5.2. Преобразователи величин в радиоизмерительных приборах.

Преобразователи величин составляют до объема конструкции радиоизмерительного прибора. Они выполняют в конечной счете функции:

• приведение измеряемой величины, поступающей на вход прибора, к другой величине, для которой в приборе есть мера;

• приведение величины, воспроизводимой мерой, к той величине, которую измеряют;

• приведение измеряемой величины и величины, воспроизводимой мерой к третьей величине, значения которой пропорциональны значениям измеряемой величины и величины, воспроизводимой мерой, с целью их сравнения между собой;

• приведение значений измеряемой величины или ее разности с мерой в форму, воспринимаемую оператором или пригодную для записи, обработки, хранения результатов, например, в форме изображения на экране, в виде графика на бумаге и в виде цифр. Такие преобразователи иногда называют устройствами визуализации;

• изменение значения физической величины (умножение, деление) на определенное число; такие преобразователи называют масштабными; масштабные преобразователи не изменяют размерность (свойство, качество).

Кроме перечисленных, в радиоизмерительных приборах широко применяются специфические преобразователи - преобразователи частоты, которые изменяют частотный спектр. Таким образом, под измерительным преобразователем понимают устройство, обладающее свойством, возможностью приведения численного значения измеряемой (входной) величины к численному значению другой (выходной), не одноименной физической величины, или к другому численному значению величины, одноименной с входной, для последующего сравнения с мерой. Действие многих видов преобразователей величин основано на преобразовании одного вида энергии в другой. Например, в кварцевом резонаторе энергия механических колебаний переходит в энергию электрических колебаний, в тепловом преобразователе переменного тока в постоянный, энергия электрического тока частично преобразуется в тепловую. В масштабных преобразователях энергия также либо поглощается и преобразуется в тепло, либо, в конечном счете, преобразуется из одного вида в другой. Последовательность и механизм процессов превращения энергии необходимо понимать для оценивания свойств преобразователей как средств измерений.

Свойства преобразователя физических величин и масштабных преобразователей как свойств измерений описываются несколькими общими для всех преобразователей параметрами:

1. Функция преобразования, описывающая зависимость выходной величины как функции от входной величины как аргумента

. (5.6)

Для применений в измерительных приборах практически всегда, кроме особых случаев, предпочтительно иметь линейную зависимость

, (5.7)

где - постоянный коэффициент преобразования преобразователя.

Различают статистический коэффициент преобразования и дифференциальный . Для линейной функции очевидно, это один и тот же .

Например, известно, что угол поворота φ катушки и стрелки магнитно-электрического амперметра пропорционален ток через катушку, так что

, (5.8)

где φ - это угол поворота, I – ток, протекающий через катушку, а

. (5.9)

На самом деле градусы плоского угла - это безразмерная величина и имеет размерность . Такая идеальная характеристика на рис. 5.3,а, где .

В реальных механизмах имеется трение в опоре. Тогда характеристика имеет вид (рис. 5.3,б). Значение называют зоной нечувствительности. Очевидно, для преобразователя с характеристикой (б) значение статистического не постоянная величина и зависит от тока , где К - это дифференциальный для области , равный при и .

а) б)

Рис. 5.3 Характеристика .

Преобразователь считается идеально линейным, если не зависит от значения входной величины, то есть . Линейность - это важная метрологическая характеристика преобразователя, влияющая на его погрешность.

2. Второе свойство преобразователя - это быстродействие. Всякие физические процессы и явления, сопровождающиеся наполнением, запасанием энергией, инерционны и протекают с конечными скоростями. Для изменяющихся по синусоидальному закону во времени величин коэффициент преобразования зависит от частоты ω. Инерционность и быстродействие преобразователей в радиоизмерительных приборах описывают частотной характеристикой. Различают амплитудно-частотную и фазочастотную характеристики.

3. В состав радиоизмерительного прибора часто входят выносные первичные преобразователи, которые конструктивно отделены от других составных частей. Например, в состав измерителя напряженности поля включается как самостоятельное изделие измерительная антенна, которая по существу служит первичным преобразователем измеряемой величины - напряженности поля [В/м] - в напряжение постоянного тока с коэффициентом преобразования , которую иногда называют действующей длиной или высотой. Для самостоятельных (выносных) преобразователей, у которых значения следует использовать для расчета результата измерения , нормируют, то есть указывают в формуляре или паспорте преобразователя, погрешность значения . Если значения и Ψ зависят от частоты, то указывают зависимости и в виде формул, таблиц или графиков.

4. Иногда для выносных преобразователей или для преобразователей, используемых как самостоятельные изделия, указывают зависимость коэффициента преобразования от влияющих факторов, например, от условий внешней среды - температуры, давления, влажности и других внешних воздействий. Эту зависимость указывают в виде относительных изменений , например, .

Очевидно, что измерительный прибор в целом, включающий иногда до десяти и более различных преобразователей, можно считать преобразователем изменений измеряемой величины в изменения показаний, то есть в изменения величины, которым наблюдатель способен приписать число.

Далее будем рассматривать наиболее распространенные преобразователи величин, начиная “с конца” с устройств визуализации, ко входу, то есть к устройствам сравнения.