2.3 Измерительные преобразователи: классификация; основные характеристики

Измерительный преобразователь (ИП) – это средство измерений, предназначенное для преобразования входного измерительного сигнала (измеряемой величины) в выходной сигнал, более удобный для дальнейшего преобразования, передачи, обработки вычислительными устройствами или хранения, но непригодный для непосредственного восприятия наблюдателем. Измерительный (регистрирующий) прибор, в отличие от измерительного преобразователя, является средством измерений, вырабатывающим выходной сигнал в форме, позволяющей наблюдателю непосредственно воспринять значение измеряемой физической величины.

В общем случае ИП, как и любое другое средство измерений, может состоять из нескольких преобразовательных элементов, в каждом из которых происходит одно из последовательных преобразований измерительного сигнала. Преобразовательный элемент, непосредственно воспринимающий измеряемую величину является чувствительным элементом.

Различие между измерительным преобразователем и преобразовательным элементом заключается в следующем: ИП как средство измерений имеет нормированные метрологические характеристики и выполняётся обычно в виде отдельного независимого устройства определенного класса точности. Например,. измерительные трансформаторы (ТТ, ТН), шунты, термоэлектрические или терморезистивные измерительные преобразователи температуры и т.д. Преобразовательный элемент не имеет отдельно нормированных метрологических характеристик, однако его погрешности лимитируются погрешностями тех измерительных преобразователей или приборов, в состав которых он входит.

Наряду с термином измерительный преобразователь, широкое распространение получил термин датчик. Не следует, однако, отождествлять эти два термина. Датчиком обычно называют конструктивно завершенное устройство, размещаемое в процессе измерения непосредственно в зоне исследуемого объекта, выполняющее функцию измерительного преобразователя.

В настоящее время существует множество ИП, разнообразных по принципу действия и назначению. С развитием науки и техники имеет место дальнейшее их усовершенствование, возникают новые их виды. Следует отметить, что до настоящего времени общепринятая классификация не разработана. Существует несколько индивидуальных подходов к классификации ИП, имеющих как положительные, так и отрицательные стороны.

В зависимости от рода входной и выходной величин ИП подразделяют на перечисленные ниже группы.

ИП электрических величин в электрические: входными и выходными величинами у них являются электрические величины. Такие ИП осуществляют преобразование размера электрической величины (измерительные трансформаторы, делители тока и на пряжения), либо электрической величины одного вида в электрическую величину другого вида (шунты, добавочные сопротивления).

ИП неэлектрических величин в неэлектрические: входные и выходные величины у них являются неэлектрическими. Они также могут быть преобразователями размера той или иной не электрической величины (рычаги, редукторы) или преобразователями вида входной величины (консоли, мембраны, пружины и другие упругие механические преобразователи).

ИП электрических величин в неэлектрические: основную группу этих преобразователей составляют измерительные механизмы электромеханических приборов непосредственного преобразования, в которых входная электрическая величина преобразуется в перемещение указателя. Вторую большую группу составляют так называемые обратные преобразователи, используемые в цепях обратной связи сложных ИП неэлектрических величин уравновешивающего преобразования.

ИП неэлектрических величин в электрические: представляют собой наиболее многочисленную и разнообразную группу ИП. Это объясняется, с одной стороны, многочисленностью самих неэлектрических величин и, с другой – преимуществами электрических методов измерений и, соответственно, необходимостью преобразования неэлектрических величин именно в электрические.

По виду функции преобразования ИП разделяют на три большие группы: масштабные, изменяющие в определенное число раз размер входной величины без изменения ее физической природы, функциональные, осуществляющие однозначное функциональное преобразование входной величины с изменением ее физической природы или без ее изменения, и операционные, выполняющие над входной величиной математические операции высшего порядка – дифференцирования или интегрирования по временному параметру.

В зависимости от вида выходного сигнала ИП, различают генераторные и параметрические преобразователи. Генераторными являются ИП, выходные сигналы которых обладают энергетическими свойствами, в частности ими могут быть э. д. с., электрический ток, механическая сила, давление и т. п. Параметрическими являются ИП, в которых изменение входного сигнала приводит к изменению их определенных параметров – сопротивления, емкости, индуктивности, упругости и др. Для получения выходного энергетического сигнала в этих случаях требуются дополнительные- источники энергии.

Учитывая преимущество электрических методов измерения физических величин, здесь рассмотрим в основном преобразователи с электрическим выходным сигналом. По физическим закономерностям, положенным в основу принципа действия, ИП могут быть разделены на следующие группы.

• Механические упругие преобразователи: в основу их принципа действия положены зависимости между входными механическими силами и выходными перемещениями или механическими напряжениями, определяющиеся упругими свойствами материала преобразователя.

• Резистивные электрические и механо-электрические преобразователи: переносчиком измерительной информации в резистивных преобразователях является электрическое сопротивление. В основу принципа преобразования электрических резистивных преобразователей положена зависимость между напряжением, током и электрическим сопротивлением, определяемая законом Ома. Принцип работы механо-электрических резистивных преобразователей основан на изменении электрического сопротивления под действием входной преобразуемой механической величины.

• Электростатические преобразователи: к данной группе относятся преобразователи, переносчиком измерительной информации в которых является электрический заряд. Различают две основные разновидности электростатических преобразователей: емкостные, принцип действия которых основан на взаимодействии двух заряженных тёл, и пьезоэлектрические, возникновение электрического заряда в которых является следствием действия на чувствительный элемент механических усилий, изменения температуры или других факторов.

• Электромеханические преобразователи: к ним относятся преобразователи, принцип действия которых основан на возникновении механических перемещений их подвижных элементов под влиянием электрического тока. Это электродинамические, ферродинамические и магнитоэлектрические преобразователи.

• Гальваномагнитные преобразователи: принцип действия этих преобразователей основан на использовании гальваномагнитных эффектов, сущность которых заключается в изменении электрических параметров преобразователей под воздействием преобразуемого магнитного поля, в частности в изменении электрического сопротивления (эффект Гаусса) или появлении э. д. с. (эффект Холла). Основными разновидностями гальваномагнитных преобразователей являются соответственно магниторезистивные преобразователи и преобразователи Холла.

• Электромагнитные преобразователи: они составляют большую и разнообразную по принципу действия и по назначению группу ИП, объединенных общностью теории и принципа преобразования, основанного на использовании электромагнитных явлений. Это масштабные электромагнитные преобразователи электрического напряжения и тока (измерительные трансформаторы, индуктивные делители) и функциональные индуктивные (трансформаторные и автотрансформаторные) преобразователи механических чин.

• Индукционные преобразователи: Принцип действия таких ИП основан на законе электромагнитной индукции. Входными величинами у них могут быть скорость изменения магнитного потока либо скорость механического линейного или углового перемещения измерительной катушки.

• Тепловые преобразователи: тепловыми называют ИП, в основу принципа работы которых положены физические закономерности, определяемые тепловыми процессами. Основными разновидностями тепловых преобразователей являются термомеханические, терморезистивные и термоэлектрические преобразователи. Тепловые преобразователи – это в основном преобразователи температуры. Однако косвенно они используются и для преобразований других неэлектрических величин, которые проявляются через тепловые процессы и функционально связанны с тепловыми величинами. Например, химический состав веществ, концентрация, скорость движения жидкостей и газов и другие.

• Электрохимические преобразователи: их принцип действия основан на зависимости электрических параметров электролитической ячейки от состава и концентрации, температуры и других свойств раствора, а также зависимости электрической разности потенциалов на границе раздела твердой и жидкой фаз от скорости перемещения раствора. Входными сигналами электрохимических преобразователей могут быть разнообразные физические величины: качественный и количественный состав сложных жидких и газообразных сред, давление, скорость, ускорение и т. п. Основными разновидностями электрохимических преобразователей являются электролитические резистивные преобразователи, гальванические, полярографические, электрокинетические, химотронные.

• Оптические преобразователи: в основу их принципа действия положено преобразование потока оптического (светового и теплового) излучения. Преобразование измерительной информации осуществляется здесь обычно путем модуляции параметров источника излучения или оптического канала. Функциональные возможности оптических преобразователей и область их применения значительно расширились в связи с достижениями оптоэлектронной и оптоволоконной техники.

Существует также целый ряд других типов ИП.

Основные характеристики ИП: В статическом режиме, т.е. при установившихся (не изменяющихся во времени) значениях входной и выходной величинах, передаточные свойства ИП характеризуются следующими основными параметрами:

Функция передачи (преобразования): описывает связь между входной Х и выходной Y величинами ИП: , где Y и Х – действительные (усредненные) значения входной и выходной величины соответственно. Определение этой функции для ИП может быть произведено в различных режимах их работы в определенных точках диапазона преобразования, как в нормальных условиях, так и при воздействии внешних факторов, оговоренных в нормативных документах. Присвоенная данному ИП функция передачи (преобразования) является номинальной (паспортной) функцией преобразования или градуировочной характеристикой . Она может быть записана аналитически, а также представлена в виде таблицы или графика.

Коэффициент (передачи) преобразования: представляет собой отношение выходной величины Y к входной величине Х, т.е. . В общем случае коэффициент преобразования является функцией входной величины. Если функция преобразования линейна и ее график проходит через начало системы координат, то .

Чувствительность: представляет собой производную от функции преобразования или в конечных приращениях . Чувствительность характеризует степень реагирования ИП на входную величину. Для ИП, имеющих линейную функцию передачи, чувствительность будет постоянной. Если, кроме этого, график функции F(Х) проходит через начало системы координат, то номинальная чувствительность будет равна номинальному коэффициенту преобразования. Если же функция преобразования нелинейная, то чувствительность является функцией входной величины. Существует также понятие относительной чувствительность, представляющее собой отношение относительного изменения выходной величины к относительному изменению входной величины:

Порог чувствительности: под порогом чувствительности ИУ обычно понимают наименьшее значение входной величины, которое может быть уверенно выявлено этим преобразователем. Такое определение лишено, однако, четкого количественного содержания. Для понимания сущности понятия порога чувствительности следует иметь в виду, что выявлять уверенно малые значения входной величины мешает т. н. погрешность нуля Δ₀ которая носит случайный характер и проявляется в виде помех и шумов, вызывающих соответствующие изменения выходной величины. Поэтому под порогом чувствительности ИП следует понимать значение входной величины .

Погрешности: Погрешности ИП, как и погрешности отдельных её элементов, могут быть классифицированы по различным признакам. В частности, по способу выражения погрешности ИП подразделяют на абсолютные, относительные и приведенные. Поскольку в общем случае коэффициент преобразования ИП не равен единице (как это имеет место в измерительных приборах), то погрешности ИП могут быть приведены к выходной или входной величине:

абсолютная погрешность по выходу: ;

абсолютная погрешность по входу: ,

где к_ном – номинальный коэффициент преобразования ИП, соответствующий его градуировочной характеристике;

относительные погрешности ИУ по выходу и по входу, соответственно:

; ;

приведенные погрешности: ; ,

где x_N, y_N – т.н. нормирующие значения по входу или по выходу, соответственно, в качестве которых обычно принимается обычно диапазон преобразований.

В зависимости от степени неопределенности по грешности подразделяют на систематические и случайные. Систематической погрешностью называют составляющую погрешности ИУ, значение которой при повторных преобразованиях величины с неизменным размером остается постоянным. Случайной погрешностью называют ту ее составляющую, значение которой при повторных преобразованиях величины с неизменным размером изменяется случайно.

Существуют также основная погрешность, свойственная ИУ при нормальных условиях его применения (т. е. в условиях, когда влияющие величины: температура, частота и т. п. имеют нормальные значения или находятся в пределах нормальной области их значений) и дополнительная погрешность, вызванная отклонением одной из влияющих величин от нормального значения или выходом ее значения за пределы нормальной области. Пределы допустимых отклонений условий работы преобразователей от нормальных также нормируются и ограничиваются рабочей областью значений влияющей величины, в пределах которой нормируется дополнительная погрешность.

Специфической разновидностью погрешности, возникающей в дискретных преобразователях, является т.н. погрешность квантования.

В динамическом режиме, т.е. при изменяющихся во времени входной и выходной величинах, передаточные свойства ИП характеризуются следующими основными параметрами:

Передаточная функция: представляет собой отношение: , где Y(p) – это изображение (по Лапласу) выходной величины; Х(p) – это изображение (по Лапласу) входной величины.

Передаточная функция W(p) является исчерпывающей характеристикой динамических свойств ИП. Следует, однако, отметить, что она малонаглядна и, кроме того, трудно поддается экспериментальному определению. Поэтому на практике используют другие характеристики. В частности, это реакция ИП на воздействие в виде единичного скачка (короткого импульса единичной площадью), установившаяся реакция на линейно нарастающее входное воздействие или на синусоидальное воздействие.

Реакция невозбужденного (с нулевыми начальными условиями) ИП на воздействие в виде единичного скачка называется переходной функцией h(t). Наиболее характерными переходными функциями (формами реакции) являются апериодическая (сглаживание фронта) и колебательная (выбросы напряжения). Примером скачкообразного воздействия входного сигнала может переход ИП из среды с одной температурой в среду с другой температурой.

Установившаяся реакция на синусоидальное входное воздействие в общем случае является сложной функцией параметров ИУ и описывается т.н. частотными характеристиками:

- амплитудно-частотной характеристикой Y = f₁() или к = f₁();

- фазочастотной характеристикой  = f₂(), где  – угол сдвига фаз между входной X и выходной Y величинами.