4. Измерительные преобразователи

Измерительное преобразование играет крайне важную роль в процессах измерения и может осуществляться многочисленными способами. Хотя входные сигналы измерительных преобразователей весьма разнообразны, число физических величин, применимых в качестве выходных сигналов, ограничено.

Преобразование основано на физических и физико-химических явлениях, определяющих зависимость между входными и выходными сигналами измерительных преобразователей. В настоящее время применяется большое число измерительных преобразователей различных принципов действия: емкостный, пьезоэлектрический, тензорезистивный, потенциометрический, термисторный, эффекты Холла, Кориолиса и др.

Замечание

Наиболее широко используется около тридцати традиционных физических явлений и эффектов, на основе которых сконструированы датчики. В результате разработки новых методов усиления сигналов расширяется выбор физических эффектов. Расширение номенклатуры материалов открывает новые возможности преобразования физических величин. Известно более 400 физических явлений, которые можно положить в основу создания новых средств измерений. Быстрое развитие полупроводниковой электроники часто изменяет подход к построению измерительных преобразователей.

Измерительные преобразователи разделяются также по виду энергии (механическая 1, электрическая 2, магнитная 3, тепловая 4, энергия излучения 5, химическая 6). На рис. 11 представлены возможные комбинации входного (или измеряемого) сигнала, выходного сигнала и сигнала возбуждения для различных типов преобразователей.

Классификация преобразователей может быть выполнена также и по их практическому применению (рис. 12). Измерительные преобразователи, используемые в каждой конкретной области, например для измерения давления, температуры, расхода и т. д., рассматриваются в соответствующих разделах этой главы.

Рис. 11. Схема к классификации измерительных преобразователей по виду преобразованной энергии

Измерительные преобразователи — основные элементы, определяющие качество и стоимость информационно-измерительных и, следовательно, управляющих систем. Можно привести следующие ориентировочные данные:

измерительные преобразователи (датчики) — 40 % общей стоимости;

устройства обработки данных — 20 % общей стоимости;

устройства регистрации, отображения — 40 % общей стоимости.

Рис. 12. Классификация первичных измерительных преобразователей (датчиков) по виду измеряемой величины

Современный этап развития этой области техники характеризуется разработкой многофункциональных интеллектуальных датчиков, обеспечивающих высокую точность, надежность, длительный срок службы.

Под интеллектуальным датчиком следует понимать датчик со встроенным микроконтроллером (своего рода — «интеллектом»). Интеллектуальный датчик имеет связь с системой управления, посылает ей не только измерительную информацию, но и результаты самодиагностики, информацию о сбоях, меняет свое метрологическое состояние по указанию «центра» и выполняет другие внешние и внутренние функции.

Интеллектуальный датчик содержит следующие основные компоненты: прецизионный усилитель с регулируемым коэффициентом усиления, высокоточный АЦП и микроконтроллер. Естественно, что для подключения интеллектуального датчика к сети сбора информации, в датчике должно быть предусмотрено средство, поддерживающее протокол обмена данными согласно какому-либо сетевому стандарту. Для обеспечения малого энергопотребления, низкой стоимости, высокой надежности интеллектуального датчика все его компоненты должны быть интегрированы на одном кристалле.