Измерительный преобразователь (ИП) — СИ, предназначенное для преобразования измеряемой величины в другую величину или сигнал измерительной информации, удобный для обработки, хранения, дальнейших преобразований, индикации или передачи.
По расположению в измерительной цепи различают первичные и промежуточные измерительные преобразователи.
Первичный измерительный преобразователь, называемый также датчиком, — это тот измерительный преобразователь, на который непосредственно действует измеряемая величина.
Остальные измерительные преобразователи называют промежуточными. Они расположены после первичного измерительного преобразователя и могут выполнять различные операции преобразования измерительного сигнала.
Как правило, к ним относятся:
• изменение физического рода величины;
• масштабное (линейное или нелинейное) преобразование;
• масштабно-временное преобразование;
• аналого-цифровое преобразование;
• цифро-аналоговое преобразование;
• функциональное преобразование (любые математические операции над значениями величины).
Следует иметь в виду, что указанная классификация достаточно условна. Во-первых, в одном СИ может быть несколько первичных измерительных преобразователей (например, термопара в цепи термоэлектрического термометра). Во-вторых, специфика аналитических измерений также приводит к нарушению указанного принципа классификации.
Аналитические измерения представляют собой преобразование измеряемой величины, являющейся информативным параметром анализируемой среды (информативный параметр — параметр, несущий информацию о измеряемой величине), и сравнением ее с мерой. Обычно они проводятся с помощью совокупности измерительных преобразователей, включающей следующие виды измерительных преобразователей:
• ИП1: измерительный преобразователь типа состав – состав, обеспечивающие масштабные преобразования анализируемой пробы. Проба характеризуется информативным параметром С(содержанием измеряемого компонента) и комбинацией неинформативных параметров Сн, к которым относятся содержание неопределяемых (мешающих) компонент и термодинамические параметры анализируемой среды. При прохождении через ИП1происходят процессы очистки, сушки, изменения температуры и давления смеси до требуемых величин и, после этих преобразований анализируемой среды, отбор ее требуемого количества. ИП1 обычно называют блоком отбора и подготовки пробы;
• ИП2: измерительный преобразователь типа состав – свойство, обеспечивающие преобразование измеряемой величины С в то или иное физико-химическое свойство, удобное для последующего измерения и регистрации. Во многих случаях это преобразование идет в два этапа: получение промежуточного продукта в жидкой либо твердой фазе с содержанием компонента Ynpом(C), а затем его преобразование в свойство Ф(Ynpом)
• ИП3: измерительный преобразователь типа свойство – выходной сигнал, обеспечивающие преобразование измеряемой величины в выходной измерительный сигнал W.Обычно это преобразование также осуществляется в два этапа: в промежуточный сигнал Wnpом(Ф) и затем в выходной сигнал W(Wnpом). При этом преобразование Wnpом в W— это преобразование одной электрической величины в другую.
Получив с помощью совокупности измерительных преобразователей выходные сигналы от анализируемого объекта, по калибровочной зависимости производят сравнение измеряемой величины с мерой и вырабатывают оценочные значения С* измеряемой величины С.
Эта совокупность измерительных преобразователей не укладывается в приведенную классификацию, т. к. измеряемая величина непосредственно воздействует не только на первый измерительный преобразователь измерительной цепи, но и на их совокупность, включающую ИП1, ИП2 и первый преобразователь группы ИП3. При этом только второй преобразователь группы ИП3 является промежуточным. Отсюда следует, что в аналитических приборах роль первичного измерительного преобразователя выполняет совокупность измерительных преобразователей, осуществляющая последовательное, в несколько этапов, преобразование измеряемой величины в измерительный сигнал.
Средствами измерений называют применяемые при измерениях технические средства, имеющие нормированные метрологические свойства. В этом определении основную смысловую нагрузку, вскрывающую метрологическую суть средств измерений (СИ), несут слова «нормированные метрологические свойства». Наличие нормированных метрологических свойств означает, вопервых, что средство измерений способно хранить или воспроизводить единицу (или шкалу) измеряемой величины, и, во-вторых, размер этой единицы остается неизменным в течение определенного времени.
Если бы размер единицы был нестабильным, нельзя было бы гарантировать требуемую точность результата измерений.
Отсюда следуют три вывода:
• измерять можно лишь тогда, когда техническое средство, предназначенное для этой цели, способно хранить единицу, достаточно стабильную (неизменную во времени) по размеру;
• техническое средство непосредственно после изготовления еще не является средством измерения; оно становится таковым только после передачи ему единицы от другого, более точного средства измерений (эта операция называется калибровкой);
• необходимо периодически контролировать размер единицы, хранимый средством измерения, и при необходимости восстанавливать его прежнее значение путем проведения новой калибровки.
По назначению различают рабочие средства измерений, применяемые для проведения технических измерений, и метрологические, предназначенные для проведения метрологических измерений.
Метрологические средства измерений называются эталонами.
Так как измеряются свойства, общие в качественном отношении многим объектам или явлениям, то эти свойства в чем-то должны проявляться, как-то должны обнаруживаться. Технические устройства, предназначенные для обнаружения (индикации) физических свойств, называются индикаторами. Стрелка магнитного компаса, например, — индикатор напряженности магнитного поля; осветительная электрическая лампочка — индикатор электрического напряжения в сети; лакмусовая бумага — индикатор активности ионов водорода в растворах.
