1. Введение.

 

В настоящее время широко применяются различные измерительные преобразователи. В любом каталоге электронных компонентов они представлены достаточно полно, причем каждый тип преобразователя имеет не­сколько вариантов исполнения. По внешнему виду не­легко правильно выбрать преобразователь для реализа­ции конкретной функции, поскольку в документации на него приводятся данные и описываются процедуры, ко­торые скорее удержат инженера от желания использо­вать их, нежели убедят в том, что данный преобразова­тель наилучшим образом решит поставленную задачу. Однако выбор преобразователя для конкретного приме­нения упрощается тем, что имеется интерфейс для вклю­чения его в измерительную систему. Хорошие знания обо всех типах измерительных преобразователей позво­ляют решить задачу выбора наилучшим образом, и только тогда можно быть полностью уверенным в пра­вильности использования каждого преобразователя.

Измерительные преобразователи имеют разные наи­менования в разных научных дисциплинах, поэтому од­на из задач автора состояла в. том, чтобы рационализи­ровать многообразие наименований, определить катего­рии преобразователей, которые были бы приемлемы для каждого, кто имеет дело с ними. Отсюда не следует, что любое частное название преобразователя является не­верным (в частности, кто предпочтет назвать термистор температурно-чувствительным полупроводниковым резистивным прибором с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления? Хотя такое категоризован­ное определение преобразователя позволяет легче осу­ществить его выбор для решения определенной измери­тельной задачи).

Категории измерительных преобразователей, выбран­ные автором, определяются видом измеряемой физиче­ской величины. Конечно, зная, что, простые измерения определенных физических величин могут быть выполне­ны на основе разности или отношения некоторых исход­ных величин (например, скорость можно определить пу­тем деления пройденного пути на затраченное для этого время), читателю сообщается о возможностях измерительных преобразователей выполнять прямые или косвенные измерения. Последние необходимы для элект­ронизации измерений, вернее, измерительных систем, в которых вычисляются значения физических величин.

В точном смысле этого слова, определенном Оксфорд­ским словарем, измерительный преобразователь явля­ется прибором, который преобразует изменение одной величины в изменение другой. В терминах электроники измерительный преобразователь определяется обычно как прибор, преобразующий неэлектрическую физиче­скую величину (называемую измеряемой физической величиной) в электрический сигнал, или наоборот. Име­ются, конечно, и исключения из этого правила.

Отсюда следует, что измерительные преобразователи используются в электронных системах, т. е. в техниче­ских устройствах с электрическим сигналом, отобража­ющим результат измерений или наблюдений. С другой стороны, измерительный преобразователь может быть использован на выходе системы, чтобы, скажем, генери­ровать механическое движение в зависимости от электрического управляющего сигнала. Примером реализации преобразователей является справочная система, в кото­рой микрофон (входной преобразователь) превращает звук (измеряемую физическую величину) в электриче­ский сигнал. Последний усиливается, а затем поступает на громкоговоритель (выходной преобразователь), вос­производящий звук существенно более громкий, нежели тот, который воспринимается микрофоном.

Довольно часто измеряемая величина согласно ее оп­ределению просто измеряется электронной системой, а полученный результат только отображается или запоми­нается. Однако в некоторых случаях измерения образу­ют входной сигнал управляющей схемы, которая слу­жит либо для регулирования измеряемой величины от­носительно некоторого заранее установленного уровня, либо для управления переменной величиной в соответст­вии с измеряемой. Несмотря на очевидное частичное дуб­лирование измерительных преобразователей в этих двух примерах, принято различать эти области  использования преобразователей, называя их соответственно конт­рольно-измерительное    оборудование   и    управляющее.

В свою очередь, эти две области подразделяются на те­леметрическое контрольно-измерительное оборудова­ние (в котором измерительные системы используются совместно с радиолиниями связи между преобразовате­лем и устройствами отображения информации), химиче­ский анализ (при котором система используется для того, чтобы определить и отобразить относительное содер­жание составляющих смесь веществ), процесс управ­ления (в котором производственный процесс, например прокат стали, контролируется и управляется) и т.д.

На рис. 1.1, а представлены основные составляющие типичной    контрольно-измерительной    системы. Безусловно, не все они должны иметь место в каждом конк­ретном случае применения этих систем. На рис. 1.1.б изображена в упрощенном виде типовая система управ­ления. В сущности, часть системы управления является контрольно-измерительной системой. Таким образом, в интересах настоящего доклада изме­рительные преобразователи и схемы сопряжения их с другим

 

оборудованием систем (интерфейсы) следует рассматривать с общих позиций, хотя в дальнейшем бу­дут сделаны ссылки на конкретные области их исполь­зования.

Рассматривая рис. 1.1, следует остановиться на сле­дующих главных моментах.

Измеряемая величина — это подлежащая измерению физическая величина, например: ускорение, перемеще­ние, сила, расход, уровень, положение, давление, механи­ческое напряжение, температура, скорость и т. п. В не­которых случаях измеряемой может быть и электриче­ская, величина, такая, как ток, напряжение или частота, которая преобразуется в электрический сигнал, пригод­ный для использования в других частях системы. При, этом измерительный преобразователь является электри­ческим преобразующим элементом.

Входной преобразователь, преобразующий измеряе­мую величину в электрический сигнал, — это прибор, пригодный для использования в других частях системы. Правда, хотя входные преобразователи генерируют электрический выход, существуют, однако, среди них и такие, которые имеют другую природу выходного сигна­ла, например давление воздуха, но таких преобразова­телей немного и они здесь не рассматриваются. Преоб­разователи с неэлектрическим выходом применяются в качестве чувствительных элементов измерительных пре­образователей или служат для превращения неэлектрического сигнала в электрический. Все функции преобра­зователей являются аналоговыми, поэтому в общем слу­чае (за некоторыми исключениями) их сигналы также аналоговые.

Линии связи — это линии между входным преобра­зователем и другой частью системы. Таких линий в стро­гом смысле может иногда и не быть, если, скажем, вход­ной преобразователь размещается в нескольких сантиметрах от другой части системы. Если же он распо­лагается на другом расстоянии от системы, то должны быть предприняты шаги к тому, чтобы линии связи не влияли либо слабо влияли на эффективность работы сис­темы.

 Там, где в системе имеются существенные линии свя­зи, требуется один или 6oлee каскадов сопряжения сиг­налов, чтобы малый выходной сигнал входного преоб­разователя усилить, подвергнуть аналого-цифровому преобразованию, фильтрации, модуляции и т. п. Это не­обходимо для того, чтобы информация, выдаваемая пер­вичным преобразователем, не терялась при передаче ее к другим частям системы. Такие каскады могут вклю­чать в себя и схемы обработки сигнала, в которых со­держащиеся в сигнале входного преобразователя данные подвергаются цифровой обработке, а результирующий сигнал или результаты вычислений могут быть отобра­жены на дисплее, запомнены или использованы в целях управления. Сопряжение сигналов может осуществ­ляться в нескольких точках системы.

В некоторых случаях довольно сложно сделать за­ключение о том, где в системе аналоговые сигналы пре­образователей становятся данными. Поэтому часто не­возможно различать каскады формирования аналогово­го сигнала и обработки данных. К. счастью, это различие является довольно значительным.

Отображающие или запоминающие приборы — это приборы, которые индицируют текущее значение измеря­емой величины для удобства работы оператора системы или запоминают соответствующую информацию для ее последующего использования.

В случае управляющей системы (рис. 1.1, б) приме­няются некоторые виды компарирующих приборов, пред­назначенных для сравнения обрабатываемых данных с некоторыми опорными значениями и получения разно­стного сигнала.

Работающий по разностному сигналу выходной пре­образователь используется для управления измеряемой величиной.

Безусловно, приведенные на рис. 1.1 примеры систем содержат не все типы каскадов формирования и обра­ботки сигналов и не отражают всех режимов работы контрольно-измерительных и управляющих систем.

Вообще говоря, принципы работы входных и выход­ных преобразователей довольно просты. Конечно, ре­жимы их работы существенно отличаются друг от друга -входные   преобразователи   обычно   используются

для преобразования изменений измеряемой величины в слабый электрический сигнал, а выходные преобразова­тели преобразуют мощный сигнал в сильное перемеще­ние. По этой причине следует рассматривать два раз­личных типа приборов. В докладе речь идет о входных пре­образователях, которые являются воспринимающими элементами электронных систем.

1.1. Терминология.

