Классификация датчиков по способу обработки сигнала

По этому признаку различают:

- аналоговые средства, выходной сигнал которых является непрерывной функцией входного;

  • - цифровые (дискретные) средства, генерирующие код в виде последовательности импульсов или двоичного слова;
  • - бинарные (двоичные, релейные) средства, вырабатывающие сигнал только двух уровней (включено/выключено, да/нет, 0/1); обычно используются в системах контроля, сигнализации, защиты и блокировки.
Шкала электромагнитных излучений

Рис. 2.14. Шкала электромагнитных излучений

Нужно иметь в виду, что даже в пределах одного измерительного устройства возможно преобразование одного способа обработки сигнала в другой; например, аналоговый сигнал при необходимости преобразуется в цифровой или бинарный.

Классификация датчиков по роду используемой энергии и виду измеряемой величины

По роду используемой энергии различают механические, электрические, пневматические, гидравлические, комбинированные датчики. В настоящее время наиболее часто используются электрические и комбинированные датчики.

По виду измеряемой величины различают датчики перемещения, давления, температуры, уровня, расхода, химического состава, физических свойств - влажности, вязкости, освещенности и пр.

Классификация датчиков по способу получения результата измерения

По способу получения результата измерения принято различать прямые, косвенные, совокупные и совместные измерения. В измерительной практике обычно используют только первые два метода из перечисленных.

При прямых измерениях искомое значение измеряемой величины получают непосредственно от средства измерений. В качестве примеров прямых измерений можно указать определение температуры с помощью термометра, измерение массы на пружинных весах, измерение длины детали штангенциркулем и т.п.

При косвенных измерениях искомое значение измеряемой величины находится на основании известной функциональной зависимости между этой величиной и величинами, определенными путем прямого измерения. Например, при определении площади S крышки стола необходимо вычислить её длину (а) и ширину (b), после чего использовать формулу S=a-b. Аналогичным образом можно определить значение сопротивления R по измеренным величинам напряжения U и силы тока /: R = U/I и т.д. Разумеется, количество измеряемых величин может быть и большим, а сами зависимости между ними - более сложными.

Таким образом, косвенное измерение включает комбинацию прямых измерений, каждое из которых может находиться под воздействием влияющих величин. Косвенные методы используются в тех случаях, когда нельзя (или очень сложно) измерить параметр путем прямых измерений. Поэтому подавляющее большинство практических измерений относится к числу прямых измерений.

Согласно ГОСТ Р ИСО 5725-1-2002 точность результата измерения понимается как степень близости результата измерений к истинному (или действительному значению) значению измеряемой величины.

Термин "точность", когда он относится к серии результатов измерений (испытаний), включает сочетание случайных составляющих и общей систематической погрешности.

Прямые измерения могут осуществляться в зависимости от обеспечиваемой точности тремя основными методами - методом прямого (однократного или многократного) преобразования, дифференциальным и нулевым.

Метод прямого преобразования заключается в определении измеряемой величины путем её преобразования в величину, удобную для последующего наблюдения или использования. Так, показания ртутного термометра преобразуются в высоту столбика ртути, занимающего определенное положение на шкале прибора в зависимости от значения измеряемой температуры. В некоторых случаях возникает необходимость неоднократного преобразования измеряемого параметра.

Примером реализации метода прямого преобразования может служить обычный пружинный манометр (рис. 2.15), первичным преобразователем которого является полая упругая трубка плоскоовального сечения, один конец которой заглушен, а во второй подается измеряемое давление.

Если прибор предназначен для передачи входного сигнала (давления) в один из стандартных унифицированных сигналов ГСП, то измеряемое давление сначала преобразуется в пропорциональное механическое перемещение свободного конца трубки, далее - в электрический сигнал (например, с помощью тензодатчика - в электрическое сопротивление), затем, с помощью измерительного неравновесного моста - в электрическое напряжение, и, наконец, в стандартный (унифицированный) сигнал с помощью нормирующего преобразователя. Только после этого сигнал поступает на вход вторичного прибора или в систему автоматического управления.