С помощью индикаторов устанавливается наличие измеряемой физической величины и может регистрироваться изменение ее размера. В этом отношении индикаторы играют ту же роль, что и органы чувств человека, но значительно расширяют их возможности. Человек, например, слышит в диапазоне частот от 16 Гц до 20 кГц, в то время как техническими средствами обнаруживаются звуковые колебания в диапазоне от инфранизких (доли герца) до ультравысоких (десятки и сотни килогерц) частот. Видят люди в узком оптическом диапазоне электромапштных волн, а инструментально регистрируются электромагнитные колебания от сверхнизкочастотных радиоволн с частотой, составляющей доли герца, до жесткого гамма-излучения с частотой порядка 1022 Гц. В то же время не создано еще технических устройств, которые могли бы соперничать с обонянием человека или животных.
Так как индикаторы должны обнаруживать проявление свойств окружающего мира, важнейшей их технической характеристикой является порог обнаружения (иногда его называют порогом чувствительности). Чем меньше порог обнаружения, тем более слабое проявление свойства регистрируется индикатором. Современные индикаторы обладают очень низкими порогами обнаружения, лежащими на уровне фоновых помех и собственных шумов аппаратуры. Последние имеют тепловую природу, поэтому для их снижения чувствительные элементы и электронные узлы особо чувствительных индикаторов охлаждают до температуры, близкой к абсолютному нулю. Селекцию (выделение) сигналов на фоне помех осуществляют с помощью специальных фильтров и накопителей. За счет этих и некоторых других мер порог чувствительности радиотелескопов, например, в сантиметровом диапазоне радиоволн доведен до 10-18 Вт.
Индикаторы являются средствами измерений по шкале порядка. Для измерения по шкале отношений необходимо сравнить неизвестный размер с известным и выразить первый через второй в кратном или дольном отношении. Если физическая величина известного размера есть в наличии, то она непосредственно используется для сравнения. Так, длину измеряют линейкой, плоский угол — транспортиром, массу с помощью гирь и весов, электрическое сопротивление — с помощью магазина сопротивлений. Если же физической величины известного размера в наличии нет, то сравнивается реакция (отклик) прибора на воздействие измеряемой величины с проявившейся ранее реакцией на воздействие той же величины, но известного размера. Так измеряют: силу электрического тока — амперметром, электрическое напряжение — вольтметром, скорость — спидометром, давление — манометром, термодинамическую температуру — термометром и т. д. При этом предполагается, что соотношение между откликами такое же, как и между сравниваемыми размерами. Для облегчения сравнения отклик на известное воздействие еще на стадии изготовления прибора фиксируют на шкале отсчетного устройства в выбранных единицах измерений, после чего разбивают шкалу на деления в кратном и дольном отношении. Эта процедура называется градуировкой. При измерениях она позволяет по положению указателя получать результат сравнения непосредственно на шкале отношений.
Все технические средства, предназначенные для измерений, называются средствами измерений.
Кроме индикаторов к ним относятся вещественные меры, измерительные преобразователи, измерительные приборы, измерительные установки, измерительные системы, технические системы и устройства с измерительными функциями, стандартные образцы.
Вещественные меры предназначены для воспроизведения физической величины заданного размера, который характеризуется так называемым номинальным значением. При условии что указывается точность, с которой воспроизводится номинальное значение физической величины, гиря является мерой массы, конденсатор — мерой емкости, кварцевый генератор — мерой частоты электрических колебаний и т. д. Различают однозначные и многозначные меры, а также наборы мер. Например, гиря и измерительный конденсатор постоянной емкости — это однозначные меры, измерительная линейка и конденсатор переменной емкости — многозначные меры, а набор гирь и набор измерительных конденсаторов являются наборами мер. Измерения методом сравнения с мерой выполняют с помощью специальных технических устройств — компараторов. Компараторами служат равноплечие весы, измерительный мост и т. д. Иногда в качестве компаратора выступает человек.
Измерительные преобразователи — это средства измерений, перерабатывающие измерительную информацию в форму, удобную для дальнейшего преобразования, передачи, хранения, обработки, но, как правило, недоступную для непосредственного восприятия наблюдателем. Измерительные преобразователи получили очень широкое распространение. К ним относятся термопары, измерительные усилители, преобразователи давления и многие другие виды измерительных устройств. По месту, занимаемому в измерительной цепи, они делятся на первичные и промежуточные.Конструктивно преобразователи являются либо отдельными блоками, либо составными частями средств измерений. Если преобразователи не входят в измерительную цепь, то они не относятся к измерительным. Таковы, например, операционный усилитель, делитель напряжения в цепи электропитания, силовой трансформатор и т. п.
Измерительный прибор представляет собой совокупность измерительных преобразователей, образующих измерительную цепь, и отсчетного устройства. В отличие от вещественной меры, прибор не воспроизводит известное значение физической величины. Измеряемая величина должна подводиться к нему и воздействовать на его первичный измерительный преобразователь.