Прежде чем приступить к изучению преобразовате­лей, необходимо пояснить некоторые базовые понятия. В самом деле, термин преобразователь не полностью со­ответствует тому средству, которое он определяет. Не­которые инженеры, например, понимают под термином «преобразователь» прибор, который превращает элект­рический сигнал в другую физическую величину, т.е. считают его выходным преобразователем.

Иногда тот факт, что входной преобразователь дол­жен откуда-то получать энергию, чтобы осуществлять процесс преобразования (либо непосредственно от са­мой измеряемой величины, либо от внешнего источника), помогает определить тип прибора. Например, вход­ной преобразователь, получающий энергию от измеря­емой величины, часто называют пассивным преобразо­вателем, хотя, строго говоря, он должен бы именоваться чувствительным элементом (датчиком). Надо заметить, что термин датчик часто употребляется как синоним бо­лее общего термина преобразователь. Следуя этому принципу, активным преобразователем назовем такой, который получает энергию от внешнего источника. Раз­личают еще преобразователь обратной связи, который используется в цепи обратной связи управляющей сис­темы для измерения сигнала, противоположного по зна­ку входному сигналу. Таким образом, этот преобразо­ватель применяется для балансировки управляющей системы, а не для непосредственного измерения физиче­ской величины.

Конечно, одного наименования для рассматриваемых средств недостаточно и преобразователи в конкретных дисциплинах имеют и другие названия. Очень часто, прав­да, они совпадают и становятся междисциплинарными. Такие, например, названия, как трансмиттер, датчик, детектор, ячейка, измеритель, чувствительный элемент, зонд, а также слова, имеющие окончания метр (мер), а именно: акселерометр, расходомер, тахометр, являют­ся общими и более или менее точными. В дальнейшем будем называть класс описываемых преобразователей и считать их входными преобразователями, помня о том, что конкретный прибор обладает своим названием, ко­торое поясняет его функции, когда это требуется. Далее под преобразователем будем понимать входной преоб­разователь, а другой тип прибора назовем выходным преобразователем. Это является отражением того факта, что входных преобразователей  существенно больше, чем выходных.

Точность измерений, характеризующая близость из­меренного значения физической величины к его дейст­вительному значению, обычно оценивается погрешностью, т.е. максимально возможной разностью между измерен­ным к действительным значениями. Например, линейка длиной 300 мм может иметь погрешность, скажем, ±1 мм. Это значит, что сама линейка имеет действитель­ную длину между 299 и 301 мм. Она может быть точно равна 300 мм, но может и отличаться от этого значения. Поэтому любое измерение, сделанное с помощью этой линейки, будет выполнено с максимально возможной по­грешностью ± 1 мм. Иногда погрешность выражается в процентах. В нашем случае погрешность линейки сос­тавляет ±0,33%. В специальных случаях погрешность выражается в процентах по отношению к полной шка­ле, т.е. в процентах максимально возможного отсчета. Погрешность зависит от свойств преобразователя и ти­па используемого оборудования. Источником погреш­ности является также и оператор. Точность измерения определяется множеством причин, основные из которых будут рассмотрены ниже.

Связанной с точностью и часто ошибочно принимае­мой за нее является разрешающая способность системы, характеризующая наибольшую точность, с которой осу­ществляются измерения. Возвращаясь к примеру с ли­нейкой, очевидно, что если она проградуирована в мил­лиметрах, то легко интерполировать отсчет между дву­мя миллиметровыми отметками, что дает разрешение в 0,5 мм. Конечно, важно помнить о том, что хотя разре­шающая способность может быть меньше, чем присущая преобразователю погрешность, это вовсе не означает, что отсчет имеет малую погрешность.  Общая   погрешность будет, безусловно, больше.

Чувствительность, которую называют иногда мас­штабным коэффициентом преобразователя, есть отноше­ние изменения его выходного сигнала к изменению на входе. Для линейного преобразователя, скажем, вход­ного преобразователя, напряжение на выходе которого изменяется по линейному закону от температуры, чув­ствительность может быть просто определена делением общего диапазона выходного напряжения на общий входной диапазон. В качестве примера предположим, что диапазон изменения выходного напряжения преоб­разователя составляет от 0 до 10 В, а диапазон измене­ния температуры на входе — от 0 до 100 °С, тогда чув­ствительность равна

Одним из важнейших параметров преобразователя является линейность его характеристики, которая мо­жет влиять на точность измерения. Рекомендуется использовать преобразователи с линейной характеристи­кой (рис. 1.2,а),поскольку соединенные с преобразовате­лем схемы формирования сигнала также являются ли­нейными и, следовательно, весьма дешевыми при проек­тировании и изготовлении. Если же преобразователь является существенно нелинейным (рис. 1.2,б), то мож­но применить линеаризирующую схему формирования

 

Рис. 1.2. Линейные и нелинейные характеристики преобразователей: а — линейный преобразователь; б — нелинейный преобразователь. (Нелиней­ный преобразователь часто используется в. ограниченной части общего диапа­зона, чтобы получить приблизительно линейную характеристику); / — реаль­ная характеристика нелинейного преобразователя; 2 — линейная область вы­ходного сигнала; 3 — линейная характеристика, которая аппроксимирует дей­ствительную реакцию преобразователя  за счет    использования ограниченной части диапазона

 

сигнала. Однако этого лучше не делать, поскольку та­кая схема очень дорого стоит. К счастью, использование лишь части общей характеристики нелинейного преоб­разователя позволяет гарантировать линейность отноше­ния измеряемой и выходной величин.

С другой стороны, линейный преобразователь не ре­комендуется использовать, когда измеряемая величина изменяется нелинейным образом. В таком случае ли­нейный преобразователь будет лишь отражать нелинейное изменение измеряемой величины в своем выходном сигнале.

Линейный преобразователь может работать и вне своего обычного диапазона, но он имеет предел, при до­стижении которого выходной сигнал резко падает либо насыщается, когда измеряемая величина выходит за гра­ницы полной шкалы значений. Это также приводит к возникновению нелинейности.

В некоторых случаях отдается предпочтение высокой нелинейности характеристик. Скажем, в преобразовате­ле, используемом для контроля выхлопных газов авто­мобиля, желательно иметь один выходной сигнал, соот­ветствующий допустимому составу выхлопных газов, и совершенно другой, когда состав выхлопных газов не­удовлетворительный. Как правило, один сигнал соответ­ствует уровню логического 0, а другой — логической 1. В этом случае преобразователь функционирует как пе­реключатель сигналов, имеющих два уровня.

Рассмотрим еще одну характеристику преобразова­теля — гистерезис. Обращаясь вновь к преобразовате­лю для контроля выхлопных газов автомобиля, заме­тим, что точное положение точки, в которой выходной сигнал переходит из одного состояния к другому, может меняться в зависимости от того, увеличивается или уменьшается выхлоп газов. На рис. 1.3 показана воз­можная характеристика преобразователя с гистерези­сом.

При увеличении концентрации продуктов неполного сгорания в выхлопных газах преобразователь не меняет своего выхода, пока эта концентрация не превысит 2 %. Когда же концентрация продуктов неполного сгорания в выхлопных газах уменьшается, преобразователь не ме­няет своего выхода до тех пор, пока эта концентрация не снизится до 1 %. В общем случае стремятся к тому, чтобы эффект гистерезиса был как можно меньшим.

 Проанализируем еще одну характеристику преобразо­вателя — повторяемость значений его выходного сигна­ла. Выходной сигнал в идеальном случае должен быть постоянным, когда измеряемая величина не изменяется. В некоторых случаях, обычно если преобразователь име­ет большой гистерезис, выходной сигнал может быть разным в зависимости от направления изменения изме­ряемой величины.

 

 

Рис. 1.3. Гистерезис в измери­тельном преобразователе:              1 — точка изменения состояния преобразователя при уменьшении процента продуктов неполного сгорания; 2 — точка изменения состоя­ния преобразователя при увеличе­нии процента  продуктов  неполного сгорания

Другим фактором, связанным с точностью преобразо­вателя, является время отклика, которое равно времени установления выходного сигнала в ответ на изменение измеряемой величины. Мгновенное или ступенчатое из­менение измеряемой величины может не вызывать одновременного соответствующего изменения выходного сигнала, если реакция преобразователя на изменение измеряемой величины происходит с большим запаздыва­нием.

В то же время такой преобразователь может иметь достаточно малую погрешность, если изменение измеря­емой величины происходит медленно либо не происхо­дит вообще. Присущая преобразователю инертность означает, что его нельзя использовать для измерения входной  величины с быстроизменяющейся флуктуаци­ей. Правда отсюда вовсе не следует, что каждый преоб­разователь должен иметь время отклика меньше, чем продолжительность изменений измеряемой величины.

