1.4.4 Класифікація вимірювальних перетворювачів

Сьогодні існує величезна кількість різноманітних за принципом дії та за призначенням вимірювальних перетворювачів (ВП) різних фізичних величин. Разом з цим з розвитком науки і техніки вони удосконалюються, створюються нові їх види. Вивчення ВП неможливе без їх систематизації та класифікації.

Залежно від природи вхідної та вихідної величин ВП поділяють на такі групи: перетворювачі електричних величин в електричні, пере­творювачі неелектричних величин у неелектричні, перетворювачі елек­тричних величин у неелектричні та перетворювачі неелектричних величин в електричні.

За виглядом функції перетворення ВП поділяють на три великі групи: масштабні, що змінюють в певну кількість разів розмір вхідної величини без зміни її фізичної природи; функціональні, що однозначно функціонально перетворюють вхідну величину зі зміною природи вхідної величини або без її зміни; операційні, які виконують над вхідною величиною математичні операції вищого порядку - диферен­ціювання чи інтегрування за часовим параметром.

За фізичними закономірностями, покладеними в основу принципу дії, ВП можуть бути поділені на групи, що описано далі.

Механічні пружні перетворювачі. В основу принципу дії таких перетворювачів покладені залежності між вхідними механічними зусиллями і викликаними ними переміщеннями чи механічними напру­женнями в матеріалі чутливого елемента, що визначаються його пружними властивостями.

Резистивні перетворювачі (механічних величин) Носієм вимірювальної інформації у резистивних перетворювачах механічних величин є електричний опір, зміна якого може бути наслідком переміщення повзунка реостата чи реохорда в реостатних та реохордних перетворювачах або ж внаслідок тензоефекту в тензорезистивних пере­творювачах. Резистивні перетворювачі теплових величин (термо-резистивні перетворювачі) та резистивні перетворювачі хімічних величин (електрохімічні резистивні перетворювачі) зараховують відпо­відно до теплових та електрохімічних, оскільки їх принцип дії вигідно розглядати саме з погляду теплових чи електрохімічних явищ.

Ємнісні перетворювачі. В основу принципу дії ємнісних пере­творювачів покладена залежність ємності конденсатора від відстані між його електродами, площі їх перекриття чи діелектричної проникності середовища між електродами, коли відстань, площа перекриття (кут оберту) чи діелектрична проникність є мірою вимірюваної величини.

П'єзоелектричні перетворювачі. До п'єзоелектричних належать перетворювачі, принцип дії яких оснований на використанні явища поляризації п'єзоелектрику як наслідку дії на нього механічних зусиль, тобто на використанні прямого та зворотного п’єзоелектричних ефектів. Сутність прямого п’єзоелектричного ефекту полягає в електричній поляризації певного класу діелектриків при механічному напруженні в їх кристалах. Зворотний п’єзоелектричний ефект характерний тим, що електрична поляризація викликає механічну напругу в кристалах або зміну їх геометричних розмірів. Різновидом п'єзоелектричних є п'єзорезонансні перетворювачі, принцип дії яких оснований на використанні залежності резонансної частоти п'єзоелемента від значення вимірюваної величини, наприклад, темпера­тури довкілля.

Індуктивні перетворювач. Це перетворювачі, в яких вико­ристовується залежність повного електричного опору намагнічувального кола від значення комплексного магнітного опору магнітного кола перетворювача, який може бути результатом зміни повітряного проміжку в магнітному колі перетворювача або результатом зміни магнітних властивостей феромагнетику внаслідок дії на нього механічних зусиль, як в індуктивних магнітопружних перетворювачах.

Взаємоіндуктивні (трансформаторні) перетворювачі. Принцип їх дії оснований на використанні залежності магнітного потоку і відповідно наведеної у вторинній обмотці ЕРС (при незмінних намагнічувальних ампервитках) від значення комплексного магнітного опору магнітопроводу, який, як і в індуктивних перетворювачах, може змінюватись зі зміною повітряного проміжку чи магнітних властивостей феромагнетику, спричинених його механічною деформацією.

Індукційні перетворювачі. Принцип дії індукційних перетворювачів оснований на використанні явища електромагнітної індукції. Вхідними (вимірюваними) величинами таких перетворювачів можуть бути швидкість зміни магнітного потоку або швидкість лінійного чи кутового переміщення вимірювальної котушки.

Гальваномагнітні перетворювачі. Принцип дії таких перетворювачів базується на використанні гальваномагнітних ефектів Гаусса або Холла. Суть ефекту Гаусса полягає в зміні електричного опору провідника чи напівпровідника при проходженні через нього електричного струму та одночасної дії на нього магнітного поля, а ефекту Холла - в появі за названих умов поперечної різниці потенціалів (ЕРС Холла). Основними різновидами гальваномагнітних перетворювачів є відповідно магніто-резистивні перетворювачі та перетворювачі Холла.

