109

4. ПЕРВИННІ ПЕРЕТВОРЮВАЧІ ФІЗИЧНИХ ВЕЛИЧИН

4.1 Первинні вимірювальні перетворювачі

4.1.1 Загальні відомості про перетворювачі

Жодна система управління не може працювати без інформації про стан об'єкта управління та його реакції на керуючій вплив. Елементами систем, що забезпечують отримання такої інформації, є вимірювальні перетворювачі. Фахівці з автоматики також використовують терміни «первинний перетворювач» або «датчик». Надалі термін «первинний перетворювач» будемо використовувати при описі принципу дії того чи іншого вимірювального пристрою, а термін «датчик» - при поясненні конструктивного виконання.

Автоматизація виробничих процесів, наукових експериментів і досліджень потребує все більшого обсягу вимірювань різних фізичних величин. Про їх число можна судити по системі одиниць СІ, яка включає в себе більше 120 фізичних одиниць. В даний час в промисловості існує приблизно такий розподіл засобів вимірювання: температури - 50%, витрат (об'ємної і масової) - 15%, тиску - 10%, рівня - 5%, кількості (маси, об'єму) - 5%, часу - 4 %, електричних і магнітних величин - 5%. Обсяг виконуваних вимірювань може бути дуже великим.

Число типів вимірювальних перетворювачів значно перевершує число вимірюваних величин, так як одну й ту ж фізичну величину можна вимірювати різними методами і датчиками різних конструкцій.

Для більшості вимірювальних перетворювачів (ВП) характерно вимірювання електричними методами не тільки електричних і магнітних, але й інших фізичних величин. При цьому використовується попереднє перетворення неелектричної величини в електричну. Такий підхід обумовлений достоїнствами електричних вимірювань: електричні сигнали просто і швидко передаються на великі відстані; легко, швидко і точно перетворюються в цифровий код; дозволяють забезпечити високу точність і чутливість.

Необхідно відзначити, що не завжди вимірювальний перетворювач виконує безпосередньо функції вимірювання. У ряді випадків ВП можна використовувати як перетворювач однієї фізичної величини в іншу, найчастіше з неелектричної в електричну. Наприклад, при вимірюванні рівня поплавець в ємності може бути за допомогою важеля пов'язаний з реостатним перетворювачем, включеним в електричний ланцюг. У цьому випадку зміна рівня, що вимірюється переміщенням поплавця, перетворюватиметься у зміну електричного сигналу (напруги, струму).

Для ефективного функціонування ВП повинні відповідати ряду вимог, основними з яких є: висока статична і динамічна точність роботи, що забезпечує формування вихідного сигналу з мінімальними спотвореннями; висока вибірковість - датчик повинен реагувати тільки на зміни тієї величини, для якої він призначений; стабільність характеристик у часі ; відсутність впливу навантаження у вихідному колі на режим вхідного ланцюга; висока надійність при роботі в несприятливих умовах зовнішнього середовища; повторюваність характеристик (взаємозамінність); простота і технологічність конструкції; зручність монтажу та обслуговування; низька вартість.

Необхідну для управління інформацію про стан об'єкта і зовнішні впливи отримують у вигляді значень окремих фізичних величин за допомогою відповідних технічних пристроїв, які і утворюють склад ВП. На відміну від вимірювальних приладів, де така інформація представлена у вигляді, зручному для безпосереднього сприйняття оператором, інформація від ВП надходить у вигляді певної фізичної величини, зручною для передачі і подальшого перетворення у системі автоматики. Цю величину називають сигналом, і вона однозначно пов'язана з контрольованою фізичною величиною або параметром того чи іншого технологічного процесу.

Державна система приладів (ДСП) охоплює лише частину контрольованих величин, які найбільш часто використовують у практиці автоматизації. У ДСП всі контрольовані величини розбиті на п'ять наступних груп: теплоенергетичні, електроенергетичні, механічні величини, хімічний склад і фізичні властивості.

Теплоенергетичні величини: температура, тиск, перепад тисків, рівень і витрата.

Електроенергетичні величини: постійні та змінні струм і напруга, потужність (активна та реактивна), коефіцієнт потужності, частота і опір ізоляції.

Механічні величини: лінійні і кутові переміщення, кутова швидкість, деформація, зусилля, обертові моменти, число виробів, твердість матеріалів, вібрація, шум і маса.

Хімічний склад: концентрація, склад, хімічні властивості.

Фізичні властивості характеризують такі величини: вологість, електропровідність, густина, в'язкість, освітленість та ін.

Пристрої, в яких одноразово (первинно) перетворюється вимірювана фізична величина, прийнято називати первинними ВП.

ВП можуть з'єднуватися, утворюючи наступні структурні схеми: одноразового прямого перетворення; послідовного прямого перетворення; диференціальну; зі зворотним зв'язком (компенсаційну).

