1.3 Класифікація вимірювальних перетворювачів

Сьогодні існує величезна кількість різноманітних за принципом дії та за призначенням ВП різних фізичних величин. Разом з цим з розвитком науки і техніки вони удосконалюються, створюються нові їх види. Вивчення ВП неможливе без їх систематизації та класифікації.

Н аука про вимірювальні перетворювачі є ще порівняно молодою і сьогодні відсутня загальноприйнята класифікація. Є декілька індивідуальних підходів до класифікації ВП, головною метою яких є систематизація нагромаджених даних про вимірювальні перетворювачі для полегшення їх вивчення та використання.

Найголовнішим завданням класифікації ВП є встановлення доцільних класифікаційних ознак. Ці ознаки повинні бути достатньо загальними, щоб врахувати вимоги як спеціалістів, які працюють в галузі дослідження та проектування перетворювачів, так і тих, хто займається їх використанням. Для споживача класифікація ВП з погляду природи вхідної вимірюваної величини є найдоцільнішою. Такий підхід прийнято в довідковій літературі. Спеціаліст, якого, наприклад, цікав­лять вимірювання температури, серед великої кількості перетворювачів температури вибере ті, котрі найбільше відповідатимуть необхідному діапазону вимірювань, точності тощо. Важливе значення має і природа вихідного сигналу, оскільки вона визначає вибір методів і засобів подальшого перетворення чи вимірювання. Отже, однією з основних класифікаційних ознак треба вважати природу вхідного та вихідного ' сигналів.

Для тих, кому належить вивчати будову ВП, основні їх власти­вості, технологію виготовлення, такий підхід до класифікації не є найкращим. Тут необхідне і фундаментальне вивчення фізичних основ роботи перетворювачів, і особливостей їх поведінки в умовах дії різних чинників, і пошуки нових конструктивних рішень з використанням найновіших досягнень науки. Отже, при такому підході до вивчення ВП в основу їх класифікації повинен бути покладений фізичний принцип дії, чи, точніше, фізичні закономірності, що визначають принцип дії перетворювачів.

Як класифікаційні ознаки використовують також характер функції перетворення, характер вихідної інформації тощо. Можна навести ряд класифікацій, кожна з яких по-своєму відображає основні властивості і має як позитивні, так і негативні риси. Найповніше уявлення про всю різноманітність ВП можна отримати, наводячи загальну класифікацію з врахуванням багатьох класифікаційних ознак.

Залежно від природи вхідної та вихідної величин ВП поділяють на такі групи: перетворювачі електричних величин в електричні, пере­творювачі неелектричних величин у неелектричні, перетворювачі елек­тричних величин у неелектричні та перетворювачі неелектричних величин в електричні.

За виглядом функції перетворення ВП поділяють на три великі групи: масштабні, що змінюють в певну кількість разів розмір вхідної величини без зміни її фізичної природи; функціональні, що однозначно функціонально перетворюють вхідну величину зі зміною природи вхідної величини або без її зміни; операційні, які виконують над вхідною величиною математичні операції вищого порядку - диферен­ціювання чи інтегрування за часовим параметром.

За фізичними закономірностями, покладеними в основу принципу дії, ВП можуть бути поділені на такі групи:

1. Механічні пружні перетворювачі. В основу принципу дії таких перетворювачів покладені залежності між вхідними механічними зусиллями і викликаними ними переміщеннями чи механічними напру­женнями в матеріалі чутливого елемента, що визначаються його пружними властивостями.

2. Резистивні перетворювачі (механічних величин). Носієм ви­мірювальної інформації у резистивних перетворювачах механічних величин є електричний опір, зміна якого може бути наслідком пере­міщення повзунка реостата чи реохорда в реостатних та реохордних перетворювачах або ж внаслідок тензоефекту в тензорезистивних пере­творювачах. Резистивні перетворювачі теплових величин (термо-резистивні перетворювачі) та резистивні перетворювачі хемічних величин (електрохемічні резистивні перетворювачі) зараховують відпо­відно до теплових та електрохемічних, оскільки їх принцип дії вигідно розглядати саме з погляду теплових чи електрохемічних явищ.

3. Ємнісні перетворювачі. В основу принципу дії ємнісних пере­творювачів покладена залежність ємності конденсатора від відстані між його електродами, площі їх перекриття чи діелектричної проникності середовища між електродами, коли відстань, площа перекриття (кут повороту) чи діелектрична проникність є мірою вимірюваної величини.