Теплові перетворювачі. Тепловими називають перетворювачі, в основу принципу роботи яких покладені фізичні ефекти, що визначаються тепловими процесами. Теплові перетворювачі - це, переважно, перетворювачі температури. Правда, непрямо вони можуть використовуватись для перетворень інших величин, що проявляються через теплові процеси, наприклад, хімічного складу, концентрацій, швидкості руху газів чи рідин тощо. Є дві основні групи теплових перетворювачів, які широко застосовуються у вимірювальній техніці. Це - термо-резистивні, що використовують залежність опору матеріалу від темпе­ратури та термоелектричні, в основу принципу дії яких покладена залежність термо-ЕРС термопари від різниці температур (якщо відома температура вільних кінців термопари - від перетворюваної температури, якою є температура гарячого спаю термопари).

Електрохімічні перетворювачі. Принцип дії електрохімічних перетворювачів оснований на залежності електропровідності електролітичної комірки від складу, концентрації, температури чи інших параметрів досліджуваного розчину (електрохімічні резистивні перетворювачі); залежності електродних потенціалів від активності водневих іонів (гальванічні перетворювачі рН-метрів); а також залежності різниці електричних потенціалів на границі розділу твердої та рідкої фаз від швидкості переміщення розчину (електрокінетичні перетворювачі).

Оптичні перетворювачі. В основу принципу дії оптичних перетворювачів покладена залежність параметрів оптичного (світлового чи теплового) випромінювання від значення вимірюваної (перетворюваної) величини. Остання може діяти безпосередньо на джерело випромінювання, змінюючи інтенсивність його випромінювання, як в оптичних пірометрах, або ж на оптичний канал, впливаючи на параметри оптичного потоку, як, наприклад, у вимірювача оптичної щільності.

Перетворювачі іонізаційного випромінювання. Принцип дії таких перетворювачів оснований на перетворенні інтенсивності іонізуючого чи рентгенівського випромінювання. У перетворювачах іонізаційного випромінювання вихідна електрична величина функціонально зв'язана з інтенсивністю іонізаційного чи рентгенівського випромінювання, яка є мірою досліджуваної величини.

Вимірювання різноманітних електричних і неелектричних величин зводиться до використання електричних і неелектричних вимірювальних перетворювачів, до використання електричних засобів вимірювання в силу їх переваг у порівнянні з неелектричними. Теоретичною основою вимірювальних перетворювачів є рівняння Лагранжа, які були отримані для механічних систем і надалі знайшли застосування в немеханічних. Рівняння Лагранжа Д. Максвелл використовував для вивчення електромагнітних явищ.

Як вже неодноразово було вказано, розповсюдженими є вимірювання електричних величин, зокрема струму й напруги. Для вимірювання сили струму й напруги принципово можна використовувати будь-який фізичний прояв, наприклад, механічний, тепловий, електромагнітний. Електромагнітні прояви сили струму й наруги мають переваги. Теоретичною основою електромагнітних явищ у будь-якому середовищі є рівняння Максвелла. Фізичним змістом рівнянь Максвелла є зв'язок величин, які характеризують електромагнітне поле, з його джерелами, тобто з розподілом у просторі електричних зарядів й струмів. На цій основі створено різні вимірювальні перетворювачі струму й напруги. До них відносять подільники струму й напруги; перетворювачі, що базуються на зв’язку струму з магнітним полем, створеним цим струмом й такі, що базуються на зв’язку напруги з електричним полем, створеним цією напругою.

Вимірювальні перетворювачі струму та напруги на основі магнітного й електричного полів із струмом і напругою базуються на ефектах електромагнітної індукції (трансформаторний, електромеханічний, магнітомоду-ляційний); гальваномагнітних (ефекти Хола, Гауса); оптичних (ефекти Фарадея, Коттона-Мутона, Поккельса, Кера); явищ ядерного магнітного резонансу.

Актуальним і проблематичним питанням є вимірювання значень електрометричної ділянки діапазону сили струму, наруги. Загальний принцип вимірювання дозволяє вирішувати такі завдання, використовуючи відповідні методи, вимірювачі зокрема вимірювальні перетворювачі, що засновані на фізичних ефектах. Наприклад, для вимірювання надто малих значень струму використовують методи електроскопії.

Для вимірювань малих значень струмів використовують фотоелектричні та іонізаційні вимірювальні перетворювачі. Як фотоелектричні перетворювачі використовуються фотоелементи вакуумні й газонаповнені - з зовнішнім фотоефектом; напівпровідникові фоторезистори - з внутрішнім фотоефектом; вентильні - з вентильним фотоефектом. Фотострум вакуумних фотоелементів прямо пропорційний інтенсивності світлового потоку. Для збільшення значення фотоструму, який у фотоелементах не перевищує кілька мкА, використовують фотоелектричні помножувачі.