2. Структура вимірювальних перетворювачів

Незважаючи на все різноманіття ВП, їх структурні схеми можна звести до кількох типів (дивись таблицю 4.2).

Структурна схема прямого одноразового перетворення реалізується в багатьох ВП з природними вихідними сигналами (наприклад, в термопарах, датчиках тиску і розрідження), в яких вимірювана величина перетворюється безпосередньо в електричний сигнал, переміщення або зусилля. Статична характеристика, погрішність і інші властивості тут повністю визначаються параметрами самого чутливого елемента.

У тих випадках, коли первинне перетворення не дозволяє отримати зручний або потрібний для подальшого використання сигнал, застосовують структурні схеми з кількома послідовними перетвореннями, наприклад при необхідності отримання уніфікованого вихідного сигналу, перетворення неелектричної величини в електричну, корекції статичної або динамічної характеристики перетворювача. Сумарний коефіцієнт перетворення (загальна чутливість), рівний добутку коефіцієнтів перетворення окремих ланок ВП, можна отримати досить високим, однак при цьому збільшується загальна похибка перетворення, що дорівнює сумі похибок складових ланок.

У датчиках, побудованих за диференціальною схемою, вимірювана величина подається одночасно на два ідентичних вимірювальних перетворювача. Вихідний сигнал датчика пропорційний різниці вихідних сигналів ВП кожного з каналів. Якщо вихідні сигнали мають однакові знаки, то пристрій порівняння виконує операцію віднімання, якщо знаки різні - операцію підсумовування.

Т аблиця 4.2 – Типові структури вимірювальних перетворювачів

Примітка. У формулах прийняті наступні позначення: x - вимірювана величина; у - вихідна величина; δ_i · - похибка ланки перетворювача; δ_П - загальна похибка перетворювача; К - коефіцієнт перетворення ланки.

Можливі варіанти, коли на один з входів подається еталонний сигнал і порівняння здійснюється з ним або інформація перетворюється по одному каналу в реальних умовах, а по іншому - в еталонних.

До достоїнств диференціальних схем побудови датчиків слід віднести: значне зменшення адитивних (постійних) складових загальної похибки, обумовлених впливом збурюючих факторів; збільшення чутливості вдвічі при подачі вхідного сигналу на обидва входи; отримання реверсивної статичної характеристики; зниження нелінійності статичної характеристики і постійних складових вихідного сигналу по порівнянні з характеристиками окремих ВП, що входять у схему.

Найбільш досконалою схемою ВП є схема зі зворотним зв'язком, або компенсаційна схема. У датчиках, побудованих за цією схемою, забезпечується автоматичне урівноваження контрольованої величини компенсуючою величиною того ж роду безпосередньо або після попереднього перетворення. Основна перевага такої схеми полягає в її здатності компенсувати значні зміни параметрів вимірювального тракту. Крім того, основна частина енергії, необхідної для роботи датчика, береться від додаткових джерел, а не від вимірювального елемента.

Перетворювачі з негативним зворотним зв'язком принципово точніше, ніж схеми прямого послідовного перетворення. Негативний зворотній зв'язок істотно знижує вплив похибок ланок ланцюга на прямий результат перетворення. Будь-які помилки і обурення ланки, що не охоплюється зворотним зв'язком, повністю передаються на вихід перетворювача, тому при побудові ВП доцільно прагнути до того, щоб охопити зворотним зв'язком як можна більше ланок. При величині К₁К₂ = 20 ... 30, що неважко забезпечити на практиці, загальна похибка перетворення практично визначається тільки похибкою δ₂ зворотного зв'язку, внаслідок чого вимоги до похибки δ₁ прямого каналу можна значно знизити (див. табл. 4.2).

Датчики зі зворотним зв'язком мають високу чутливість і дозволяють легко змінювати параметри налаштування шляхом зміни коефіцієнтів перетворення зворотного ланцюга.

