Функция преобразования измерительного прибора

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.

Виды

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.
  • Функции преобразования и так далее.
Устройство

Имеется достаточно обширное разнообразие из­мерительных устройств. Однако вне зависимости от их видового разнообразия у всех у них имеется первичный измерительный 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;

— масштабно-временное преобразование;
— цифро-аналоговое преобразование;
— масштабное преобразование;
— изменение величины;
— 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.

В основе функционирования тензодатчика используется тензоэффект, который кроется в смене сопротивления проводников во время деформации. То есть при изменении длины проводника изменяется и сопротивление.

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 преобразователь находит 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.

Как выбрать измерительный преобразователь

Измерительный преобразователь рекомендуется 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:

— они обеспечивают высокую степень передачи информации, точность и быстродействие;
— у них высокая электробезопасность;
— простота реализации;
— 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 преобразователь следует подбирать с учетом его основных технических характеристик: быстрота действия, погрешность проводимых измерений, назначение, метод передачи полученной величины и так далее.

Функциональные преобразователи: измерительные, параметрические, генераторные.

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.

Читайте также  Устранение перегрузки домашней электропроводки

По характеру преобразования:

Аналоговый измерительный преобразователь — измерительный преобразователь, преобразующий одну аналоговую величину (аналоговый измерительный сигнал) в другую аналоговую величину (измерительный сигнал);

Параметрические преобразователи

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.

К генераторным датчикам относятся:

Основные параметры датчиков

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

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.

Инерционность датчика — время, в течение которого выходная величина принимает значение, соответствующее входной величине.

Измерительное преобразование. Измерительные сигналы

В метрологии информацию о величине называют измерительной информацией, а величины, являющиеся носителями измерительной информации, — измерительными сигналами.

Измерительный сигнал — сигнал, содержащий информацию об измеряемой величине.

Первичным носителем измерительной информации, т.е. первичным измерительным сигналом, является измеряемая величина. Для получения результата измерения, обеспечения удобства хранения, передачи, отображения и др. измерительный сигнал могут подвергать преобразованиям, при которых изменяют параметры и вид сигнала (например, из аналогового сигнала в дискретный сигнал и наоборот) или производят замену величины, носителя измерительной информации, на величину другой природы. Например, силу заменяют перемещением или деформацией, температуру — изменением высоты столбика жидкости или электродвижущей силой и т.д. Эта процедура называется измерительным преобразованием.

Простейшее измерительное преобразование – это изменение масштаба сигнала измерительной информации находит применение в подавляющем большинстве измерительных приборов. Оно позволяет повысить чувствительность средства измерений и улучшить его метрологические характеристики, расширить или изменить диапазон измерения.
Наиболее часто встречающееся преобразование – представление сигнала измерительной информации в виде перемещения указателя (стрелки, светового пятна, самописца и пр.) измерительного прибора или в цифровой форме.

На пути от объекта измерения к показывающему или регистрирующему устройству средства измерений измерительный сигнал может подвергаться нескольким последовательным преобразованиям, которые разделяют на первичное и вторичные. (Первичное преобразование – это преобразование, при котором входным сигналом является измеряемая величина). Особую роль играют первичные преобразования, в рамках которых решается задача замены измеряемой величины на представительную величину.
Под представительной величиной здесь понимается величина,
— которая может быть измерена,
— удобная для дальнейшего преобразования,
— средства измерений которой позволяют получить результат измерения с заданной точностью и в требуемой форме и др.,
— и, обязательно, для которой в рамках используемого физического явления или эффекта обеспечивается еѐ однозначное соответствие измеряемой величине.

В этой связи отметим, что не все величины могут быть измерены непосредственно. Так, например, о температуре, давлении, силе, электрическом токе мы судим по эффектам, наблюдаемым при их действии на объекты. Воздействие температуры сопровождается тепловым расширением материалов. Действие силы или давления приводит к деформации тел. Взаимодействие проводника, через который идет ток, с магнитным полем порождает силу, действующую на проводник.
В зависимости от природы измеряемой величины и требований к представительной величине первичное преобразование может состоять из одной или нескольких ступеней. Например, механическая сила, действуя на упругий элемент, деформирует его. Вместе с упругим элементом растягивается/сжимается тензорезистор, изменяются его длина и площадь поперечного сечения и, как следствие, электрическое сопротивление. Изменение сопротивления в электрической цепи позволяет получить сигнал измерительной информации в виде изменения напряжения или силы тока. Однако на пути к отображению измерительной информации полученный сигнал подлежит дальнейшим преобразованиям.