Измерительные установки состоят из функционально объединенных средств измерений и вспомогательных устройств, собранных в одном месте. В измерительных системах эти средства и устройства территориально разобщены и соединены каналами связи. Область науки и техники, включающая вопросы получения измерительной информации и передачи ее по каналам связи, называется телеметрией. И в установках, и в системах измерительная информация может быть представлена в форме, удобной как для непосредственного восприятия, так и для автоматической обработки, передачи и использования в автоматизированных системах управления. Технические системы и устройства с измерительными функциями наряду с их основными функциями, не имеющими отношения к измерениям, выполняют еще и измерительные функции.
Стандартные образцы — образцы веществ (материалов) с установленными по результатам испытаний значениями одной и более величин, характеризующих состав или свойство этого вещества (материала).
Человек не является техническим средством, но его тоже можно отнести к средствам измерений. Первичными измерительными преобразователями у него служат органы чувств зрения, слуха, обоняния, осязания и вкуса. Измерения, выполняемые с помощью органов чувств человека, называются органолептическими измерениями. Они относятся к обширному классу экспертных измерений, или измерений экспертными методами.
Типы измерительных преобразователей
Элементами систем, обеспечивающих получение информации, являются измерительные преобразователи (ИП). В автоматике также используют термины «первичный преобразователь» или «датчик». Термин «первичный преобразователь» удобно использовать при описании принципа действия того или иного измерительного устройства, а термин «датчик» – при пояснении конструктивного исполнения. В отличие от измерительных приборов, где такая информация представлена в виде, удобном для непосредственного восприятия оператором, информация от ИП поступает в виде определенной физической величины, удобной для передачи и дальнейшего преобразования в системе автоматики. Эту величину называют сигналом, и она однозначно связана с контролируемой физической величиной или параметром того или иного технологического процесса.
Для большинства ИП характерно измерение электрическими методами не только электрических и магнитных, но и других физических величин. При этом используется предварительное преобразование неэлектрической величины в электрическую. Такой подход обусловлен достоинствами электрических измерений: электрические сигналы просто и быстро передаются на большие расстояния; легко, быстро и точно преобразуются в цифровой код; позволяют обеспечить высокую точность и чувствительность.
Существует множество типов ИП, количество которых значительно превосходит число измеряемых величин, так как одну и ту же физическую величину можно измерять различными методами и датчиками разных конструкций.
Согласно ГСП все контролируемые величины разбиты на пять следующих групп: теплоэнергетические, электроэнергетические, механические величины, химический состав и физические свойства.
Теплоэнергетические величины: температура, давление, перепад давлений, уровень и расход.
Электроэнергетические величины: постоянные и переменные ток и напряжение, мощность (активная и реактивная), коэффициент мощности, частота и сопротивление изоляции.
Механические величины: линейные и угловые перемещения, угловая скорость, деформация усилия, вращающие моменты, число изделий, твердость материалов, вибрация, шум и масса.
Химические свойства: концентрация, состав и др.
Физические свойства характеризуют следующие величины: влажность, электропроводность, плотность, вязкость, освещенность и др.
Устройства, в которых однократно (первично) преобразуется измеряемая физическая величина, принято называть первичными ИП. Они могут соединяться, образуя следующие структурные схемы: однократного прямого преобразования; последовательного прямого преобразования; дифференциальную; с обратной связью (компенсационную).
Для эффективного функционирования ИП должны отвечать ряду требований, основными из которых являются:
– высокая статическая и динамическая точность работы, обеспечивающая формирование выходного сигнала с минимальными искажениями;
– высокая избирательность – датчик должен реагировать только на изменения той величины, для измерения которой он предназначен;
– стабильность характеристик во времени; отсутствие влияния нагрузки в выходной цепи на режим входной цепи;
– высокая надежность при работе в неблагоприятных условиях внешней среды; повторяемость характеристик (взаимозаменяемость);
– простота и технологичность конструкции; удобство монтажа и обслуживания;
– низкая стоимость.
Датчик (измерительный преобразователь) – это устройство, воспринимающее регистрируемый параметр и преобразующее его в физическую величину, удобную для использования в последующих элементах автоматической системы.
Различают три класса датчиков:
– аналоговые датчики, т. е. датчики, вырабатывающие аналоговый сигнал;
– цифровые датчики, генерирующие последовательность импульсов или двоичное слово;
– бинарные (двоичные) датчики, которые вырабатывают сигнал только двух уровней «включено/выключено» (0 или 1).
В общем виде датчик представляют в виде двух функциональных элементов – чувствительного элемента (ЧЭ) и преобразующего элемента (ПЭ) (Рис. 10.2)
Наиболее распространенные в автоматике и телемеханике датчики преобразуют неэлектрический контролируемый параметр x(t) в электрическую величину y(t) – напряжение, ток, ЭДС или неэлектрическую величину в другую неэлектрическую величину, удобную для дальнейшего использования, например: температуру в давление, уровень в давление и т. д.
Электрические датчики могут быть параметрическими и генераторными.
Параметрические датчики функционируют на основе зависимости основного его параметра (сопротивления, емкости или индуктивности) от измеряемой величины. Для работы параметрических датчиков необходим источник электрической энергии постоянного или переменного тока. К таким датчикам относятся: контактные, реостатные, потенциометрические, тензодатчики, емкостные, индуктивные, фоторезисторные и др.
