных приборов проявляется именно как случайные, то их вероятностное описание, а на его основе и информационное описание служат основным научным методом теории погрешностей. Однако всегда надо иметь в виду, что разделение погрешностей на систематические, прогрессирующие и случайные представляет собой лишь прием их анализа. В действительности же все эти три составляющие проявляются совместно и образуют единый нестационарный случайный процесс.

Читайте также:  Работа электрического тока единица измерения внесистемная

Источник

Левшина — Электрические измерения физических величин. Измерительные преобразователи (1983)

Левшина Е. С. Электрические измерения физических величин: (Измерительные преобразователи). Учебное пособие для вузов. 1983.

Рассмотрены вопросы общей теории, теории погрешностей, измерительных цепей и динамики измерительных преобразователей, а также физические основы, теоретические методы расчета и проектирования основных видов измерительных преобразователей (датчиков), систематизированных по общности физического принципа действия. Для студентов вузов по программе курса «Измерительные преобразователи; для инженерно-технических и научных работников.

Содержание предлагаемой книги соответствует программе курса «Измерительные преобразователи», читаемого в высших учебных заведениях для специальности 0642 «Информационно-измерительная техника». Современная информационно-измерительная техника располагает средствами измерения около двухсот различных физических величин — электрических, магнитных, тепловых, акустических, механических и т. д. Подавляющее большинство этих величин в процессе измерения преобразуется в величины электрические, как наиболее удобные для передачи, усиления, математической обработки и точного измерения. Поэтому в современной измерительной технике находят широкое применение преобразователи разного рода физических величин в электрические величины.

Термин «измерительный преобразователь» (ИП) употребляется в настоящее время достаточно широко и в разных смыслах. В данной книге под измерительным преобразователем понимается элементарный измерительный преобразователь, выполненный на основе определенного физического принципа: емкостный, магнитоупругий, пьезоэлектрический преобразователь и т. д.

Для обозначения совокупности измерительных преобразователей, объединенных в один конструктивный узел, выносимый на объект измерения, сохранен укоренившийся в практике термин «датчик». Подбор излагаемого материала базируется на многолетнем опыте чтения лекций в Ленинградском политехническом институте имени М. И. Калинина. Описать в книге небольшого объема все известные типы измерительных преобразователей, а также изложить вопросы теории и методы расчета этих преобразователей не представляется возможным, да и вряд ли это целесообразно. Поэтому основное внимание при написании книги было направлено на систематизацию физических явлений, положенных в основу построения преобразователей, и систематизацию вопросов теории, используемых для их описания. В соответствии с этим вопросы динамики ИП и теории погрешностей, общие для всех ИП, сосредоточены в первой и второй главах книги. Общим элементом любых измерительных—устройств, использующих ИП, являются измерительные цепи, связывающие ИП — с последующей аппаратурой. Без рассмотрения измерительных цепей не представляется возможным расчет и проектирование ИП. Поэтому измерительным цепям посвящена отдельная глава. Существенная часть описываемых в книге преобразователей предназначена для измерения механических величин. Общими для преобразователей механических величин являются упругие элементы, рассматриваемые в главе четвертой.

Остальные главы книги посвящены отдельным типам преобразователей. При этом, излагая вопросы теории и расчета преобразователей, которые стали уже классическими (тензорезистивные, индуктивные, емкостные и др.), авторы рассматривают также преобразователи, получившие распространение в последние годы (пьезорезонансные, гальваномагнитные, преобразователи с использованием поверхностных акустических волн, магнитомодуляционные и т. д.). В то же время некоторые широко применяемые преобразователи, достаточно подробно описанные в специальной литературе, в настоящей книге не рассматриваются (акустические, преобразователи с радиоактивным излучением, электронно-лучевые и др.).

Авторы старались уделить больше внимания методам расчета измерительных преобразователей с иллюстрацией их достаточным числом примеров. В работе над рукописью и в написании некоторых глав приняли участие д-р техн. наук, профессор Дрезденского технического университета А. Ленк (гл. 4 и 5), сотрудники Ленинградского политехнического института имени М. И. Калинина — канд. техн. наук, доцент С. А. Спектор (§ 8-10 и 8-11), канд. техн. наук, доцент В. С. Гутников (§ 7-4 и 11-5), канд. техн. наук Л. Н. Кнорринг (§ 8-12), канд. техн. наук А. В. Клементьев (§ 5-5), канд. техн. наук, доцент Омского политехнического института Ю. Н. Кликушин (гл. 12). Главы 9 и 10 написаны С. А. Спектором. Авторы выражают особую признательность председателю методического совета Министерства ВиССО СССР — заслуженному деятелю науки и техники РСФСР, д-ру техн. наук, профессору Е. Г. Шрамкову, явившемуся инициатором создания курса «Измерительные преобразователи» и введения его в учебные планы. Авторы считают своим долгом отметить, что излагаемый материал в значительной мере учитывает результаты обсуждений и дискуссий, проводимых в коллективе кафедры информационно-измерительной техники, а также обязан своим созданием лекторам, ранее работавшим над этим курсом: А. М..Туричину, М. М. Фетисову, Д. И. Зорину. Авторы благодарны коллективу кафедры информационно-измерительной техники Ленинградского электротехнического института имени В. И. Ульянова (Ленина), а также д-ру техн. наук, профессору А. М. Мелик-Шахназарову за полезные замечания, сделанные ими при рецензировании рукописи настоящей книги.

ОБЩИЕ СВОЙСТВА И ВОПРОСЫ ТЕОРИИ ПОГРЕШНОСТЕЙ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ

Читайте также:  Как измерить что то без весов

1-1. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Измерительное преобразование представляет собой отражение размера одной физической величины размером другой физической величины, функционально с ней связанной. Применение измерительных преобразований является единственным методом практического построения любых измерительных устройств.