В случае, например, преобразователя, предназначен­ного для измерения уровня топлива в автомобиле, быст­рая реакция преобразователя является скорее его недо­статком, поскольку водителю нежелательно видеть коле­бания стрелки указателя  топлива от одной крайней отметки до другой (от полного до пустого бака), когда автомобиль движется по неровной дороге и топливо пле­скается в баке. Существуют и другие примеры преобра­зователей, которые должны иметь и не очень быструю, и не очень медленную реакцию, а именно такую, которая в условиях конкретного применения обеспечивает наи­лучшую точность измерений.

Полоса преобразователя — это характеристика, на­прямую связанная с временем отклика. Изменение из­меряемой величины можно описать совокупностью час­тотных составляющих: в соответствии с преобразованием Фурье любой сигнал можно представить совокупностью синусоидальных составляющих, имеющих различные ча­стоты и амплитуды. Чем быстрее изменяется измеряе­мая величина, тем большая частота у составляющих и шире спектр частот выходного сигнала. Если полоса ча­стот преобразователя относительно мала, то присутству­ющие в измеряемой величине высокие частотные состав­ляющие в выходном сигнале исчезают и реакция преоб­разователя становится медленной, а время отклика большим.

1.2. Внешние условия

Кроме учета всех факторов, связанных с изготовле­нием преобразователей, инженер решает задачу выбора преобразователя для конкретного применения, условия которого играют важную роль в этом решении. Где пре­образователь предполагается использовать? Какие ус­ловия надо учитывать при его работе?

Все это крайне важно при выборе преобразователей, поскольку внешние условия, в которых он находится, могут в сильной степени влиять на его работу. Внешние условия инженер должен учитывать для того, чтобы преобразователь точно выполнял свои функции не толь­ко в момент ввода в эксплуатацию, но и в течение всего срока службы измерительной системы.

Вообще говоря, влияние внешних условий на преоб­разователь и связанную с ним измерительную систему может быть трех видов. Во-первых, непосредственное воздействие внешних условий на сам преобразователь. Возможно, что температура окружающей среды преоб­разователя давления является чрезмерно высокой и вы­зывает плавление деталей прибора   или  преобразователь, измеряющий температуру двигателя, не выдерживает вибраций, возникающих при нормальной работе последнего.

Во-вторых, если известно, что преобразователь непо­средственно под действием внешних условий не разруша­ется, то надо выяснить, сохраняет ли он точность в тече­ние длительного времени. Может оказаться, что у при­бора под действием внешних условий ухудшаются с течением времени точностные характеристики до уровня, который был неприемлем в момент его установки в из­мерительную систему. Если преобразователь ухудшает свои точностные характеристики, его нужно заменить на новый, однако эта проблема является особой и здесь не рассматривается.

В-третьих, влияние внешних условий на линии связи между измерительной системой и преобразователем, хотя при этом они влияют на преобразователь косвенно. Могут ли эти связи противостоять внешним условиям? Могут ли внешние условия привести к нарушению сигнала?

1.3. Конструкция преобразователя

Любой преобразователь можно рассматривать как устройство, структурная схема которого представлена на рис. 1.4.  Здесь  чувствительный   элемент   воспринимает

Рис. 1.4. Структурная схема измерительного преобразователя, вклю­чающая в себя элементы, общие для всех типов преобразователей. Показанные в пунктирных линиях   элементы    могут в некоторых преобразователях отсутствовать

 

 

 

измеряемое свойство объекта и преобразует его в другую физическую величину. Затем преобразующий эле­мент преобразует эту физическую величину в электри­ческий сигнал, значение которого отражает уровень измеряемого свойства объекта. Другими возможными частями измерительного преобразователя являются схе­мы формирования сигнала и питания.

Чувствительный элемент преобразует измеряемую часть физической величины в такую физическую величи­ну, которая может быть воспринята и измерена  преобразующим

	Рис. 1.5, Первичный измерительный преобразователь, в котором ис­пользуется дифференциальный трансформатор с линейно изменяю­щимся выходом и пружина для измерения массы

 

 

 

элементом. С этой точки зрения и сам чувст­вительный элемент можно рассматривать, строго гово­ря, как преобразователь.

На рис. 1.5 показан принцип действия хорошо извест­ного прибора - дифференциального трансформатора с линейно изменяющимся выходным сигналом для измере­ния массы. Чувствительным элементом этого прибора, т. е. элементом, который преобразует измеряемую вели­чину (массу) в другую физическую величину (положе­ние), является пружина. Она сжимается, когда груз устанавливается на крышку преобразователя,  за   счет чего изменяется положение сердечника трансформатора. В качестве преобразующего элемента здесь использует­ся трансформатор с линейно изменяющимся выходом, который преобразует положение сердечника в электри­ческий сигнал с амплитудой, пропорциональной массе груза.

Конечно, не всегда можно так легко, как в приведен­ном выше примере, разделить чувствительный и преоб­разующий элементы первичного измерительного преоб­разователя.

1.4. Аналоговый или цифровой?

При включении преобразователей в измерительные системы возникает проблема их согласования. Все пре­образователи по своей сущности являются чисто анало­говыми устройствами, главным образом в силу того, что пока не известны физические явления, позволяющие пре­образователю непосредственно представлять измеряемую величину в цифровом коде на выходе. Для аналоговых систем подобная ситуация обладает рядом недостатков. Однако она становится еще более сложной для цифровых систем, которых выпускается все больше. В этой ситуа­ции аналоговый выходной сигнал первичного измеритель­ного преобразователя должен иметь форму, пригодную для его использования в цифровой системе.

В электронной системе существуют три вида сигна­лов:

1)   аналоговый   сигнал,   являющийся   электрическим  представлением или аналогом   (током или напряжени­ем) исходного измеряемого параметра;

2)   цифровой сигнал, в котором   функция,   например частота, используется для представления значения ис­ходного параметра;

3)   кодированный цифровой сигнал, в котором парал­лельный цифровой сигнал, например,   разрядностью в 8 бит, представляет значение исходного параметра.

Эти виды сигналов обычно определяют типы первич­ных измерительных преобразователей. Известны преоб­разователи, выход которых является чисто электронным аналогом измеряемой величины. Другие преобразовате­ли представляют измеряемую величину в цифровой фор­ме, а третьи — в виде цифрового кода. Следует подчер­кнуть, что лишь несколько принципов действия применимы для преобразователей всех перечисленных выше типов. Однако с помощью электроники можно преобра­зовать сигнал одного вида в другой.

 

2. Принципы преобразования

В каждом приборе преобразующий элемент основан на определенном физическом принципе, который связан с электрическими характери­стиками устройства так, что изменение измеряемой ве­личины влечет за собой изменение этих характеристик. Изменения в электрических характеристиках создает электрический сигнал, зависящий от измеряемой вели­чины.

Хотя на рынке продаются тысячи измерительных преобразователей, принципов действия, на которых они основаны, существует относительно немного. Поэтому можно рассмотреть эти принципы достаточно подробно. Все используемые в преобразователях основные принци­пы можно объединить в восемь категорий, которые опи­саны ниже.

2.1. Емкостные преобразователи

Емкостные преобразующие элементы превращают изменения измеряемой величины в изменения емкости. Конденсатор формируется из двух пластин, разделен­ных слоем диэлектрика, а его емкость определяется из следующего выражения:

где ε - диэлектрическая проницаемость диэлектрика; А — площадь поверхности каждой пластины; х — рас­стояние между пластинами.

 

 

 

 

	Рис. 2.1. Емкостный измерительный преобразователь

 

 

 

 

 

Из этого соотношения следует, что емкость зависит от диэлектрической проницаемости, площади поверхнос­ти пластин и расстояния между ними (рис. 2.1).

Емкость такого преобразователя обычно измеряет­ся следующим образом:

1)   с помощью мостовой схемы переменного тока,   в которой преобразователь образует одно плечо моста;

2)  с помощью мультивибратора, в котором конденса­тор в цепи определяет частоту колебаний.

2.2.Пьезоэлектрические преобразователи

Одним из емкостных принципов преобразования, требующим специального рассмотрения, является пьезо­электрический эффект (рис. 2.2), при котором изменение

 

	Рис. 2.2 Пьезоэлектрический преобразователь

 

 

измеряемой величины превращается в изменение элект­ростатического заряда или напряжения, возникающих в некоторых материалах при их механическом напря­жении. Напряжение обычно образуется под действи­ем сил сжатия, растяжения или изгиба, которые явля­ются измеряемой величиной и воздействуют на чувствительный элемент либо непосредственно, либо с по­мощью некоторой механической связи.

