3.4. Статичні й динамічні характеристики вимірювальних перетворювачів

Статична характеристика вимірювального перетворювача - це функціональна залежність між вхідний x і вихідний y величинами в режимі, що встановився. Як і будь-яку функцію, статичну характеристику можна представити аналітично (рівнянням), у вигляді графіка або таблицею. Звичайно в рівняння перетворення входять конструктивні параметри. Для реального перетворювача статичну характеристику можна одержати експериментально. Для більш наочного сприйняття дуже широко використовують графічну форму вистави статичної характеристики. Найбільше часто використовувані статичні характеристики датчиків представлені на рис.3.3.

Рис. 3.3. Статистичні характеристики ВП: a – лінійна; б – нелінійна; в – з холостим ходом та зоною нечутливості; г – з ділянкою насичення; д – релейний вид; е – з петелю гістерезису.

У загальному випадку статичні характеристики ВП не відрізняються від аналогічних характеристик узагальнених ланок систем керування, тому що самі входять у їхнє число.

Статична характеристика може бути лінійної й нелінійної (рис.3.3, а, б). При цьому необхідно відрізняти нелінійність як необхідну функціональну залежність експонентну, логарифмічну) від властиво нелінійності як погрішності лінійності. У загальному випадку рівняння перетворення для лінійної статичної характеристики має вигляд

де B - постійна; K- коефіцієнт перетворення.

Якщо B = 0, то графік рівняння проходить через початок координат і ВП не має ні вихідного сигналу холостого ходу в₀, ні зони нечутливості 0...x₀ (див. рис.3.3, а).

При B > 0 характеристика зміщена відносно початку координат по осі абсцис на величину вихідного сигналу холостого ходу y₀ = В (рис.3.3, в, пряма 1).

При B < 0 характеристика має зону нечутливості 0...x₀, у межах якої при зміні x y = 0 (рис.3.3, в, пряма 2).

Статична характеристика може мати ділянка насичення (рис.3.3, г), тоді вона описується двома рівняннями: на ділянці 0...x_к рівнянням у=Kx; на ділянці x > x_к рівнянням y = yh.

При K = ∞ характеристика має релейний характер (рис.3.3, д). Така характеристика, властива датчикам позиційного регулювання, характеризується коефіцієнтом повернення

де x_отп, x_ср - значення вхідного сигналу, що забезпечують відповідно відпускання й спрацьовування датчика (реле).

Ряд датчиків має неоднозначність ходу статичної характеристики при збільшенні й зменшенні вхідної величини x (рис.3.3, е). Це явище зветься гістерезису й характеризується відповідним коефіцієнтом:

де x_Г - ширина зони неоднозначності; x_к, x_н - значення відповідно кінця й почала робочого діапазону вхідної величини.

На рис.3.1 представлені характеристики однотактні (нереверсивних) датчиків. Характеристики двотактних датчиків мають другу аналогічну галузі, розташовану в третьому квадранті симетрично початку координат. Нелінійну характеристику можна перетворити в лінійну або функціональну за допомогою апроксимації.

Для нелінійних характеристик коефіцієнт перетворення не є постійною величиною, тому в цьому випадку використовують диференціальний коефіцієнт перетворення K_Д, під яким розуміють межа відносини вихідний і вхідний величин:

Диференціальний коефіцієнт перетворення в загальному випадку міняється від крапки до крапки й визначається кутом а нахилу дотичній до характеристики в робочій крапці; K_Д = tgα. Коефіцієнт перетворення характеризує чутливість датчика K_s і залежно від найменування вхідний і вихідний величин може бути представлений у розмірному або безрозмірному виді.

Якщо на характеристиці виділити лінійна ділянка, у межах якого працює перетворювач, то різниця між верхнім і нижнім значеннями вхідного (вихідного) сигналу визначає робочий діапазон Δ_р його зміни, а їх відношення - динамічний діапазон Δ_д ( рис.3.3, б):

Поріг чутливості - це мінімальне значення вхідного сигналу х, що викликає появу помітного вихідного сигналу в.

Погрішності датчиків діляться на основні й додаткові. Основна погрішність датчика - максимальна різниця між обмірюваним значенням вихідного сигналу y_р і його дійсним значенням у_к, обумовленим по ідеальній статичній характеристиці для даної вхідної величини при нормальних експлуатаційних умовах. Вона може виражатися як в абсолютних одиницях: Δ = y_р - y_И, так і у відносні. В останньому випадку вона дорівнює відношенню абсолютної погрішності до дійсного значення вихідного сигналу:

Можна використовувати відносну наведену погрішність γ, рівну відношенню максимальної абсолютної погрішності Δ у діапазоні вимірюваної величини до верхнього значення цього діапазону y_к у відсотках:

Додаткові погрішності - це погрішності, викликувані умовами зовнішнього середовища й внутрішніми процесами в деталях перетворювача. До цих процесів можна віднести: зміни температури, вологості; коливання напруги джерела живлення, механічні впливи; старіння й зношування матеріалу. Додаткова погрішність виражається звичайно у відсотках зміни вихідної величини на певну величину параметра, що обурює.

Залежно від специфіки застосування датчиків погрішності нормуються абсолютним значенням, відносним або класом точності, що визначаються узагальненою характеристикою основною наведеної й додаткових погрішностей.

Статичні характеристики дозволяють оцінити роботу перетворювачів у режимі, що встановився. Однак у реальних умовах датчикам іноді доводиться працювати в умовах швидкоплинних процесів, тобто в динамічному режимі, коли на вхід надходять сигнали, що змінюються в часі. У цих випадках починають проявлятися явища відставання вихідного сигналу від вхідної зміни його частоти, фази, амплітуди.

По динамічних характеристиках більшість датчиків ставиться до підсилювальних, аперіодичним і коливальним ланкам першого й більш високих порядків. Найбільш використовувані характеристики датчиків: частотна характеристика й передатна функція, а параметри - постійна часу, час запізнювання й коефіцієнт підсилення.