ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ 1 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ 1 ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ О ИП 1. 1 ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ И ОПРЕДЕЛЕНИЯ

Измерения физических величин всегда имеют определенную цель. Это либо контроль измеряемой величины, либо управление той физической величиной. Под контролем будем понимать измерение физической величины без воздействия на нее.

Структурная схема контрольно-измерительной системы О – объект; ИП – измерительный преобразователь; ПП – промежуточный преобразователь; ЛС – линия связи; УО – устройство отображения

Структурная схема системы автоматического регулирования О – объект; ИП – измерительный преобразователь; ПП – промежуточный преобразователь; ЛС – линия связи; ОР – объект регулирования; УМ – усилитель мощности; ИУ – исполнительное устройство.

Количественная информация о свойствах физических объектов, получаемая в результате измерений назвается измерительной информацией. Измерение - экспериментальное выражение значения физической величины с помощью специальных технических средств с нормированными метрологическими характеристиками.

Цель измерений - установление истинного значения физической величины в стандартных единицах измерения. Истинное значение - такое экспериментальное значение, которое так близко к абсолютному, что может его заменить с точностью до погрешности измерений. Результат измерения - сигнал на выходе системы, несущий информацию в виде значения измеряемой физической величины.

Измеряемая величина - подлежащая измерению физическая величина. Входной измерительный сигнал - определенный параметр, несущий информацию о значении измеряемой величины. Информативным параметром входного сигнала называется тот параметр процесса, который является изменяемым или функционально связан с измеряемой величиной.

Неинформативным параметром называется параметр входного сигнала, который функционально не связан с измеряемой величиной. Такой параметр, однако, может оказывать воздействие на измерительное средство и быть источником погрешностей.

Измерительное преобразование - отображение размера одной физической величины размером другой функционально связанной с ней физической величиной удобной для дальнейшего преобразования, обработки, хранения или передачи на значительные расстояния.

Преобразования, в результате которых получают информацию о значении измеряемой физической величины, принято называть прямыми. Пример. Измерение индукции магнитного поля при помощи преобразователя Холла. Под действием измеряемого магнитного поля на гранях, перпендикулярных току, протекающему по преобразователю Холла возникает ЭДС, пропорциональная измеряемой физической величине, т. е. происходит преобразование неэлектрической величины в электрическую.

По чувствительности преобразователя Холла (SB=мк. В/м. Тл) и величине ЭДС Холла рассчитывается величина индукции измеряемого магнитного поля. Преобразования, в результате которых измеряемая величина воспроизводится мерой, называются обратными.

Пример. Воспроизведение единицы магнитной индукции в эталонной катушке. В первом случае измеряемая величина является аргументом, во втором – функцией. В процессе измерения прямые и обратные преобразования всегда взаимосвязаны. Эта взаимосвязь отражает сущность измерения как процесса сравнения данной физической величины с величиной того же наименования, принятой за единицу.

Применение преобразования физической величины является единственным методом получения измерительной информации в процессе получения и накопления данных о внешнем мире, а также построения практически любых измерительных устройств.

Измерительный преобразователь (ИП) — это техническое устройство, предназначенное для выработки сигнала измерительной информации недоступной для непосредственного восприятия наблюдателем в форме удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и (или) хранения.

В основе работы ИП использовано то или иное физическое явление (процесс), происходящее под действием измеряемой физической величины. Измерительный преобразователь, в основе действия которого лежат прямые преобразования физической величины получил название первичного преобразователя измеряемых величин. Это связано с тем, что он как правило является первым звеном измерительной цепи.

Каждому измерительному преобразователю приписывается естественная входная величина, для измерения которой на фоне помех данный измерительный преобразователь предназначен. По этому же принципу выделяется естественная выходная величина преобразователя.

По виду преобразуемых физических величин преобразователи делятся на: 1. Преобразователи электрических величин в электрические – это добаволчные сопротивления, шунты и делители напряжения, измерительные трансформаторы т. п.

2. Преобразователи неэлектрических величин в электрические - это индукционные преобразователи (разного рода катушки; гальваномагнитные преобразователи), гальваномагнитные преобразователи (преобразователи Холла, магниторезисторы, магнитодиоды и др. ), термоэлектрические преобразователи (термопары, терморезисторы) и т. п.

