1.3 Теория измерительных преобразователей

В большинстве случаев измерительные преобразователи (ИП) рассматриваются как устройства с двумя сторонами – входной и выходной. При этом физическая природа этих величин может быть весьма различной. Чаще всего одна из сторон является электрической, а другая – любой неэлектрической величиной. Если при описании ИП требуется введение параметров других внешних воздействий (помех) то вводится третья сторона. В случаях преобразования кинетической энергии основание уравнения двусторонних обратимых преобразователей могут быть записаны в виде:

Q₁=Z₁₁g₁+Z₁₂g₂;

Q₂=Z₂₁g₁+Z₂₂g₂.

В зависимости от конкретного физического смысла обобщенных сил Q_i и обобщенных скоростей g_i, сопротивления Z_ik могут быть электрическими, механическими, тепловыми и другими.

В случаях, когда преобразование основывается на использовании потенциальной энергии уравнения записываются ввиде:

Q₁=C₁₁g₁+C₁₂g₂;

Q₂=C₂₁g₁+C₂₂g₂.

В качестве аргументов здесь фигурируют не скорости, а обобщенные перемещения g_i и упругости C_ik.

Приведенные выше уравнения можно разрешить относительно любых входящих в них сил, скоростей, перемещений и получить по шесть конкретных уравнений. Например, разрешая уравнения относительно скоростей с помощью определителя _z, получим:

g₁=(Z₂₂/Z)Q₁-(Z₁₂/Z)Q₂;

g₂=-(Z₂₁/Z)Q₁+(Z₁₁/Z)Q₂.

Далее возможны варианты производных уравнений, например, [Q₁,g₂],[Q₂,g₁].

Особое место занимают формы уравнений следующих видов:

Q₁=a₁₁Q₂+a₁₂g₂; Q₂=(a₂₂/_A)Q₁-(a₁₂/_A)g₁;

g₁=a₂₁Q₂+a₂₂g₂ , и g₂=-(a₂₁/_A)Q₁+(a₁₁/_A)g₁,

Анализируя полученные системы уравнений, отметим, что первая из них соответствует действию преобразователя в качестве “генератора”, а вторая в качестве “двигателя”. Это соответствует описанию генераторных и параметрических типов преобразователей.

В заключении отметим, что произвол в выборе обобщенных сил и скоростей приводит лишь к двойственности знаков при взаимных членах исходных уравнений:

Q₁=Z₁₁g₁ Z₁₂g₂;

Q₂= Z₂₁g₁+Z₂₂g₂.

Подробный анализ четырехполюсников приведен в [2].

В качестве примера составим полную систему уравнений магнитоэлектрического преобразователя. Механическая сила F, возникающая при протекании по катушке тока i, равна

F=iBl=K_ЭМi,

где B – индукция в зазоре магнита; l – длина проводника в катушке; K_ЭМ=Bl – коэффициент электромагнитной связи.

ЭДС, наводимая в катушке при ее движении в магнитном поле, равна e=-dФ/dt=-vBl=-K_ЭМv,

где v – скорость движения катушки.

Для составления полной системы уравнений обозначим R₀+jL=Z₀F/v=Z_MX, тогда:

U=Z₀i-K_ЭМv ;

F=Z_MXv+K_ЭМi.

При составлении системы уравнений в качестве обобщенных сил выбраны F и U, скорости v и i, сопротивления Z_MX и Z₀.

1.4. Основные понятия и определения. Классификация измерительных преобразователей. Основные характеристики и параметры измерительных преобразователей

1.4.1. Основные понятия и определения

В метрологической практике используется несколько терминов, связанных тем или иным образом с процессом измерительного преобразователя. Чувствительный элемент средства измерения – это часть первого в измерительном канале измерительного преобразователя, воспринимающая входной измерительный сигнал. Измерительный преобразователь – это техническое средство, служащее для преобразования измеряемой величины в другую величину или сигнал измерительной информации, удобной для обработки, хранения, дальнейших преобразований, индикации или передачи и имеющие нормированные метрологические характеристики. Как правило, ИП самостоятельного значения как средство измерения не имеет, но входит в состав какого-либо измерительного прибора. Например, термопара в термоэлектрическом термометре. Первичный измерительный преобразователь – это измерительный преобразователь, на который непосредственно воздействует измеряемая физическая величина, т.е. первый преобразователь в измерительной цепи измерительного прибора, установки системы. В одном средстве может быть несколько первичных преобразователей.

Промежуточный измерительный преобразователь – это ИП, занимающий место в измерительной цепи после первичного преобразователя.

Датчик – это конструктивно обособленный первичный ИП, от которого поступают сигналы измерительной информации (“дает” информацию в законченном виде). Датчик может быть вынесен на значительное расстояние от средства измерения, принимающего его сигналы.

Сложные ИП содержат, как правило, все перечисленные выше преобразователи.