Измерительные сигналы (ИС) могут характеризоваться несколькими параметрами, которые разделяют на информативные и неинформативные. Параметр сигнала, связанный с измеряемой величиной, называют информативным, а все остальные параметры – неинформативными параметрами.

Измерительные сигналы подразделяют по качественным и количественным признакам.

Классификация измерительных сигналов

Измерительные сигналы
Аналоговые
Дискретные
Цифровые
Постоянные во времени
Переменные во времени
Непрерывные
Импульсные
Неслучайные: детерминированные и квазидетерминированные
Случайные
Элементарные
Сложные
Стационарные
Нестационарные
Периодические
Непериодические
Эргодические
Неэргодическиее
Гармонические
Почти периодические
Полигармонические
Переходные

По характеру представления измерительной информации ИС делят на аналоговые и дискретные сигналы.

Информативный параметр аналогового сигнала может принимать в определенных границах любые значения, дискретного сигнала – только некоторое конечное число значений. Цифровые ИС представляют собой частный случай дискретных сигналов, каждому значению которых поставлены в соответствие определенные комбинации символов некоторого алфавита (например, десятичной или двоичной системы).

По причинно-следственной связи измерительные сигналы делят на детерминированные и случайные.

Детерминированные ИС характеризуются тем, что при повторении условий наблюдения они принимают одни и те же значения или одни и те же последовательности значений.
Случайные ИС наблюдаются при исследовании событий, которые за счет влияния ряда случайных факторов при повторении условий наблюдения наступают случайно в неопределенные моменты времени.

При измерительном преобразовании происходит приведение информативного параметра выходного сигнала в соответствие информативному параметру входного сигнала. Эту процедуру называют модуляцией, сигнал на входе преобразователя именуют модулирующим сигналом, а на выходе из преобразователя – модулированным сигналом. Модулированный сигнал получают перенесением измерительной информации на какой-либо стационарный сигнал, который именуют модулируемым или несущим. (В более узком смысле под модуляцией понимают наложение низкочастотного сигнала на высокочастотный сигнал.) Стационарные высокочастотные сигналы воспроизводят измерительные генераторы.
Необходимость модуляции сигналов обосновывается потребностями: передачи измерительной информации на большие расстояния без искажений, одновременной передачи нескольких сигналов по одному каналу, представления сигнала в виде, позволяющем выполнять его автоматическую обработку.

Основными видами несущих сигналов являются:

-сигналы постоянного уровня (постоянные электрические токи и напряжения, давление сжатого воздуха, световой поток, линейные и угловые размеры);
-синусоидальные сигналы (переменный электрический ток или напряжение);
-последовательность прямоугольных импульсов (электрических или световых).

В зависимости от вида модуляции измерительные сигналы классифицируют следующим образом.
Сигналы постоянного уровня — характеризуются лишь одним параметром и поэтому могут быть модулированы только по уровню.
Синусоидальные сигналы — могут быть модулированы по амплитуде, частоте или фазе. В зависимости от того, который из этих параметров сигнала является информативным, говорят об амплитудно-модулированных, частотно-модулированных или фазомодулированных сигналах.

Последовательность прямоугольных импульсов — может быть модулирована по амплитуде (амплитудно-импульсно- модулированные сигналы), по частоте (частотно-импульсно-модулированные сигналы), по фазе (фазоимпульсно-модулированные сигналы) или по ширине импульсов (широтно-импульсно-модулированные сигналы). Сигнал, в котором различным значениям измеряемой величины поставлена в соответствие определенная комбинация импульсов различного уровня, называется кодоимпульсным, или цифровым.

По отношению к измерительному преобразованию величины разделяют на активные и пассивные. Активными называют величины, преобразование которых не требует использования вспомогательных источников энергии (примеры, сила электрического тока и электрическое напряжение, механическая сила, температура). К пассивным относят величины, для которых получение измерительного сигнала возможно только при использовании постороннего источника энергии (примеры, масса, индуктивность, твердость, электрическое сопротивление).

Импульсная модуляция. Сигналы: а) – несущий– последовательность прямоугольных импульсов; б) – модулирующий; в) – амплитудно–импульсно-модулированный; г) – частотно-импульсно-модулированный; д) – широтно-импульсно-модулированный.

