Определения и классификация ИП

Введение

 

   Содержание настоящего учебного пособия является частью материалов по дисциплине естественно-научного цикла государственного образовательного стандарта «Физические основы получения информации» для студентов, обучающихся по направлению «Приборостроение». Первые две части учебного пособия по этой дисциплине были посвящены рассмотрению физических явлений и вопросов информационного обмена в электромагнитных и звуковых полях, являющихся методологической основой построения технических средств получения информации от различных объектов [1], [2].

   Этими техническими средствами являются измерительные преобразователи (ИП), позволяющие получать информацию от того или иного объекта в том виде, в каком эта информация может быть воспринята, обработана, передана, запомнена и т. п.

   В средствах измерений, в том числе и в измерительных преобразователях, восприятие, обработка, передача и хранение информации о значениях измеряемых величин осуществляются с помощью сигналов, называемых сигналами измерительной информации. Сигнал как материальный носитель информации представляет собой некоторый физический процесс, один из параметров которого функционально связан с измеряемой величиной. Такой параметр называют информативным. Остальные параметры называют неинформативными.

   Современные средства измерений позволяют непосредственно измерять более двухсот различных физических величин – электрических, магнитных, тепловых, акустических, механических и т. д. [3]. В подавляющем большинстве случаев измеряемые физические величины преобразуются измерительными преобразователями в электрический сигнал, что объясняется следующим:

1. С помощью электрических сигналов возможно осуществление дистанционных измерений, что позволяет обеспечивать одновременные измерения различных по своей природе физических величин, контролируемых нередко в территориально удаленных друг от друга и недоступных для наблюдения точках пространства. В ряде случаев дистанционность, т. е. измерения на значительном расстоянии, может являться непременным условием самих измерений, например на объектах ядерной энергетики.

   2. Преобразование различных величин, как электрических, так и неэлектрических, в унифицированный электрический сигнал позволяет использовать одни и те же средства измерения для измерения множества величин, в частности, в измерительных информационных системах.

   3. Электрические сигналы, в которые преобразуются различные измеряемые физические величины, оказываются более удобными для комплексного решения задач автоматического управления и регулирования различных объектов, а также автоматизации самих измерений, что в значительной степени уменьшает субъективные погрешности, вызываемые личностными особенностями человека-оператора.

   4. Преобразование различных величин в электрические сигналы позволяет существенно расширить динамический и частотный диапазоны измеряемых величин, т. е. позволяет измерять как очень большие, так и очень малые величины, как медленно меняющиеся, так и быстро меняющиеся величины.

   Настоящее учебное пособие посвящено в основном измерительным преобразователям неэлектрических величин в электрический сигнал, поскольку неэлектрических величин значительно больше, чем электрических.

   Приведем перечень основных групп неэлектрических величин, которые измеряются с помощью средств электрических измерений:

1. Тепловые величины.

2. Механические и геометрические величины.

3. Промежутки времени.

4. Величины, характеризующие параметры излучения.

5. Величины, характеризующие состав веществ, материалов, изделий.

Отметим, что первая группа представляет собой наибольшую по числу средств измерений группу. Так, в [4] отмечается, что измерения тепловых величин непрерывных технологических процессов составляют по крайней мере 50 % от общего числа всех измерений.

  

ОСНОВЫ ТЕОРИИ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫХ

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЕЙ. ОСНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ

Определения и классификация ИП

   Измерительное преобразование представляет собой отражение размера одной физической величины размером другой физической величины, функционально с ней связанной.

   Основным назначением измерительных преобразователей можно считать осуществление связи между контролируемым объектом и средствами измерений. При этом само преобразование может быть многоступенчатым,   т. е. в конкретном случае может использоваться несколько ИП, следующих друг за другом. Первый в данной цепи преобразователь, называемый первичным измерительным преобразователем, устанавливается непосредственно на контролируемом объекте, т. е. на первичный измерительный преобразователь непосредственно воздействует измеряемая физическая величина.