Чтобы воспринять изменение заряда или напряже­ния, к пьезоэлектрическому материалу подсоединяют две металлические пластинки, которые фактически обра­зуют пластины конденсатора, емкость которого опреде­ляется в виде

где Q — заряд; V — напряжение.

В качестве пьезоэлектрического материала, применяемого в конструкции такого преобразователя, использу­ются: 1) природные кристаллы, такие, как кварц или рочеллевая соль; 2) синтетические кристаллы, например сульфат лития; 3) поляризованная ферромагнитная ке­рамика, например титанат бария.

 

 

 

2.3. Электромагнитные преобразователи

Электродвижущая сила (ЭДС) генерируется вдоль проводника, когда его пересекает переменное магнитное поле. И, наоборот, когда проводник движется через маг­нитное поле, вдоль него генерируется ЭДС (рис. 2.3), определяемая из следующего соотношения:

где d(N_ф)/dt — скорость изменения потокосцепления.

Рис. 2.3. Электромагнитное преобразование

 

Рис. 2.5. Преобразование магнитного сопротивления, используемое в дифференциальном трансформаторе с линейно-изменяющимся выходом

Рис. 2.4. Индуктивное преобразование

    

 

 

 

 

 

Индуктивное преобразование показано на рис. 2.4. где самоиндукция катушки меняется в соответствии с изменением измеряемой величины. Изменение индуктив­ности может быть осуществлено путем движения ферро­магнитного сердечника внутри катушки либо путем вне­сения внешнего изменяющегося потока в катушку с не­подвижным сердечником.

Преобразование магнитного сопротивления показано на рис. 2.5, на котором цепочка сопротивления между двумя или более катушками (или отдельными частями одной или нескольких катушек) изменяется в зависимо­сти от вариаций измеряемой величины. Когда к системе катушек прикладывается переменный ток, тогда изме­нение измеряемой величины трансформируется в изме­нение выходного напряжения.

2.4. Электромеханические преобразователи

Электромеханические преобразователи выпускаются в разном исполнении, но все они выполняются в форме механического контактного устройства, работающего под действием изменяющейся физической величины, из­мерение которой и осуществляется. Обычно контакты имеют простую форму и работают в дискретном режиме, как, например, биметаллический выключатель (рис. 2.6).

Рис. 2.6. Биметаллический  элемент,   работающий   как   элек­тромеханический преобразова­тель

 

Когда значение измеряемой величины превышает точку переключения, контакт размыкается или замыкается, вследствие этого в замкнутой или разомкнутой электри­ческой цепи формируется выходной сигнал преобразо­вателя.

Электромеханические преобразователи являются, как правило, цифровыми (дискретными), поскольку их кон­такты могут быть лишь в двух положениях и представляют собой элемент включен/выключен.

2.5. Ионизационные преобразователи

Ионизационные преобразующие элементы превраща­ют изменение измеряемой величины в изменение тока ионизации, который протекает, например, через жид­кость, расположенную между двумя электродами (рис. 2.7). Типичным примером использования ионизационно­го принципа является прибор для измерения кислотнос­ти раствора. Степень кислотности раствора определяется

Рис. 2.7. Ионизационное преобразование, при котором ионы мигри­руют в жидкости к электродам и действуют как переносчики заря­дов, вызывая тем самым электрический ток

 

 

 

концентрацией в нем положительно заряженных  ионов водорода, называемой водородным потенциалом (извест­ного больше в виде аббревиатуры рН). Причем

рН=-log[H+],

где [Н+] — концентрация ионов водорода в граммах на литр.

   Значение рН равно 0 для чисто кислотного раствора,  7 для нейтрального раствора (например, чистой воды) и 14 для чисто щелочного раствора.

Типичный рН-зонд имеет электроды, находящиеся в желатине с известным значением водородного потенци­ала. Они формируются специальной стеклянной мембра­ной, которая находится в контакте с раствором, значе­ние рН которого измеряется. Разность потенциалов между двумя электродами отражает значение рН рас­твора (около 59 мВ на единицу рН).

2.6. Фотоэлектрические преобразователи

Фотоэлектрическими являются такие первичные из­мерительные преобразователи, которые реагируют на электромагнитное излучение, падающее на поверхность преобразующего элемента. Излучение может быть ви­димым, т. е. световым, а также иметь большую или меньшую длину волны и быть невидимым. Известны три основных типа фотоэлектрических преобразователей: два из них официально классифицируются как полупро­водниковые приборы (фотоэлектрические и фотополу­проводниковые). Они подробно рассмотрены ниже. Хотя фотоэлектрический преобразователь и не относится к полупроводниковым приборам, он тоже будет описан ниже.
                                              2.7.Фотопроводящие преобразователи

Эти преобразователи превращают изменение измеря­емой величины в изменение сопротивления используемого материала   (рис. 2.8).  Несмотря  на то,  что  используемые

			Рис.  2.9.  Солнечный  элемент как пример фотоэлектрическо­го преобразования
	Рис. 2:8.  Фотопроводящее преоб­разование

 

 

 

 

материалы являются полупроводниковыми, фото­проводящие преобразователи не всегда являются полу­проводниковыми приборами, поскольку они не имеют переходов между различными типами полупроводников. Такие преобразователи называются пассивными, т. ё. нуждаются во внешнем питании. Зачастую их название характеризует тип используемого преобразования, на­пример светочувствительные резисторы.

Сопротивление материала является функцией   плотности основных носителей заряда, и так как плотность увеличивается с возрастанием интенсивности излучения, то проводимость возрастает. Поскольку проводимость обратно пропорциональна сопротивлению, можно заклю­чить, что сопротивление является обратной функцией интенсивности облучения. Значение сопротивления при полном облучении составляет в общем случае 100— 200 Ом, а в полной темноте это сопротивление равняет­ся мегаомам. В конструкции зависящих от света резис­торов чаще всего используются такие материалы, как сульфид кадмия или селенид кадмия.

2.8. Солнечные элементы

Солнечные элементы представляют собой фотоэлек­трические преобразователи, которые превращают излу­чаемую электромагнитную энергию в электрическую, т.е. изменение измеряемого значения излучения преоб­разуется в изменение выходного напряжения (рис. 2.9).

Конструкция преобразователя включает в себя слой фоточувствительного высокоомного материала, разме­щенного между двумя проводящими электродами. Один из электродов выполнен из прозрачного материала, че­рез который проходит излучение и попадает на фоточув­ствительный материал. При полном освещении один эле­мент вырабатывает выходное напряжение между элект­родами около 0,5 В.

2.9. Резистивные преобразователи

Весьма большим классом измерительных преобразо­вателей являются резистивные преобразователи, прин­цип действия которых основан на преобразовании зна­чения измеряемой величины в изменение сопротивления. Последнее может быть вызвано различными эффектами в преобразующем элементе, например нагреванием или охлаждением, механическим напряжением, воздействием светового потока (как в фотопроводящих преобразова­телях), увлажнением, осушением, механическим пере­мещением контактной щетки реостата.

Если через резистивный материал во время измене­ния измеряемой величины протекает фиксированный ток, то результатом будет изменение напряжения вдоль материала, которое отражает изменение измеряемой вели­чины.

Одним из вариантов резистивного преобразователя является потенциометрический преобразователь, в кото­ром изменение измеряемой величины преобразуется в изменение отношения напряжений вследствие изменения положения контактной щетки на резистивном материа­ле, запитываемом от внешнего источника (рис. 2.10). Определенный механический элемент преобразует изме­нение измеряемой величины в перемещение щетки.

 

 

Рис. 2.10. Резистивное преобразо­вание, при котором используется потенциометрическое устройство, вызывающее изменение выходного напряжения

 

Потенциометр, изображенный на рис. 2.10, можно представить в виде эквивалентной электрической схемы, как это сделано на рис. 2.11. Его выходное напряжение определяется выражением

где V₁ - напряжение на входе.

Когда прикладываемое на вход прибора напряжение является постоянным и измеряемое значение определяет­ся положением щетки потенциометра, тогда выходное напряжение есть непосредственно функция измеряемой величины.