Измерительное преобразование и измерительное сигналы находят применение при создании средств измерений и являются их важными характеристиками. При этом вся совокупность измерительных преобразований может быть реализована в одном измерительном приборе или в нескольких последовательно соединенных средствах измерений (датчик, измерительные преобразователи, измерительный прибор).
Следует иметь в виду, что при измерительных преобразованиях возможно искажение или потеря части измерительной информации, что отражается на погрешности средств измерений.

Измерительный преобразователь

Измери́тельный преобразова́тель — 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.

Содержание

Классификация

  • 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.
Читайте также  Соединение кабеля через муфту

Некоторые примеры

  • Термопара в термоэлектрическом термометре
  • Измерительный трансформатор
  • Электропневматический преобразователь
  • Преобразователь угол-код

Литература

  • Левшина Е. С, Новицкий П. В. Электрические измерения физических величин (Измерительные преобразователи). — Л.: Энергоатомиздат, 1983.
  • Справочник по электроизмерительным приборам. Под ред. К. К. Илюнина. — Л.: Энергоатомиздат, 1983.
  • Дубовой Н. Д. Автоматические многофункциональные измерительные преобразователи. — М.: Радио и связь, 1989.
  • Бриндли К. Измерительные преобразователи. Справочное пособие. Пер. с англ. — М.: Энергоатомиздат, 1991.

Нормативно-техническая документация

  • ГОСТ Р 51086-97. Датчики и преобразователи физических величин электронные. Термины и определения.
  • РМГ 29-99 ГСИ. Метрология, Основные термины и определения.
  • ГОСТ 30606-98. Преобразователи цифрового кода в напряжение или ток измерительные.
  • ГОСТ 30605-98. Преобразователи измерительные напряжения и тока цифровые.

См. также

  • Измерительная установка
  • Измерительный прибор
  • Компаратор
  • Мера физической величины
  • Средство измерений
  • Средство сравнения
  • Физическая величина

Ссылки

  • Измерительные преобразователи
  • Измерительные преобразователи переменного напряжения в постоянное

Wikimedia Foundation . 2010 .

  • Гаспарян, Манук Оганесович
  • Continuous (альбом)

Смотреть что такое «Измерительный преобразователь» в других словарях:

измерительный преобразователь — ИП Техническое средство с нормативными метрологическими характеристиками, служащее для преобразования измеряемой величины в другую величину или измерительный сигнал, удобный для обработки, хранения, дальнейших преобразований, индикации или… … Справочник технического переводчика

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ — ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ, устройство, преобразующее измеряемую физическую величину (перемещение, давление, температуру, электрическое напряжение и т.д.) в сигнал (обычно электрический) для дальнейшей передачи, обработки или регистрации.… … Современная энциклопедия

Измерительный преобразователь — ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ, устройство, преобразующее измеряемую физическую величину (перемещение, давление, температуру, электрическое напряжение и т.д.) в сигнал (обычно электрический) для дальнейшей передачи, обработки или регистрации.… … Иллюстрированный энциклопедический словарь

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ — (датчик) средство измерения, преобразующее измеряемую физическую величину (перемещение, давление, температуру, электрическое напряжение и т. д.) в сигнал (обычно электрический) для передачи, обработки или регистрации … Большой Энциклопедический словарь

измерительный преобразователь — 2.5.4 измерительный преобразователь : Средство измерений (или его часть), служащее для получения информации об измеряемом количественном или качественном свойстве и преобразования ее в форму, удобную для обработки, хранения, дальнейших… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ — датчик элемент измерительный, сигнального, регулирующего или управляющего устройства, преобразующий контролируемую величину (давление, температуру, скорость и т. п.) в сигнал, удобный для измерения, передачи, регистрации, и воздействия на… … Металлургический словарь

измерительный преобразователь — (датчик), средство измерения, преобразующее измеряемую (контролируемую) физическую величину (перемещение, давление, уровень жидкости в сосуде, температуру, электрическое напряжение, силу тока, частоту, силу света и т. д.) в сигнал (обычно… … Энциклопедия техники

измерительный преобразователь — keitlys statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Įtaisas, keičiantis vienos rūšies signalo energiją kita rūšimi. atitikmenys: angl. transducer vok. Messumformer, m; Messwandler, m rus. измерительный преобразователь, m;… … Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas

измерительный преобразователь — keitlys statusas T sritis Standartizacija ir metrologija apibrėžtis Įtaisas, reaguojantis į reiškinį ir kuriantis signalą, kuris yra vienos ar kelių šio reiškinio charakteristikų funkcija. atitikmenys: angl. transducer vok. Messumformer, m;… … Penkiakalbis aiškinamasis metrologijos terminų žodynas

измерительный преобразователь — keitlys statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. transducer vok. Meßumformer, m; Meßwandler, m rus. измерительный преобразователь, m; первичный измерительный преобразователь, m pranc. transducteur, m … Fizikos terminų žodynas

Измерительные преобразования физических величин

Измерительные преобразования физических величин

Измерительное преобразование – однозначное преобразование одной физической величины в другую физическую величину или сигнал, функционально с ней связанные, удобные для обработки, хранения и дальнейшего преобразования. Любое измерение, по существу, сводится к совокупности отдельных измерительных преобразований.

Измерительный преобразователь – техническое устройство, построенное на определённом физическом явлении и выполняющее одно частое преобразование.

Понятие “измерительное преобразование” существенно шире, чем “измерительный преобразователь”, поскольку одно измерительное преобразование можно осуществить множеством различных преобразователей.

Пример. Преобразование изменения температуры Т в перемещение Δх:

Классификация измерительных преобразователей

По виду ФВ на входе ИП и ФВ на выходе:

  • преобразователи электрических величин в электрические (резистивные делители, усилители, трансформаторы, шунты и т.п.);
  • преобразователи неэлектрических в неэлектрические (рычаги, пружины, редукторы, мембраны);
  • преобразователи электрических в неэлектрические (электромоторы, осве­тители, двигатели, электрические нагреватели, холодильники);
  • преобразователи неэлектрических в электрические.

По виду зависимости ФВ величин от времени на входе и на выходе:

  • аналоговые (входные и выходные величины являются аналоговыми сигналами, могут изменяться непрерывно и гладко);
  • цифровые (дискретные; входные и выходные величины изменяются дискретно);
  • аналого-цифровые (АЦП) (входной сигнал аналоговый, выходной – дискретный);
  • цифро-аналоговые (ЦАП) (входной – цифровой, выходной – аналоговый).

По наличию или отсутствию энергии в измеряемом сигнале:

  • генераторные преобразователи – являются преобразователями одного вида энергии в другой вид (источники ЭДС, источники тока, термопары, акустоэлектрические, пьезоэлектрические, оптоэлектрические). Преобразуют активные ФВ;
  • параметрические преобразователи – не могут работать без источников энергии; выходной сигнал этих преобразователей обусловлен изменением пассивных измеряемых ФВ (R, L, C , перемещение стрелки и т.п.) на входе. Преобразуют пассивные ФВ в активные ФВ;
  • масштабные преобразователи – изменяют только величину ФВ, поступающей на их вход (делители, усилители).

По виду модуляции сигнала на выходе ИП:

  • амплитудные (амплитудно-модулированные);
  • частотные;
  • фазовые.

По виду динамических процессов, протекающих в ИП в процессе преобразования:

  • статические преобразователи (измеряемая ФВ на выходе ИП выражается через статическую характеристику ИП – коэффициент преобразования);
  • динамические преобразователи (измеряемая ФВ на выходе ИП выражается через динамические параметры ИП (динамические характеристики) преобразователя). Динамические характеристики— это характеристики, отражающие процессы превращения кинетической энергии (или энергии магнитного поля) в потенциальную (или энергию электрического поля);
  • модуляционные преобразователи – частный случай динамических преобразователей – преобразуют статический входной сигнал в периодический сигнал или изменяют частоту периодического входного сигнала с помощью специального устройства– модулятора.

Примеры статических преобразователей.

Акселерометр – прибор, измеряющий ускорение объекта. В данном случае постоянное ускорение преобразуется в постоянный угол отклонения маятника от положения равновесия.

Аналогичное преобразование имеет место в пружинных весах, где постоянная сила тяжести преобразуется в постоянное смещение пружины.

В пьезоэлектрических весах вес груза преобразуется в деформацию пьезокристалла, в котором возникает разность потенциалов, измеряемая вольтметром.