Генераторные датчики формируют на выходе ЭДС или напряжение, функционально связанные с входным параметром. Примерами таких датчиков являются: термопара, полупровод-никовый фотоэлемент, пьезодатчик, индуктивный датчик и др.
Неэлектрические датчики подразделяются на механические, пневматические, гидравлические и др.
В технической литературе, как правило, датчики классифицируют по двум основным признакам – по виду измеряемой величины (контролируемого параметра) и по принципу действия.
Большинство датчиков с преобразователем, применяемых в системах управления, генерируют аналоговый сигнал, то есть являются аналоговыми.
Бинарные датчики используются для определения положения при механических перемещениях, для подсчета элементов в дискретных потоках (например, числа бутылок на выходе линии розлива), для контроля достижения предельных значений уровня или давления или крайних положений подвижных частей.
Цифровые датчики генерируют дискретные выходные сигналы, например, импульсные последовательности или представленные в определенном коде цифровые данные, которые непосредственно могут быть считаны процессором.
В зависимости от типа датчика выходной сигнал либо сразу формируется в цифровом виде (например, от датчика положения вала), либо должен обрабатываться цепями электронной логики, которые обычно составляют с ним одно целое. Измерительная головка цифрового датчика такая же, как и у аналогового.
Существуют интегрированные цифровые датчики, которые включают микропроцессоры для выполнения числовых преобразований и согласования сигнала и вырабатывают цифровой или аналоговый выходной сигнал.
Если выходной сигнал датчика представляет собой последовательность импульсов, то они обычно суммируются счетчиком. В другом варианте можно измерять интервал между импульсами. Затем результат в виде цифрового слова передается на дальнейшую обработку.
По виду регистрируемого параметра различают датчики: температуры, давления, влажности, линейного перемещения, угловой скорости, углового ускорения, освещенности и т. д.
По принципу действия датчики подразделяются на: механические, потенциометрические, электромагнитные, емкостные, пьезоэлектрические, фотоэлектрические, ультразвуковые, манометрические электроконтактные и др.
Основными характеристиками и параметрами датчиков являются: статическая характеристика, чувствительность, порог чувствительности, динамические показатели, погрешность преобразования, выходная мощность (напряжение, ток); выходное сопротивление и т. д.
Статической характеристикой датчика называют функциональную зависимость, связывающую выходную и входную величины, т. е. y = f(х). Она может быть задана в виде табличных значений величин х и y, в виде графической зависимости (Рис. 10.3) или в виде функциональной зависимости.
Чувствительность (коэффициент преобразования) КС – это отношение выходной величины y к входной величине х.
Ввиду того, что в общем случае зависимость y = f(х) не является линейной, то величина КС для различных значений входной величины х не будет постоянной, то есть
При этом удобнее пользоваться так называемой дифференциальной чувствительностью
которая для разных точек зависимости y = f(х) будет также различной, то есть
Практически дифференциальную чувствительность определяют для разных областей статической характеристики, как
Если зависимость y = f(х) линейна, то статическая чувствительность будет иметь постоянное значение
Динамические свойства датчиков оценивают, пользуясь временными или частотными характеристиками.
Погрешности датчиков – абсолютную погрешность, относительную и приведенную относительную погрешности – определяют аналогично, как и для электроизмерительных приборов.
Измерительные преобразователи
Одним из основных положений современной теории измерительных устройств является положение об измерительном преобразователе. В соответствии с ним измерение рассматривается как процесс приема и преобразования измерительной информации об измеряемой величине. Структуру измерительных устройств в связи с этим представляют в виде совокупности измерительных преобразователей, осуществляющих функциональные измерительные преобразования сигналов различной физической природы.
Определения терминов «измерительный преобразователь», «первичный измерительный преобразователь», «датчик» приведены в РМГ 29-99 «Государственная система обеспечения единства измерений. Метрология. Основные термины и определения» в разделе 6 «Средства измерительной техники».
Измерительный преобразователь – техническое средство с нормируемыми метрологическими характеристиками, служащее для преобразования измеряемой величины в другую величину или измерительный сигнал, удобный для обработки, хранения, дальнейших преобразований, индикации или передачи. Измерительный преобразователь или входит в состав какого-либо измерительного прибора (измерительной установки, измерительной системы и др.), или применяется вместе с каким-либо средством измерений.
По характеру преобразования различают аналоговые, цифро-аналоговые, аналого-цифровые преобразователи.
Аналоговый измерительный преобразователь — измерительный преобразователь, преобразующий одну аналоговую величину (аналоговый измерительный сигнал) в другую аналоговую величину (измерительный сигнал);
Аналого-цифровой измерительный преобразователь — измерительный преобразователь, предназначенный для преобразования аналогового измерительного сигнала в цифровой код;
Цифро-аналоговый измерительный преобразователь — измерительный преобразователь, предназначенный для преобразования числового кода в аналоговую величину.
По месту в измерительной цепи различают первичные и промежуточные преобразователи.
Измерительная цепь – совокупность элементов средств измерений, образующих непрерывный путь прохождения измерительного сигнала одной физической величины от входа до выхода. Измерительную цепь измерительной системы называют измерительным каналом.
