3+лекция_Измерительные+преобразователи,+датчики. Измерительные преобразователи (ИП), датчики

• Название: Измерительные преобразователи (ИП), датчики
• Дата: 14.09.2022
• Размер: 1.21 Mb.
• Имя файла: 3+лекция_Измерительные+преобразователи,+датчики.doc
• Тип: Документы; #676003
• страница: 4 из 6

Структурные схемы измерительных преобразователей (ИП).

С труктурная схема ИП прямого однократного преобразователя:

Здесь Y=K1X, а δИП=δ1 – погрешность измерительного преобразователя равна погрешности однократного преобразования этого звена. Например, термопара ( схема термопары условно она линейна).
В
Рис. 2.32.
тех случаях, когда первичное преобразование не позволяет получить требуемый сигнал, применяют схему последовательного или каскадного преобразования.




Рис. 2.33.
- погрешность равна сумме каждого звена.

В данном случае, статическая характеристика равна произведению каждого звена. (см. пример последовательного преобразования манометрического датчика температуры Рис. 2.21.).

Дифференциальная схема.





Рис. 2.27


Характерная особенность дифференциальных датчиков – наличие двух однотипных звеньев, выходные сигналы которых вычитаются. Причем на входы звеньев может подаваться либо контролируемая величина, либо на один – контролируемая, на другой – постоянная, в том числе нулевая.

Рассмотрим пример:

Дифференциальный трансформатор.

О бозначения:

1 – магнитопровод (феррит, магн. эл. железо);

2 – якорь;

3 – обмотка питания;

4
Рис. 2.28
– измерительная обмотка возбуждения.

Здесь Uвых=U1- U2

Напряжение выхода Uвых пропорционально разности потоков магнитной индукции Ф1 и Ф2 через встречновключенные обмотки. Если якорь в среднем положении, то разность потоков магнитной индукции равна нулю. При отклонении якоря от нулевого положения, возникает сигнал, отличный от нулевого.

Преимущества дифференциальных датчиков:

снижение дополнительных погрешностей,

возможность увеличения чувствительности и исключение постоянной составляющей в выходном сигнале,

возможность линеаризации статической характеристики датчика в целом.
С хема компенсационного соединения (с отрицательной обратной связью).



П
Рис. 2.29.
реимущества:

Основное достоинство в способности компенсировать изменения параметров измерительного тракта (путь прохождения сигнала). Основной параметр ИП – погрешность: статическая и динамическая. При наличии обратной связи можем управлять этой погрешностью. Применяя различные звенья, можем управлять динамической ошибкой и т. п.

Например, чтобы уменьшить статическую ошибку, необходимо ввести астатизм (интегрирующее звено).

4. Метрологические характеристики ИП.

Статические характеристики ИП

С татическая характеристика – функциональная зависимость между входной и выходной величинами в установившемся режиме. Статические характеристики датчика показывают, насколько корректно выход датчика отражает измеряемую величину спустя некоторое время после ее изменения, когда выходной сигнал установился на новое значение.

Она может быть представлена коэффициентом, уравнением, графиком или таблицей. Уравнение линейной характеристики записывается следующим образом:



Здесь В – некоторая постоянная (const),

К – коэффициент преобразования,

у0 – сигнал холостого хода,

х
Рис. 2.30.
0 – зона нечувствительности.

При В=0 график проходит через начало координат.



При В>0 характеристика смещена по оси абсцисс на величину холостого хода, при этом у0=В.
При В<0 характеристика имеет зону нечувствительности от 0 до х0.

На участке:

от 0 до хН: у= К·х,

о
Рис. 2.31
т хН до ∞: у=уН.
Если на характеристики выделить линейный участок, в пределах которого работает преобразователь, то разность между верхним и нижним значениями выходного (входного) сигнала определяют как рабочий диапазон ΔР преобразователя, а их отношения – динамический диапазон ΔД.

Рабочий диапазон (operating range) датчика определяется допустимыми верхним и нижним пределами значения входной величины или уровня выходного сигнала.



Порог чувствительности – линейное значение входного сигнала, вызывающее заметное изменение выходного сигнала.

Важными статическими параметрами также являются: чувствительность, разрешающая способность или разрешение, линейность, дрейф нуля и полный дрейф, повторяемость и воспроизводимость результата.

Чувствительность (sensitivity) датчика определяется как отношение величины выходного сигнала к единичной входной величине.

Разрешение (resolution) - это наименьшее изменение измеряемой величины, которое может быть зафиксировано и точно показано датчиком.

Линейность (linearity) не описывается аналитически, а определяется исходя из градуировочной кривой датчика. Статическая градуировочная кривая показывает зависимость выходного сигнала от входного при стационарных условиях. Близость этой кривой к прямой линии и определяет степень линейности. Максималь­ное отклонение от линейной зависимости выражается в процентах.

Дрейф (drift) определяется как отклонение показаний датчика, когда измеряемая величина остается постоянной в течение длительного времени. Величина дрейфа может определяться при нулевом, максимальном или некотором промежуточном значении входного сигнала. При проверке дрейфа нуля измеряемая величина поддерживается на нулевом уровне или уровне, который соответствует нулевому выходному сигналу, а проверка дрейфа на максимуме выполняется при значении измеряемой величины, соответствующем верхнему пределу рабочего диапазона датчика. Дрейф датчика вызывается нестабильностью усилителя, изменением окружающих условий (например, температуры, давления, влажности или уровня вибраций, параметров электроснабжения или самого датчика (старение, выработка ресурса, нелинейность и т. д.)