Примеры динамических преобразователей

Гравиметры измеряют статическую величину – ускорение свободного падения g. В обоих примерах эта статическая величина преобразуется в сигнал, выражаемый через динамические параметры гравиметра (период колебаний в первом случае и время движения вверх-вниз тела, брошенного вверх, – во втором). В обоих случаях процессе преобразования сопровождается превращением потенциальной энергии в кинетическую и наоборот.

В модуляционном преобразователе Ф – постоянный световой поток электрической лампочки (статический сигнал) превращается в периодический сигнал – переменный ток I.

Статические характеристики и статические погрешности СИ

Основная статическая характеристика СИ – функция преобразования. Функция преобразования – функциональная зависимость выходной величины от входной. Эта зависимость может описываться аналитически, графически или в виде таблицы. В случае аналитического описания будем писатьy=F(x).

Вводят также понятие чувствительности СИ, как производной y по x: . В общем (нелинейном) случае S зависит от x. В СИ стремятся иметь линейную функцию преобразования. Как будет показано в дальнейшем, это позволяет уменьшить погрешность, связанную с наличием шумов. В этом случае , и тогда вводят обозначение . Коэффициент K называют коэффициентом преобразования или масштабным коэффициентом. Очевидно, что K равен тангенсу угла наклона прямой y(x) к оси x (см. рис.).

Различают три вида функции преобразования:

Номинальная – указывается в документации на CИ.

Индивидуальная – устанавливается путём экспериментальных исследований данного экземпляра СИ при определённых значениях влияющих величин.

Действительная (реальная) – реализуется в данных условиях, в данное время, в данном месте.

ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ И ПРИБОРЫ

Измерительный преобразователь — это средство измерений, предназначенное для выработки сигнала измерительной инфор­мации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразо­вания, обработки и хранения, но не поддающейся непосредствен­ному восприятию наблюдателем (в практике применяется термин «датчик»).

Преобразователь, к которому подведена измеряемая величина, т. е. первый элемент в измерительной Цепи, называется первичным измерительным преобразователем (рис. 1.3). Например, электрод сигнализатора уровня, сужающее устройство (диафрагма) для из­мерения расхода и т. п.

В системах автоматического контроля применяются устрой­ства для выдачи сигнала о выходе значения параметра за установ­ленные пределы, причем сигнал появляется при наличии самого факта выхода независимо от его размера. Такие устройства назы­вают датчиками-реле или сигнализаторами.

Для удовлетворения возросших потребностей создана Государст­венная система промышленных приборов и средств автоматизации (ГСП), представляющая собой организованную совокупность средств измерений, автоматизации и управляющей вычислительной техники, а Также программных средств для построения автомати­ческих систем измерения, контроля, регулирования, диагностики и управления производственными процессами, технологическими линями и агрегатами (ГОСТ 26.207—83 «ГСП. Основные положе­ния»). Номенклатура технических средств ГСП позволяет создавать самые разнообразные, любой сложности системы автоматичес­кого регулирования и управления из стандартизованных средств измерения и автоматизации.

Читайте также  Лампа дневного света на батарейках

В зависимости от вида энергии питания, входных и выходных сигналов ГСП разделяют на электрическую, пневматическую и гид­равлическую ветви. В инженерных системах применяют в основ­ном средства первых двух ветвей ГСП, которыми предусмотрены общепромышленные унифицированные электрические и пневма­тические сигналы передачи информации.

Средство измерения, с помощью которого измерительная ин­формация выдается в форме, доступной для непосредственного восприятия наблюдателем, называется измерительным прибором. В практике автоматизации для приборов, устанавливаемых на щитах, применяется термин вторичный прибор, т. е. устройство, воспринимающее сигнал от первичного или передающего изме­рительного преобразователя и выражающее его в воспринима­емом виде с помощью отсчетного устройства (шкалы, диаграммы, интегратора, сигнального устройства).

К первичным преобразователям также относят и отборные уст­ройства. Отборным устройством (отбором) называют устройство, устанавливаемое на трубопроводах и технологических агрегатах и служащее для непрерывного или периодического отбора конт­ролируемой среды и передачи значений ее параметров к измери­тельному преобразователю или измерительному прибору. В отличие от первичного измерительного преобразователя отборное устрой­ство передает к измерительному прибору или преобразователю измеряемую величину, не изменяя ее физической природы (напри­мер, отбор давления среды в технологическом аппарате и передача его по импульсной трубке для измерения к манометру). Импульс­ной трубкой называют трубопровод небольшого диаметра (обычно от до 2 » ), связывающий объект с преобразователем или изме­рительным прибором.

