3.3. Структурні схеми вимірювальних перетворювачів
Незважаючи на все різноманіття ВП, їхні структурні схеми можна звести до декільком типам (табл. 4.1). Структурна схема прямого однократного перетворення реалізується в багатьох ВП із природніми вихідними сигналами, у яких вимірювана величина перетвориться безпосередньо в електричний сигнал, переміщення або зусилля. Статична характеристика, погрішність і інші властивості тут визначаються параметрами самого чутливого елемента.
У тих випадках, коли первинне перетворення не дозволяє одержати зручний або необхідний для подальшого використання сигнал, застосовують структурні схеми з декількома послідовними перетвореннями, наприклад при необхідності одержання уніфікованого вихідного сигналу, перетворення неелектричної величини в електричну, корекції статичної або динамічної характеристики перетворювача. Сумарний коефіцієнт перетворення (загальна чутливість) можна одержати досить високим, однак при цьому збільшується загальна погрішність перетворення (табл. 3.1).
Табл. 3.1. Типові структурні схеми ВП
* Примітка. У формулах прийняті наступні позначення: x - вимірювана величина; в - вихідна величина; δi - погрішність ланки перетворювача; δП - загальна погрішність перетворювача; K - коефіцієнт перетворення
У датчиках, побудованих за диференціальною схемою, вимірювана величина подається одночасно на два ідентичні вимірювальні перетворювачі. Вихідний сигнал датчика пропорційний різниці вихідних сигналів ВП кожного з каналів. Якщо вихідні сигнали мають однакові знаки, то орган порівняння виконує операцію вирахування, якщо знаки різні - операцію підсумовування.
Можливі варіанти, коли на один із входів подається еталонний сигнал і порівняння здійснюється з ним або інформація перетвориться по одному каналу в реальних умовах, а по іншому - в еталонні.
До переваг диференціальних схем побудови датчиків слід віднести: значне зменшення адитивних (постійних) складових загальної погрішності, обумовлених впливом факторів, що обурюють; збільшення чутливості вдвічі при подачі вхідного сигналу на обоє входу; одержання реверсивної статичної характеристики; зниження нелінійності статичної характеристики й постійних складових вихідного сигналу в порівнянні з характеристиками окремих ВП, що входять у схему.
Найбільш зробленою схемою ВП є схема зі зворотним зв'язком, або компенсаційна схема. У датчиках, побудованих за цією схемою, забезпечується автоматичне зрівноважування контрольованої величини, що компенсує величиною того ж роду безпосередньо або після попереднього перетворення. Основна гідність такої схеми полягає в її здатності компенсувати значні зміни параметрів вимірювального тракту. Крім того, основна частина енергії, необхідної для роботи датчика, береться від додаткових джерел, а не від вимірювального елемента.
Перетворювачі з негативним зворотним зв'язком принципово точніше, чим схеми прямого послідовного перетворення. Негативний зворотний зв'язок суттєво знижує вплив погрішностей ланок прямого ланцюга на результат перетворення. Будь-які помилки й збурювання ланки, не охопленого зворотним зв'язком, повністю передаються на вихід перетворювача, тому при побудові ВП доцільно прагнути до того, щоб охопити зворотним зв'язком якнайбільше ланок. При величині K1K2 = 20...30, що неважко забезпечити на практиці, загальна погрішність перетворення практично визначається тільки погрішністю δ2 зворотного зв'язку, внаслідок чого вимоги до погрішності δ1 прямого каналу можна значно знизити (див. табл. 4.1).
Датчики зі зворотним зв'язком мають високу чутливість і дозволяють легко змінювати параметри настроювання шляхом зміни коефіцієнтів перетворення зворотному ланцюга.
Структурні схеми реальних ВП можуть являти собою будь-яку комбінацію з розглянутих вище типових структур. У ланцюзі послідовного перетворення вимірюваного сигналу прийнято розрізняти первинний вимірювальний перетворювач (чутливий елемент) і проміжні перетворювачі (рис. 3.2). Вимірювана величина впливає безпосередньо на первинний перетворювач. Часто метод первинного перетворення вхідної величини визначає найменування всього вимірювального перетворювача - або приладу. Проміжні перетворювачі можуть виконувати функції посилення, лінеаризації, перетворення роду сигналу й ін.
Рис. 3.2. Бок-схема кола послідовного перетворення