Первичный измерительный преобразователь – измерительный преобразователь, на который непосредственно воздействует измеряемая физическая величина, т.е. первый преобразователь в измерительной цепи измерительного прибора (установки, системы). Примеры: терморезистор, фотоэлемент. В одном средстве измерений может быть несколько первичных преобразователей. Пример: ряд первичных преобразователей измерительной контролирующей системы, расположенных в разных точках контролируемого объекта.
Промежуточный измерительный преобразователь – измерительный преобразователь, занимающий место в измерительной цепи после первичного преобразователя.
По другим признакам различают также:
Передающий измерительный преобразователь — измерительный преобразователь, предназначенный для дистанционной передачи сигнала измерительной информации;
Масштабный измерительный преобразователь — измерительный преобразователь, предназначенный для изменения измерительного сигнала в заданное число раз.
Датчик – конструктивно обособленный первичный преобразователь, от которого поступают измерительные сигналы (он «дает» информацию). Примеры: датчик температуры, датчик силы, датчик перемещения. Датчик, используемый в области измерений ионизирующих излучений, называют детектором.
В большинстве случаев сам датчик представляет собой конструктивную совокупность одного или нескольких измерительных преобразователей (первичных и промежуточных) и сопутствующих им конструктивных элементов, предназначенную для измерения (контроля) конкретной физической величины и выполненную в виде единой конструкции. В этом случае входящий в состав датчика измерительный преобразователь, на который непосредственно воздействует измеряемая физическая величина, называют в некоторых случаях чувствительным элементом.
По РМГ 29-99 чувствительный элемент— это часть измерительного преобразователя в измерительной цепи, воспринимающая входной измерительный сигнал.
В ряде случаев четкую границу между терминами «первичный измерительный преобразователь», «датчик», «чувствительный элемент» провести достаточно трудно. Все зависит от измерительной задачи, выбранных типа и конструкции датчика и т.д.
Выходные сигналы датчиков в общем случае могут быть электрическими, пневматическими, гидравлическими и др. В современных измерительных системах, как правило, используют датчики с электрическим выходным сигналом, так как электроизмерительные схемы имеют ряд важных преимуществ перед пневматическими, гидравлическими и др.: быстродействие; возможность автоматизации процессов измерения и представления результатов измерений в форме, удобной для обработки на ЭВМ; многофункциональность и гибкость, позволяющие, при наличии программирующего устройства, оперативно перестраивать структуру измерительных каналов.
Для преобразования измеряемых величин в удобную для передачи и восприятия форму используются различные физические явления, обладающие достаточно строгими закономерностями, например, тензорезистивный и пьезоэлектрический эффекты, эффекты изменения электрической емкости, омического сопротивления, электромагнитные явления и т.д.
Механические величины, для контроля которых используются измерительные преобразователи, можно классифицировать по группам, например, как приведено ниже.
1) Линейные и угловые размеры, геометрические параметры профилей и шероховатостей поверхностей, уровни сыпучих веществ и жидкостей в различных сосудах (баках, танкерах, паровых котлах и т. п.), перемещения режущего инструмента относительно обрабатываемой детали, параметры износа трущихся частей различных механизмов, биения валов, расстояния и т. д.
Диапазон, охватываемый величинами этой, группы, простирается от долей микрона до тысяч метров, т. е. составляет примерно десять порядков. Диапазон угловых размеров равен 3— 4 порядкам.
2) Различного рода силовые воздействия. Это механические напряжения в деталях и конструкциях машин и сооружений, силы, крутящие моменты, давления жидкостей и газов, акустические шумы, разности давлений и т. п.
Диапазоны значений величин этой группы, как правило, весьма широки. Например, в вакуумной технике приходится измерять давления до 1,3-10-8 Па, а в технике высоких давлений до 108 Па и выше, следовательно, диапазон давлений охватывает ~16 порядков. Примерно такой же диапазон занимают значения сил, встречающихся в технике и научных исследованиях.
3) Так называемые параметры движения. Это перемещения объектов в пространстве, линейные и угловые скорости и ускорения перемещений. Значения параметров этой группы могут достигать астрономических цифр (космические расстояния и скорости). В эту группу входят также параметры вибраций (вибрационные перемещения, скорости и ускорения), скорости вращения валов и т. д.
Кроме перечисленных, измеряемые величины могут характеризовать свойства вещества (концентрация, pH-уровень, влажность и др.), электрические процессы (ток, напряжение, мощность), оптические параметры и т.д.
Приведенные примеры говорят о том, что существует множество типов и модификаций датчиков, отличающихся принципами действия, разными вариантами выполнения схемы и конструкции.
Все датчики с электрическим выходным сигналом можно разделить на две большие категории: генераторные и параметрические.
