Класифікація вимірювальних перетворювачів

Вимірювальні перетворювачі можна поділити на групи за різними класифікаційними ознаками:

1. За видом вихідних сигналів.

 з природніми вихідними сигналами;

 з уніфікованими вихідними сигналами;

 з дискретними вихідними сигналами.

2. В залежності від виду контрольованої неелектричної величини давачі діляться на групи:

а) давачі механічних величин;

б) давачі теплових величин;

в) давачі оптичних величин і т.д.

Перетворення здійснюється за схемою: вимірювана величина - механічне переміщення - електрична величина.

3. За фізичним явищем, на якому заснована робота чутливого елемента:

 резистивні;

 електромагнітні;

 ємнісні;

 напруги;

 струму;

 магнітоопору;

 ультразвукові;

 Холла і ін.

4. Залежно від принципу перетворення давачі діляться на дві групи:

а) параметричні або пасивні давачі, в яких зміна контрольованої величини Х супроводжується зміною опору давача (активного, індуктивного, ємнісного). При цьому наявність стороннього джерела енергії є обов'язковою умовою роботи параметричного давача.

б) генераторні або активні давачі, в яких зміна контрольованої величини Х супроводжується зміною ЕРС на виході давача, виникнення ЕРС може відбуватися за рахунок термоелектрики, п'єзоефекту і т.д.

Генераторні давачі не вимагають додаткового джерела енергії, тому потужність вихідного сигналу завжди менша потужності вхідного сигналу.

Таблиця 2

Класифікація давачів

Параметричні	Генераторні
Потенціометричні (R – V) Тензорезистивні (R – V) Індуктивні (L – V) Ємнісні (1/C – V) Фотоелектричні (F– V) Кодові	Термоелектронні (T – V) П’єзоелектричні (P – V) Індукційні ( L – V) Трансформаторні (В – V) Фотоелектричні (F– V) Радіаційні

Давачі здійснюють первинне перетворення фізико-хімічної величини, як правило, в будь-який електричний параметр: напругу, струм, опір, ємність, індуктивність. Тому давачі ще називають первинними перетворювачами. Подальше вимірювання електричних параметрів здійснюється добре відомими стандартними методами.

Основні параметри давачів

Давач - конструктивно закінчений елемент, що складається з чутливого елемента і вимірювальних перетворювачів (ВП). З введенням уніфікованих сигналів в практику приладобудування увійшло виробництво давачів з уніфікованим вихідним сигналом. В даному випадку давачем називають об'єднані в одному блоці первинний вимірювальний перетворювач і нормуючий перетворювач. ВП служать для перетворення природного сигналу чутливого елемента (первинний перетворювач) в форму, зручну для передачі або обробки. Сучасні давачі містять вузли, що виконують лінеаризацію, коригування та іншу обробку сигналу. Розглянемо приклад структурної схеми давача рис.10.

Рис.10 Структурна схема давача

Основні характеристики давача: вхідний параметр, вихідний сигнал, статична характеристика, динамічна характеристика та похибки, конструктивні характеристики.

Статична характеристика давача

Статична характеристика давача (вхід-вихід) відображає функціональну залежність вихідного сигналу від вхідного параметра в усталеному режимі. Статична характеристика задається: аналітично, графічно, таблично. Рис. 11.

Рис.11 Статичні характеристики давачів: а)лінійні нереверсивні,

б) реальні нелінійні, в)реверсивна, г) гістерезисна.

По цій характеристиці визначаються такі параметри давача, як чутливість (коефіцієнт перетворення), поріг чутливості/роздільна здатність, лінійність, величина дрейфу; робочий/динамічний діапазон, параметри гістерезису і т. д. Для деяких типів давачів (термопари) встановлені номінальні статичні характеристики (НСХ) і встановлені класи точності відповідно до відсотка відхилень від НСХ.

1) Коефіцієнт перетворення або коефіцієнт передачі - це відношення вихідної величини елемента Y_к до вхідної величини Xк або от відношення приросту вихідної величини ( =Y₂-Y1, dy) до приросту вхідної величини ( =X₂-X1, dx):

Cтатичний коефіцієнт перетворення (k, k’).

, .

Значення динамічного коефіцієнта перетворення К_д залежить від вибору робочої точки. (Рис. 11 б) точка А).

2) Порогом чутливості називається мінімальна величина на вході елемента, яка викликає зміну вихідної величини. При зміні вхідної величини X від 0 до порогу вихідна величина Y не змінюється і дорівнює 0. Рис. 10 а), б).

3) Лінійність. Статичні характеристики давача на робочій ділянці (в околі точки А) повинні бути лінійними, відхилення вимірюється у %.

4) Дрейф - це зміщення характеристики при зміні зовнішніх умов по відношенню до стандартних. Рис. 11 а). Найбільш поширений температурний дрейф, коли при постійному вхідному параметрі вихідний сигнал починає "плавати" зі зміною температури. Саме через температурний дрейф будь-які електронні прилади, що містять системи вимірювань, рекомендується перед початком роботи "прогрівати", тобто давати час для встановлення теплового балансу між виділенням тепла напівпровідникових і інших компонентів схем і віддачею тепла в навколишнє середовище.

5) Діапазон вимірювань - область значень вимірюваного сигналу, для якого нормовані вимірювані похибки. Ця область обмежена межами вимірювань найбільшими і найменшими значеннями діапазону вимірювань.

