2.1.2. Измерительные преобразователи

Измерительными преобразователями называют средства электрических измерений, предназначенные для выработки сигнала измерительной информации недоступной для непосредственного восприятия наблюдателем в форме удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и (или) хранения.

В основе работы ИП использовано то или иное физическое явление (процесс), происходящее под действием измеряемой физической величины.

Измерительный преобразователь, в основе действия которого лежат прямые преобразования физической величины получил название первичного преобразователя измеряемых величин. Это связано с тем, что он, как правило, является первым звеном измерительной цепи.

Измерительный преобразователь, как правило, предназначен для выпол­нения одного частного измерительного преобразования. Работа измери­тельных преобразователей протекает в сложных условиях, так как объект исследования в большинстве случаев характеризуется множеством параметров, каждый из кото­рых действует на измерительный преобразователь. Задача экспериментатора – получение информации об одном параметре, называемом измеряемой величиной. Все остальные побочные параметры про­цесса измерения относятся к помехам.

Каждому измерительному преоб­разователю приписывается естественная входная величина, для измерения которой на фоне помех данный измерительный преобразователь предназначен. По этому же принципу выделяется естественная выходная величина преобразователя.

Пример:Контактные термометры –термометры сопротивления(в основе действия лежит изменение электросопротивления преобразователя с изменением температуры);термопары(в основе действия лежит термоэлектрический эффект Зеебека).

По виду преобразуемых физических величин преобразователи делятся на:

1. Преобразователи электрических величин в электрические - это добавочные сопротивления, шунты и делители напряжения, измерительные трансформаторы т.п.

2. Преобразователи неэлектрических величин в электрические -это индукционные преобразователи (разного рода катушки; гальваномагнитные преобразователи), гальваномагнитные преобразователи (преобразователи Холла, магниторезисторы, магнитодиоды и др.), термоэлектрические преобразователи (термопары, терморезисторы) и т.п.

По виду естественной выходной электрической ве­личины преобразователи подразделяются на:

1. Генераторные (с выходной величиной илии внутрен­ним сопротивлением).

2. Параметрические (с ЭДС и выходной величиной в виде измененияR, L или С как функции от х).

Основные свойства измерительных преобразователей

 Функция преобразования измерительного преобразователя — это зависимость выходной величины от входной, описы­ваемая аналитическим выражением или графиком.

 Чувствительность^* преобразователя — это свойство преобразователя, заключающееся в возможности преобразования измеряемого сигнала в форму, удобную для дальнейшей обработки или позволяющую наблюдателю воспринять значение измеряемой физической величины, оцениваемое с помощью коэффициентов преобразования.

 Коэффициент преобразования (мера чувствительности преобразователя) – отношение изменения сигнала на выходе преобразователя к вызывающему его изменению сигнала на входе преобразователя. Наименование естественной выходной величины преобразователя зависит от природы входной и выходной величин и записывается как отношение единицы входной величины к единице выходной величины.

Пример:- для реостатного преобразователя еди­ница чувствительности – Ом/мм;

- для термопары – мВ/К;

- для фото­элемента - мкА/лм;

- для двигателя - об/(сВ)илиГц/В;

- для галь­ванометра - мм/мкАи т. д.

 Порог чувствительности измерительного преобразователя^* - выражается в единицах измеряемой величины и характеризует предельные возможности при работе в режиме нуль-индикатора (под порогом чувствительности понимают наименьшее изменение входного сигнала, способное вызвать заметное изменение выходной величины преобразователя).

 Ориентационная зависимость преобразователя – свойство преобразователей или измерительных приборов, предназначенных для измерения параметров векторных величин (находит отражение в диаграммах направленности).

 Реальные и номинальные характеристики измерительных преобразователей. В связи с тем, что преобразователи изготавливаются и градуируются индивидуально их характеристики, как правило, несколько отличаются друг от друга, занимая некоторую полосу. Поэтому в, па­спорте измерительного преобразователя приводится либо реальные характеристики присущие каждому преобразователю (например, преобразователи Холла), либо некоторая сред­няя характеристика, называемая номинальной.

Погрешности измерительных преобразователей

Разность между но­минальной (паспортной) и реальной характеристиками преобразо­вателя называется абсолютной погрешностью измерительного преобразователя. Различают систематические, случайные и прогрессирующие погрешности.

 Систематическими называются по­грешности, не изменяющиеся с течением времени или являющиеся не изменяющимися во времени функциями определенных параметров. Систематические погрешности, как правило, могут быть практически полностью устранены введением соответст­вующих поправок.

Постоянные система­тические погрешности внешне себя никак не проявляют и могут долгое время оставаться незамеченными. Они могут быть выявлены путем измерения физической величины либо разными однотипными приборами, либо разными методами. Иногда может быть полезной поверка нуля и чувствительности измерительного прибора путем по­вторной аттестации прибора по образцовым мерам.

К систематическим погрешностям можно отнести 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, что они могут быть скорректированы без выяснения вызвавших их причин введением поправки, лишь в дан­ный момент времени. Далее они вновь монотонно возрастают.

Особенности прогрессирующих погрешностей:

• прогрессирующие погреш­ности требуют непрерывного повторения коррекции, и тем более ча­стого, чем менее желательно их остаточное значение;

• 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.

Для обеспечения возможности масштабирования и распознавания получаемой информации измерительные преобразователи снабжаются (в большинстве случаев) индивидуальными паспортами или ярлыками, где содержатся технические и метрологические характеристики преобразователя. В случае неоднозначной зависимости выходной характеристики преобразователя от входной величины последние снабжаются градировочными зависимостями или градуировочными таблицами (например, термоэлектрические преобразователи или термопары).

Преобразователи в совокупности с оснасткой, элементами подключения и крепления и т.п. получили название датчиков.

Преобразователи (или датчики) могут быть расположены далеко от приборов или устройств обрабатывающих или собирающих и хранящих полученную с них информацию.