   В соответствии с Рекомендациями по межгосударственной стандартизации РМГ 29-99 [5] «Измерительный преобразователь – техническое средство с нормативными метрологическими характеристиками, служащее для преобразования измеряемой величины в другую величину или измерительный сигнал, удобный для обработки, хранения, дальнейших преобразований, индикации или передачи».

   На практике часто используют термин «датчик», заменяющий термин «измерительный преобразователь», что не всегда правильно. В соответствии с [5] датчик – это конструктивно обособленный первичный преобразователь, от которого поступают измерительные сигналы.

   ГОСТ 16263–70 «Метрология. Термины и определения» [6] давал следующее определение измерительных преобразователей: «Измерительный преобразователь – это средство измерений, предназначенное для сбора, дальнейшего преобразования, обработки, передачи и (или) хранения измерительной информации, не поддающейся непосредственному восприятию».

   Хотя определения ИП в [5] и [6] практически одинаковы, следует признать, что в [6] оно более четко отделяет ИП от других средств измерений и  прежде всего от измерительных приборов, подчеркивая некоторый гносеологический смысл: измерительный прибор всегда для человека, а измерительный преобразователь – элемент некоторого средства измерения, некоторой измерительной цепи, выходной сигнал которого человеку не доступен.

   Рассмотрим классификацию ИП (рис. 1.1).

Все измерительные преобразователи, как уже отмечалось во введении, можно разделить на преобразователи электрических величин в электрическую величину и преобразователи неэлектрических величин в электрическую величину.

   Преобразователи электрических величин делятся, в свою очередь, на масштабные измерительные преобразователи и преобразователи формы сигналов. Примерами широко распространенных масштабных преобразователей являются шунты, делители тока и напряжения, измерительные трансформаторы тока и напряжения, измерительные усилители. Примерами преобразователей формы сигналов могут служить аналого-цифровые и цифро-аналоговые преобразователи, модуляторы и демодуляторы.

   Преобразователи неэлектрических величин в электрическую величину по выходной величине делят на параметрические и генераторные.

   Выходной величиной параметрических преобразователей является тот или иной параметр электрической цепи: электрическое сопротивление R, индуктивность L, емкость C и взаимная индуктивность M, изменяющиеся в зависимости от изменения преобразуемой неэлектрической величины. Характерной особенностью параметрических преобразователей является обязательное наличие дополнительного источника энергии, так как сами параметры R, L, C, M – пассивные и не могут восприниматься последующими звеньями измерительной цепи непосредственно.

   Выходной величиной генераторных преобразователей является ЭДС или заряд, функционально связанные с преобразуемой неэлектрической величиной. В этих преобразователях используется энергия объекта, параметры которого преобразуются и, в конечном счете, измеряются или контролируются, т. е. в этом случае часто нет необходимости в дополнительном источнике энергии, что является преимуществом генераторных преобразователей.

   Принцип действия ИП зависит от того или иного физического явления. Наиболее широко используются такие физические явления, как явление электромагнитной индукции, явления термоэлектричества, фотоэлектричества и пьезоэлектричества. Также используется изменение электрического сопротивления некоторых материалов при изменении окружающей температуры, изменение электрического сопротивления преобразователя от механического растяжения и сжатия, изменение электрического сопротивления, индуктивности (взаимной индуктивности) или емкости от механического изменения некоторых частей преобразователя. Существуют и некоторые другие физические явления, которые могут быть положены в основу принципа действия ИП неэлектрических величин.

   В связи с этим параметрические преобразователи, например, делятся на терморезистивные, тензочувствительные, магнитоупругие, реостатные, индуктивные, емкостные, а генераторные – на термоэлектрические, пьезоэлектрические, фотоэлектрические, индукционные.

   Перечисленные ИП наиболее распространены, хотя существуют и некоторые другие преобразователи, тем более что появляются новые типы ИП, основанные на новых технологиях и физических явлениях, которые ранее не применялись.