Схема трубчатого манометра

Рис. 2.15. Схема трубчатого манометра: 1 - трубчатая пружина;

  • 2 - стрелка; 3- зубчатый сектор;
  • 4 - шестерня (трибка)

Таким образом, возникает последовательная цепочка преобразователей Пр1 - Пр4, каждый из которых выполняет элементарное преобразование, приводя, в конце концов, к требуемому результату.

Если манометр снабжён показывающим устройством, то перемещение свободного конца через передаточный механизм Пр.5 (рис. 2.16) передается на стрелку показывающего устройства.

Структура манометра с унифицированным выходом (пример)

Рис. 2.16. Структура манометра с унифицированным выходом (пример)

Другим примером реализации метода прямого преобразования является измерение температуры с помощью терморезистора на основе четырехпроводной схемы измерения сопротивления.

Напомним, что принцип работы терморезистора заключается в изменении сопротивления терморезистора при изменении температуры. Существенным недостатком большинства измерительных схем для измерения сопротивления является влияние изменений сопротивления соединительных проводов под действием внешних факторов, что искажает результаты измерения и снижает его точность.

Простейшая схема измерения сопротивления путем непосредственного преобразования представлена на рис. 2.17.

Она состоит из терморезистора Rh установленного на технологическом объекте, сопротивлений ^пр соединительных проводов и омметра Q. При равенстве сопротивлений обоих проводов показания омметра составят R, + 2/?пр. Поскольку длина проводов может быть значительной, а сами провода могут быть проложены в любом месте (в цеху, на улице и т.д.), их сопротивление может меняться в зависимости от окружающей температуры, что приведет к появлению погрешностей измерения общего сопротивления R, + 2Rlip, регистрируемого омметром.

Схема непосредственного измерения сопротивления R

Рис. 2.17. Схема непосредственного измерения сопротивления R,

Для устранения этих погрешностей были разработаны двух- и трехпроводные мостовые измерительные схемы, использующие компенсационный метод измерения (эти схемы рассмотрены в пособии [18], которые неплохо работают в условиях идеального равенства сопротивлений соединительных проводов. Однако такое равенство достаточно трудно обеспечить при проведении точных измерений.

Четырехпроводная схема включения терморезистора

Рис. 2.18. Четырехпроводная схема включения терморезистора

Для обеспечения высокой точности измерения сейчас используется так называемая четырехпроводная схема (способ Кельвина), приведенная на рис. 2.18.

По двум проводам (внешняя цепь) подается питание от стабилизированного источника тока, а два других провода (внутренняя цепь, выделена жирной линией) соединяют вход измерительного прибора непосредственно с терморезистором. Таким образом обеспечивается постоянство силы тока / независимо от изменения сопротивлений R, и /?пр, причем последние могут иметь и различные значения.

Информационный сигнал представляет собой падение напряжения U = I R, и измеряется с помощью вольтметра V с очень высоким входным сопротивлением. Это означает, что через внутреннюю (измерительную) цепь ток практически не протекает, а значит, не возникает и падений напряжения на соединительных проводах. При этом полезный сигнал определяется только падением напряжения на сопротивлении R, (при постоянстве силы тока Г), а изменения сопротивлений соединительных проводов практически не влияют на результат измерения.

Отсутствие падений напряжения на сопротивлениях соединительных проводов обеспечивает передачу сигнала на значительные расстояния.

Недостатком четырехпроводной схемы является большое количество соединительных проводов. При значительном количестве используемых на объекте терморезисторов применение дорогостоящего специализированного четырехпроводного кабеля может создать существенные финансовые трудности. Поэтому четырехпроводную схему рекомендуется применять только в случае ее оправданного выбора, а именно, когда требуется очень высокая точность измерения.