В генераторных датчиках осуществляется преобразование измеряемого параметра непосредственно в электрический сигнал (т. е. они генерируют электрическую энергию). К таким датчикам относятся:
пьезоэлектрические датчики, использующие пьезоэлектрический эффект, возникающий в некоторых кристаллах (кварц, турмалин: и др.), в зависимости от значений и характера прилагаемых к кристаллу упруго деформирующих сил;
индукционные (магнитоэлектрические) датчики, использующие явление электромагнитной индукции — наведение ЭДС в электрическом контуре, в котором меняется величина магнитного потока;
фотоэлектрические датчики, использующие зависимость ЭДС фотоэлемента с запирающим слоем от освещенности;
термоэлектрические датчики (термопары), использующие явление термоэлектрического эффекта, возникающего в цепи термопары, в зависимости от разности температур ее рабочего и свободного спаев;
датчики электрических потенциалов, использующие зависимость концентрации водных растворов от концентрации водородных ионов в растворе, которую можно определить по потенциалу, возникающему на границе различных электродов, опущенных в контролируемый раствор;
гальванические датчики, использующие зависимость ЭДС гальванического элемента от состава и концентрации растворов электролитов.
В параметрических датчиках измеряемая величина преобразуется в параметр электрической цепи — сопротивление, индуктивность, емкость и т. п., причем датчик питается от внешнего источника электрической энергии. К таким датчикам относятся:
емкостные датчики, использующие зависимость электрической, емкости конденсатора от размеров и взаимного расположения его обкладок при воздействии на него измеряемого параметра;
электромагнитные и магнитоэлектрические датчики, которые объединяют три типа датчиков — индуктивные, трансформаторные и магнитоупругие: индуктивные датчики основаны на зависимости индуктивности дросселя от длины и площади сечения его сердечника, от взаимного расположения обмоток дросселя и частей магнитопровода. Трансформаторные датчики основаны на изменении взаимной индуктивности обмоток преобразователя под воздействием механических перемещений ферромагнитного сердечника. Магнитоупругие датчики основаны на принципе изменения магнитной проницаемости (или индукции) ферромагнитных тел под воздействием приложенных к ним механических сил или напряжений;
электроконтактные датчики, коммутирующие электрическую цепь под воздействием измеряемого параметра;
потенциометрические (реостатные) датчики, использующие зависимость сопротивления реостата от положения его движка, который может перемещаться под воздействием контролируемого параметра;
жидкостные (электролитические) датчики, принцип действия которых основан.на изменении сопротивления электропроводящей жидкости при взаимном перемещении электродов или изменении геометрической формы корпуса чувствительного элемента;
тензорезисторные (тензометрические) датчики, использующие свойство тензопреобразователя изменять свое сопротивление при упругих деформациях. Они подразделяются в зависимости от материала тензорезистора на проводниковые (проволочные и фольговые) и полупроводниковые;
датчики контактного сопротивления, использующие зависимость контактного сопротивления между поверхностями двух твердых тел от усилия их сжатия;
датчики термосопротивления, пьезосопротивления, фотосопротивления и др., использующие свойства изменять свое сопротивление соответственно в зависимости от температуры, механического напряжения, освещенности и т. д.
К основным характеристикам первичных измерительных преобразователей относятся:
· Входная величина, воспринимаемая и преобразуемая датчиком;
· Выходная величина, используемая для передачи информации; она обычно модулируется по амплитуде, по временному признаку (частота, фаза и др.), по кодовому признаку, а также по пространственному признаку (чередование сигналов в каналах связи).;
· Статическая характеристика датчика. Для каждого измерительного преобразователя можно установить связь между выходной и входной величинами:
Математическое или графическое описание этой связи называется функцией преобразования измерительного преобразователя (или для датчика в целом – функцией преобразования датчика)
Отношение изменения выходной величины DY к соответствующему изменению входной величины DX называется чувствительностью датчика:
S = DY / DX
В общем случае, если функция преобразования нелинейна, отношение изменения выходной величины к соответствующему изменению входной величины для любого Xi определяется коэффициентом преобразования
Кi = DYi / DXi ,
а чувствительность является функцией входной величины.
Если зависимость между выходной и входной величинами является линейной, то чувствительность преобразователя не зависит от входной величины:
Y = SX ,
В этом случае чувствительность и коэффициент преобразования равны, поэтому для линейных датчиков используют как термин «чувствительность», так и термин «коэффициент преобразования».
Датчик, выполненный в соответствии с приведенной ниже структурной схемой, называется датчиком прямого преобразования. Чувствительность такого датчика определяется произведением чувствительностей отдельных преобразователей:
и может быть найдена для линейной функции преобразования как отношение выходной величины датчика к входной:
S = Y / X
Наиболее приемлемой статической характеристикой для большинства датчиков является линейная характеристика. Для линеаризации характеристик датчиков, используют различные методы, например, усилители-линеаризаторы, программные методы и др.
Наряду с линейными широкое распространение нашли датчики с различными релейными характеристиками.
· Динамическая характеристика датчика описывает поведение датчика при изменениях входной величины и определяется внутренней структурой датчика и его элементов. Динамические свойства датчиков могут быть определены передаточными функциями, переходными, импульсно-переходными (весовыми), амплитудно-частотными, амплитудно-фазовыми и другими характеристиками.
· Порог чувствительности датчика — это минимальное изменение входной величины, вызывающее заметно различимое изменение выходного сигнала.
· Основная погрешность датчика — максимальная разность между получаемой в нормальных условиях величиной выходного сигнала и его номинальным значением, определяемым по статической характеристике для данной входной величины. Основная погрешность выражается как в абсолютных, так и в относительных единицах. В последнем случае погрешность обычно относят к разности предельных значений выходной величины и выражают в процентах (класс точности).