Измерительный преобразователь — это техническое устройство, построенное на определенном физическом принципе действия, выполняющее одно частное измерительное преобразование. Работа измерительных преобразователей протекает в сложных условиях, так как объект измерения — это, как правило, сложный, многогранный процесс, характеризующийся множеством параметров, каждый из которых действует на измерительный преобразователь совместно с остальными параметрами. Нас же интересует только один параметр, который называем измеряемой величиной, а все остальные параметры процесса считаем помехами. Поэтому у каждого измерительного преобразователя целесообразно установить его естественную входную величину, которая лучше всего воспринимается им на фоне помех. Подобным образом можно выделить естественную выходную величину преобразователя. Функция преобразования измерительного преобразователя — это функциональная зависимость выходной величины от входной, описываемая аналитическим выражением или графиком. Чаще всего стремятся иметь линейную характеристику преобразования, т. е. прямую пропорциональность между изменением входной величины и соответствующим приращением выходной величины преобразователя. Для описания линейной характеристики преобразования достаточно двух параметров: начального значения выходной величины (нулевого уровня), соответствующего нулевому (или какому-либо другому характерному) значению входной величины х, и показателя относительного наклона характеристики, называемого чувствительностью преобразователя.

Чувствительность преобразователя — это, как правило, именованная величина с разнообразными единицами, зависящими от природы входной и выходной величин. Чувствительность измерительного прибора, состоящего из последовательного ряда измерительных преобразователей, определяется произведением чувствительностей всех преобразователей, образующих канал передачи информации. Чтобы это наглядно пояснить, рассмотрим прибор (рис. 1-1) для измерения и регистрации быстрых линейных перемещений, состоящий из датчика, измерительного неравновесного моста, усилителя и вибратора магнитоэлектрического осциллографа. Пусть датчик при воздействии на него измеряемого перемещения I мм изменяет свое сопротивление на 1 % начального значения.

Понятия реальной и номинальной характеристик и погрешности измерительного преобразователя. При градуировке серии однотипных преобразователей оказывается, что их характеристики несколько отличаются друг от друга, занимая некоторую полосу. Поэтому в паспорте измерительного преобразователя приводится некоторая средняя характеристика, называемая номинальной. Разности между номинальной (паспортной) и реальной характеристиками преобразователя рассматриваются как его погрешности.

Систематические, прогрессирующие и случайные погрешности измерительных преобразователей. Систематическими называются погрешности, не изменяющиеся с течением времени или являющиеся не изменяющимися во времени функциями определенных параметров. Основное свойство систематических погрешностей состоит в том, что они могут быть почти полностью устранены введением соответствующих поправок. Особая опасность постоянных систематических погрешностей заключается в том, что их присутствие чрезвычайно трудно обнаружить.

В отличие от случайных, прогрессирующих или являющихся функциями определенных параметров погрешностей постоянные систематические погрешности внешне себя никак не проявляют и могут долгое время оставаться незамеченными. Единственный способ их обнаружения состоит в поверке нуля и чувствительности путем повторной аттестации прибора по образцовым мерам. Примером второго вида систематических погрешностей служит большинство дополнительных погрешностей, являющихся не изменяющимися во времени функциями вызывающих их влияющих величин (температура, частота, напряжение и т. п.). Эти погрешности благодаря постоянству во времени функций влияния также могут быть скорректированы введением дополнительных корректирующих преобразователей, воспринимающих влияющую величину и вводящих соответствующую поправку в результат преобразования основного преобразователя.

Прогрессирующими называются погрешности, медленно изменяющиеся с течением времени. Эти погрешности, как правило, вызываются процессами старения тех или иных деталей аппаратуры (разрядка источников питания, старение резисторов, конденсаторов, деформация механических деталей, усадка бумажной ленты в самопишущих приборах и т. д.). Особенностью прогрессирующих погрешностей является то обстоятельство, что они могут быть скорректированы без выяснения вызвавших их причин введением поправки, но лишь в данный момент времени, а далее вновь монотонно возрастают. Поэтому в отличие от систематических погрешностей прогрессирующие погрешности требуют непрерывного повторения коррекции, и тем более частого, чем менее желательно их остаточное значение. Другая особенность прогрессирующих погрешностей состоит в том, что с точки зрения теории вероятностей их изменение во времени представляет собой нестационарный процесс и не может быть описано в рамках хорошо разработанной теории стационарных процессов.

Случайными называются неопределенные по своему значению или недостаточно изученные погрешности, в появлении различных значений которых нам не удается установить какой-либо закономерности. Они определяются сложной совокупностью причин, трудно поддающихся анализу. Их частные значения не могут быть предсказаны, а для всей их совокупности может быть установлена закономерность лишь для частот появления их различных значений. Присутствие случайных погрешностей (в отличие от систематических) легко обнаруживается при повторных измерениях в виде некоторого разброса результатов. В подавляющем большинстве случаев процесс появления случайных погрешностей есть стационарный случайный процесс. Поэтому размер случайных погрешностей характеризуют указанием закона распределения их вероятностей или указанием параметров этого закона, разработанных в теории вероятностей и теории информации. Так как большинство составляющих погрешности реальных приборов проявляется именно как случайные, то их вероятностное описание, а на его основе и информационное описание служат основным научным методом теории погрешностей. Однако всегда надо иметь в виду, что разделение погрешностей на систематические, прогрессирующие и случайные представляет собой лишь прием их анализа. В действительности же все эти три составляющие проявляются совместно и образуют единый нестационарный случайный процесс.

Источник