8. Способы и средства первичного преобразования измеряемой физической величины

8.1. Получение представительного отображения

Физической величины

Представительная измеряемая величина должна отображать подлежащую измерению физическую величину (например, длину или силу) в виде вторичной величины, пригодной для дальнейшей ее обработки. Первичная измеряемая величина в общем случае изменяется во времени. Ее воспринимают чувствительные элементы средства измерения и преобразовывают в электрическую, гидравлическую или пневматическую величину на основе физического закона, однозначно определяющего связь между этими двумя величинами. Указанное преобразование может осуществляться многоступенчато. Например, механическая сила, действуя на пружину, деформирует ее; деформация пружины преобразовывается тензометром в изменение сопротивления, которое затем преобразуется при помощи мостовой схемы в изменение напряжения или силы тока. Однако и эта электрическая величина обычно еще непригодна для выдачи измерительной информации (отсчета показаний или регистрации). При дальнейшем преобразовании в другую величину или только при усилении подлежащая измерению физическая величина приводится к виду, пригодному к выдаче или дальнейшей обработке.

8.2. Погрешности отображения (преобразования) физической величины

Функциональную зависимость между поступающей на вход чувствительного элемента физической величиной и выдаваемым им сигналом называют его статической характеристикой. Чувствительный элемент, характеристика которого представляет собой прямую линию, называют линейным чувствительным элементом. Для такого элемента математическая зависимость между входной величиной E и выходной величиной А описывается уравнением А= А₀ + KE. Для большинства чувствительных элементов А₀ = 0, т. е. выходной сигнал А пропорционален входному сигналу E, и уравнение имеет вид А = К · E. Постоянный множитель К называют ко­эффициентом передачи, чувствительно­стью или крутизной характеристики чувствительного элемента. Если ха­рактеристика отличается от линей­ной, то чувствительный элемент назы­вают нелинейным Такой элемент об­ладает в разных точках диапазона из­мерения разной чувствительностью (или крутизной характеристики S).

Ожидаемая зависимость между поступающей на вход чувствительного элемента величиной и величиной, выдаваемой им на выходе, называется номинальной характеристикой. Истинная характеристика, определяемая в процессе измерений, в большей или меньшей степени отличается от номинальной. Это расхождение является систематической погрешностью измерения.

Абсолютные погрешности находят по разности истинной и номинальной характеристик чувствительного элемента. Абсолютная погрешность чувствительных элементов, обладающих линейной номинальной характеристикой, называется погрешностью нелинейности (отклонением от линейности). Часто наблюдают необратимые изменения свойств чувствительного элемента, также обусловливающие возникновение погрешностей измерения. Такие изменения могут быть вызваны, например, старением, структурными изменениями, термической или механической перегрузкой, а также химическими превращениями. Это следует учитывать при выборе вида чувствительного элемента, особенно высокочувствительного. В отдельных случаях следует прибегать к иному способу измерения, обеспечивающему лучшую воспроизводимость результатов. Трение, упругое последействие пружин, гистерезис магнитных материалов, наличие люфтов могут вызвать обратимые изменения свойств чувствительного элемента. Такие изменения часто можно учесть в процессе измерения или хотя бы оценить их влияние. При расхождении ветвей характеристики, полученных при возрастании и убывании измеряемой величины, имеет место гистерезис чувствительного элемента.

Медленное изменение выходного сигнала при постоянном значении поступающей на вход чувствительного элемента измеряемой физической величины называется дрейфом. Дрейф может быть вызван внешними помехами, например, изменением температуры или старением чувствительного элемента. Погрешности, вызываемые влиянием различных физических величин, должны быть исключены либо конструктивным путем (например, исключением поперечных усилий в силоизмерительных устройствах), либо компенсацией действия влияющих физических величин (в чувствительных элементах, выходной сигнал которых зависит не только от измеряемой величины, но и от других влияющих величин). Например, на тензорезисторный измеритель силы, чувствительный к колебаниям температуры, влияет также влажность окружающей среды.