Какие преобразователи самые точные в метрологии

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.

Измерительный преобразователь 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.

Источник

Измерительные преобразователи

Одним из основных положений современной теории измерительных устройств является положение об измерительном преобразователе. В соответствии с ним измерение рассматривается как процесс приема и преобразования измерительной информации об измеряемой величине. Структуру измерительных устройств в связи с этим представляют в виде совокупности измерительных преобразователей, осуществляющих функциональные измерительные преобразования сигналов различной физической природы.

Определения терминов «измерительный преобразователь», «первичный измерительный преобразователь», «датчик» приведены в РМГ 29-99 «Государственная система обеспечения единства измерений. Метрология. Основные термины и определения» в разделе 6 «Средства измерительной техники».

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 или передачи. Измерительный преобразователь или входит в состав какого-либо измерительного прибора (измерительной установки, измерительной системы и др.), или применяется вместе с каким-либо средством измерений.

По характеру преобразования различают аналоговые, цифро-аналоговые, аналого-цифровые преобразователи.

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 различают первичные и промежуточные преобразователи.

Измерительная цепь – совокупность элементов средств измерений, образующих непрерывный путь прохождения измерительного сигнала одной физической величины от входа до выхода. Измерительную цепь измерительной системы называют измерительным каналом.

Первичный измерительный преобразователь – измерительный преобразователь, на который непосредственно воздействует измеряемая физическая величина, т.е. первый преобразователь в измерительной цепи измерительного прибора (установки, системы). Примеры: терморезистор, фотоэлемент. В одном средстве измерений может быть несколько первичных преобразователей. Пример: ряд первичных преобразователей измерительной контролирующей системы, расположенных в разных точках контролируемого объекта.

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

По другим признакам различают также:

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

Масштабный измерительный преобразователь — измерительный преобразователь, предназначенный для изменения измерительного сигнала в заданное число раз.

Датчик – конструктивно обособленный первичный преобразователь, от которого поступают измерительные сигналы (он «дает» информацию). Примеры: датчик температуры, датчик силы, датчик перемещения. Датчик, используемый в области измерений ионизирующих излучений, называют детектором.

В боль­шинстве случаев сам датчик представляет собой конструктивную сово­купность одного или нескольких измерительных преобразователей (первичных и промежуточных) и сопутствующих им конструктив­ных элементов, предназначенную для измерения (контроля) кон­кретной физической величины и выполненную в виде единой кон­струкции. В этом случае входящий в состав датчика измерительный преобразователь, на который непосредственно воздействует измеряемая физическая величина, называют в некоторых случаях чувствительным элементом.

По РМГ 29-99 чувствительный элемент— это часть измерительного преобразователя в измерительной цепи, воспринимающая входной измерительный сигнал.

В ряде случаев четкую границу между терминами «первичный измерительный преобразователь», «датчик», «чувствительный элемент» провести достаточно трудно. Все зависит от измерительной задачи, выбранных типа и конструкции датчика и т.д.

Выход­ные сигналы датчиков в общем случае могут быть электрическими, пневматиче­скими, гидравлическими и др. В современных измерительных системах, как правило, используют датчики с электрическим выходным сиг­налом, так как электроизмерительные схемы имеют ряд важных преимуществ перед пневматическими, гидравлически­ми и др.: быстродействие; возможность автоматизации процессов измерения и представления результатов измерений в форме, удоб­ной для обработки на ЭВМ; многофункциональность и гибкость, позволяющие, при наличии программирующего устройства, опера­тивно перестраивать структуру измерительных каналов.

Для преобразования измеряемых величин в удобную для передачи и восприятия форму используются различные физические явления, обладающие достаточно строгими закономерностями, например, тензорезистивный и пьезоэлектрический эффекты, эффекты изменения электрической емкости, омического сопротивления, электромагнитные явления и т.д.

Механические величины, для контроля которых используются измерительные преобразователи, можно классифицировать по группам, например, как приведено ниже.

1) Линейные и угловые размеры, геометрические параметры профилей и шероховатостей поверхностей, уровни сыпучих веществ и жидкостей в различных сосудах (баках, танкерах, паровых котлах и т. п.), перемещения режущего инструмента относительно обрабатываемой детали, па­раметры износа трущихся частей различных механизмов, биения валов, расстояния и т. д.

Диапазон, охватываемый величинами этой, группы, прости­рается от долей микрона до тысяч метров, т. е. составляет при­мерно десять порядков. Диапазон угловых размеров равен 3— 4 порядкам.

2) Различного рода силовые воздей­ствия. Это механические напряжения в деталях и конструкциях машин и сооружений, силы, крутящие моменты, давления жидко­стей и газов, акустические шумы, разности давлений и т. п.

Диапазоны значений величин этой группы, как правило, весьма широки. Например, в вакуумной технике приходится измерять давления до 1,3-10 -8 Па, а в технике высоких давлений до 10 8 Па и выше, следовательно, диапазон давлений охватывает

16 порядков. Примерно такой же диапазон занимают значения сил, встречающихся в технике и научных исследованиях.

