Тема 2. Системы автоматического контроля. Классификация. Устройство.

2.1. Классификация приборов в электрических измерениях

Исполнение и выполняемые задачи систем контроля определяется целью, которую мы хотим достичь путем измерения.

Перечень возможных целей:

— Исследование. Задачей проведения исследования является расширение нашего понимания различного рода природных и искусственных физических состояний и явлений. Поэтому при исследовании окружающей среды измерительные системы обычно должны быть способны измерять в широком диапазоне с прекрасной линейностью и хорошей динамической характеристикой.

— Измерение расходуемых величин. Измерения расхода выполняются, прежде всего, для количественного определения и регистрации полученной или поглощенной величины. Возьмем, к примеру, электрический счетчик (измеритель кВт_*ч), имеющийся в каждом доме, или электронные весы в магазине. Наиболее важным аспектом для такого рода применений является точность измерения, поскольку потребитель должен правильно расплатиться за полученное количество. Поэтому регулярная калибровка оборудования часто является требованием закона.

— Опасность. Часто измерения предпринимаются для обеспечения безопасности людей и окружающей среды, например, измерения уровня радиации или концентрации токсичных веществ, скажем, в питьевой воде. Для этих систем безопасности решающим является фактор надежности; систем всегда должна функционировать в соответствии с ее техническими характеристиками. Если, тем не менее, произойдёт авария это не должно приводить к опасным ситуациям; система должна быть надёжной.

— Калибровка. Здесь целью измерения является определение, соответствует ли продукция определённым требованиям. Это требует регулярной калибровки пределов интервала допустимых отклонений в измерениях, по результатам которых производится принятие или отбраковывание.

— Управление процессам. В промышленности, например, целью многих измерений является получение информации о состоянии данного процесса. Тогда на основе этих измерений может быть проведена коррекция. Если по результатам измерений параметры измеряемого процесса варьируются, то измерительная система является частью петли обратной связи. Решающей здесь становится динамическая характеристика измерительной системы, поскольку она будет влиять на стабильность или нестабильность системы текущего контроля.

Обычно в измерительной системе измеряемая физическая величина при первой возможности преобразуется в электрический сигнал. Это делается постольку, поскольку электрический сигнал легко можно преобразовать почти в любую желаемую форму. Разнообразие имеющихся электронных операции позволяет нам быстро и недорого реализовать необходимую обработку сигнала.

У быстрого развития электронной обработки сигналов имеется несколько причин. Прежде всего, с помощью электронных схем очень легки реализуется усиление сигнала. В процессе усиления увеличивается мощность сигнала без существенной потери информации. Поэтому, используя электронное оборудование, можно получить высокую чувствительность. Например, фотоумножитель позволяет легко достигать коэффициента усиления тока равного 10⁶ — 10⁸.

Во-вторых, использование электроники дает возможность проводить измерения с минимальным воздействием на объект измерения. Например мощность, отбираемая из жидкости при измерении рН электромеханическим усилителем, менее 10^-15 Вт.

К тому же, электронные схемы бесшумны, поскольку не имеют движущихся частей, свободны от износа и им присуще относительно низкое потребление энергии.

Вероятно, одним из наиболее значительных достоинств электронных систем является скорость, с которой они могут обрабатывать быстро протекающее явление, что связано с отсутствием движущихся частей, обладающих инерцией. Могут быть обнаружены даже события, происходящие в течении 100 пс. Частотный диапазон электронных схем может простираться выше 10 ГГц.

Кроме того, электронная обработка сигнала обладает значительной гибкостью; почти без ограничений можно реализовывать многочисленные функции и комбинировать их для создания более сложных функций. Измерительная информация легко передается на большие расстояния (телеметрия) в широкой полосе частот и с очень низкой чувствительностью к помехам.

Однако электронные приборы имеют все-таки свои недостатки: невозможна обработки сигнала большой мощности (для этого нужны гидравлические сигналы), надёжность аппаратуры часто ниже требуемой и, наконец, она крайне чувствительна к таким внешним воздействиям, как температура, влажность, радиация и т.д.

В дальнейшем при рассмотрении измерительных преобразователей мы ограничимся датчиками, преобразующими неэлектрическую физическую величину в электрическую величину (входные преобразователи) и наоборот, преобразователями, осуществляющими преобразование электрической величины в неэлектрическую физическую величину (выходные преобразователи). Начнём мы с входных преобразователей, а выходными преобразователями в дальнейшем.