12.2 Нормируемые метрологические характеристики автоматизированных устройств

Датчики являются одним из важнейших функциональных элементов любой системы контроля. Их свойства и характеристики очень часто во многом определяют характеристики автоматизированных систем научных исследований (АСНИ) в целом. Но кроме общих требований, характерных для любых элементов АСНИ, предъявляются также и ряд дополнительных требований. Все эти требования сводятся в основном к следующим:

1. определенность и однозначность зависимости между выходной и входной величинами датчика;

2. высокая чувствительность к изменениям контролируемых параметров;

3. минимальное обратное воздействие датчика на контролируемый параметр;

4. быстродействие;

5. высокая перегрузочная способность;

6. стабильность характеристик во времени;

7. стабильность характеристик при изменении температуры, влажности, давления и т.д.

8. устойчивость к механическим, термическим, химическим и другим воздействиям;

9. взаимозаменяемость однотипных датчиков;

10. искровзрывобезопасность;

11. простота и технологичность конструкции;

12. удобство и простота монтажа и обслуживания;

13. малые габариты и вес;

14. невысокая стоимость.

Не все датчики, применяемые в настоящее время в АСНИ, удовлетворяют перечисленным выше требованиям. Насколько тот или иной датчик удовлетворяет этим требованиям, судят обычно по его характеристикам, которые в свою очередь зависят от принципа действия датчика, его конструкции, применяемых материалов и т.д.

Важнейшей характеристикой любого датчика является зависимость между выходной величиной «У» и контролируемым параметром «X»:

У=f(Х)

Эта зависимость может выражать некоторый закон (или законы), которому подчиняется явление, положенное в основу работы датчика; она может быть получена также как результат эксперимента, в процессе которого для различных значений контролируемого параметра «X» находят соответствующие значения «У». Также экспериментальное определение зависимости У= f (Х) датчика выражают обычно в виде таблиц, графиков или аналитически и называют градуировкой.

Очень часто выходная величина датчика «У» зависит не только от контролируемого параметра «X», но и от ряда других факторов Z₁,Z₂,…Z_n, действующих одновременно с «X». В этом случае

У=φ(Х, Z₁,Z₂,…Z_n).

Для того, чтобы получить однозначную зависимость между «У» и контролируемым параметром, необходимо устранить или уменьшить воздействие на датчик посторонних факторов Z₁,Z₂,…Z_n. Это достигается различными способами: экранирование и изоляция датчиков от воздействия Z₁,Z₂,…Z_n компенсация этих воздействий, стабилизация их и т.д.

Важной характеристикой датчика является его чувствительность, которая определятся как отношение изменения выходной величины ∆У к вызвавшему это изменение изменению контролируемого параметра ∆Х. В зависимости от того, какие изменения «X» и «У» учитывать (абсолютные или относительные) можно получить четыре формы для выражения чувствительности S:

S=∆У/У/∆Х;

S=∆У/∆Х;

S=∆У/∆Х/Х;

S=∆У/У/∆Х/Х.

При взаимодействии датчика и контролируемого параметра имеет место не только воздействие параметра на датчик, но и обратное воздействие датчика на воспринимаемый им параметр, которое приводит к некоторому изменению или искажению контролируемого параметра.

Так, например, термопара несколько искажает температурное поле объекта, т.к. температура в некоторой области после введения в нее термопары отличается от той температуры, которая была до введения термопары. Обратное воздействие датчика на контролируемый параметр обычно трудно поддается анализу и количественной оценке.

Быстродействие датчика определяется его динамической характеристикой, которая может быть представлена различными способами:

а) кривой переходного процесса, т.е. зависимостью выходной величины датчика от времени при скачкообразном изменении контролируемого параметра;

б) амплитудно-фазовой характеристикой, представляющей собой зависимость амплитуды и фазы выходной величины от частоты контролируемого параметра, который является синусоидальной функцией времени;

в) двумя отдельными характеристиками - амплитудной и фазовой.

Обычно быстродействие датчика характеризуют интервалом времени между изменением контролируемого параметра и соответствующим изменением выходной величины.

Для характеристики перегрузочной способности датчика указываются максимальные значения контролируемого параметра и время их действия, при которых датчик не выходит из строя. Часто перегрузочная способность датчика задается в виде отношения максимального значения контролируемого параметра к номинальному диапазону его изменений.

При оценке того или иного датчика большую роль играет стабильность его характеристик во времени при изменении внешних условий (температуры, давления, влажности и т.п.). Поэтому для каждого типа датчика обычно указываются временные, температурные и другие интервалы, в пределах которых характеристики датчика (передаточная функция, чувствительность и пр.) остаются в допустимых, наперед заданных границах.

Немаловажное значение имеют такие характеристики датчиков, как взаимозаменяемость, устойчивость против внешних воздействий, габариты, вес, стоимость, простота обслуживания и т.д. Некоторые из характеристик имеют однозначную численную оценку (вес, стоимость), другие оцениваются обычно только качественно (например, простота обслуживания).