3) Так назы­ваемые параметры движения. Это перемещения объектов в про­странстве, линейные и угловые скорости и ускорения перемеще­ний. Значения параметров этой группы могут достигать астроно­мических цифр (космические расстояния и скорости). В эту группу входят также параметры вибраций (вибрационные перемещения, скорости и ускорения), скорости вращения валов и т. д.

Кроме перечисленных, измеряемые величины могут характеризовать свойства вещества (концентрация, pH-уровень, влажность и др.), электрические процессы (ток, напряжение, мощность), оптические параметры и т.д.

Приведенные примеры говорят о том, что существует множество типов и модификаций датчиков, отли­чающихся принципами действия, разными вариантами выполнения схемы и конструкции.

Все датчики с электрическим выходным сигналом можно разделить на две большие категории: генераторные и параметрические.

В генераторных датчиках осуществляется преобразо­вание измеряемого параметра непосредственно в электрический сигнал (т. е. они генерируют электрическую энергию). К таким датчикам относятся:

пьезоэлектрические датчики, использующие пьезоэлектрический эффект, возникающий в некоторых кристаллах (кварц, турмалин: и др.), в зависимости от значений и характера прилагаемых к кри­сталлу упруго деформирующих сил;

индукционные (магнитоэлектрические) датчики, использующие явление электромагнитной индукции — наведение ЭДС в электри­ческом контуре, в котором меняется величина магнитного потока;

фотоэлектрические датчики, использующие зависимость ЭДС фотоэлемента с запирающим слоем от освещенности;

термоэлектрические датчики (термопары), использующие явле­ние термоэлектрического эффекта, возникающего в цепи термо­пары, в зависимости от разности температур ее рабочего и свобод­ного спаев;

датчики электрических потенциалов, использующие зависимость концентрации водных растворов от концентрации водородных ионов в растворе, которую можно определить по потенциалу, воз­никающему на границе различных электродов, опущенных в конт­ролируемый раствор;

гальванические датчики, использующие зависимость ЭДС галь­ванического элемента от состава и концентрации растворов элект­ролитов.

В параметрических датчиках измеряемая величина преобразуется в параметр электрической цепи — сопротивление, индуктивность, емкость и т. п., причем датчик питается от внеш­него источника электрической энергии. К таким датчикам отно­сятся:

емкостные датчики, использующие зависимость электрической, емкости конденсатора от размеров и взаимного расположения его обкладок при воздействии на него измеряемого параметра;

электромагнитные и магнитоэлектрические датчики, которые объединяют три типа датчиков — индуктивные, трансформаторные и магнитоупругие: индуктивные датчики основаны на зависимости индуктивности дросселя от длины и площади сечения его сердеч­ника, от взаимного расположения обмоток дросселя и частей магнитопровода. Трансформаторные датчики основаны на изменении взаимной индуктивности обмоток преобразователя под воздейст­вием механических перемещений ферромагнитного сердечника. Магнитоупругие датчики основаны на принципе изменения магнит­ной проницаемости (или индукции) ферромагнитных тел под воз­действием приложенных к ним механических сил или напряжений;

электроконтактные датчики, коммутирующие электрическую цепь под воздействием измеряемого параметра;

потенциометрические (реостатные) датчики, использующие за­висимость сопротивления реостата от положения его движка, ко­торый может перемещаться под воздействием контролируемого па­раметра;

жидкостные (электролитические) датчики, принцип действия которых основан.на изменении сопротивления электропроводящей жидкости при взаимном перемещении электродов или изменении геометрической формы корпуса чувствительного элемента;

тензорезисторные (тензометрические) датчики, использующие свойство тензопреобразователя изменять свое сопротивление при упругих деформациях. Они подразделяются в зависимости от ма­териала тензорезистора на проводниковые (проволочные и фоль­говые) и полупроводниковые;

датчики контактного сопротивления, использующие зависимость контактного сопротивления между поверхностями двух твердых тел от усилия их сжатия;

магнитомодуляционные датчики, представляющие собой устрой­ства, содержащие магнитную систему и магнитометр, при взаим­ном перемещении которых меняется напряженность магнитного поля| пронизывающего магнитометр, и, соответственно, выходной сигнал;

датчики термосопротивления, пьезосопротивления, фотосопротивления и др., использующие свойства изменять свое сопротивление соответственно в зависимости от тем­пературы, механического напряжения, освещенности и т. д.

К основным характеристикам первичных измерительных преобразователей относятся:

· Входная величина, воспринимаемая и преобразуемая датчиком;

· Выходная величина, используемая для передачи информации; она обычно модулируется по амплитуде, по временному признаку (частота, фаза и др.), по кодовому признаку, а также по пространственному признаку (чередование сигналов в каналах связи).;

· Статическая характеристика датчика. Для каждого измерительного преобразователя можно установить связь между выходной и входной величинами:

Математическое или графическое описание этой связи называется функцией преобразования измерительного преобразователя (или для датчика в целом — функцией преобразования датчика)

Отношение изменения выходной величины DY к соответствующему изменению входной величины DX называется чувствительностью датчика:

В общем случае, если функция преобразования нелиней­на, отношение изменения выходной величины к соответствующему изменению входной величины для любого Xi определяется коэффициентом преобразования

а чувствительность является функцией входной вели­чины.