 В преобразователях могут использоваться потенциометрические устройства (с одним или несколькими со­противлениями в схеме) либо они сами являются потен­циометром. В последнем случае потенциометрический элемент будет переменным. Некоторые преобразователи имеют непроволочные сопротивления, такие, как металлокерамическая подложка или проводящая пластиковая пленка. Встречаются потенциометры, в которых полный диапазон изменений положения щетки равен 270°, в то время как другие конструкции имеют диапазон в 10 или даже 20 полных оборотов (3600 или 7200°).

2.9.1. Мост Уитстона

Мост Уитстона образуется путем параллельного сое­динения двух потенциометрических устройств (рис. 2.12). Его можно использовать для высокоточных измерений сопротивления. Выходное напряжение моста Уитстона

Рис. 2.13. Тензометрическое преобразование

Рис. 2.12. Комбинация двух потенциометрических  делителей, образующая мост Уитстона

 

 

 

 При точной установке выходное напряжение моста Уитстона должно быть равно нулю, откуда следует, что

тогда получаем

2.9.2. Тензодатчики

Поскольку  сопротивление  проводника   определяется соотношением

где ρ — удельное сопротивление материала; L — длина; А — площадь поперечного сечения, то сопротивление мо­жет изменяться при любом колебании измеряемой ве­личины, которая влияет на один или несколько входящих в это выражение аргументов.

Приведенная зависимость используется в тензодатчиках - преобразователях, которые превращают изменение прикладываемого усилия в изменение сопротивления (рис. 2.13). Как правило, такой преобразователь приме­няется вместе с мостом Уитстона, когда одно, два или даже все четыре плеча представляют собою тензодатчики, а выходное напряжение изменяется в ответ на вариа­ции измеряемого усилия.

	Рис.  2.14. Характеристики  за­висимости сопротивления  не­которых металлов от темпера­туры: 1 — никель;       2 — вольфрам;        3 — медь; 4 — платина		Рис. 2.15. Зависимость сопро­тивления типичного   термистора от температуры: / — термистор

 

 

 

 

 

 

В тензодатчиках используются металлические преоб­разующие элементы, при приложении механической на­грузки к которым происходит изменение их длины и пло­щади поперечного сечения, что приводит, в свою очередь, к изменению сопротивления. Некоторые материалы тензодатчиков, например полупроводниковые, проявляют пьезоэлектрический эффект, при котором приложенная к материалу нагрузка вызывает большое изменение его удельного сопротивления. Тензодатчики такого типа обладают на два порядка большей чувствительностью, чем ранее рассмотренные.

В общем случае любой параметр, который воспроиз­водит движение или силу, может быть использован для создания термометрических преобразователей.

Сопротивление иногда также изменяется при колеба­нии температуры. Для металла это изменение имеет ли­нейную зависимость

R=R₀(1+αT)

где Ro — сопротивление при температуре О °С; Т — тем­пература, ⁰С; а — температурный коэффициент сопро­тивления.

Типовые зависимости сопротивления некоторых ме­таллов от температуры показаны на рис. 2.14. Они сви­детельствуют о высокой степени линейности связи между сопротивлением и температурой. Для создания темпера­турных измерительных преобразователей такого типа обычно используется проволока из платины.

2.9.3. Термисторы

Другая основная группа чувствительных к темпера­туре преобразователей, используемых в термометриче­ских приборах, известна под названием термисторы. Они имеют весьма нелинейную характеристику, однако могут быть эффективно использованы в системах для измерения температуры. Сопротивление термистора определяется следующим выражением:

где R_T — сопротивление; А — постоянная, значение ко­торой для разных материалов различно; В — характери­стическая температура прибора; Т — температура, К.

Типичная характеристика   термистора   представлена  на рис. 2.15. Сопоставление характеристик резистивных преобразователей (рис. 2.14) с характеристиками терми­стора позволяет сделать выводы о том, что последние:

1)   являются более крутыми, т. е. температурный ко­эффициент сопротивления у них существенно больше, чем в металлах, по крайней мере в основной части кривой;

2)   падают с увеличением температуры, т. е. темпера­турный коэффициент сопротивления у них отрицательный.

Термисторные преобразователи с отрицательным тем­пературным коэффициентом сопротивления известны больше как NTC-термисторы (negative temperature coefficient). Необходимо заметить, что существуют и термисторы с положительным коэффициентом сопротивле­ния, которые обозначаются как РТС-термисторы (positi­ve temperature coefficient). Последние чаще применяются не для измерения температуры, а, скажем, для преду­преждения перегрева.

Другой и более удобной формулой для описания ха­рактеристики термистора в случае, когда известно его сопротивление R₁ при некоторой температуре Т₁ явля­ется выражение

R=R₁ expB

которое получается путем подстановки в ранее приведен­ную формулу следующего очевидного соотношения:

Термисторы существенно меньше по габаритам, чем металлические резистивные преобразователи, и поэтому они быстрее реагируют на изменение температуры. С дру­гой стороны, небольшие размеры термисторов приводят к тому, что для их самонагрева требуется небольшой ток. Следовательно, можно считать, что ток не влияет на точ­ность измерений.

2.10. Полупроводниковые преобразователи

Полупроводниковые приборы относятся к категории электронных компонентов, которые называются полупро­водниками. Чистые или беспримесные полупроводники обычно не используются в этих приборах, но первона­чально легированные примесями в полупроводниковую кристаллическую решетку они становятся примесными полупроводниками.

Примесные полупроводники легируются таким обра­зом, чтобы обеспечить избыток электронов (полупровод­ники n-типа) или их недостаток (полупроводники р-типа). Наличие примесей в полупроводниковой кристалли­ческой решетке определяет степень электропроводности решетки.

     Одиночные слои п- или р-полупроводника не находят применения, и полупроводниковый материал становится  полупроводниковым прибором только тогда, когда два или более слоев разных типов контактируют друг с дру­гом. Простейший р—n-переход формирует выпрямитель­ный прибор или диод. Вольт-амперная характеристика диода устанавливается согласно соотношению, известно­му как уравнение Шокли либо уравнение идеального ди­ода, а именно:

где Iо — ток насыщения (или ток утечки); q — заряд электрона; V - прикладываемое к диоду напряжение; k — постоянная Больцмана; Т — температура, К.

Любое изменение измеряемой величины, которое вы­зывает изменение приведенного выше выражения, может быть, конечно, использовано для изменения тока, про­текающего через переход. Например, диод иногда при­меняется в качестве преобразователя температуры, по­скольку ток утечки полупроводника изменяется в функ­ции температуры. Ток утечки кремния составляет при­мерно 25 нА при температуре 25 °С и увеличивается до 6,5 мА при температуре 150 °С.

2.10.1. Фотодетекторы

Полупроводниковые преобразователи, предназначен­ные для измерения изменений параметров светового из­лучения, называются фотодетекторами. Фотоэлектриче­ский преобразователь, являющийся простейшим видом фотодетекторов, и представляет собой полупроводнико­вый диод. Существует несколько типов таких преобразо­вателей. Один из основных среди них — фотодиод, в ко­тором используется эффект облучения светом (видимым или других длин волн) р—n-перехода с отрицательным смещением. При наличии облучения изменяется ток, про­текающий через переход. Время отклика такого фото­диода составляет всего несколько наносекунд.

Для обеспечения более быстрой реакции на изменение параметров излучения разработаны РIN-диоды, в кото­рых между слоями р- и n-типа имеется слой беспримес­ного полупроводника.  Это повышает чувствительность к световому излучению и одновременно уменьшает ем­кость перехода, благодаря чему диод быстрее реагирует на изменение уровня измеряемой величины.

2.10.2. Фототранзисторы.

В целом ряде приборов фотодиоды используются вме­сте с усилителями для повышения чувствительности. Ко­нечно, в обычном транзисторе (трехслойный полупровод­никовый прибор п—р—п- или р—n—p-типа) содержит­ся р—n-переход с отрицательным смещением, и прибор способен усиливать ток, т. е. он обладает всеми необходи­мыми свойствами  фотодиода и усилителя. И все это в од­ном приборе.

Фототранзистор отличается от обычного полупровод­никового триода тем, что он выполняется в прозрачном корпусе, который пропускает световое излучение. Свет, падающий на переход коллектор—база фототранзистора (р—n-переход с отрицательным смещением), вызывает в базе фототок, который усиливается с коэффициентом усиления транзистора, что приводит к весьма большому току эмиттера.

Ток эмиттера фототранзистора определяется из сле­дующего соотношения:

I_E=(1+h_FE)I_F

где h_FE — коэффициент усиления транзистора по постоян­ному току; I_F — фототок базы.