Совокупность средств измерений и вспомогательных уст­ройств, соединенных между собой Каналами связи, предназна­ченная для выработки сигналов измерительной информации в форме, удобной для обработки, передачи и (или) использования в системах автоматического управления, называется измерительной системой.

К вспомогательным устройствам измерительной системы от­носятся устройства, предназначенные для питания энергией средств измерения, защиты от внешних воздействий, внутренних перегрузок и т. д.

Под определением системы автоматизации следует понимать совокупность приборов и средств автоматизации (измерительной, преобразующей, передающей и исполнительной, а также управ­ляющей вычислительной техники), связанных между собой кана­лами связи в единые системы, например измерительные системы, системы автоматического регулирования, системы сигнализации, защиты и управления технологическими процессами.

В показывающих приборах измерительная информация вос­производится положением стрелки или какого-либо другого ука­зателя относительно отметок шкалы прибора. Шкала представляет собой совокупность отметок, расположенных вдоль какой-либо линии, и представленных около них чисел отсчета, соответству­ющих ряду последовательных значений измеряемой величины. Для каждого измерительного прибора устанавливается диапазон пока­заний — область значений шкалы, ограниченная начальным и ко­нечным ее значениями.

ПОГРЕШНОСТИ ИЗМЕРЕНИЙ

Любые теплотехнические измерения относительны, по­скольку всегда существует положительная и отрицательная раз­ность между наблюдаемым или численным значением измеряемой величины и ее истинным значением, называемая погрешностью. Таким образом, погрешность — это отклонение результата изме­рения от истинного значения измеряемой величины.

Погрешности измерения в зависимости от их происхождения разделяются на три группы; систематические, случайные и субъек­тивные (промахи).

Систематические погрешности имеют постоянный характер и по причинам возникновения делятся: на инструментальные; погрешности от неправильной установки средств измерений; погрешности, возникающие вследствие внешних влияний; мето­дические (теоретические) погрешности.

Инструментальные погрешности могут вызываться конструк­тивными и технологическими погрешностями, а также износом и старением средств измерений.

Конструктивные погрешности вызываются несовершенством конструкции или неправильной технологией изготовления средств измерений. Плохая балансировка измерительного механизма, не­точности при нанесении отметок шкалы, некачественная сборка прибора вызывают технологическую погрешность. Конструктивная погрешность у приборов одного типа постоянна, технологическая же погрешность меняется от экземпляра к экземпляру. Длитель­ная или неправильная эксплуатация прибора, а также длительное хранение приводят к погрешностям, которые называют погреш­ностями износа и старения.

Погрешности от неправильной установки могут вызываться наклоном прибора, т. е. отклонением от нормального рабочего положения; установкой на ферромагнитный щит прибора, граду­ированного без щита; близким расположением приборов друг к другу.

Погрешности, возникающие вследствие внешних влияний, вы­зываются вибрацией, электромагнитными полями, конвекцией воздуха и др.

Наиболее сильное воздействие на показания приборов ока­зывает изменение температуры окружающей среды. Даже незна­чительные перепады температуры между отдельными элементами прибора приводят к заметным погрешностям вследствие, например, возникновения паразитных термоЭДС. Поэтому не рекомендуется устанавливать приборы вблизи источников тепла.

Методические погрешности возникают в результате несовер­шенства метода измерений и теоретических допущений (исполь­зование приближенной зависимости вместо точной). К таким погрешностям относятся, например, погрешности, обусловленные пренебрежением внутренним сопротивлением прибора, т. е. пре­небрежением собственным потреблением электроэнергии.

Для исключения погрешности до начала измерений следует определить причину, вызывающую погрешность, и устранить ее. Например, если погрешность вызывается влиянием внешнего электромагнитного поля, то нужно либо экранировать прибор, либо удалить источник помехи. Для исключения температурной погрешности средство измерения термостатируют, вибрацию уст­раняют путем установки амортизаторов. В процессе измерения погрешность устраняется применением специальных методов измерения.