Если зависимость между выходной и входной величинами является линейной, то чувствительность преобразователя не зависит от входной величины:

В этом случае чувствительность и коэффициент преобразования равны, поэтому для линейных датчиков используют как термин «чувствительность», так и термин «коэффициент преобразования».

Датчик, выполненный в соответствии с приведенной ниже структурной схемой, называется датчиком прямого преобразования. Чувстви­тельность такого датчика определяется произведением чувствительностей отдельных преобразователей:

и может быть найдена для линейной функции преобразования как отношение выходной величины датчика к входной:

Наиболее приемлемой статической характеристикой для большинства датчиков является линейная характеристика. Для линеаризации характеристик датчиков, используют различные методы, например, усилители-линеаризаторы, программные методы и др.

Наряду с линейными широкое распространение нашли датчики с различными релейными характеристиками.

· Динамическая характеристика датчика описывает поведение датчика при изменениях входной величины и определяется внутренней структурой датчика и его элементов. Динамические свойства датчиков могут быть определены передаточными функциями, переходными, импульсно-переходными (весовыми), амплитудно-частотными, амплитудно-фазовыми и другими характеристиками.

· Порог чувствительности датчика — это минимальное изменение входной величины, вызывающее заметно различимое изменение выходного сигнала.

· Основная погрешность датчика — максимальная разность между получаемой в нормальных условиях величиной выходного сигнала и его номинальным значением, определяемым по статической характеристике для данной входной величины. Основная погрешность выражается как в абсолютных, так и в относительных единицах. В последнем случае погрешность обычно относят к разности предельных значений выходной величины и выражают в процентах (класс точности).

· Дополнительные погрешности датчика — погрешности, вызываемые изменениями внешних условий по сравнению с нормальными условиями. Выражаются обычно в процентах, отнесенных к изменению вызвавшего их фактора (например, температурная погрешность — 1,5 % на 10 0 С).

Структурная схема датчика в наиболее простых случаях вклю­чает в себя один или два элементарных преобразователя. В про­стейшем случае он может состоять только из одного преобразова­теля (рис. 1,а), осуществляющего преобразование измеряемой неэлектрической величины X в электрическую величину U. Однако в подавляющем большинстве случаев преобразователи строятся по структурным схемам, состоящим из чувствительного элемента, воспринимающего энергию X измеряемого параметра и преобра­зующего ее в промежуточную неэлектрическую величину Х1, и пре­образователя, предназначенного для преобразования промежуточной неэлектрической (обычно механической) величины Х< в элект­рический сигнал U (рис. 1, б). В отдельных случаях между чувст­вительным элементом и преобразователем располагается переда­точный механизм или несколько промежуточных преобразовате­лей (структура каскадного соединения, рис, 1,в). Часто встреча­ются более сложные структуры: дифференциальная схема (рис. 1,г), например, в индуктивных датчиках давления, и ком­пенсационная схема (рис. 1,д), например, в трансформаторных датчиках линейных перемещений.

В более общем виде подавляющее большинство датчиков не­электрических параметров можно представить обобщенной струк­турной схемой (см.рис.1). Показанная на рисунке электрическая схема ЭС выполняет функцию дополнительного преобразования электрического сигнала с выхода ПНЭ в электрический сигнал U3. Например, в некоторых тензометрических датчиках электриче­ская схема служит для преобразования электрического сопротив­ления тензорезистора в постоянное напряжение.

Рис. 1 – Структурные схемы основных типов датчиков: а — структурная однозвенная простейшая схема и пример датчика (термопары), состоя­щего только из одного преобразователя; б — структурная схема и пример датчика (потенциометрический датчик давления), состоящего из чувствительного элемента 1 и выход­ного преобразователя 2; в — схема каскадного соединения (3 — промежуточный преобра­зователь); г — дифференциальная схема (4 — вычитающий элемент); д — компенсацион­ная схема (5 — усилитель; 6 — генератор компенсирующей величины); е — обобщенная структурная схема датчика неэлектрической величины: ЧЭ — упругий чувствительный эле­мент (первичный преобразователь); ПМ — передаточный механизм (промежуточный преобразователь); ПНЭ — преобразователь неэлектрической величины в электрическую (промежуточный преобразователь); ЭС — электрическая схема (вторичный преобразователь); Х_в9, Х_а в У₈ — соответственно входной неэлектрический, входной электрический и выход­ной электрический сигналы

Дата добавления: 2016-01-11 ; просмотров: 8862 ; ЗАКАЗАТЬ НАПИСАНИЕ РАБОТЫ

Источник