Свойства и разновидности измерительных преобразователей

Объект измерения - это сложное явление (или процесс), ха­рактеризующееся множеством отдельных параметров, действую­щих на датчик одновременно. Измеряемой величиной является один интересующий нас параметр.

Результат измерения - выходной параметр измерительного пре­образователя. Его вид не зависит от объекта измерения и полностью определяется требованиями потребителя информации. Естественной входной величиной преобразователя называется параметр, который воспринимается лучше других мешающих факторов. Например, со­противление реостата зависит и от температуры, и от влажности каркаса, и от других факторов. Однако главным фактором, естествен­ной входной величиной реостата является положение ползунка. Ана­логично вводится естественная выходная величина преобразователя как параметр, точнее других отражающий результат измерения. На­пример, при перемещении ползунка реостата помимо изменения его сопротивления меняется (как следствие) ток в цепи и падает напряжение (на естественных выходных величинах), что влечет за собой изменения других параметров: температуры проводников, напряженности электромагнитного поля и т. д.

По виду естественной выходной величины преобразователи делят на две группы: генераторные, когда естественной выходной величиной является ЭДС или ток (например, фотодатчик, термо­пара), и параметрические, когда естественной выходной величи­ной является изменение сопротивления, индуктивности или ем­кости чувствительного элемента, которые потом преобразуются в изменение напряжения или тока в измерительном устройстве. Снимаемые с датчиков сигналы могут быть двух типов:

• аналоговые, или непрерывно меняющиеся в некотором амп­литудном диапазоне (например, напряжение на термопаре);

• дискретные, принимающие одно из заранее известных состо­яний (например, двоичный или бинарный сигнал ДА/НЕТ от ко­нечного выключателя).

Датчики, применяемые при автоматизации производства, долж­ны иметь унифицированные (стандартные) выходные сигналы. Например, датчики, выходным сигналом которых является на­пряжение, должны отвечать ряду: 0,1; 0,2; 0,5; 1; 2; 5; 10; 20 В. Датчики, выходным сигналом которых является ток, должны от­вечать ряду: 1; 2; 5; 10; 20 мА.

Функция преобразования измерительного преобразователя - это статическая характеристика первичного преобразователя или функциональная зависимость выходной величины от входной, представленная аналитически (формулой) или графиком. В случае ана­логового датчика всегда стремятся иметь линейную характеристику преобразования, упрощающую анализ измерения и сам при­бор. Реальные измерительные преобразователи в силу своих кон­структивных особенностей имеют характеристику, близкую к ли­нейной лишь в небольшом диапазоне изменения входной величи­ны, за границами которого располагаются зоны насыщения. По­этому, если возможно, рабочий диапазон преобразователя огра­ничивают этим линейным участком характеристики.

Если требуется использование преобразователя в диапазоне шире рабочего, приходится в цепь преобразователей вводить дополнительное нелинейное звено, корректирующее возник­шую нелинейность (в простейшем случае это применение нели­нейной шкалы указателя). Для описания линейной характеристи­ки преобразования У= f (Х) достаточно двух параметров: началь­ного значения выходной величины У_о, соответствующего нулево­му (или любому другому) уровню входной величины Х и чувстви­тельности преобразователя(коэффициента пропорциональности) S= дУ/дХ.

Чувствительность S имеет размерность отношения выходной величины к входной, например для реостатного преобразователя это Ом/мм, электродвигателя - об/с. Чувствительность изме­рительного прибора, состоящего из последовательного ряда пре­образователей, определяется произведением чувствительностей всех преобразователей ряда

Пусть прибор состоит из трех преобразователей (рис. 3.5, 6): датчика перемещения Д с измерительным мостом М, созда­ющих выходное напряжение 10 мВ при перемещении щупа на 1 мм, т.е. S_Д = 10 мВ/мм;

усилителя мощности УС с чувствительностью S_ус = 1 мА/мВ;

указателя УК с чувствительностью S_ук = 1 мм/мА (при изме­нении тока на входе указателя на 1 мА стрелка переместится на 1 мм).

При перемещении щупа датчика на 2 мм на его выходе воз­никнет напряжение У_Д = S_ДХ_Д =10 мВ / мм * 2 мм = 20 мВ.

З ная чувствительности элементов, составляющих измеритель­ную цепь, легко напрямую рассчитать чувствительность прибора

Качество измерительного прибора принято характеризовать погрешностью. Погрешности делят на инструментальные, обуслов­ленные недостаточным качеством узлов прибора и порождаемые трением, влиянием температуры или влажности на узлы прибо­ра, и методические, обусловленные самим методом измерения и сохраняющиеся даже в идеальном случае. Примером методичес­кой погрешности является влияние температурного расширения жидкости, масса которой контролируется датчиком уровня.

По влиянию на результат измерения погрешности делят на следующие виды.

Грубые ошибки (промахи, выбросы) возникают при кратковре­менном нарушении условий измерения, например в результате скачка напряжения электросети или механического толчка; они выглядят, как аномалии и должны быть исключены эксперимента­тором. Это вносит субъективный элемент в результаты измере­ния, следует стремиться к предотвращению выбросов.

Систематические погрешности вызываются факторами, действу­ющими одинаковым образом в процессе измерения, например неверная настройка прибора. Эти погрешности неизменны по вре­мени и могут быть устранены введением поправки в показания прибора. Однако систематические погрешности трудно обнаружить в силу их неизменности. Поэтому измерительные приборы перио­дически проверяют сравнением их показаний с показаниями эта­лонного прибора.

Случайные ошибки - это суммарный эффект действия большо­го количества малозначимых факторов. Они меняются от замера к замеру, т. е. непредсказуемы, а потому неустранимы.

Абсолютной погрешностью измерения называют отклонение результата измерения от истинного значения измеряемого пара­метра. Относительная погрешность определяется как отношение абсолютной погрешности к истинному значению измеряемого параметра, позволяющее судить о степени влияния абсолютной погрешности на результат измерения.

Например, абсолютная погрешность 0,1 мм мала при измерении размера 100 мм (относительная погрешность составит 0,1 %), но велика при измерении размера 1 мм (относительная погреш­ность в этом случае равна 10 %).

Особенно удобна относительная погрешность в случае пропор­циональности абсолютной погрешности значению измеряемого параметра; например для погрешности чувствительности преоб­разователя S. В этом случае относительная погрешность остается неизменной.

Под порогом чувствительности прибора понимают наименьшее изменение значения измеряемой величины, вызывающее замет­ное на фоне помех и шумов изменение результата измерения, например наименьшее значение параметра, которое может быть измерено на фоне погрешности (для нулевого значения измеряемой величины она называется погрешностью нуля).

Полным диапазоном измерительного преобразователя называют интервал значений измеряемой величины от значения погрешности нуля, когда относительная погрешность равна 100 %, до предела измерений, когда указатель прибора упирается в ограничитель, а погрешность измерения может быть сколь угодно большой.

Рабочим диапазоном называют часть полного диапазона, в которой относительная погрешность не превосходит некоторой ве­личины.

Разрешающая способность прибора - это число градаций измеряемой величины, различаемое на выходе прибора, или число неперекрещивающихся интервалов диапазона измерения, для которых возможно однозначное определение того, попало или нет в данный интервал значение измеряемой величины. Разрешающая способность прибора тем выше, чем меньше погрешность изме­рения и шире рабочий диапазон, поэтому она является обобщенной характеристикой точности прибора.

В системах автоматики широко применяют цифровые дискретные датчики, представляющие измеряемую величину последова­тельностью или совокупностью двоичных сигналов (импульсов). Различают абсолютные первичные преобразователи (или датчики абсолютных значений), имеющие однозначную зависимость между входной величиной и выходным кодом, и инкрементные первич­ные преобразователи (датчики. накапливающего типа, или датчики приращений), в которых монотонное изменение входной величи­ны вызывает последовательность импульсов на выходе. Для полу­чения значения измеряемого параметра нужно суммарное число импульсов от датчика умножить на шаг, соответствующий одно­му импульсу.

Цифровые датчики используют преимущественно в цифровых, дискретных системах управления, где анализ кода или операция подсчета числа импульсов не вызывают трудностей.