4. П'єзоелектричні перетворювачі. До п'єзоелектричних належать перетворювачі, принцип дії яких оснований на використанні явища поляризації п'єзоелектрику як наслідку дії на нього механічних зусиль. Різновидом п'єзоелектричних є п'єзорезонансні перетворювачі, принцип дії яких оснований на використанні залежності резонансної частоти п'єзоелемента від значення вимірюваної величини, наприклад, темпера­тури довкілля.

5. Індуктивні перетворювачі. Це перетворювачі, в яких вико­ристовується залежність повного електричного опору намагнічуваль-ного кола від значення комплексного магнітного опору магнітного кола перетворювача, який може бути результатом зміни повітряного проміж­ку в магнітному колі перетворювача або результатом зміни магнітних властивостей феромагнетику внаслідок дії на нього механічних зусиль, як в індуктивних магнітопружних перетворювачах.

6. Взаємоіндуктивні (трансформаторні) перетворювачі. Принцип їх дії оснований на використанні залежності магнітного потоку і відповідно наведеної у вторинній обмотці ЕРС (при незмінних намагнічувальних ампервитках) від значення комплексного магнітного опору магнітопроводу, який, як і в індуктивних перетворювачах, може зміню­ватись зі зміною повітряного проміжку чи магнітних властивостей феромагнетику, спричинених його механічною деформацією.

7. Індукційні перетворювачі, їх принцип дії оснований на використанні явища електромагнітної індукції. Вхідними (вимірю­ваними) величинами таких перетворювачів можуть бути швидкість зміни магнітного потоку або швидкість лінійного чи кутового пере­міщення вимірювальної котушки.

8. Гальваномагнітні перетворювачі, їх принцип дії базується на використанні гальваномагнітних ефектів Гаусса або Холла. Суть ефекту Гаусса полягає в зміні електричного опору провідника чи напівпро­відника при проходженні через нього електричного струму та одно­часної дії на нього магнітного поля, а ефекту Холла - в появі за названих умов поперечної різниці потенціалів (ЕРС Холла). Основними різновидами гальваномагнітних перетворювачів є відповідно магніто-резистивні перетворювачі та перетворювачі Холла.

9. Теплові перетворювачі. Тепловими називають перетворювачі, в основу принципу роботи яких покладені фізичні ефекти, що визна­чаються тепловими процесами. Теплові перетворювачі - це, переважно, перетворювачі температури. Правда, непрямо вони можуть викорис­товуватись для перетворень інших величин, що проявляються через теплові процеси, наприклад, хімічного складу, концентрацій, швидкості руху газів чи рідин тощо. Є дві основні групи теплових перетворювачів, які широко застосовуються у вимірювальній техніці. Це - термо-резистивні, що використовують залежність опору матеріалу від темпе­ратури та термоелектричні, в основу принципу дії яких покладена залежність термо-ЕРС термопари від різниці температур (якщо відома температура вільних кінців термопари - від перетворюваної темпе­ратури, якою є температура гарячого спаю термопари).

10. Електрохімічні перетворювачі. Принцип дії електрохімічних перетворювачів оснований на залежності електропровідності електро­літичної комірки від складу, концентрації, температури чи інших параметрів досліджуваного розчину (електрохімічні резистивні пере­творювачі); залежності електродних потенціалів від активності водне­вих іонів (гальванічні перетворювачі рН-метрів); а також залежності різниці електричних потенціалів на границі розділу твердої та рідкої фаз від швидкості переміщення розчину (електрокінетичні перетворювачі).

11. Оптичні перетворювачі. В основу принципу дії оптичних перетворювачів покладена залежність параметрів оптичного (світлового чи теплового) випромінювання від значення вимірюваної (перетворю­ваної) величини. Остання може діяти безпосередньо на джерело випро­мінювання, змінюючи інтенсивність його випромінювання, як в оптич­них пірометрах, або ж на оптичний канал, впливаючи на параметри оптичного потоку, як, наприклад, у вимірювача оптичної щільності.

12. Перетворювачі іонізаційного випромінювання. Принцип дії таких перетворювачів оснований на перетворенні інтенсивності іоні­зуючого чи рентгенівського випромінювання. У перетворювачах іоніза­ційного випромінювання вихідна електрична величина функціонально зв'язана з інтенсивністю іонізаційного чи рентгенівського випроміню­вання, яка є мірою досліджуваної величини.