Элементы измерительной цепи

ПЕРВЫЙ СЕМЕСТР

1. Измерительный преобразователь, как составная часть средства измерений.

Элементы измерительной цепи.

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.

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. Преобразователи с неэлектрическим выходом применяются в качестве чувствительных элементов измерительных преобразователей или служат для превращения неэлектрического сигнала в электрический. Все функции преобразователей являются аналоговыми.

Линии связи — это линии между входным преобразователем и другой частью системы.

Там, где в системе имеются существенные линии связи, требуется один или более каскадов сопряжения сигналов. Сопряжение сигналов может осуществляться в нескольких точках системы.

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

В случае управляющей системы применяются некоторые виды компарирующих приборов.

Следует рассматривать два различных типа приборов. Простая измерительная цепь состоит из одного измерительного прибора ИП. В сложной измерительной цепи, составленной из нескольких последовательно соединенных измерительных преобразователей, первый называется первичным преобразователем. Входной сигнал первичного преобразователя является входным сигналом всей цепи.

Все сигналы сложной измерительной цепи за исключением входного и выходного также являются промежуточными.

Первичный преобразователь находится в контакте с измеряемой средой. Поэтому для измерения даже однотипных параметров выпускаются различные первичные преобразователи, отличающиеся условиями эксплуатации.

С помощью промежуточного сигнала удается отделить первичный преобразователь от измерительного прибора и разместить измерительный прибор на щите оператора. Вид промежуточного сигнала определяется, с одной стороны, принципом действия и конструкцией первичного преобразователя, а с другой - удобством передачи сигнала на расстояние и дальнейшего его преобразования. В сложной измерительной цепи входным сигналов измерительного прибора является уже не измеряемый, а промежуточный сигнал. Выходные сигналы промежуточных преобразователей, как правило, бывают электрические или пневматические.

 

В табл. 1 приведены наиболее часто употребляемые в системе ГСП унифицированные сигналы и пределы их изменения.

Таблица 1

Ветвь ГСП	Унифицированный сигнал	Пределы изменения
Электрическая: а) аналоговая   б)дискретная   2. Пневматическая	Постоянный ток Напряжение постоянного тока Напряжение переменного тока Взаимная индуктивность Частота Код   Давление сжатого воздуха	0-5; 0-20 мА   0-10; 0-100 мВ   1-0-1; 0-2 В 0-10; 10-0-10 мГн 4-8 кГц По ГОСТ 13052-74   0.2∙105-1.0∙105 Па

 

При длине канала связи до 300 м в качестве промежуточного сигнала можно применять любой унифицированный сигнал, при длине до 10 км — постоянный ток или частотный сигнал, при большей длине — кодированный дискретный сигнал. Пневматический сигнал является пожаро- и взрывобезопасным, а код - наиболее помехоустойчивым.

Если же измерительная цепь является элементом АСР и её выходной сигнал поступает в регулятор, то в измерительном приборе нет необходимости.

Три способа связи первичного преобразователя с последним измерительным преобразователем:

1) прямая механическая связь посредством неэлектрического сигнала;

2) дистанционная связь посредством электрического неунифицированного сигнала;

3) дистанционная связь через промежуточный преобразователь посредством унифицированного сигнала.

 

Основные понятия.

Активным преобразователем назовем такой, который получает энергию от внешнего источника. Преобразователь обратной связи используется в цепи обратной связи управляющей системы для измерения сигнала, противоположного по знаку входному сигналу. Входных преобразователей существенно больше, чем выходных.

Точность измерений, характеризующая близость измеренного значения физической величины к его действительному значению, обычно оценивается погрешностью. Точность измерения определяется множеством причин.

Связанной с точностью и часто ошибочно принимаемой за нее является разрешающая способность системы, характеризующая наибольшую точность, с которой осуществляются измерения.

Чувствительность преобразователя, есть отношение изменения его выходного сигнала к изменению на входе. Для линейного 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. Рекомендуется использовать преобразователи с линейной характеристикой (рис. 1, а). Если же преобразователь является существенно нелинейным (рис. 1, б), то можно применить линеаризирующую схему формирования сигнала.

 

 

Рис. 1 Линейные и нелинейные характеристики преобразователей:

а - линейный преобразователь; б - нелинейный преобразователь.

 

Линейный преобразователь не рекомендуется использовать, когда измеряемая величина изменяется нелинейным образом. 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.

В некоторых случаях отдается предпочтение высокой нелинейности характеристик, когда желательно иметь одни выходной сигнал, соответствующий уровню логического 0, а другой — логической 1.

Еще одна характеристика преобразователя — гистерезис. В общем случае стремятся к тому, чтобы эффект гистерезиса был как можно меньшим.

Еще одна характеристика преобразователя — повторяемость значений его выходного сигнала. Выходной сигнал в идеальном случае должен быть постоянным, когда измеряемая величина не изменяется.

Другим фактором, связанным с точностью преобразователя, является время отклика. Преобразователь может иметь достаточно малую погрешность, если изменение измеряемой величины происходит медленно либо не происходит вообще.

Полоса преобразователя — это характеристика, напрямую связанная со временем отклика в виде совокупности частотных составляющих. 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.

Внешние условия необходимо 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.

Непосредственное воздействие внешних условий на сам преобразователь. Если известно, что преобразователь непосредственно под действием внешних условий не разрушается, то надо выяснить, сохраняет ли он точность в течение длительного времени. Влияние внешних условий на линии связи между измерительной системой и преобразователем, хотя при этом они влияют на преобразователь косвенно.