11 Измерительные преобразователи. Структура и методы преобразований

Измерительный преобразователь (ИП) – это средство для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и (или) хранения информации, но не поддающийся непосредственному восприятию наблюдателем.

С труктура измерительных преобразователей

ИП может состоять из нескольких преобразовательных элементов (ПЭ), в каждом из которых происходит одна из последовательных элементарных операций преобразования измерительного сигнала x. Первый в данной последовательности ПЭ, на который непосредственно воздействует измеряемая величина, называют чувствительным элементом (ЧЭ). ИП механического давления (силы) р состоит из трех ПЭ (рис. 2.1).

Каждый из этих элементов не имеет своих нормированных характеристик, но сумма их погрешностей будет обусловливать нормированную погрешность преобразования всего ИП. Аналогично и в конструктивном плане. Элементы данного преобразователя в совокупности образуют единую конструкцию, помешенную в корпус 4, который имеет штуцер, через который поступает на мембрану измеряемое давление; и клеммы для подачи напряжения питания моста и съема выходного электрического сигнала.

Рис.2.1- – Измерительный преобразователь механического давления:

1 – мембрана, 2 – приклеиваемый тензорезистор, 3 – мост сопротивления, 4 – корпус

С точки зрения их функционирования (принципа действия) ИП, все они основаны на 2-х методах:

1) метод прямого преобразования

2) метод уравновешивающего преобразования.

Метод прямого преобразования характеризуется тем, что все преобразования информации ведут в одном, прямом направлении - от входной величины х через цепочку преобразовательных элементов ПЭ1, ПЭ2,…ПЭn к выходной у (рис. 2.2,а). Этот метод преобразования обладает максимальным быстродействием и простотой схемой реализации. Но общая погрешность преобразователя определяется погрешностями всех ПЭ схемы, что не позволяет получить высокую точность измерения.

М етод уравновешивающего преобразования заключается в том, что в измерительном устройстве используются две цепи преобразовательных элементов — цепь прямого преобразования, состоящая из элементов ПЭ1, ПЭ2, .... ПЭn, и цепь обратного преобразования, состоящая из обратного преобразовательного элемента ОПЭ (рис. 2.2,б). С помощью ОПЭ создается уравновешивающий сигнал Xy либо однородный/неоднородный с входным измеряемым сигналом х. Нa вход элемента ПЭ1 поступает сигнал рассогласования, равный либо разности величин х — х_у, либо функционалу от их разности. В зависимости от функциональной схемы цепей прямого и обратного преобразования связь между выходным и входным сигналами может быть линейной либо нелинейной.

Рис 2.2 - Методы прямого а) и урав-новеши-вающего б) преоб-разования

Существуют 2 основных разновидности метода уравновешивающего преобразования:

1. метод одновременного сравнения измеряемой и уравновешивающей величин

2. метод их разновременного сравнения.

По первому методу ЭС подвергается одновременному воздействию двухвзаимо-уравновешивающих сигналов x и Xy.

По второму методу ЭС имеет только один вход, на который через коммутатор (ключ) Кл поочередно подается либо входная величина х, либо компенсирующая величина Ху. Данный метод преобразования часто называют методом замещения, так как эффект воздействия входной измеряемой величины х на чувствительный элемент замещается эффектом воздействия на него регулируемой уравновешивающей величины Ху (рис. 2.3). Изменение Xy происходит до тех пор, пока не станут идентичными результаты воздействия на измерительный преобразователь обеих величин. Так как метод замещения основан на разновременном сравнении, необходимо в составе преобразователя иметь запоминающее устройство (ЗУ) для хранения результата воздействия входного сигнала.

Рис.2.3 - Метод замещения: Кл – ключ, ЭС – элемент сравнения, ЗУ – запоминающее устройство; ОПЭ – обратный преобразовательный элемент; ПЭ – преобразовательный элемент.

Применение одного и того же ЭС при методе замещения позволяет избавиться от погрешности неидентичности эффектов воздействия на чувствительный элемент величин х и Ху, характерной для метода одновременного сравнения, однако преобразователи, использующие метод замещения, обладают значительно меньшим быстродействием и более сложной структурой.