1.8 Общая характеристика этапов измерительного преобразования

Процесс измерительного преобразования физической величины может включать в себя несколько этапов, например, преобразование измеряемой физической величины в сигнал неэлектрической, а затем электрической природы, его формирование, нормирование, усиление, представление в виде цифрового кода и т.п. При этом выделяют следующие структурные элементы датчика: чувствительный элемент (ЧЭ); первичный измерительный преобразователь (ИП), осуществляющий преобразование измеряемой физической величины в электрический выходной сигнал; измерительную схему (ИСх), с помощью которой осуществляется выделение, формирование и предварительная обработка измерительного сигнала, в состав которой может входить, например, аналого-цифровой преобразователь (АЦП) и другие узлы.

Для обеспечения требуемого уровня информативности измерительного устройства необходимо оптимизировать процесс измерительного преобразования. Это может включать в себя ряд, например, следующие мероприятия: обосновать выбор реализуемого первичным преобразователем физического эффекта; выбрать материал и разработать конструкцию чувствительного элемента датчика; выбрать режим работы измерительного преобразователя (например, резонансный режим) и т.д.

Создание измерительной аппаратуры сопряжено с применением самых передовых научных и технических достижений. Использование различных физических явлений, эффектов является основой создания разнообразных типов первичных измерительных преобразователей и измерительных устройств на их основе. При этом разработчик измерительной аппаратуры в каждом конкретном случае должен использовать наиболее эффективные физические явления для реализации устройством заданной функции.

Решение задачи информационного обеспечения разработчиков новой техники осуществляется при широком использовании компьютерных технологий, создании автоматизированных банков данных по физическим явлениям и эффектам. При этом эффективность использования таких банков данных существенно зависит от выбора их концептуальной модели банка, описывающей реализуемые в преобразователях физические процессы независимо от конкретных решаемых задач. Поэтому для создания банков данных по физико-техническим эффектам применяют теорию аналогий, подобий, позволяющих описывать процессы и явления различной физической природы с помощью единого математического аппарата. В качестве такой концептуальной модели банков данных физических эффектов наиболее часто используют энергоинформационные модели. Графическое представление таких моделей обеспечивается с помощью аппарата параметрических структурных схем. На современном этапе развития науки и техники энергоинформационный метод позволяет решать задачи поискового проектирования измерительных устройств.

Датчик является основным информационным звеном в системе управления технологическими процессами и служит для преобразования энергии и информации. Это дает основание рассматривать датчик как информационную подсистему, преобразующую входную информацию в выходную, и применять для его описания принципы моделирования информационных систем. Например, с использованием методологии, основанной на представлении системы в виде набора взаимосвязанных блоков, отображающих процессы, происходящие в ней.

Совершенствование существующих и разработка новых типов средств измерений, в частности измерительных преобразователей, являются одними из важных составляющих научно-технического прогресса. Дальнейшее развитие исследований в различных областях науки и техники сопровождается усложнением средств измерений, обусловливает необходимость создания принципиально новых типов первичных измерительных преобразователей (ИП). Повышаются требования к их точности, чувствительности, быстродействию.

В настоящее время существует большое разнообразие ИП, отличающихся по принципам действия, конструктивному исполнению. Предметом данной дисциплины является изучение физических основ процессов первичного измерительного преобразования за счет реализации различных функциональных закономерностей, положенных в основу принципа действия таких устройств, а также вопросов расчета и установления зависимостей между метрологическими характеристиками и конструктивными параметрами преобразователей для определения их оптимальных параметров.

Измерительная информация – это количественная информация о свойствах физических объектов, получаемая в результате измерений.

Измерение – экспериментальное выражение значения физической величины с помощью технических средств, имеющих нормированные метрологические характеристики.

Цель измерения – установление истинного значения физической величины в узаконенных единицах.

Входной измеряемый сигнал – материальный носитель информации о значении измеряемой величины.

Информационным параметром входного сигнала называется параметр процесса, который является изменяемым или функционально связан с измеряемой величиной.

Неинформативный параметр – параметр входного сигнала, функционально не связанный с измеряемой величиной. Такой параметр может оказывать вредное действие на измерительный процесс и являться источником погрешности измерений.

Средство измерений – техническое устройство, имеющее нормированные метрологические характеристики.

Измерительный прибор – средство измерения, предназначенное для преобразования измерительного сигнала в форму, позволяющую наблюдателю воспринимать значение измеряемой величины.

Измерительное преобразование – преобразование входного измерительного сигнала в функционально связанный с ним выходной сигнал.

Измерительный преобразователь - средство измерения, предназначенное для выработки информативного измерительного сигнала в форме, удобной для передачи, преобразования, обработки, хранения, но не для непосредственного восприятия. Это техническое устройство, построенное на определенных физических принципах и выполняющее, чаще всего преобразование измеряемой физической величины в электрический выходной сигнал.

В общем случае ИП может состоять из нескольких преобразующих элементов, их совокупность составляет измерительную цепь. Часть первичного измерительного преобразователя, воспринимающего непосредственно воздействие измеряемой физической величины называют чувствительным элементом.

Датчик – конструктивно завершенное устройство, размещаемое в непосредственной близости от исследуемого объекта и выполняющее функцию измерительного преобразования.

Линия связи – линия коммуникации, предназначенная для передаци измерительной информации в пространстве.

Рис. Схема измерительной цепи.

Рис. Структурная схема измерительного преобразователя.

Рис. Разновидности измерительных преобразователей.