· Дополнительные погрешности датчика — погрешности, вызываемые изменениями внешних условий по сравнению с нормальными условиями. Выражаются обычно в процентах, отнесенных к изменению вызвавшего их фактора (например, температурная погрешность — 1,5 % на 10 0С).
В более общем виде подавляющее большинство датчиков неэлектрических параметров можно представить обобщенной структурной схемой (см.рис.1). Показанная на рисунке электрическая схема ЭС выполняет функцию дополнительного преобразования электрического сигнала с выхода ПНЭ в электрический сигнал U3. Например, в некоторых тензометрических датчиках электрическая схема служит для преобразования электрического сопротивления тензорезистора в постоянное напряжение.
Рис. 1 – Структурные схемы основных типов датчиков: а — структурная однозвенная простейшая схема и пример датчика (термопары), состоящего только из одного преобразователя; б — структурная схема и пример датчика (потенциометрический датчик давления), состоящего из чувствительного элемента 1 и выходного преобразователя 2; в — схема каскадного соединения (3 — промежуточный преобразователь); г — дифференциальная схема (4 — вычитающий элемент); д — компенсационная схема (5 — усилитель; 6 — генератор компенсирующей величины); е — обобщенная структурная схема датчика неэлектрической величины: ЧЭ — упругий чувствительный элемент (первичный преобразователь); ПМ — передаточный механизм (промежуточный преобразователь); ПНЭ — преобразователь неэлектрической величины в электрическую (промежуточный преобразователь); ЭС — электрическая схема (вторичный преобразователь); Хв9, Ха в У8 — соответственно входной неэлектрический, входной электрический и выходной электрический сигналы
Классификация измерительных преобразователей.
КЛАССИФИКАЦИЯ И ОСНОВНЫЕ ПРИНЦИПЫ ПОСТРОЕНИЯ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ
Понятия «измерительный преобразователь» и «преобразовательный элемент», а также некоторые признаки их классификации приведены в п. 3.2. Для категорий СИ, охватывающих измерительные приборы и измерительные преобразователи, допускается применять термин измерительное устройство (ИУ).
Чувствительным органом первичного ИП является чувствительный элемент — часть первого в измерительной цепи преобразовательного элемента, на который непосредственно воздействует (подается) измеряемая величина.
Основные нормируемые метрологические характеристики измерительных преобразователей приведены в п. 3.2.
Классификация измерительных преобразователей.
Ввиду существования множества разнообразных по принципу действия и назначению ИП для измерения или преобразования сигналов возникает необходимость систематизации ИП.
Систематизация предусматривает объединение ИП в группы или виды по некоторым классификационным признакам и преследует цели облегчения и обобщения вопросов изучения, исследования ИП, а также их проектирования, изготовления и эксплуатации. При этом классификационные признаки могут быть самыми разнообразными и даже противоречивыми. Так, для потребителя наиболее естественной является систематизация ИП по видам измеряемых входных величин, например давлению, температуре, скорости и.т. п. Поиск необходимого преобразователя будет заключаться в выборе ИП, удовлетворяющего заданному диапазону измерений, точностным, стоимостным, габаритно-массовым и другим характеристикам.
Для разработчика конструкции и технологии изготовления предыдущий признак мало эффективен и даже мешает систематизации по применению типовых конструктивных решений и оборудования для их изготовления, например механических, электронных, химических и других ИП. Следовательно, для целей конструирования классификационным признаком целесообразнее принять физический принцип действия ИП.
Для решения задач автоматизированного проектирования, связанных с математическим моделированием, первоочередным признаком могут быть виды математических моделей или виды уравнений, описывающих ИП: обыкновенные дифференциальные уравнения или уравнения в частных производных, линейные — нелинейные, аналоговые — дискретные.
Используя различные классификационные признаки, можно провести ряд классификаций, каждая из которых по-своему будет отражать свойства ИП, иметь свои преимущества и недостатки.
Основным назначением классификации, рассматриваемой в настоящем параграфе, является систематизация ИП с целью их изучения и получения описаний для решения задач проектирования — структурного синтеза, составления математической модели, параметрической оптимизации и определения нормируемых метрологических характеристик.
В этом случае целесообразно выделить следующие классификационные признаки: место ИП в структурной схеме; вид функции преобразования; вид выходного сигнала; вид математической модели ИП; физические закономерности, положенные в основу принципа действия ИП.
По месту в структурной схеме СИ измерительные преобразователи подразделяются на первичные, или выполняющие их функции датчики, и промежуточные, или вторичныеИП.
