7.2. Основные характеристики датчиков и устройств первичного преобразования информации

В настоящее время производители разрабатывают унифициро­ванные системы взаимозаменяемых устройств получения инфор­мации о состоянии управляемого объекта. Эти системы объединяют различные приборы для измерения абсолютного, вакуумметрического, избыточного давлений, перепада давления, тяги и напора, температур, расхода жидких и газообразных сред, уровня и плотности жидких сред, вязкости, усилия и т. д.

Основными характеристиками этих устройств являются: входная величина, воспринимаемая и преобразуемая датчиком; выходная величина, используемая для передачи информации; статическая характеристика датчика; динамическая характеристика датчика; порог чувствительности; основная и дополнительные погрешности.

Рассмотрим подробнее основные характеристики датчиков и устройств первичного преобразования полученной информации.

Входные величины всех датчиков можно разделить на два класса:

• величины, характеризующие протекание управляемых процес­сов (ток или напряжение, перемещение, расход, упругость, масса и т.п.);

• величины, характеризующие свойства и состав веществ (кон­центрация, температура, влажность и т.п.).

Выходная величина, используемая для передачи информации, обычно модулируется по амплитуде, по временному признаку (час­тота, фаза и т. д.), по кодовому признаку, а также по пространствен­ному признаку (чередование сигналов в каналах связи).

В настоящее время наиболее употребительны выходные сигналы:

• напряжения постоянного тока, изменяющиеся от 0 до 20 — 100 мВ, либо от 0 до 5 —100 мА, получаемые от термопар, тензометров и т.п.;

• напряжения переменного тока от 0,5 до 1 В с частотой от 100 до 2500 Гц, получаемые от индуктивных и трансформаторных датчи­ков (давление воздуха 20—100 кПа);

• импульсы постоянного и переменного тока, модулированные по амплитуде, ширине, фазе или частоте.

Расширение использования информационно-вычислительных и управляющих комплексов в системах автоматизации и управления выдвинуло ряд дополнительных требований к выходным сигналам датчиков, а именно: легкость преобразования сигналов в цифровую форму; возможность простой коммутации без снижения точности передачи информации; обеспечение максимальной унификации выходных сигналов. Этим требованиям удовлетворяют сигналы высокого уровня, импульсные сигналы, а также кодовые или циф­ровые сигналы.

Наиболее приемлемой формой статической характеристики для большинства датчиков является линейная характеристика. Для датчиков, нелинейная статическая характеристика которых не имеет разрывов, применяются корректирующие усилители, осуществляющие линеаризацию их статической характеристики. Наряду с линейными датчиками широкое распространение получили датчики с различными позиционными (релейными) характеристиками.

Динамическая характеристика датчика определяет поведение датчика при изменениях входной величины и определяется внутренней структурой датчика и его элементов. Динамические свойства датчиков задаются передаточными функциями, дифференциальными уравнениями, переходными, амплитудно-фазовыми, амплитудно-частотными, фазовыми и другими характеристиками.

Порог чувствительности датчика — минимальное изменение входной величины, вызывающее изменение выходного сигнала.

Основная погрешность датчика—максимальная разность между получаемой в нормальных эксплуатационных условиях величиной выходного сигнала и его номинальным значением, определяемым по статической характеристике для данной входной величины. Основная погрешность выражается как в абсолютных, так и в относительных единицах. В последнем случае погрешность обычно относят к разности предельных значений выходной величины и выражают в процентах.

Для наиболее распространенных типов датчиков статические характеристики стандартизируются с указанием допустимых откло­нений статических характеристик от номинальных значений. Так, например, номинальные статические характеристики (НСХ) для стандартных типов термоэлектрических преобразователей — термопар — установлены ГОСТ 3044 — 84, согласованным со стандар­том Международной электротехнической комиссии МЭК 584 — 1.1977. Целесообразность введения такой стандартизации НСХ датчиков температуры обусловлена их чрезвычайно широким исполь­зованием: в промышленно развитых странах к датчикам температуры относится более 15% всех видов датчиков.

Дополнительные погрешности датчика — погрешности, вызываемые изменениями внешних условий, по сравнению с нормальными эксплуатационными условиями. Выражаются обычно в процентах, отнесенных к изменению вызвавшего их фактора (например, температурная погрешность 1,5% на 10°С).