Функция преобразования измерительного прибора

Функциональные преобразователи: измерительные, параметрические, генераторные

08.11.

2011 23:06

    Преобразователи физических величин в электрический сигнал — один из основных элементов автоматических си­стем контроля и управления измерительных и регулирующих при­боров, во многом определяющий их эксплуатационные характе­ристики, например степень автоматизации, точность, быстродей­ствие. Разработка многофункциональных преобразователей (МФП) основывается на достижениях в области автоматики, вычислительной техники, радиоэлектроники, инфор­мационно-измерительной техники, метрологии.

    Канал передачи информации о физической величине состоит из последовательно включенных звеньев, осуществляющих пре­образование ее в электрический сигнал, функциональное преобра­зование электрического сигнала, масштабное преобразование, преобразование к виду, пригодному для дальнейшего использова­ния (индикации, измерения, регистрации, документирования, фор­мирования управляющего воздействия).

Совокупность последо­вательно включенных звеньев, осуществляющих перечисленные операции, — преобразователь физической величины. В соответст­вии с этим определением обобщенная структурная схема преобра­зователя может быть представлена (рис.

1), состоящей из чувствительного элемента ЧЭ, первичного преобразователя ПП, функционального преобразова­теля ФП, масштабного преобразователя МП, вторичного (выход­ного) преобразователя ВП.

Рис. 1. Обобщенная структурная схема преобразователя

    Функциональный и масштабный преобразователи часто назы­вают промежуточными. В зависимости от конкретного назначе­ния преобразователя в целом и вида преобразуемой физической величины ФП и МП в структуре могут и отсутствовать. В ряде случаев их функции выполняют звенья ПП и ВП.

    Основное уравнение преобразования — зависимость между входной преобразуемой величиной x(t) и выходной yo(t). Эта зависимость иногда называется функцией преобразования. Для иде­ализированного случая — отсутствия каких-либо внешних возму­щающих и дестабилизирующих воздействий, влияющих на пре­образователь, зависимость имеет вид:

yo(t)=Fo[x(t)].

Измерительные преобразователи

    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 и передачи, но непосредственно не воспринимаемый оператором. ИП 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: 

-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: 

-Первичный измерительный преобразователь — измерительный преобразователь, на который непосредственно воздействует измеряемая физическая величина. Первичный измерительный преобразователь является первым преобразователем в измерительной цепи измерительного прибора;

-Датчик — конструктивно обособленный первичный измерительный преобразователь;

-Детектор — датчик в области измерений ионизирующих излучений;

-Промежуточный измерительный преобразователь — измерительный преобразователь, занимающий место в измерительной цепи после первичного преобразователя.

    По другим признакам: 

-Передающий измерительный преобразователь — измерительный преобразователь, предназначенный для дистанционной передачи сигнала измерительной информации;

-Масштабный измерительный преобразователь — измерительный преобразователь, предназначенный для изменения размера величины или измерительного сигнала в заданное число раз.

    По принципу действия ИП делятся на генераторные и параметрические.

Параметрические преобразователи

    Устройства, содержащие не менее двух поверхностей, между которыми действует электрическое поле, называются электростатическими преобразователями (ЭСП). Электрическое поле создается извне приложенным напряжением или возникает при действии на вход преобразователя измерительного сигнала.

1. Преобразователи, в которых электрическое поле создается приложенным напряжением, составляют группу емкостных преобразователей. Основным элементом в этих преобразователях является конденсатор переменной емкости, изменяемой входным измерительным сигналом.

 Электростатический преобразователь

    Основной характеристикой конденсатора является его ёмкость, характеризующая способность конденсатора накапливать электрический заряд. В обозначении конденсатора фигурирует значение номинальной ёмкости, в то время как реальная ёмкость может значительно меняться в зависимости от многих факторов.

Однако существуют конденсаторы (ионисторы) с ёмкостью до десятков фарад.

Ёмкость плоского конденсатора, состоящего из двух параллельных металлических пластин площадью S каждая, расположенных на расстоянии d друг от друга, в системе СИ выражается формулой:

, где  — относительная диэлектрическая проницаемость среды, заполняющей пространство между пластинами (в вакууме равна единице),  — электрическая постоянная, численно равная Ф/м (эта формула справедлива, лишь когда d много меньше линейных размеров пластин).