По виду естественной выходной электрической величины преобразователи подразделяются на: 1. Параметрические (с ЭДС у = 0 и выходной величиной в виде изменения R, L или С как функции от х). 2. Генераторные (с выходной величиной у = f (x) или i = f (x) и внутренним сопротивлением Zвн = const ).

Параметрические ИП

Генераторные ИП

1. 2 Основные свойства измерительных преобразователей Функция преобразования измерительного преобразователя — это зависимость выходной величины от входной, описываемая аналитическим выражением или графиком.

Обобщенная структурная схема ИП х – входная физическая величина ИП; у - выходная величина ИП; a - помехи.

у - является функцией многих переменных (или физических величин); у = f (x 1, х2 , …, хn); Предпочтительнее иметь линейную характеристику преобразования, т. е. линейную зависимость между изменением входной величины и соответствующим приращением выходной величины преобразователя в виде: Y = F (x) =K∙X или Y = Y 0 + КΔX. (1)

Для описания (1) достаточно двух параметров: начального значения выходной величины Y 0 (нулевого уровня), соответствующего нулевому (или какому-либо другому характерному) значению входной величины X, и чувствительности преобразователя S = ΔY/ΔX , так называемого показателя относительного наклона выходной характеристики

1. 3 Погрешности измерительных преобразователей Чувствительность преобразователя S— это свойство преобразователя, заключающееся в возможности преобразования измеряемого сигнала в форму, удобную для дальнейшей обработки или позволяющую наблюдателю воспринять значение измеряемой физической величины, оцениваемое с помощью коэффициентов преобразования.

Различают систематические, случайные и прогрессирующие погрешности. • Систематическими называются погрешности, не изменяющиеся с течением времени или являющиеся не изменяющимися во времени функциями определенных параметров. Разность между номинальной (паспортной) и реальной характеристиками преобразователя называется погрешностью измерительного преобразователя.

Погрешность линейности (нелинейность). Реальная зависимость у = f(x) может быть нелинейной, хотя понимается линейной. Нелинейность – это разность между истинными принятым значениями измеряемой величины в предположении, что система измерения линейна.

Величина нелинейности N, когда измеренное значение равно у1.

Нелинейность выражается как процентное отношение максимальной ошибки линейности к отклонению на всю шкалу прибора:

Пример: - для реостатного преобразователя единица чувствительности – Ом/мм; - для термопары – м. В/К; - для фотоэлемента - мк. А/лм; Коэффициент преобразования K(мера чувствительности преобразователя) – отношение изменения сигнала на выходе преобразователя к вызывающему его изменению сигнала на входе преобразователя.

Наименование естественной выходной величины преобразователя зависит от природы входной и выходной величин и записывается как отношение единицы входной величины к единице выходной величины.

Порог чувствительности измерительного преобразователя - выражается в единицах измеряемой величины и характеризующего предельные возможности при работе в режиме нуль-индикатора (под порогом чувствительности понимают наименьшее изменение входного сигнала, способное вызвать заметное изменение выходной величины преобразователя).

1. 4 Реальные и номинальные характеристики измерительных преобразователей. В связи с тем, что преобразователи изготавливаются и градуируются индивидуально их характеристики как правило несколько отличаются друг от друга, занимая некоторую полосу.

Ориентационная зависимость преобразователя – свойство преобразователей или измерительных приборов, предназначенных для измерения параметров векторных величин (находит отражение в диаграммах направленности).

Поэтому в, паспорте измерительного преобразователя приводится либо реальные характеристики присущие каждому преобразователю (например, преобразователи Холла), либо некоторая средняя характеристика, называемая номинальной.

Динамические характеристики ИП Полоса пропускания – это диапазон частот, для которого чувствительность S не меньше Smax.

Быстродействие – это параметр ИП, позволить оценить, как выходная величина следует во времени за изменениями измеряемой величины.

Постоянная времени τ – промежуток времени, за который выходная величина достигает 0, 63 от установившегося значения, при ступенчатом изменении входного сигнала.