В общем случае структурная схема измерительного прибора, использующего метод непосредственного преобразования, может быть представлена рис. 2.19.

Она, как правило, представляет собой совокупность первичного измерительного преобразователя (чувствительного элемента), дополнительных преобразователей (одного или нескольких; иногда такой преобразователь может отсутствовать) и выходного устройства, обеспечивающего восприятие наблюдателем (показывающего, регистрирующего, сигнализирующего).

Структура измерительного прибора

Рис. 2.19. Структура измерительного прибора

При использовании дифференциального метода измеряемая величина сравнивается с однородной величиной, имеющей известное значение, незначительно отличающееся от значения измеряемой величины; результатом измерения является разность этих двух величин. Точность метода возрастает с уменьшением разности между сравниваемыми величинами. Предельным случаем дифференциального метода является нулевой.

Примерами использования дифференциального метода могут служить рычажные весы, использующие дополнительные гири для смещения результата измерения до значений, находящихся в пределах шкалы весов, термопара (измеряет разность двух ЭДС, зависящих от температуры горячего и холодного спая соответственно), неравновесный мост, (У-образный манометр, дифференциальный мембранный манометр и др.

Примером дифференциальной измерительной схемы является так называемый неравновесный (или неуравновешенный) мост. Мостовые схемы (или просто мосты) широко используются для измерения сопротивления, емкости, индуктивности, а также неэлектрических параметров, предварительно преобразованных в сопротивление, емкость или индуктивность.

Мостовые схемы могут питаться как постоянным, так и переменным током и используются в двух разновидностях - уравновешенные и неуравновешенные (равновесные и неравновесные).

Простейший четырехплечий неравновесный мост показан на рис. 2.20. Он состоит из четырех резисторов (трех постоянных - R, R2 и i?3, и одного измерительного - Rx), а также источника питания и измерительного прибора И11, шкала которого отградуирована в единицах измеряемой величины.

Неравновесный мост постоянного тока

Рис. 2.20. Неравновесный мост постоянного тока

Резисторы называются плечами моста, пары смежных резисторов образуют две диагонали моста - диагональ питания и измерительную диагональ.

Выходной сигнал U, поступающий на измерительный прибор, зависит не только от соотношения сопротивлений плеч моста, но и от величины питающего напряжения Unm:

где К =/(/?!, R2, R3, Rx, Лип): Л„п - внутреннее сопротивление измерительного прибора ИП.

Функция К имеет достаточно сложный вид, поэтому полностью здесь не приводится. Хотя эта функция зависит и от изменяющегося сопротивления Rx, при малых его изменениях можно считать значение К постоянным.

Нетрудно заметить, что в равновесном состоянии выполняется условие

(й,й,-й2Д,) = о, однако для неравновесного моста это состояние достижимо лишь при определенном и единственном значении сопротивления плеча Rx моста.

Как равновесные, так и неравновесные мосты позволяют относительно легко изменять их чувствительность в два или четыре раза. Чувствительность S моста (как и любого преобразователя) определяется изменением выходного сигнала (в нашем случае напряжения AU), вызванного изменением входного сигнала (измеряемого сопротивления AR), т.е. S=AU/AR

На рис. 2.21 в упрощенном виде показаны четыре варианта мостовых схем, плечи которых составлены из одинаковых резисторов R, причем одному или нескольким из них даны положительные или отрицательные приращения AR.

Мостовые схемы с различной чувствительностью

Рис. 2.21. Мостовые схемы с различной чувствительностью

Определим чувствительность моста для простейшего варианта, представленного на рис. 2.21, а.

Для схемы, представленной на рис. 2.21, б, получим:

Для следующей схемы (рис. 2.21, в) можно получить аналогично:

Наконец, для варианта, изображенного на рис. 2.21, г, можно записать:

Приняв за основу вариант а), нетрудно увидеть, что для вариантов б) и в) чувствительность вдвое выше первого, а для варианта г) - вчетверо.