Изменение любого из этих параметров изменяет емкость конденсатора.

    Номинальная емкость емкостных преобразователей обычно лежит в пределах от единиц до сотен пикофарад. На частоте 50 Гц внутреннее сопротивление преобразователя достигает значений более 10 Ом. При столь высоком сопротивлении возможны погрешности, обусловленные паразитными токами утечки, причем на результат измерения влияет непостоянство сопротивления изоляции. Для уменьшения сопротивления преобразователя частота напряжения питания увеличивается до нескольких килогерц и вьше, вплоть до нескольких мегагерц. 

    Конструкция емкостного датчика проста, он имеет малые массу и размеры. Его подвижные электроды могут быть достаточно жесткими, с высокой собственной частотой, что дает возможность измерять быстропеременные величины. Емкостные преобразователи можно выполнять с заданной (линейной или нелинейной) функцией преобразования. Для получения требуемой функции преобразования часто достаточно изменить форму электродов. Отличительной особенностью является малая сила притяжения электродов. 

    Основным недостатком емкостных преобразователей является малая их емкость и высокое сопротивление. Для уменьшения последнего преобразователи питаются напряжением высокой частоты. Однако это обусловливает другой недостаток — сложность вторичных преобразователей. Недостатком является и то, что результат измерения зависит от изменения параметров кабеля. Для уменьшения погрешности измерительную цепь и вторичный прибор располагают вблизи датчика.

    Пример применения: Ёмкостный сенсорный экран в общем случае представляет собой стеклянную панель, на которую нанесён слой прозрачного резистивного материала.

По углам панели установлены электроды, подающие на проводящий слой низковольтное переменное напряжение. Поскольку тело человека способно проводить электрический ток и обладает некоторой ёмкостью, при касании экрана в системе появляется утечка.

Место этой утечки, то есть точку касания, определяет простейший контроллер на основе данных с электродов по углам панели.

В основу принципа преобразования электрических резистивных преобразователей (шунтов, добавочных резисторов, резистивных делителей и т. п.

) положена зависимость между напряжением, током и электрическим сопротивлением, определяемая законом Ома, и зависимость электрического сопротивления проводника от его длины, удельного сопротивления. 

Принцип работы механоэлектрических резистивных преобразователей (например, реостатных) основан на изменении электрического сопротивления под действием входной преобразуемой механической величины. К резистивным преобразователям часто относят и тензорезисторы, принцип действия которых основан на изменении электрического сопротивления различных материалов под действием механической деформации.

Тензорезисторы могут измерять и преобразовать разнообразные физические величины в электрические сигналы и широко применяются в датчиках силы, давления, перемещения, ускорения или вращающего момента. В качестве материалов таких преобразователей используются проводники с проволочными и фольговыми чувствительными элементами или полупроводники.

3. Электромагнитные преобразователи составляют очень большую и разнообразную по принципу действия и по назначению группу преобразователей, объединенных общностью теории, принципа преобразования, основанного на использовании электромагнитных явлений.

 Это масштабные электромагнитные преобразователи (измерительные трансформаторы, индуктивные делители напряжения и тока), индуктивные трансформаторные и автотрансформаторные преобразователи неэлектрических величин, а также индуктивные и индукционные преобразователи.

4. Генераторные преобразователи (датчики) выдают на выход измеритель-ный сигнал за счет собственной внутренней энергии и не нуждаются в каких-либо внешних источниках. Характерным примером такого рода датчика может служить датчик скорости вращения типа тахогенератора. Развиваемая тахогенератором ЭДС может быть пропорциональной скорости вращения его ротора.

К генераторным датчикам относятся:

— термоэлектрические;

— индукционные;

— пьезоэлектрические;

электрические.

Основные параметры датчиков

    Статическая характеристика датчика представляет собой зависимость изменения выходной величины от входной величины

y=f(x)

    Чувствительность датчика — отношение приращения выходной величины к приращению входной величины

S = Ay/Ax

    Порог чувствительности датчика — наименьшее значение входной величины, которое вызывает появление сигнала на выходе.

