Измерительные преобразователи. Структура и методы преобразований

Измерительный преобразователь – это средство для выработки сигнала измерительной информации в форме, удобной для передачи, дальнейшего преобразования, обработки и (или) хранения информации, но не поддающийся непосредственному восприятию наблюдателем.

ИП предназначены для выполнения следующих операций:

1) изменение физической природы сигнала

2) согласование по уровню и идентификация входного и выходного сигналов:

- функциональное преобразование

- масштабирование

- преобразование аналогового сигнала в цифровую форму и наоборот

3) согласование импедансов (комплексное сопротивление) источника сигнала и измерительного устройства в целях минимизации искажений информации о параметрах исследуемой физической величины

4) согласование по частотному диапазону и т.д.

Структура измерительных преобразователей

Измерительный преобразователь может состоять из нескольких преобразовательных элементов (ПЭ), в каждом из которых происходит одна из последовательных элементарных операций преобразования измерительного сигнала x. Первый в данной последовательности ПЭ, на который непосредственно воздействует измеряемая величина, называют чувствительным элементом (ЧЭ).

Различие между измерительным преобразователем и преобразовательным элементом состоит в том, что сам ПЭ не имеет нормированных метрологических характеристик и его погрешности определяются погрешностями тех ИП, в состав которых он входит. Кроме того, ПЭ не является самостоятельной конструктивной единицей в общей конструкции средства измерения. Например, ИП механического давления (силы) р состоит из трех ПЭ: чувствительного элемента — мембраны 1, приклеиваемого тензорезнстора 2 и моста сопротивлений 3 (рис. 2.1).

Рисунок 2.1 – Измерительный преобразователь механического давления:

1 – мембрана, 2 – приклеиваемый тензорезистор, 3 – мост сопротивления, 4 – корпус

Каждый из этих элементов не имеет своих нормированных характеристик, но сумма их погрешностей будет обусловливать нормированную погрешность преобразования всего ИП. Аналогично и в конструктивном плане. Элементы данного преобразователя в совокупности образуют единую конструкцию, помешенную в корпус 4, предохраняющий элементы от внешних механических и климатических воздействий. Корпус имеет штуцер, через который поступает на мембрану измеряемое давление; и клеммы для подачи напряжения питания моста и съема выходного электрического сигнала.

Несмотря на огромное многообразие измеряемых физических величин и как следствие, многообразие структур ИП, с точки зрения их функционирования (принципа действия) все они основаны на 2-х методах:

1) метод прямого преобразования

2) метод уравновешивающего преобразования.

Метод прямого преобразования характеризуется тем, что все преобразования информации ведут в одном, прямом направлении — от входной величины х через цепочку преобразовательных элементов ПЭ1, ПЭ2,… к выходной у (рис. 2.2,а). Этот метод преобразования обладает максимальным быстродействием и простотой схемной реализации. Однако общая погрешность преобразователя определяется погрешностями всех ПЭ схемы, что не позволяет получить высокую точность измерения.

Метод уравновешивающего преобразования заключается в том, что в измерительном устройстве используются две цепи преобразовательных элементов — цепь прямого преобразования, состоящая из элементов ПЭ1, ПЭ2,.... П Э_п, и цепь обратного преобразования, состоящая из обратного преобразовательного элемента ОПЭ (рис. 2.2,6). С помощью обратного преобразовательного элемента (ОПЭ) создается уравновешивающий сигнал (где -функция преобразования ОПЭ) либо однородный с входным измеряемым сигналом х, либо неоднородный с сигналом х, но при этом эффект воздействия х_у на преобразовательный элемент сравнения (ЭС) (чувствительный элемент измерительного уравновешивающего преобразователя) идентичен воздействию сигнала x. Нa вход элемента ПЭ1 поступает сигнал рассогласования, равный либо разности величин х — х_у, либо функционалу от их разности. В зависимости от функциональной схемы цепей прямого и обратного преобразования связь между выходным и входным сигналами может быть линейной — y=kx либо нелинейной — y = F(x).

Методы прямого а) и уравновешивающего б) преобразования

Существуют 2 основных разновидности метода уравновешивающего преобразования:

1) метод одновременного сравнения измеряемой и уравновешивающей величин

2) метод их разновременного сравнения.

По первому методу ЭС подвергается одновременному воздействию двухваимо-уравновешивающих сигналов x и . В этом случае конструкция ЭС должна предусматривать возможность одновременной подачи на ЧЭ двух измерительных сигналов.

По второму методу ЭС имеет только одни вход, на который через коммутатор (ключ) Кл поочередно подается либо входная величина х, либо компенсирующая величина
Ху. Данный метод преобразования часто называют методом замещения, так как эффект воздействия входной измеряемой величины х на чувствительный элемент замещается эффектом воздействия на него регулируемой уравновешивающей величины Ху (рис. 2.4). Изменение х_у происходит до тех пор, пока не станут идентичными результаты воздействия на измерительный преобразователь обеих величин. Так как метод замещения основан на разновременном сравнении, необходимо в составе преобразователя иметь запоминающее устройство (ЗУ) для хранения результата воздействия входного сигнала. Уравновешивающая величина х_у формируется обратным преобразовательным элементом из образцовой величины — меры х_0, однородной с величиной x, при этом регулирование меры осуществляется изменением коэффициента передачи ОПЭ.

Рис. Метод замещения: Кл – ключ, ЭС – элемент сравнения, ЗУ – запоминающее устройство; ОПЭ – обратный преобразовательный элемент; ПЭ – преобразовательный элемент.

Применение одного и того же ЭС при методе замещения позволяет избавиться от погрешности неидентичности эффектов воздействия на чувствительный элемент величин х и , характерной для метода одновременного сравнения, однако преобразователи, использующие метод замещения, обладают значительно меньшим быстродействием и более сложной структурой.