Под каждой из схем, изображенных на рис. 2.21, указаны значения относительной чувствительности 50ТН (за меру принята чувствительность 5а варианта а).

Нулевой (компенсационный) метод осуществляется путем сравнения с мерой, в котором результирующий эффект воздействия измеряемой величины и меры на средство сравнения доводят до нуля. Иначе говоря, эффект действия измеряемой величины уравновешивается эффектом действия известной величины так, что в результате их взаимное действие сводится к нулю. Отсутствие этого действия определяется нуль-прибором (нуль- индикатором или каким-либо другим подобным устройством).

Нулевой метод реализуется сложнее, чем метод непосредственной оценки или дифференциальный метод, поскольку, как правило, требует установки дополнительных элементов и выполнения манипуляций по уравновешиванию схемы, но он обеспечивает значительно более высокую точность, чем указанные, поэтому весьма широко распространен в практике измерений, где его часто называют компенсационным.

Для реализации метода используются измерительные схемы, также называемые компенсационными. Подобные измерительные схемы обязательно имеют в своем составе цепь обратной связи.

При изменении измеряемой величины известная переменная величина с помощью специального преобразователя и исполнительного элемента изменяется до полного выравнивания значений этих величин, т.е. до тех пор, пока на входе преобразователя не установится нулевой сигнал. При этом неизвестная величина становится равна известной, и именно она фиксируется измерительным устройством.

Компенсационные схемы обладают рядом преимуществ перед рассмотренными ранее схемами прямого преобразования и дифференциальными схемами: способностью активно приспосабливаться к непредвиденным условиям, работать независимо от их воздействия, обеспечивать высокую точность измерения.

Наибольшее распространение в практике измерений получили электрические измерительные схемы. Их входной величиной чаще всего являются сопротивление, емкость, индуктивность или напряжение. В качестве выходных величин обычно используются напряжение или ток.

Одной из разновидностей компенсационной измерительной схемы является потенциометрическая схема, в которой неизвестная измеряемая величина, преобразованная в ЭДС, уравновешивается известным напряжением (ЭДС) измерительной схемы. Приборы, использующие такую схему, называются потенциометрами. Идея работы компенсационной измерительной схемы иллюстрируется рис. 2.22.

Схема состоит из источника с неизвестной ЭДС Ех, источника с известной ЭДС Етв, которую можно изменять произвольным образом, причем величина этой ЭДС всегда будет известна, и индикатора равновесия (нуль- индикатора НИ, выполняющего роль элемента сравнения двух ЭДС).

Компенсационный метод измерения ЭДС

Рис. 2.22. Компенсационный метод измерения ЭДС

Принципиально важно, что эти источники включены встречно по отношению друг к другу, поэтому вызываемые ими токи будут частично или полностью компенсироваться, а их разность фиксируется нуль-индикатором.

Задача состоит в том, чтобы свести эту разность к нулю. Это будет означать, что неизвестная ЭДС Ех стала равна известной Етъ, т. е. процесс измерения закончен.

Процедура измерения в целом такова: при наличии показаний нуль- индикатора, отличных от нуля, следует изменять Етв до тех пор, пока с помощью НИ не будет зафиксировано нулевое значение тока. Это будет означать равенство известной и неизвестной ЭДС. Таким образом, зная значение Етв, фактически можно определить и Ех (но только в момент равновесия).

Одной из наиболее распространенных компенсационных измерительных схем является уравновешенная мостовая измерительная схема (мост Уитстона или просто равновесный мост).

Равновесный мост постоянного тока

Рис. 2.23. Равновесный мост постоянного тока

Принципиальная схема равновесного моста постоянного тока (рис. 2.23) состоит из двух постоянных резисторов R и /С, калиброванного переменного резистора (реохорда) Rp и измерительного резистора Rx.

Как уже было отмечено ранее, каждый из четырех резисторов называется в данном случае плечом моста (поэтому такой мост называют четырехплечим); все плечи моста равноправны.