Для достижения более высокого усиления использу­ют фотодетекторы Дарлингтона, содержащие в себе фо­тотранзистор и транзистор с высоким коэффициентом усиления, работающие в режиме пары Дарлингтона. Оба транзистора размещаются в одном корпусе.

Поскольку фотодетекторы являются полупроводнико­выми приборами, их ток насыщения зависит от темпера­туры. Поэтому при отсутствии светового излучения в них протекает так называемый темновой ток, ограничиваю­щий возможности прибора по измерению низких уровней светового излучения.

2.10.3. Эффект Холла

Когда проводник с протекающим по нему током по­мещается в магнитное поле так, что направление тока оказывается перпендикулярным магнитным силовым линиям, то образуется поперечное электрическое поле, про­порциональное произведению плотности магнитного пото­ка и силе электрического тока. Этот эффект возникает в проводниках, однако наиболее существенен он в полу­проводниках, где известен под названием эффекта Холла. На рис. 2.16 показана полупроводниковая пластина, к которой приложено магнитное поле с индукцией В, пер­пендикулярное протекающему через нее току I, и возникающее при этом электрическое поле с напряженностью Е. Отношение между магнитной индукцией, током и на­пряженностью определяется следующим образом:

Е=-R_н(I·B)

где коэффициент Холла; п — число зарядов, протекающих через единицу объема и образующих элек­трический ток в проводнике или полупроводнике; е — за­ряд носителя зарядов.

Рис. 2.16. Иллюстрация эффекта Холла, при котором возникающее электрическое поле перпендику­лярно прикладываемому к полу­проводнику магнитному полю и протекающему по нему току

Эффект Холла используется во многих типах преобра­зователей, предназначенных для измерения магнитного поля, а также в бесконтактных переключающих приборах.

 

2.11. Термоэлектрические преобразователи

Термоэлектрические преобразующие элементы превра­щают изменение измеряемой величины (температуры) в изменение тока, возникающего вследствие разности тем­пературы на спае двух разнородных материалов, в кото­ром возникает эффект Зеебека (Seebeck)  (рис. 2.17).

Термоэлектрический преобразователь больше известен под названием термопары, в которой зонд состоит из двух спаев, один из которых размещается в точке, где производится измерение температуры, а второй — в точке опорной температуры (рис. 2.18). Разность потенциалов V₁- V₂, которая образуется на двух спаях (известная как контактные потенциалы), зависит от температуры спаев и измеряется вольтметром. Таким образом, показания вольтметра отображают разность температур между спаями.

 

Рис. 2.17. Эффект Зеебека, при котором в схеме, состоящей из спа­ев двух разнородных металлов, находящихся при разной температу­ре, возникает ток

 

 

 

	Рис. 2.18. Принцип действия термопары

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Рис. 2.19. Типичные зависимо­сти  напряжения от разности температуры для термопар, спаи которых выполнены из разных материалов: 1 — никель—хром/константан  (тип Е); 2 — железо/константан (тип J); 3 — медь/константан     (тип  Т);. 4 —никель—хром/никель—марганец— алюминий—кремний    (тип К);    5 — платина—родий/платина     (тип    R); 6 — платина—родий/платина   (тип   S)

На рис. 2.19 показаны кривые, характеризующие за­висимость напряжения от разности температур для ряда типичных материалов, из которых образуются спаи тер­мопар. Хотя эти зависимости кажутся линейными, под­робные исследования показывают, что это не совсем так.

На практике не так просто достигнуть необходимой точности температурных измерений с помощью термопар, как это может показаться из приведенных выше рассуж­дений, поскольку соединение вольтметра с термоэлектри­ческой схемой само по себе образует новый спай в схеме. Кроме того, объект, температура которого измеряется, может находиться на некотором расстоянии от вольтмет­ра, что затрудняет процесс формирования стабильной опорной температуры.

3. Характеристики и конструкции преобразователей.

Измерительные преобразователи обычно проектиру­ются так, чтобы измерять только одну физическую величину, поэтому они и реагируют только на нее. Например,  термистор проектируется для измерения изменений температуры. Конечно, зачастую и другие измеряемые ве­личины могут быть определены по известным соотноше­ниям этих величин с величинами, непосредственно воспри­нимаемыми преобразователями, скажем, скорость можно вычислить по результатам измерения перемещения путем деления перемещения на время, за которое это перемещение произошло. Поэтому функции, для выполнения которых исполь­зуется преобразователь, зависят от структуры измери­тельной системы и не всегда определяются внутренними свойствами прибора. Тем не менее внутренние свойства преобразователей имеют важное значение и их следует учитывать при любых серьезных исследованиях-

3.1.Характеристики   преобразователей

   Диапазон преобразователя определяется верхней и нижней границами значений измеряемой величины. Од­носторонний диапазон характеризуется тем, что измеряе­мыми являются либо только положительные, либо толь­ко отрицательные значения физической величины (скажем, от 0 до 10 кг). Причем односторонний диапазон т быть расположен так, что нулевое значение физической величины измерить не удается (например, от 120 до об/мин). При двустороннем диапазоне определяются как положительные, так и отрицательные значения физи­ческой величины (например, ±60 °С — симметричный диапазон; от —20 до +100°С — несимметричный диапа­зон).

В терминах «черного ящика» (рис. 3.1) измерительный преобразователь является довольно простым устройством. Он имеет чувствительный элемент, воспринимающий не­посредственно измеряемую величину, преобразующий элемент, генерирующий некото­рый электрический выходной сигнал в зависимости от значения измеряемой величины, и, возможно, некоторые схемы возбуждения (и/или формирования сигнала).

 

	Рис. 3.1. Повторение рис. 1.4, иллюстрирующее в виде структурной схемы конструкцию измерительного преобразователя

 

 

 

 

Преобразователь подключается к источнику питания (который может быть внутренним либо его может не быть вообще) и нагрузке. Питание требуется в преобра­зователях (за исключением пассивных преобразователей) для обеспечения их точной работы и может обеспечивать­ся либо источником напряжения, либо источником тока.

Сопротивление источника питания Z_s называется со­противлением источника; сопротивление преобразователя Z_in по отношению к источнику питания выступает в каче­стве входного сопротивления. Сопротивление кабеля меж­ду источником витания и преобразователем всегда рас­сматривается как часть сопротивления источника.

Выходное сопротивление Z_out — это сопротивление на выходных клеммах преобразователя. Сопротивление, при­кладываемое к выходным клеммам преобразователя, яв­ляется сопротивлением нагрузки преобразователя Z_L. Лю­бое сопротивление кабеля между преобразователем и на­грузкой всегда рассматривается как часть сопротивления нагрузки. Согласование преобразователя с измерительной системой осуществляется путем тщательного учета рассмотренных сопротивлений.

Источник питания и выходной сигнал электрически полностью изолированы друг от друга или имеют общий провод.

 Обратные провода обычно электрически изолиро­ваны от корпуса преобразователя и могут быть заземле­ны либо являются «плавающими» в зависимости от уст­ройства заземления, используемого в системе.

Внешний вид измерительного прибора зависит от ти­па используемого в нем преобразующего элемента. По­скольку последний размещается в корпусе, следует при­нимать во внимание его конструкцию. Она должна обес­печивать:

1)   установку и управление работой прибора;

2)   защиту от повреждений при воздействии на при­бор измеряемой величины и внешних условий;

3)   правильный интерфейс   между   преобразователем и измерительной системой.

Выбор преобразователя, удовлетворяющего требова­ниям стандартов на электрические характеристики, и оп­ределение соответствия механических свойств выбранного преобразователя перечисленным выше требованиям должен производить инженер, решая вопрос о пригодно­сти прибора для выполнения заданной измерительной  функции. Бессмысленно, например, производить измерение температуры азотной кислоты, погружая термометр , c металлическим корпусом в жидкость. Подробнее эти вопросы будут рассмотрены ниже.

     При выборе преобразователя необходимо учитывать его характеристики. В общем случае следует рассматри­вать четыре основные группы характеристик преобразо­вателей.

1. Статические характеристики, описывающие свойст­ва преобразователя, работающего в лабораторных усло­виях с малыми или даже нулевыми изменениями значе­ния измеряемой величины без механических перемещений (если только перемещением не является сама измеряемая величина). Здесь речь идет о точности, разрешающей способности линейности, чувствительности, гистерезисе повторяемости характеристик. Лабораторные условия трудно определить, однако обычно принимают, что температура в этих условиях составляет 25 °С, влажность 90 % и менее, давление (100±10) кПа.

