30. Классификация измерительных преобразователей
Измерительный преобразователь (ИП) - техническое средство с нормативными метрологическими характеристиками, служащее для преобразования измеряемой величины в другую величину или измерительный сигнал, удобный для обработки, хранения, индикации или передачи. Измерительная информация на выходе ИП, как правило, недоступна для непосредственного восприятия наблюдателем. Хотя ИП являются конструктивно обособленными элементами, они чаще всего входят в качестве составных частей в более сложные измерительные приборы или установки и самостоятельного значения при проведении измерений не имеют.
По характеру преобразования:
Аналоговый измерительный преобразователь — измерительный преобразователь, преобразующий одну аналоговую величину (аналоговый измерительный сигнал) в другую аналоговую величину (измерительный сигнал);
Аналого-цифровой измерительный преобразователь — измерительный преобразователь, предназначенный для преобразования аналогового измерительного сигнала в цифровой код;
Цифро-аналоговый измерительный преобразователь — измерительный преобразователь, предназначенный для преобразования числового кода в аналоговую величину.
По месту в измерительной цепи:
Первичный измерительный преобразователь — измерительный преобразователь, на который непосредственно воздействует измеряемая физическая величина. Первичный измерительный преобразователь является первым преобразователем в измерительной цепи измерительного прибора;
Датчик — конструктивно обособленный первичный измерительный преобразователь;
Детектор — датчик в области измерений ионизирующих излучений;
Промежуточный измерительный преобразователь — измерительный преобразователь, занимающий место в измерительной цепи после первичного преобразователя.
По другим признакам:
Передающий измерительный преобразователь — измерительный преобразователь, предназначенный для дистанционной передачи сигнала измерительной информации;
Масштабный измерительный преобразователь — измерительный преобразователь, предназначенный для изменения размера величины или измерительного сигнала в заданное число раз.
По принципу действия ИП делятся на генераторные и параметрические.
Статическая характеристика измерительного преобразователя - это функциональная зависимость между входной x и выходной y величинами в установившемся режиме. Как и любую функцию, статическую характеристику можно представить аналитически (уравнением), в виде графика или таблично. Обычно в уравнение преобразования входят конструктивные параметры. Для реального преобразователя статическую характеристику можно получить экспериментально. Для более наглядного восприятия очень широко используют графическую форму представления статической характеристики. Наиболее часто используемые статические характеристики датчиков представлены на рис. 3.1.
По динамическим характеристикам большинство датчиков относится к усилительным, апериодическим и колебательным звеньям первого и более высоких порядков. Наиболее используемые характеристики датчиков: частотная характеристика и передаточная функция, а параметры - постоянная времени, время запаздывания и коэффициент усиления.
Структурная схема прямого однократного преобразования реализуется во многих ИП с естественными выходными сигналами (например, в термопарах, датчиках давления и разрежения), в которых измеряемая величина преобразуется непосредственно в электрический сигнал, перемещение или усилие. Статическая характеристика, погрешность и другие свойства здесь полностью определяются параметрами самого чувствительного элемента.
В тех случаях, когда первичное преобразование не позволяет получить удобный или требуемый для дальнейшего использования сигнал, применяют структурные схемы с несколькими последовательными преобразованиями, например при необходимости получение унифицированного выходного сигнала, преобразования неэлектрической величины в электрическую, коррекции статической или динамической характеристики преобразователя. Суммарный коэффициент преобразования (общая чувствительность), равный произведению коэффициентов преобразования отдельных звеньев ИП, можно получить достаточно высоким, однако при этом увеличивается общая погрешность преобразования, равная сумме погрешностей составляющих звеньев.
В датчиках, построенных по дифференциальной схеме, измеряемая величина подается одновременно на два идентичных измерительных преобразователя. Выходной сигнал датчика пропорционален разности выходных сигналов ИП каждого из каналов. Если выходные сигналы имеют одинаковые знаки, то орган сравнения выполняет операцию вычитания, если знаки разные - операцию суммирования.
К достоинствам дифференциальных схем построения датчиков следует отнести: значительное уменьшение аддитивных (постоянных) составляющих общей погрешности, обусловленных воздействием возмущающих факторов; увеличение чувствительности вдвое при подаче входного сигнала на оба входа; получение реверсивной статической характеристики; снижение нелинейности статической характеристики и постоянных составляющих выходного сигнала по сравнению с характеристиками отдельных ИП, входящих в схему.
Наиболее совершенной схемой ИП является схема с обратной связью, или компенсационная схема. В датчиках, построенных по этой схеме, обеспечивается автоматическое уравновешивание контролируемой величины компенсирующей величиной того же рода непосредственно или после предварительного преобразования. Основное достоинство такой схемы состоит в ее способности компенсировать значительные изменения параметров измерительного тракта. Кроме того, основная часть энергии, необходимой для работы датчика, берется от дополнительных источников, а не от измерительного элемента.
Датчики с обратной связью обладают высокой чувствительностью и позволяют легко изменять параметры настройки путем изменения коэффициентов преобразования обратной цепи.