В измерительную диагональ, в отличие от неравновесного моста, включен индикатор равновесия (или нуль-прибор, нуль-индикатор) НИ. В простейшем случае роль нуль-индикатора выполняет гальванометр постоянного тока со шкалой, имеющей нулевую отметку в середине шкалы.

При использовании равновесной мостовой схемы изменение сопротивления одного плеча моста Rx (входного параметра) компенсируется изменением сопротивления другого плеча Rp до момента исчезновения тока /0 в диагонали.

В реальных условиях работа моста происходит следующим образом: в результате изменения входного параметра Rx нарушается равновесие моста, через измерительную диагональ протекает ток, что и фиксируется нуль-индикатором. Перемещая движок реохорда Rp вручную или автоматически, добиваются отсутствия тока в этой диагонали, т.е. равновесия моста. После этого по перемещению движка реохорда судят об измеряемом параметре Rx; для этого вдоль реохорда устанавливается специальная шкала, отградуированная в единицах измеряемой величины.

Таким образом, входным параметром моста является изменение сопротивления Rx, а выходным - перемещение движка реохорда (или линейно связанное с ним сопротивление реохорда Rp).

Если при измерении ток в измерительной диагонали равен нулю (т.е. /о = 0), то принято говорить, что мост находится в равновесии. Следовательно, при этом равны и падения напряжения на смежных плечах R, Rp, а также на R и R2 соответственно. Иначе говоря,

При отсутствии равновесия в узлах а и b токи равны:

Однако в момент равновесия /0 = 0. Таким образом,

Тогда, почленно разделив уравнение (А) на уравнение (Б), имеем

или

Полученное соотношение может быть сформулировано так: мост постоянного тока находится в равновесии, если произведения сопротивлений его противоположных плеч равны между собой. Это условие позволяет расчетным путем определить, в каком состоянии находится мост при заданных значениях сопротивлений резисторов.

Как видно, в соотношение не входит напряжение питания моста, поэтому можно сделать вывод о том, что изменение напряжения питания в довольно широких пределах не влияет на работоспособность моста и точность измерения. Это является важнейшим преимуществом равновесных мостовых схем по сравнению с неравновесными.

В целом же принцип работы мостов переменного и постоянного тока одинаков, поэтому в дальнейшем будем ориентироваться на мосты постоянного тока (кроме специально оговариваемых случаев).

Как известно, всегда желательно получить линейную зависимость между выходным и входным параметрами преобразователя. Уже упоминалось, что в нашем случае входным параметром является сопротивление Rx, а выходным - перемещение движка реохорда Rp или его сопротивление. Если резистор Rx установлен в схеме моста так, как показано на рис. 2.23, то зависимость между Rx и Rp имеет линейный характер:

При /?| = R2 последнее выражение упрощается: Rp = Rx.

Того же результата можно достигнуть, поменяв местами резисторы R/ и R2. Однако если поменять местами резисторы Rx и R2, то зависимость между Rx и /?р приобретает обратно пропорциональный, т.е. нелинейный характер: Мост с быстрым уравновешиванием

Рис. 2.24. Мост с быстрым уравновешиванием

Таким образом, для обеспечения линейной зависимости между входным и выходным параметрами мостовой измерительной схемы всегда следует устанавливать резистор Rx в плечо, смежное с реохордом. Правда, в некоторых случаях это правило умышленно нарушают, и измерительный резистор Rx включают в плечо, не смежное с реохордом, если на узком начальном участке характеристики требуется получить высокую чувствительность.

Все элементы мостовой схемы, за исключением Rx, выполнены из манганина - специального сплава, имеющего очень низкий температурный коэффициент сопротивления. Это позволяет избавиться от погрешностей за счет изменения температуры окружающей среды, действующей на плечи моста.