D = Xкз .. Xп,

де Xкз - кінцеве значення шкали приладів, Xп - поріг чутливості приладів.

Діапазон вимірювань може складатися з декількох піддіапазонів. Динамічний діапазон використовують, якщо діапазон дуже великий.

Dd=20*Log(X₂/X₁)

6) Реверсивність давача. Реверсивні давачі розраховані на вимірювання технологічного параметра, що змінюється як в додатну, так і в від’ємну сторони, при цьому і вихідний сигнал змінюється з відповідною полярністю (рис.11, в)

7) Гістерезис. Характеристики багатьох давачів мають гістерезис: сигнал давача при прямому і зворотному ході відрізняються. Основний показник гістерезису ширина петлі або площа, яку займає петля (Рис. 11 г).

Типовим представником елементів автоматики, що володіє гістерезисом, є електромагнітне реле. У ньому при досягненні вхідної величини X2, вихідна величина змінюється стрибком до Y2 - відбувається спрацьовування. При зменшенні X до X1 відбувається відпускання і вихідна величина змінюється стрибком до Y1 (рис. 12). Залежність Y = f (X) для реле є ідеальною петлею гістерезису. Причина цього явища криється в гістерезисі процесу намагнічування і розмагнічування феромагнетиків.

Рис. 12. Характеристика реле

Динамічна характеристика давача

Динамічна характеристика давача визначає поведінку давача в перехідних режимах. Динамічні характеристики визначають залежність вихідного сигналу давача від мінливих в часі величин: параметрів вхідного сигналу, зовнішніх факторів, навантаження. Залежно від повноти опису динамічних властивостей системи вимірювання розрізняють повні і приватні динамічні характеристики. До повних динамічних характеристик відносять перехідну характеристику, імпульсну перехідну характеристику, амплітудно-фазову характеристику, сукупність амплітудно-частотної і фазово-частотної характеристик, передавальну функцію. Приватна динамічна характеристика не відображає повністю динамічних властивостей давача. Прикладами таких характеристик є час реакції давача, коефіцієнт демпфірування, значення резонансної власної кутової частоти, значення амплітудно-частотної характеристики на резонансній частоті, запізнювання, час наростання, час встановлення, час першого максимуму, статична помилка, смуга пропускання, постійна часу.

Для давачів і вимірювальних перетворювачів час реакції - час встановлення вихідного сигналу, який визначається при стрибкоподібній зміні вхідного сигналу і заданої похибки встановлення вихідного сигналу. Динамічні властивості системи вимірювання визначають динамічну похибку.

Рис. 13. Динамічні характеристики давача

На рис. позначені характеристики:

запізнення - ;

час наростання - ₂ - ₁;

час першого максимуму – Т;

час перехідного процесу - Т_1;

смуга пропускання – П.

Похибки

При роботі давача вихідна величина Y відхиляється від необхідного значення за рахунок внутрішніх або зовнішніх факторів (знос, старіння, коливання напруги живлення, температура і т.д.). Відхилення характеристики називається похибкою. Похибки: діляться на основні та додаткові.

Основна похибка - максимальна різниця між вихідним сигналом давача і його номінальним значенням при нормальних умовах експлуатації.

Додаткові похибки - викликаються зміною зовнішніх умов по відношенню до норми, нормовані по основному чиннику. Виражаються в процентах до зміни викликаючого фактора. Наприклад: 1% на 5С.

Основна похибка може бути абсолютною, відносною та приведеною.

а) Абсолютною похибкою (помилкою) називається різниця між дійсним значенням вихідної величини і його номінальним значенням - Y:

.

б) Відносною похибкою називається відношення абсолютної похибки до номинального (бажаного) значення вихідної величини Y (зазвичай виражається у %):

.

в) Приведеною похибкою називається відношення абсолютної похибки до нормуючого значення: для перетворювачів - це найбільше значення вихідної величини, для приладів - максимальне значення шкали. Величина цієї похибки визначає клас точності приладу 0,1; 0,5; 1.0 і т.д.

.

Похибки системи вимірювання можуть мати систематичні і випадкові складові. Випадкові складові призводять до неоднозначності станів. Тому випадкові складові похибки СВ намагаються зробити незначними в порівнянні з іншими складовими.

Систематичні похибки вимірювання - це складові похибки, які залишаються постійними і закономірно змінюються при повторних вимірах однієї і тієї ж величини. До постійних систематичних похибок відносять похибка градуювання шкали, температурна похибка і т.д. До змінних систематичних похибок відносять похибку, яка обумовлена нестабільністю джерела живлення. Систематичні похибки виключають шляхом калібрування або введення поправок (зміщення).

Випадкові похибки вимірювань - це складові похибки вимірювання, що змінюються випадковим чином при повторних вимірах однієї і тієї ж величини. Значення і знак випадкової похибки визначити неможливо, так як випадкові похибки зобов'язані своїм походженням причинам, дії яких не однакові в кожному експерименті і не можуть бути враховано.

Виявляються випадкові похибки при багаторазових вимірюваннях однієї і тієї ж величини, отже, їх вплив на результат вимірювань враховується методами математичної статистики і теорії ймовірності. Рис. 14.

Рис. 14. Систематична і випадкова складові похибки