Случайные погрешности вызываются независящими друг от друга случайными факторами и изменяются случайным образом при повторных измерениях одной и той же величины. Проявляются случайные погрешности в том, что при измерениях одной и той же неизменной величины одним и тем же средством измерения и с той же тщательностью получают различные показания. Следует отметить, что если при повторных измерениях одной и той же величины и тем же средством измерения получают совершенно одинаковые результаты, то это обычно указывает не на отсутствие случайной составляющей погрешности, а на недостаточную чув­ствительность средства измерения. Полностью совпадающие, как и сильно разнящиеся результаты наблюдений при измерениях одинаково свидетельствуют о их неточности. Случайные погреш­ности могут возникнуть, например, из-за трения в опорах, люфтов в сочленениях кинематической схемы измерительного прибора, неправильного режима работы электронных устройств и по многим другим, труднообъяснимым причинам. Знак случайных погреш­ностей ±.

Субъективные погрешности (промахи) — это погрешности, вызванные ошибками лица, производящего измерение (например, неправильный отсчет по шкале прибора, неверное подключение проводов к датчику и др.).

Погрешности измерений устанавливаются при поверке — опре­делении метрологическим органом погрешностей средств изме­рений и установления пригодности их к применению (применять сочетание слов поверка показаний не рекомендуется, следует гово­рить поверка средств измерений). Слово проверка применяется для установления комплектности или оценки состояния взаимодей­ствия элементов. Зависимость между значениями величин на выходе и входе средства измерений, составленная в виде таблицы, графика или формулы, называется градуировочной характеристикой, определение которой называется градуировкой средств измерения (термин тарировка устарел и применять его не рекомендуется).

Различают абсолютные и относительные погрешности измере­ния. Абсолютная погрешность Δ— это разность между измеренным Χ и истинным ХИ значениями измерений, которая выражается в единицах измеряемой величины:

Поскольку истинное значение измеряемой величины опреде­лить невозможно, на практике используют действительное значе­ние измеряемой величины ХД, которое находят экспериментально по показаниям образцовых средств измерений. Таким образом, абсолютную погрешность находят по формуле

Относительная погрешность δ — это отношение абсолютной погрешности измерения к истинному (действительному) значению измеряемой величины, выраженное в процентах:

Абсолютная погрешность измерительного прибора Δп — это раз­ность между показанием ХП прибора и истинным значением изме­ряемой величины. Поскольку, как указывалось выше, истинное значение величины остается неизвестным, на практике вместо него пользуются действительным значением величины ХД, отсчи­танным по образцовому прибору. Таким образом,

Относительная погрешность измерительного прибора δП — это отношение абсолютной погрешности измерительного прибора к действительному значению измеряемой величины. Относитель­ную погрешность выражают в процентах:

Приведенная погрешность измерительного прибора νп — это отношение абсолютной погрешности измерительного прибора к нормирующему значению XN (выражается в процентах):

Нормирующее значение XN условно принятое значение, ко­торое может быть равным верхнему пределу измерений, диапазону измерений, длине шкалы и др. Как правило, за нормирующее зна­чение принимаются: конечное значение диапазона измерений (для приборов, имеющих нулевую отметку на краю шкалы); арифме­тическая сумма конечных значений диапазона измерений (для приборов, имеющих двустороннюю шкалу, т. е. нулевую отметку в середине шкалы), например, для термометра со шкалой от —50 до +50 °С величина убудет определяться суммой 50 + 50 = 100; разность конечного и начального значений диапазона измерений для приборов со шкалами без нуля (так называемые шкалы с «по­давленным нулем»), например, для прибора со шкалой 30—160 «С величина будет определяться разностью 160 — 30 = 130.

Абсолютная и относительная погрешности в соответствии с выражениями (1.5)—(1.7) связаны с приведенной следующими соотношениями:

На показания приборов оказывают значительное влияние внешние факторы, называемые влияющими величинами. Область значений влияющей величины, устанавливаемая в стандартах или технических условиях на средства измерения данного вида в качестве нормальной для этих средств измерений, называется нормальной областью значений. При нормальном значении влия­ющей величины погрешность средств измерений минимальна. Условия применения средств измерений, при которых влияющие величины (температура и влажность окружающей среды, характер вибрации, напряжение питания, величина внешнего магнитного и электрического поля и т. д.) находятся в пределах нормальной области значений, называются нормальными условиями применения средств измерений. Нормальные условия указываются в техничес­ких условиях заводов — изготовителей приборов.