По виду математической модели, описывающей процессы преобразования сигнала в измерительной цепи, ИП можно подразделить на аналоговые и дискретные, линейные и нелинейные с постоянными и переменными сосредоточенными и распределенными параметрами. Каждый из этих ИП описывается одним из классов уравнений математики. Аналоговые линейные ИП с постоянными и сосредоточенными параметрами описываются обыкновенными линейными и дифференциальными уравнениями с постоянными коэффициентами (рычажные весы с пружиной, но без учета сухого трения, емкостный ИП, но без учета краевого эффекта). Аналоговые нелинейные ИП с постоянными и сосредоточенными параметрами описываются нелинейными дифференциальными уравнениями с постоянными коэффициентами (рычажные весы, емкостный ИП с учетом трения и краевого эффекта). Аналоговые линейные и нелинейные ИП с переменными параметрами — ИП, в которых хотя бы один параметр, а следовательно, и коэффициент дифференциального уравнения изменяются во времени или в зависимости от любой другой величины. Аналоговые линейные и нелинейные ИП с постоянными и переменными распределенными параметрами описываются дифференциальными уравнениями в частных производных (круглая или прямоугольная защемленные мембраны с учетом изменения ее жесткости по радиусу или длине). Дискретные ИП — у которых входной сигнал подвергается дискретизации во времени и (или) квантованию по уровню. Линейные дискретные ИП описываются линейными разностными дифференциальными уравнениями (аналого-цифровой преобразователь, микропроцессор).
Механические упругие ИП используются чаще всего в качестве первичного ИП или чувствительного элемента. В основу принципа их действия положены зависимости реакции элементов в виде перемещения, скорости или деформации на входную величину (сила, момент, давление).
Резистивные ИП можно подразделить на два вида — электрические и электромеханические. В основу принципа действия электрических резистивных ИП положены зависимости между током, напряжением и электрическим сопротивлением. В электромеханических ИП используются зависимости изменения электрического сопротивления под воздействием входной механической величины (силы, давления).
Пьезоэлектрические ИП основаны на использовании прямого и обратного пьезоэлектрических эффектов. Прямой пьезоэффект заключается в электрической поляризации диэлектриков при механическом воздействии на них. Обратный пьезоэффект проявляется в том, что электрическая поляризация вызывает механические напряжения в диэлектриках (кристаллах) или изменение их геометрических размеров.
Емкостные ИП основаны на использовании зависимостей взаимодействия двух заряженных тел. Носителем измерительной информации в них является электрический заряд.
Принцип действия электромеханических ИП основан на возникновении механических перемещений их подвижных элементов под действием электрического тока. К ним относятся электродинамические, ферродинамические и магнитоэлектрические измерительные преобразователи.
ГальваномагнитныеИП основаны на физических эффектах, заключающихся в изменении электрических параметров преобразователей под воздействием магнитного поля. Наибольшее распространение получили ИП, основанные на эффекте Холла (возникновение ЭДС, например, на боковых гранях пластины) и на магниторезистивном эффекте (эффект Гаусса), проявляющемся в изменении электрического сопротивления пластины.
Электромагнитные ИП представляют собой один или несколько контуров, находящихся в магнитном поле, и основаны на использовании электромагнитных явлений. Это большая и разнообразная по назначению группа преобразователей (индуктивные делители, измерительные трансформаторы, функциональные индуктивные преобразователи механических величин).
ИндукционныеИП основаны на использовании закона электромагнитной индукции. При этом входной величиной может быть скорость перемещения измерительной катушки, а выходной — ЭДС индукции.
Тепловые ИП основаны на использовании физических закономерностей, определяемых тепловыми процессами, например, термоэлектрические с преобразованием температуры в термоЭДС, терморезистивные — температуры в изменение сопротивления, термомеханические — температуры в изменение длины и т. д. Тепловые ИП также могут быть использованы для преобразования других физических величин, например расхода, концентрации, давления, которые функционально связаны с температурой и проявляются через тепловые процессы.
Электрохимические ИП в общем случае можно представить как электролитическую ячейку и электродную систему из двух или нескольких электродов, включаемых в измерительную цепь. Как элемент электрической цепи электрохимическая ячейка может характеризоваться развиваемой ею ЭДС, падением напряжения от проходящего тока, электрическим зарядом, сопротивлением, емкостью и индуктивностью. Выбирая одну из этих величин в качестве информативного параметра и устанавливая ее зависимость с входной величиной, можно получить преобразователи для измерения давления, температуры, состава и концентрации веществ, скорости, ускорения и ряда других физических величин.
Адсорбционные ИП используются для измерения, например, парциальных давлений на основании измерения концентрации газов. К основным измерительным преобразованиям таких ИП относятся перенос выбранной компоненты в газовой фазе; сорбция и десорбция на поверхности чувствительного элемента; прохождение адсорбента через границу фазового раздела; поверхностная и объемная диффузия в кристаллической решетке ИП; генерация и рекомбинация зарядов и как следствие этого — изменение электрофизических свойств ИП.
ОптоэлектронныеИП основаны на использовании преобразований потока ультрафиолетового светового и теплового излучений. Преобразование измерительной информации в них может осуществляться самым различным образом(модуляция параметров источников измерения или оптического канала, использование мощности излучения и т. д.).
Преобразователи ионизирующего излучения основаны на использовании в качестве входной величины интенсивности ионизирующего и радиационного излучения.
В квантовых ИП наиболее часто используется явление резонансного поглощения энергии радиочастотного электромагнитного поля рабочим веществом под воздействием таких преобразуемых величин, как напряженность магнитного или электрического ноля, давление, температура.
Привести в настоящем параграфе описание конструкций и принципов действия всего указанного разнообразия ИП не представляется возможным. Поэтому рассмотрим лишь некоторые, наиболее часто встречающиеся конструктивные решения ИП.