Структурні схеми реальних ВП можуть являти собою будь-яку комбінацію з розглянутих вище типових структур. У ланцюзі послідовного перетворення вимірюваного сигналу прийнято розрізняти первинний вимірювальний перетворювач (чутливий елемент) і проміжні перетворювачі. Вимірювана величина впливає безпосередньо на первинний перетворювач. Дуже часто метод первинного перетворення вхідної величини визначає найменування всього вимірювального перетворювача чи приладу. Проміжні перетворювачі можуть виконувати функції підсилення, лінеаризації, перетворення роду сигнал та ін. Зокрема, на рисунку 4.1 представлена спрощена схема ВП із природним і уніфікованим виходами. Перші являють

Рисунок 4.1 – Блок-схема ланцюга послідовного перетворення

собою пристрої, в яких здійснюється первинне (зазвичай однократна) перетворення вимірюваної фізичної величини. Природне формування сигналу тут забезпечується методом перетворення і конструкцією ВП. Такі перетворювачі найчастіше застосовують у пристроях прямого регулювання або при централізованому контролі порівняно простих об'єктів. У ДСП прийнято десять типів природних вихідних сигналів: переміщення, кут обертання, зусилля, інтервал часу, постійна напруга, змінна напруга, активний опір, комплексний опір, електрична ємність та частота.

При створенні відносно складних систем з використанням ЕОМ і необхідності передачі сигналів на великі відстані застосовують перетворювачі природних сигналів в уніфіковані. Для цих цілей розробляються спеціальні нормуючі перетворювачі, параметри вихідних сигналів яких наведено і таблиці 4.1 (див. п.4.1.1).

Окрему групу становлять перетворювачі з дискретним (релейним) вихідним сигналом, контактна група яких змінює своє становище при досягненні вимірюваною величиною заданого значення. Їх застосовують для позиційного регулювання та сигналізації.

4. Первинні перетворювачі з електричним вихідним сигналом

1. Електроконтактні датчики

Одним з головних елементів у будь-якій системі автоматики і телемеханіки є електричні датчики. Призначення датчика - перетворення контрольованої або регульованою величини у величину іншого роду, зручну для подальшого використання. У більшості випадків датчики перетворять неелектричні величини в електричну, наприклад температура перетворюється за допомогою термопари в ЕРС, а механічне переміщення, пов'язане зі зміною положення якоря електромагніта, змінює індуктивність його обмотки. У деяких випадках за допомогою датчиків здійснюється перетворення одних електричних величин в інші. В якості таких датчиків можуть служити підсилювач, вимірювальний трансформатор або фазочутлива схема.

За характером електричних величин, одержуваних на виході, електричні датчики діляться на параметричні, або пасивні, і генераторні, або активні. До параметричним датчикам відносяться такі елементи, у яких зміна контрольованої величини викликає відповідну зміну параметра електричного кола (активного опору, індуктивності або ємності). До генераторним відносяться такі датчики, які самі є джерелами електричної енергії, причому виникає на виході енергія пропорційна контрольованою величиною.

.

Контактні датчики - це датчики параметричного типу, в яких змінюється електричний опір при зміні тієї чи іншої механічної величини. Вони призначені для перетворення механічного переміщення в електричний сигнал. При досягненні вимірюваною величиною певного значення замикаються або розмикаються електричні контакти, включені в ті чи інші ланцюги, які сигналізують, що переміщення більше або менше певного значення.

Контактні датчики широко застосовуються в системах автоматичного контролю та сортування розмірів, а також в системах автоматичної сигналізації різних фізичних величин. Статична характеристика контактного датчика має релейний характер, так як його вихідна величина - опір електричного кола - змінюється стрибком.

На рисунку 4.2,а зображений найпростіший контактний датчик з однією парою контактів (з однією границею вимірювання). Замикання контактів 1 і 2 відбувається в результаті зміни розміру виробу. Якщо розмір виробу И₁

а – з одною границею; б – з двома границями; в, г – багато граничні;