Найпростіші ВП складаються з одного перетворювача. У разі послідовного з'єднання декількох первинних перетворювачів вихідна величина попереднього перетворювача є вхідний величиною подальшого. Послідовне з'єднання ВП застосовують у тому випадку, коли одноразове перетворення не дає зручного для використання вихідного сигналу. При диференціальній схемі усувається вплив на результат перетворення спотворюючих зовнішніх факторів завдяки зіставленню (порівняно) перетвореної і деякої еталонної величин, однаково підданих дії цих факторів. Схема ВП зі зворотним зв'язком характеризується високою точністю, універсальністю і малої залежністю коефіцієнта перетворення від зовнішніх збурень.

ВП бувають з природним і уніфікованим вихідними сигналами. Природний вихідний сигнал формується первинними ВП природним шляхом і може являти собою кут повороту, переміщення, зусилля, напругу (постійну і змінну), опір (активни1 і комплексний), електричну ємність, частоту і ін. ВП з природним вихідним сигналом (термопари, терморезистори, тензодатчики і ін.) широко застосовують при автоматизації простих об'єктів.

Уніфікований сигнал - це сигнал певної фізичної природи, що змінюється в певних фіксованих межах незалежно від виду вимірюваної величини, методу та діапазону її вимірювання. Основні види уніфікованих сигналів зведені у таблицю 4.1.

Таблиця 4.1 – Основні види ініфікованих сигналів ДСП

Постійний струм, мА	Постійна напруга, мВ	Змінна напруга, В	Частота, кГц
0…5 0…20 -5…0…5 4…20	0…10 0…20 -10…0…10 0..1000	0…2 -1…0…1	4…8 2…4

Для отримання уніфікованих аналогових сигналів застосовують ВП, звані нормуючими.

Перетворювачі, що служать для зміни масштабу сигналу, називають масштабними ВП.

Типи перетворювачів, які використовуються в ДСП, підрозділяються на шість груп: механічні, електромеханічні, теплові, електрохімічні, оптичні та електронно-іонізаційні.

Перетворювачі, призначені для передачі сигналу вимірювальної інформації на відстань, називають передавальними.

2. Класифікація вимірювальних перетворювачів

Існує безліч різноманітних за принципом дії та призначенням ВП. Безперервний розвиток науки і технології приводить до появи все нових перетворювачів. Класифікації допомагають розібратися в цьому різноманітті. Створити універсальну класифікацію, яка задовольняє запитам всіх можливих користувачів конкретної предметної області, - завдання практично нерозв'язне.

В якості класифікаційних ознак ВП можна прийняти багато характеристик перетворювачів: вид функції перетворення, вид вхідної і вихідної величин, принцип дії, конструктивне виконання і т. д.

По виду використовуваної енергії ВП можна підрозділити на електричні, механічні, пневматичні і гідравлічні.

За співвідношенням між вхідний і вихідний величинами розрізняють наступні види ВП:

• неелектричних величин в неелектричні (важелі, редуктори, мембрани, пружини і ін);

• неелектричних величин в електричні (потенціометри, термопари, ємнісні та індуктивні ВП та ін);

• електричних величин в електричні;

• електричних величин в неелектричні (вимірювальні механізми електровимірювальних приладів).

Залежно від виду вихідного сигналу розрізняють ВП аналогові, дискретні, релейні, з природним або уніфікованим вихідним сигналом.

По виду функції перетворення розрізняють наступні ВП: масштабні - що змінюють в певну кількість разів вхідні величину без зміни її фізичної природи; функціональні - здійснюють однозначне функціональне перетворення вхідної величини із зміною її фізичної природи або без зміни; операційні - виконують над вхідними величиною математичні операції вищого порядку (диференціювання або інтегрування за часовим параметром).

По виду структурної схеми розрізняють перетворювачі прямого одноразового перетворення, послідовного прямого перетворення, диференціальні, зі зворотним зв'язком (компенсаційна схема).

За характером перетворення вхідної величини в вихідну ВП підрозділяються на параметричні, генераторні, частотні, фазові.

По виду вимірюваної фізичної величини розрізняють ВП лінійних та кутових переміщень, тиску, температури, концентрації речовини і т. д.

За фізичними явищам, покладеним в основу принципу дії, в ДСП прийнята наступна класифікація ВП: механічні - з пружним чутливим елементом, дросельні, ротаметричні, об'ємні, поплавкові, швидкісні; електромеханічні - тензорезистивні, термоелектричні, термомеханічні, термокондуктометричні, манометричні; електрохімічні - кондуктометричні, потенціометричні, полярографічні; оптичні - фотоколометричні, рефракторометричні, оптико-акустичні, нефелометричні; електронні та іонізаційні - індукційні, хроматографічні, радіоізотопні, магнітні.

За динамічним характеристикам ВП підрозділяються відповідно до виду передатної функції.

Залежно від виду статичної характеристики ВП діляться на реверсивні (двотактні), у яких знак вихідного сигналу визначається знаком вхідного, і нереверсивні (однотактний), у яких знак вихідного сигналу не залежить від знаку вхідного.

Навіть настільки розгорнута класифікація за низкою ознак не є вичерпною, тому що за кожним визначенням стоїть група перетворювачів з різними технічними і конструктивними характеристиками.