2. Динамические характеристики, определяющие свой­ства измерительного преобразователя, работающего в ла­бораторных условиях при быстром изменении измеряе­мой величины без перемещений преобразователя. Одной из важнейших характеристик, относящихся к динамиче­ской работе преобразователя, является уже определен­ное время срабатывания, т. е. время, в течение которого устанавливается выходной сигнал преобразова­теля в ответ на изменение значения измеряемой вели­чины.

Важно сделать так, чтобы любой преобразователь, из­меряющий какую-либо величину, имел такой выходной сигнал, который отражал бы значение измеряемой вели­чины в текущий момент времени. Другими словами, долж­на всегда существовать малая задержка между измене­нием значения измеряемой величины и ее отражением в измерительном сигнале. Эта задержка определяется главным образом временем срабатывания преобразова­теля и связанными с этим временем параметрами.

Когда рассматривается время срабатывания, обычно предполагается, что изменение измеряемой величины про­исходит скачком, т. е. мгновенно от одного значения к другому.

3.2. Линейная реакция первого порядка

На рис. 3.2 представлена диаграмма ступенчатого из­менения измеряемой величины и возможная реакция на него в виде изменения выходного сигнала преобразова­теля. Отметим некоторые особенности приведенных на этом рисунке кривых.

Во-первых, кривая (называемая переходной характе­ристикой) является экспоненциальной и время нараста­ния выходного сигнала от начального значения до 63,2 % конечного значения называется постоянной времени и обо­значается специальным символом τ. Во-вторых, по про­шествии времени, равного 2τ, выходной сигнал достигает 86,5% конечного значения. После того как пройдет вре­мя, равное Зτ, выходной сигнал достигает 95 %, после 4τ — 98,2 %, и, наконец, по прошествии 5τ — 99,3 %.

Фактически выходное значение сигнала после каж­дого временного интервала τ равняется 63,2 % разности

 

 

            

Рис. 3.2. Переходная характеристика линейного преобразователя первого порядка: ПЗ — первоначальное  значение;   1 — мгновенное   изменение   измеряемой  вели­чины;   2 — конечное   значение

                    

 

 

 

 

между значением в конце предыдущего отрезка и конеч­ным значением. Выходные значения сигнала в процентах конечного значения по прошествии каждого отрезка времени продолжительностью в одну постоянную времени приведены в табл. 3.1.

 

 

 

 

 

 

 

Таблица 3.1.  Переходная характеристика линейного преобразователя первого порядка

Интервал времени	Выходное значение в процентах конечного значения
1	63,2
2	86,5
3	95,0
4	98,2
5	99,3

 

    Поскольку кривая на рис. 3.2 является экспонентой, это означает, что теоретически выходной сигнал не до­стигает никогда своего конечного значения. Поскольку по прошествии времени, равного 5τ, выходное значение сигнала отличается от его конечного значения всего лишь на 1 %, то практически можно считать, что после 5τ выходное значение конечно. Безусловно, это всего лишь ин­женерное приближение, ни больше, ни меньше. Промежу­ток времени, прошедший между моментами достижения выходным сигналом соответственно 10 и 90 % его конеч­ного значения, называется временем нарастания.

Важным следствием рассмотрения этой линейной ха­рактеристики первого порядка является то, что время сра­батывания преобразователя можно в общем случае ха­рактеризовать постоянной времени τ.

3.3. Линейная реакция второго порядка

На рис. 3.3 показана переходная характеристика дру­гого возможного преобразователя для ступенчатого из­менения измеряемой величины. Она существенно отли­чается от рассмотренной ранее и свидетельствует о том, что выходное значение сигнала колеблется около конеч­ного значения (с так называемой кольцевой частотой)  прежде чем его достигнуть.

Максимальное значение, на которое выходной сигнал превосходит конечное значение, является выбросом кри­вой. Максимальное значение выброса имеет пик первого колебания. Если чувствительный элемент преобразователя

	Рис. 3.3. Переходная характеристика    линейного    преобразователя второго порядка: 1 — мгновенное  изменение  измеряемой  величины;     2 — выброс  кривой;  КЗ — конечное значение

 

 

 

 

 

работает в режиме свободных колебаний, то его часто­та называется собственной угловой частотой ω_п, не обя­зательно равной кольцевой частоте.

Время, в течение которого выходное значение колеб­лется вокруг конечного значения либо в течение которого оно вообще колеблется, зависит от демпфирования, при­кладываемого к преобразователю. На рис. 3.4 показана переходная характеристика  преобразователя  для  трех типов демпфирования: недостаточное демпфирование (которое  дает такую же переходную характеристику, что и представленная на рис. 3.3); передемпфирование (с пе­реходной характеристикой,   которая   не   колеблется,  но имеет значительную  постоянную времени установления конечного значения); критическое демпфирование (с пе­реходной характеристикой без колебаний, достигающей конечного значения за кратчайшее время). Несомненно, критическое демпфирование является идеальным для та­кого преобразователя.

Отношение действительного демпфирования к степени демпфирования, необходимого для критического демпфи­рования, называется отношением демпфирования или ко­эффициентом демпфирования и обозначается далее в тек­сте символом b. Так, отношение демпфирования, равное 1, означает критическое демпфирование, большее значе­ние отношения соответствует передемпфированию, а мень­шее — недостаточному демпфированию.

Преобразователи такого типа называются преобразо­вателями с линейной переходной характеристикой второ­го порядка. В то время как преобразователи с линейной характеристикой первого порядка могут описываться од­ной величиной — постоянной времени, для описания пре­образователей с линейной характеристикой второго по­рядка требуются  две величины: отношение демпфирова­ния b и собственная угловая частота ω_п.

Несколько сложнее вычислить линейную переходную характеристику второго порядка, но задача упрощается, если начертить нормализованные кривые, т. е. переход­ные характеристики в нормализованных осях (рис. 3.5). Нормализованные кривые переходных характеристик приложимы к любым измерительным преобразователям с линейной АЧХ  второго порядка. Таким образом, зная

Рис. 3.5. Нормализованные кривые переходных характеристик линей­ных преобразователей второго по­рядка, с помощью которых пере­ходная характеристика любого преобразователя с линейной реак­цией второго порядка может быть вычислена при известном значении степени демпфирования: Хf—конечное значение; Xr—реакция

отношение демпфирования, инженер просто выбирает со­ответствующую кривую, затем устанавливает временную шкалу в соответствии с известным значением собственной угловой частоты.

3.4. Преобразователи с линейными характеристиками первого и второго порядка.

У преобразователей с линейными характеристиками первого и второго порядка много общего, но есть и раз­личия, главные из которых должны быть известны спе­циалистам. Какой из этих типов преобразователей ис­пользовать, зависит в большой степени от характера из­меряемой величины.

Единственно, чем отличаются преобразователи с ха­рактеристикой (реакцией) первого порядка от преобра­зователей второго порядка, так это тем, что в математи­ческом представлении переходной характеристики пер­вых из них имеется уравнение, в котором максимальным порядком производной по времени является производная первого порядка. Таким образом, дифференциальное уравнение, описывающее поведение преобразователя первого порядка, записывается в виде

α=К

 

т. е. реакция является функцией первого порядка, по­скольку максимальная производная по времени dx/dt имеет первый порядок.

С другой стороны, если дифференциальное уравнение преобразователя записывается в виде

α=

то его реакция является функцией второго порядка, по­скольку максимальная степень производной по времени d² x/dt² равна двум. Продолжим рассмотрение основных характеристик преобразователей.

 

3.  Внешние условия. Они определяют работу прибора при изменениях измеряемой величины, наличии механи­ческих  перемещений  или  других эффектах,  вызванных внешними воздействующими факторами. Большинство из­мерительных преобразователей используется в условиях, далеких от идеальных. Стандартные значения комнатной температуры, влажности и давления редко встречаются в промышленности, и поэтому при выборе преобразова­теля должно быть известно, в состоянии ли он функцио­нировать точно или по крайней  мере в  установленных пределах во всех возможных внешних условиях.

Воздействие температуры на работу прибора может быть заранее известно, а ее значение указывается изго­товителем любого преобразователя для того, чтобы инженер мог спроектировать необходимую схему компен­сации или скорректировать конечный результат измери­тельной системы. Аналогичным образом влияют на ре­зультат измерений вибрации, ускорения, изменения внеш­него давления или неточный монтаж преобразователя.

Количество других внешних факторов зависит от того, как используется прибор. Помещение преобразователя в жидкость может оказывать влияние на его работу, если корпус не изолирован. Коррозия под действием солей, кислот и т. п. может также влиять на конечный резуль­тат, если корпус преобразователя соответствующим обра­зом не защищен. Локальное электромагнитное поле так­же может воздействовать на преобразователь и схемы его соединения с измерительной системой.