Поскольку все плечи моста равноправны, то равновесие моста можно устанавливать изменением сопротивления любого плеча (или даже нескольких плеч) моста. В практике обычно используется способ включения реохорда Rp одновременно в два плеча (рис. 2.24), что позволяет вдвое быстрее уравновесить мост. В этом случае условие равновесия принимает вид

Рассмотренные выше схемы иллюстрируют способ ручного уравновешивания моста. Однако в промышленных приборах обычно применяется автоматическое уравновешивание (рис. 2.25).

Автоматический уравновешенный мост

Рис. 2.25. Автоматический уравновешенный мост

При этом в качестве нуль-индикатора применяют электронный усилитель ЭУ, на выходе которого установлен реверсивный двигатель РД, кинематически связанный с движком реохорда Rp.

При изменении Rx в измерительной диагонали появляется разность потенциалов (разбаланс), усиливаемая ЭУ с большим коэффициентом усиления. Полученный сигнал управляет работой РД, который всегда вращается в сторону устранения возникшего разбаланса, перемещая движок реохорда до полного и точного уравновешивания схемы.

Таким образом, автоматический мост является системой с обратной связью и относится, как будет показано далее, к классу следящих автоматических систем.

Стандартное сопротивление реохорда составляет 130 или 270 Ом в зависимости от сплава, применяемого для намотки реохорда.

Реохорд автоматического моста представляет собой калиброванное сопротивление из манганиновой проволоки или из вольфрамо-палладиевого сплава ПдВ-20, содержащего 20 % вольфрама. Этот материал практически не окисляется, что позволяет значительно увеличить надежность и долговечность реохорда и резко снизить контактное давление. Он значительно превосходит твердость манганина, поэтому его применение уменьшает износ механически взаимодействующих частей реохорда при прочих равных условиях. Проволока из этого сплава удовлетворяет всем требованиям к реохордам.

Проволока реохорда наматывается на каркас в форме медного (иногда алюминиевого) стержня диаметром от 1 до 3 мм. Токосъемный движок скользит по поверхности реохордной проволоки со снятой изоляцией в местах перемещения движка. В качестве токосъемных движков в реохордах используется сплав золото - серебро - медь, имеющий высокую износоустойчивостью.

Линейность шкалы прибора с реохордом зависит только от равномерности намотки реохорда. Высокая точность намотки реохорда позволяет применять печатные шкалы приборов.

Основная погрешность средств измерения, использующих реохорды, возникает из-за неравномерности их намотки, неодинакового диаметра каркаса и сопротивления по всей длине, нестабильности и неточности подгонки элементов измерительной схемы, неточности изготовления измерительных шкал, несовершенства записывающего устройства и т.п.

В автоматических мостах (и других приборах, использующих компенсационную измерительную схему с реохордом), параллельно реохорду подключаются несколько резисторов (обычно два), позволяющих при необходимости изменять пределы измерения и начальное значение шкалы, подстраивать сопротивление реохорда к расчетному значению и т.п.

В заключение отметим, что в последнее время реохордные схемы повсеместно заменяются безреохордными, где обратная связь осуществляется без использования электромеханических элементов (реверсивного двигателя и реохорда).

Сравнивая достоинства и недостатки равновесных и неравновесных мостов, можно сделать следующие выводы:

  • 1) Равновесные мосты используют компенсационный метод измерения, в то время как неравновесные - дифференциальный. Это объясняет повышенную точность измерения с помощью равновесных мостов.
  • 2) В равновесных мостах выходная величина не зависит от изменений напряжения питания в очень широких пределах, в то время как для неравновесных мостов изменение напряжения питания сильно сказывается на показаниях.
  • 3) Равновесные мосты требуют использования дополнительных операций фиксации момента равновесия (с помощью НИ или ЭУ) и уравновешивания (ручного или автоматического - с помощью РД), а неравновесные позволяют получить показания без дополнительных манипуляций.
  • 4) Автоматические мосты имеют значительно более сложную конструкцию и высокую стоимость, чем мосты с ручным уравновешиванием или неуравновешенные мосты.
 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >