ПРИБОРЫ ВЫДАЧИ ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ИНФОРМАЦИИ
Введение
Различают аналоговые и дискретные методы выдачи измеритель ной информации. В обоих случаях простейшей формой выдачи является отображение результатов измерения на визуально считываемой шкале указывающего устройства. Для отображение тенденций изменения измеряемой величины существует ряд аналоговых и цифровых методов, более подробно описываемых ниже
Аналоговые приборы выдачи информации
Из показывающих приборов в настоящей главе описаны приборы магнитоэлектрической, электромагнитной и электродинамический систем. В измерительном: устройстве эти приборы могут быть использованы либо для непосредственного отображения измерительной информации, либо в качестве устройств, отображающих аналоговые значения преобразованных цифро-аналоговым преобразованием дискретных значений измеряемых величин. Регистрируемые приборы, называемые самописцами, устанавливают в тех случаях, когда необходимо фиксировать изменение измеряемых величин во времени. Диаграммные записи наглядны; при правильном выборе диапазона измерениям скорости перемещения бумаги они фиксируют существенные изменения измеряемых величин и являются надежным документом,, отражающим ход производственных процессов. В основном применяют точечные регистраторы и приборы с непрерывной записью, При повышенных требованиях к точности используют компенсационные регистраторы или устройства записи в координатахX—Y (координатные регистраторы).
ПОКАЗЫВАЮЩИЕ ПРИБОРЫ
В первую очередь к этой группе приборов относятся приборы с магнитоэлектрической системой, в которых жестко связанная со стрелкой поворотная рамка вращается в однородном поле постоянного магнита. Возникающий при протекании тока по рамке крутящий момент отклоняет ее до тех пор, пока развиваемое возвратной пружиной усилие не уравновесит его. Шкала прибора строго линейна. Направление отклонения стрелки зависит только от направления тока, так что нулевая отметка может находиться внутри шкалы. Минимально достижимые диапазоны измерения прецизионных приборов составляют примерно 0,3 мкА (или 0,3 мВ), а для щитовых приборов 1 мкА (или 10 мВ). Потребляемая мощность в наилучшее случае не превышает ~1 мкВт.
В электромагнитных приборах вращающийся железный сердечник, жестко связанный со стрелкой, и неподвижный сердечник намагничиваются полем охватывающей их катушки. Под действием сил взаимного отталкивания возникает вращающий момент, уравновешиваемый усилием возвратной пружины. Подбирая форму сердечников и обмотки, можно обеспечить примерно линейную градуировку шкалы, хотя зависимость между током в катушке и развиваемым выталкивающим усилием — квадратичная. Приборы электромагнитной системы измеряют эффективное значение тока и потому применимы для измерений как постоянного, так и переменного токов. Минимально достижимые диапазоны измерений составляют 1 мА (или 1,5 В). Потребляемая мощность ~0,1 В*А.
В приборах с поворотным магнитом плоский магнит, жестко соединенный с указателем, устанавливается в направлении результирующей полей, создаваемых неподвижной, обтекаемой током катушкой и устанавливающим магнитом. Шкала приблизительно линейна. Так как подвижный элемент не связан с токопроводящими проводами и не несет на себе возвратных пружин, он достаточно легок и виброустойчив. Минимально достижимые диапазоны измерений составляют ~400 мкА (или 4 В).
ТОЧЕЧНЫЕ РЕГИСТРАТОРЫ
В точечных регистраторах свободно подвешенная стрелка (задающая душка) периодически прижимается к красящей ленте, установленной над диаграммной бумагой. Пишущая кромка образует хорду окружности, описываемой стрелкой измерителя, что обеспечивает достаточную линейность шкалы. Последовательность точек, образует линию, характеризующую значения изменения измеряемой величины. Метод регистрации позволяет использовать высокочувствительные механизмы, с малой потребляемой мощностью, развивающих малый крутящий момент. При регистрации медленно изменяющихся величин регистратор может быть использован для многоточечной регистрации. Одновременно с переключением контролируемых точек смещается красящая лента, в результате чего отдельные кривые записываются разными цветами. Потребляемая мощность ~10-7 Вт.
ИЗМЕРИТЕЛИ И РЕГИСТРАТОРЫ С НЕПРЕРЫВНОЙ ЗАПИСЬЮ
В регистраторах этого типа стрелка измерительного устройства жестко соединена с регистрирующим механизмом. Стрелка таких приборов должна обладать большей жесткостью, чем в точечных регистраторах, а измерительное устройство должно развивать большой крутящий момент, так как необходимо преодолеть трение между пером и бумагой. Прямолинейная запись достигается при помощи эллиптического выпрямляющею механизма. В приборах с непрерывной записью стрелка снабжается пером с капилляром; чернила подаются по тонкой трубке (шлангу) из специального баллончика. Такое устройство позволяет запасать линию длиной до 4500 м (потребляемая мощность 10-3 Вт, при наличии усилителя 10-7—10-9 Вт).
При выборе регистратора его чувствительность не всегда является ограничивающим фактором, поскольку существуют регистраторы со встроенными измерительными усилителями.
КОМПЕНСАЦИОННЫЕ РЕГИСТРИРУЮЩИЕ ПРИБОРЫ
Часто точность регистрирующих приборов прямого преобразования оказывается недостаточной. В этих случаях применяют автоматические регистраторы компенсационного типа. Такие самопишущие приборы выпускаются с точечной записью на 6 или 12 точек измерения и с линейной записью на 1-6 точек измерения.
Входное напряжение Uxсопоставляется с выходным напряжением моста Уитстона Ur. При неравенстве этих напряжений возникает разность напряжений DU, которая приводит в движение двигатель, перемещающий движок компенсирующего потенциометра P до момента изчезновения DU . Одновременно с движком перемещается каретка с пером, регистрирующим измеряемую величину. Минимальный диапазон измерения 1 мВ, достижимая точность ±0,25%. Подобные устройства позволяют представить измеряемые величины в виде функции времени. При необходимости представления зависимости между значениями двух измеряемых величин применяют двухкоординатные регистраторы компенсаторного типа. Диапазоны измерения 0,1; 0,3; 1; 3; 10 мВ; точность ±0,25%.
Приборы выдачи цифровой информации.
В цифровой технике тоже применяют показывающие и регистрирующие способы представления информации, а также цифро-аналоговые преобразователи, позволяющие представлять цифровые величины и аналоговой форме.
ЦИФРОВЫЕ ПРИБОРЫ
Во многих случаях можно ограничиться выдали измерительной информации в виде визуально считываемых показаний, высвечиваемых на различного типа цифровых табло, В отличие от аналоговой формы цифровое представление измерительной информации выгодно тем, что оно ограничивает субъективные ошибки считываний.
Механические приборы цифровой индикации
Существующие механические приборы визуальной цифровой индикации обеспечивают выдачу данных цифрами высотой до одного метра. В общем случае показания приборов легко считываются и сохраняются при отключении прибора. Вследствие их механической инерционности эти приборы применимы только при измерениях медленно изменяющихся величин и потребляют большую мощность. Наиболее распространенными типами приборов являются приборы с цифровой лентой и с цифровым роликом. Цифры каждой декады нанесены на бесконечную движущуюся ленту. Отдельным цифрам измеренного значения, которые должны быть представлены в десятичном коде соответствуют контакты ступенчатого переключателя цифрового показывающего прибора. При соответствии между положением переключателя и имеющимся кодовым значением контакт реле отключает двигатель.
В приборах с цифровым роликом последний укреплен на поворотном магните трехкатушечного логометра и устанавливается в положение, соответствующее измеряемому значению, при помощи трех соединяемых звездой обмоток, переключаемых кодовым преобразователем.
Оптические цифровые показывающие приборы
В оптических цифровых показывающих приборах представление цифр осуществляется при помощи диапозитивов (проекционные цифровые показывающие приборы) или в виде цифр, выделяемых заливающим светом. Оба метода обладают крайне малым временем установления показаний по сравнению с механическими индикаторами. Однако они не обеспечивают запоминания. Максимальная высота цифр около 10 см.
В проекционных цифровых указателях нанесенные на диапозитив цифры от 0 до 9 проецируются каждая своей лампочкой и системой линз на матовое стекло. Другой способ предусматривает использование заливающего света. При этом цифры гравируются ан передней пластине из оргстекла и освещаются лампой помещенной у ее торца. Каждой цифре соответствует собственная пластинка; пластинки установлены друг за другом и являются световодами; свет излучается только в местах гравировки цифр, которые при этом становятся видимыми.
Электронные цифровые приборы.
Электронные цифровые приборы применяют наиболее часто. Используются, в частности, газоразрядные указатели — газонаполненные лампы с холодным катодом, указатели со свето-1иодами (LED) и указатели с жидкими кристаллами [LCD, liquid-crystal display ].
В газонаполненных лампах с холодными катодами против сетчатого анода для каждой цифры установлен соответствующей конфигурации катод из тонкой проволоки.
Анод и десять катодов (от 0 до 9) размещены в пространстве друг за другом. Ввиду высокого рабочего напряжения при управлении полупроводниковыми элементами необходимо уделять особое внимание выбору размеров. В цифровых приборах со светодиодами (из арсенида галлия) цифры образуются из точечных или штриховых сегментов. Световое излучение возбуждается в результате полупроводникового эффекта: под действием подводимой электрической энергии носители зарядов перемещаются на более высокий энергетический уровень. После короткой выдержки они вновь возвращаются на низший энергетический уровень, Этот процесс сопровождается рекомбинацией электронов и дырок, при которой часть энергии отдается в виде излучения (фотонов).