4.  Надежность — это   способность   преобразователя правильно работать в известных статических, динамиче­ских и внешних условиях в течение определенного перио­да времени. Как долго преобразователь может работать правильно, определяется более точно в терминах его вре­мени работы до отказа.

Существует большое число механизмов и процессов, приводящих к отказам, различна также и частота отка­зов. Общими типами отказов являются следующие:

1)   внезапные отказы, при которых компоненты отка­зывают без предупреждения. Их нельзя предсказать;

2)   постоянные отказы, которые можно предсказать, если проверка показывает рассогласование установлен­ных и действительных результатов измерений;

3)   частичные отказы, характерные тем, что преобра­зователь еще работает, хотя результаты его проверки на­ходятся вне установленных допусков;

4)   полные   отказы,   характеризующиеся   невозмож­ностью выполнять предписанные преобразователю функ­ции;

5)   катастрофические отказы, являющиеся и внезап­ными, и полными;

6)   деградационные отказы, являющиеся и постепен­ными, и частичными.

Отказы компонентов могут происходить по разным причинам: из-за их неспособности работать в определен­ных условиях и внутренних недостатков, приводящих к от­казам в установленных условиях эксплуатации.

Со временем отказывают все компоненты устройства. Очевидно, что невозможно точно определить, когда ка­кой-либо определенный компонент откажет. Поэтому из­готовители устанавливают вероятность отказов. Известно несколько способов введения вероятностных характери­стик надежности.

Если существует вероятность возникновения отказа определенного компонента, оценить его безотказную ра­боту можно с помощью среднего времени между отказами (mean time between failure — MTBF), которое опреде­ляется для множества идентичных компонентов следую­щим образом:

MTBF=

Если компоненты преобразователя являются невосстанавливаемыми, то вероятность появления отказов ха­рактеризуется средним временем до отказа (mean time to failure — MTTF), причем

MTTF = Время до каждого отказа + Общее время использования + Продолжительность замен/Число прерываний в работе.

Долговечность компонентов иногда представляют гра­фически в виде ваннообразной кривой, названной так из-за ее формы (рис. 3.6). Три различные области отчетли­во просматриваются на этом рисунке. Когда компонент только вводится в эксплуатацию, частота возникновения отказов является весьма высокой. Отказы в течение это-

Рис. 3.6.    Ваннообразная кривая изменения скорости отказов компонентов     преобразователей во времени / — период     выжигания;     II — период полезной  работы;   /// — период  износа

го периода (часто называемого периодом выжигания) называются ранними отказами. Далее следует период, называемый периодом полезной работы, в течение кото­рого отказы возникают реже с достаточно постоянной час­тотой. Во время периода износа заканчивается период полезной работы компонента, и поэтому частота появления отказов снова возрастает. Такие отказы называются износовыми.

3.5.Экономические факторы

Использование высокой технологии кремниевых изде­лий резко сокращает стоимость всех электронных сис­тем, создавая дополнительные преимущества в виде более высокой надежности, простоты обслуживания и общего сокращения габаритов. Наряду с этим постоянно совер­шенствуется технология изготовления преобразователей.  Современные приборы выполняются в одном корпусе со схемами формирования сигнала и улучшенными характеристиками по отношению к своим прототипам. Поэтому они позволяют создавать более дешевые измерительные  системы, если принимать во внимание наличие схем формирования сигнала в преобразователях. В будущем интеграция схем формирования сигнала будет продолжаться вплоть до создания преобразователей с цифровым выходом, полностью кодированным сиг­налом, пригодным для непосредственного соединения с микровычислительными и подобными устройствами. В настоящее время уже имеется несколько подобных пре­образователей. Тем не менее, всегда найдутся аргументы в пользу аналоговых измерительных приборов, поскольку цифровые системы никогда не станут дешевле аналого­вых и будут существовать такие области применения, где аналоговую технику нельзя заменить цифровой.

Для пользователя стоимость системы является нема­ловажным фактором, и его следует иметь в виду, по­скольку возможно большое число решений для каждого рассматриваемого элемента. Чтобы принять лучшее реше­ние, инженер должен рассмотреть все возможные альтер­нативы — цифровые, аналоговые, цифро-аналоговые и проанализировать возможные варианты систем с уче­том их стоимости.

Если, например, система может выполнять заданные функции только при наличии высокоточных, высокона­дежных и высокочувствительных преобразователей (ко­торые будут, вне сомнения, также и дорогими), то стои­мость оставшейся части измерительной системы должна быть мала по сравнению со стоимостью преобразовате­лей. С другой стороны, если требования к преобразова­телям невысокие и их немного, то можно использовать некоторые старые типы преобразователей, и в этом слу­чае стоимость системы будет определяться в большей степени стоимостью оставшейся части, а не самих преоб­разователей.

Экономические соображения учитываются, конечно, не только при выборе преобразователей, но и любой дру­гой продукции.

4. Заключение.

Современная концепция метрологического обеспече­ния производства предусматривает существенное расши­рение масштабов использования средств измерений и контроля в процессе изготовления изделий. Высокая степень автоматизации, возросшие требования к качест­ву привели к тому, что контрольно-измерительные опе­рации, которые ранее рассматривались как необходи­мые, но вспомогательные работы, стали сегодня одними из основных. Они составляют более 40 % от трудоемко­сти работ по изготовлению изделий. Для оправдания столь больших затрат на измерения и контроль необхо­димо достижение высокой эффективности (высокого уровня) метрологического обеспечения производства, т. е. достижения значительных приращений в производитель­ности, качестве и других показателях производства за счет совершенствования методов и средств измерений и контроля.

С этой целью в современной концепции метрологи­ческого обеспечения иначе формулируется назначение измерений и контроля: если ранее они служили для об­наружения дефектных изделий, то сейчас они использу­ются для предупреждения брака. Чтобы выполнить это предназначение, предусматривается измерять и контро­лировать параметры вероятных источников возникнове­ния брака — технологического оборудования, оснастки, инструмента, энергоносителей, технологических сред и т.п. Поэтому в современном производстве применяет­ся большое количество средств измерений, выполненных часто в форме первичных измерительных преобразова­телей или датчиков, встроенных в технологические линии.

Особенно большое значение приобретают датчики в гибких автоматизированных производствах, где они оп­ределяют в значительной мере и производительность тру­да, и уровень брака, и точность изготовления изделий.

В механообработке линейно-угловые размеры дета­лей, выполняемых по 7—8 и более грубым квалитетам, могут быть обеспечены технологическими методами и средствами. Средства измерений используются при этом только в целях отладки производственного процесса и выборочного контроля при периодических проверках его точности. Более высокая точность изготовления дости­гается не только за счет прецизионного технологическо­го оборудования, но и путем его периодической или не­прерывной подналадки по результатам измерений и кон­троля, для чего используются многочисленные встроен­ные датчики.

Тем не менее масштабы использования датчиков в производственном процессе признаются недостаточны­ми. К тому же при выборе датчиков, необходимых для автоматизации технологического процесса, часто допу­скаются ошибки, поскольку конструкторам и техноло­гам недостает знаний о современных средствах измере­ний и контроля производственного назначения. По при­чине недостаточной надежности используемых датчиков, нехватки их в важнейших точках технологических ли­ний последние используются лишь на 70 % от своей по­тенциально возможной производительности.

Для обеспечения наблюдаемости технических и тех­нологических объектов, находящихся в эксплуатации, также требуется большое число датчиков в их составе. Встроенные датчики существенно улучшают характери­стики автомобилей, бытового оборудования, уменьшают возможность возникновения аварий на крупных про­мышленных предприятиях. Иначе говори, сфера приме­нения датчиков постоянно и быстро расширяется. Воз­растают и объемы их производства: годовое производ­ство датчиков во всем мире достигает 5—6 млрд. долларов, а ежегодный прирост объемов продаж состав­ляет 15 % и более.

Таким образом, знания о датчиках необходимы сего­дня широкому кругу инженерно-технических работников, связанных с созданием, испытаниями и эксплуатацией управляющих и контрольно-измерительных систем раз­личного назначения. Однако в отечественной литерату­ре ощущается явный дефицит книг и пособий по прин­ципам их построения и особенностям применения.

 

 

 

Литература:

Бриндли К. «Измерительные преобразователи» : Справочное пособие: Пер. с англ. –М.Энергоатомиздат, 1991.-144 с.