Источник: https://emkelektron.webnode.com/news/izmjeritjelnyje-prjeobrazovatjeli/

Измерительный преобразователь. Виды и устройство. Работа

Измерительный преобразователь– специальное устройство, которое преобразует величину неэлектрического характера в электросигнал, а также наоборот. К преобразователям также относятся приборы, переводящие измеряемый параметр в иную величину, который будет удобным для исследования, преобразования, в том числе сохранения и передачи.

Эти приборы необходимы во многих сферах, поэтому они получили значительное распространение. Так, к примеру, чтобы создать систему дистанционного контроля траты тепла или воды в ЖКХ требуются преобразователи импульсов в ток или напряжение.

Счетчики создают импульсы, которые впоследствии преобразуются в электрическую величину.

Преобразователи можно поделить на целый перечень устройств:

• Квантовые.
• Ионизирующего излучения.
• Оптоэлектронные.
• Адсорбционные.
• Электрохимические.
• Индук­ционные.
• Тепловые.
• Электромагнитные.
• Гальваномагнитные.
• Емкостные.
• Механиче­ские упругие.
• Пьезоэлектрические.
• Резистивные и так далее.

Также преобразователи можно классифицировать по целому ряду признаков:

• По виду выходного сигнала.
• По физическим закономерностям, которые используются для проведения измерений.
• Фццункции преобразования и так далее.

Устройство

Имеется достаточно обширное разнообразие из­мерительных устройств. Однако вне зависимости от их видового разнообразия у всех у них имеется первичныйизмерительный преобразователь, который и проводит измерение величины. Как раз его, в конечном счете, и необходимо измерить, но величина на выходе должна быть уже в электрическом виде.

• Измеряемая величина воздействует на чувствитель­ный орган, который имеет свое наименование – датчик. Это отдельный элемент, который находится в месте измерений и выполняет функции первичного преобразователя.
• Далее находится промежуточный преобразователь, который переводит сигнал в удобную для восприятия величину. На них может быть возложены различные обязанности;

1) масштабно-временное преобразование; 2) цифро-аналоговое преобразование; 3) масштабное преобразование; 4) изменение величины;

5) функциональное преобразование и так далее.

Однако следует учитывать, что в цепи могут находиться сразу несколько первичных преобразователей.

Типичным представителем преобразователя является тензорезистор. Это устройство имеет чувствительную часть, выполненную из специального тензочувствительного материала. Он крепится с помощью пайки на изделии.

Для возможности преобразования от чувствительного элемента отходят выводные проводники, которые подключаются к электрической цепи. Ряд подобных устройств имеют дополнительно подложку, которая находится между изделием и чувствительной частью.

Может быть установлена и защита, которая расположена поверх чувствительного элемента.

В результате типичный тензопреобразователь включает следующие элементы: чувствительный элемент, элемент связки, само изделие, подложку, узел пайки, защиту и выводные проводники.

Принцип действия

Понять принцип действия преобразователя можно на примере электронных весов. Именно в таких приборах работает измерительный преобразователь, который переводит величину силы тяжести, то есть вес какого-нибудь измеряемого изделия, в понятную для восприятия величину. Просто положив на весы небольшую запасную часть от машины, можно будет с точностью до граммов узнать его массу. В весах в качестве преобразователя работает тензометрический датчик.

Принцип действия весов объясняется измерением веса, который действует на тензодатчик. В процессе преобразования измеряется деформация, которая соответственно переводится в электрический сигнал. Последний поступает на монитор или иной элемент, с которого можно прочитать показания измеренной массы.

Тензометрические преобразователи применяются не только в весах, но и во многих других устройствах.

При помощи них измеряются и исследуются:

• Деформации в изделиях, в том числе свойства материалов.
• Для получения величин, которые образуются в результате деформации соответствующего элемента.

В целом современные преобразователи получили большое распространение, ведь они удобны в управлении, имеют небольшой вес и габариты. Благодаря таким устройствам пользователь может дистанционно отслеживать все необходимые показатели.

Пьезоэлектрические преобразователи работают на базе обратного и прямого пьезоэлектрического эффектов. При механи­ческом действии на диэлектрики наблюдается их электрическая поляризация. При обратном действии в диэлектриках появляются напряжения или меняются их размеры.

Электромеханические преобразователи работают под действием тока, вследствие чего они начинают перемещаться. Гальваномагнитные преобразователи работают по принципу воздействия на них магнитного поля. Индукционные преобразователи действуют благодаря электро­магнитной индукции.

Электрохимические преобразователи действуют на принципах электродной системы и электролитической ячейки. Так при падении изменении напряжения или иного параметра в ячейке происходит изменение другой характеристики: индуктивность, емкость или сопротивлением. Базируясь на этих принципах, появляется возможность измерения температуры, давления и многих других требуемых величин.

Оптоэлектронные преобразователи работают на принципе преобразо­вания ультрафиолетовых и тепловых излучений. Преобразование данных в подобных устройствах может происходить различными способами: за счет изменения мощности излучения, модуляции оптического канала и так далее.

Применение

Измерительный преобразовательнаходит широчайшее применение. Такие устройства применяют на многих производствах, лабораториях и даже в быту. Это могут быть сложные приборы, которые собирают многочисленную информацию с датчиков или же простые устройства в виде домашних кухонных весов.

Можно назвать следующие области:

• Металлургическая промышленность.
• Нефтянка.
• Химическая и газовая промышленность.
• Научные и лабораторные установки.
• Медицина.
• Фармакология.
• Геология.
• Атомная промышленность.
• Энергетика.

• ЖКХ и так далее.

На любом производстве, где требуется наблюдение или регулирование технологического процесса, не обойтись без преобразователя.

Такие преобразователи часто используются в специальных измерительных приборах, которые применяются для обработки сигналов:

• Портативные измерительные приборы, к примеру, для получения показателей параметров воды или грунта.
• Щитовые приборы, которые имеются практически в каждом здании.
• Регистраторы и самописцы. Это сложнейшие приборы, которые отслеживают происходящие вокруг изменения и сохраняют все в памяти.
• Цифровые преобразователи.
• Весовые дозаторы, конвейерные и кухонные весы и так далее.

Измерительный преобразовательрекомендуется подбирать по следующим принципам:

• Какой на выходе получается сигнал: цифровой или аналоговый? Именно этот сигнал будет выводиться на монитор или иной элемент, с которого будет считываться информация. Аналоговые преобразователи являются уже устаревшими устройствами, однако они до сих пор применяются.

  Дело в том, что бурный толчок их развития и производства пришелся на 1980-е года прошлого века.

Благодаря ним были налажены многие производства и области промышленности. В результате появились новые производства, которые были заточены на производство именно этих аналоговых преобразователей.

Поэтому они и сегодня выпускаются, ведь они дешевы и весьма распространены.

Тем не менее, на смену им приходят цифровые устройства, они на порядок дороже по стоимости, но считаются более перспективными устройствами:

1) они обеспечивают высокую степень передачи информации, точность и быстродействие; 2) у них высокая электробезопасность; 3) простота реализации;

4) их можно интегрировать в различные современные системы телемеханики.

Некоторые современные преобразователи могут иметь одновременно и цифровые и аналоговые выходы.

• Условия эксплуатации. Почти все преобразователи могут использоваться в широком диапазоне температур, но некоторые устройства могут иметь ограничения. При изменении температуры примерно на десять градусов может появиться погрешность примерно в 0,4%. Также возможны погрешности, которые связаны с влиянием магнитного поля, действующего в месте проведения измерения.

Поэтому при выборе необходимо определиться, какие задачи, в конечном счете, будет решать измерительный преобразователь.

• Преобразователь должен обеспечивать необходимую точность измерения. Поэтому у него должен иметься межповерочный интервал, проводиться проверка или калибровка. К примеру, для измерительных устройств межповерочный интервал равняется одному году. Для цифровых преобразователей данный интервал находится в пределах 4-6 лет.
• Учитывая все вышеперечисленное, измерительный преобразовательследует подбирать с учетом его основных технических характеристик: быстрота действия, погрешность проводимых измерений, назначение, метод передачи полученной величины и так далее.

Похожие темы:

Источник: https://electrosam.ru/glavnaja/slabotochnye-seti/oborudovanie/izmeritelnyi-preobrazovatel/