Повторяемость (repeatability) характеризуется как отклонение между нескольким последовательными измерениями при заданном значении измеряемой величины в одинаковых условиях, в частности приближение к заданному значению должно происходить всегда и либо как нарастание, либо как убывание. Измерения должны быть выполнены за такой промежуток времени, чтобы не проявлялось влияние дрейфа. Повторяемость обычно выражается в процентах от рабочего диапазона.

Воспроизводимость (reproducibility) аналогична повторяемости, но требует большего интервала между измерениями. Между проверками на воспроизводимость датчик должен использоваться по назначению и, более того, может быть подвергнут калибровке. Воспроизводимость задается в виде процентов от рабочего диапазона, отнесенных к единице времени (например, месяцу).

Погрешности.

Истинное значение измеряемой величины – значение, идеально точно отражающее свойство объекта в количественном отношении.

Действительное значение измеряемой величины – значение измеряемой величины, настолько близко к истинному значению, что для решения текущей прикладной задачи может быть использована вместо истинного значения.

Реально при оценке параметров используют датчики, оценивается погрешность.

Погрешность измерения – отклонение измеряемой величины от действительного значения.

Зная погрешность ИП в результате многократных, хаотичных измерений можно его скорректировать.

Абсолютное значение погрешности измерения характеризует отклонение измеряемой величины от действительного значения в единицах измеряемой величины.

Относительная погрешность – отношение абсолютной погрешности измерения к текущему значению измеряемой величины, выраженное в процентах.

Приведенная погрешность – отношение абсолютной погрешности к диапазону измерения.

Основная погрешность – погрешность измерения, которой обладает измерительное устройство при его применении в нормальных условиях эксплуатации.

Например, относительная и приведенная погрешность могут рассматриваться в …. Точках характеристики, а основная – во всем диапазоне измерений в нормальных условиях, то есть при условиях, написанных в паспорте.

Очень часто у приборов нормируется основная погрешность.

Дополнительная погрешность– погрешность, вызываемая изменениями внешних условий по сравнению с нормальными эксплуатационными условиями, часто выражающихся в процентах, отнесенных к единице возмущения, следствием которого явилась это погрешность.

Предел допускаемой погрешности средств измерения – наибольшее значение погрешности средств измерений, устанавливаемое нормативно-техническим документом для данных типа средств измерений, при котором оно еще признается годным к применению.

Относительная и приведенная погрешности имеют принципиальное отличие.

Например:

1й прибор – 1% относительной погрешности, 2й прибор – приведенной.

Х 1<ХК

Возьмем, например, точку (Х1; Y1). Имеем:


Рис. 2.32


откуда очевидно, что δПРИВ. <δОТН в виду того, что Х1<ХК.


Нелинейность

При рассмотрении нелинейной характеристики следует различать нелинейность как требуемую функциональную зависимость от нелинейности как погрешности линеаризации.

С татические характеристики физических реальных устройств, как правило, не бывают линейными. Но поскольку линейная характеристика измерительных преобразователей очень удобна, то применяют допущения и линеаризуют нелинейную характеристику, заменяя ее наиболее близкой линейной. В этом случае возникает погрешность линеаризации. Однако при получении более высокой точности учитывают и нелинейную часть. Чаще всего результирующей характеристикой датчика является прямая, реже – нелинейная.

М
Рис. 2.33
ногие датчики обладают свойством нелинейности. Например, если датчик достигает верхнего предела рабочего диапазона, проявляется эффект насыщения, т.е. выходной сигнал ограничен, даже если входная величина возрастает. Примеры нелинейностей:

• 
  нелинейная деформация пружин;
  
• 
  кулоновское трение;
  
• 
  магнитное насыщение в сердечниках трансформаторов;
  
• 
  характеристики расходомеров;
  
• 
  зависимость сопротивления термистора от температуры (R = R0 ехр(β(1/Т-1/Т0),где Т— это температура в градусах Кельвина, a R0, Т0 и Р — это постоянные).
  

Особые проблемы связаны с люфтом в зубчатых передачах и других механизмах, имеющих свободный ход, а также с магнитным насыщением. Выходной сигнал датчиков, для которых характерны такие явления, - это многозначная функция входной величины, зависящая от направления ее изменения.

Динамические характеристики ИП.

Динамическая погрешность средства измерения – погрешность, возникающая дополнительно при измерении переменной физической величины и обусловленное несоответствием его реакции на скорость изменения входного сигнала.
Динамические свойства датчика характеризуются целым рядом параметров, которые, однако, довольно редко приводятся в технических описаниях производителей.

Для измерительных преобразователей обычно нормируют следующие динамические характеристики:

• 
  постоянная времени;
  
• 
  передаточная функция с коэффициентами;
  
• 
  реакция на единичный скачок или ступень;
  
• 
  время запаздывания4
  
• 
  частотные характеристики(логарифмические и нелогарифмические).
  

Динамическую характеристику датчика можно экспериментально получить как реакцию на скачок измеряемой входной величины (рис. 2.34). Параметры, описывающие реакцию датчика, дают представление о его скорости (например, время нарастания, запаздывание, время достижения первого максимума), инерционных свойства (относительное перерегулирование, время установления) и точности (смещение).


Рис. 2.34. Динамическая реакция датчика (реакция на скачок);

T0 - время прохождения зоны нечувствительности,

T
Рис. 2.39
d — запаздывание,

Тр - время достижения первого максимума,

Тs — время установления,

М — перерегулирование

В принципе следует стремиться к минимизации следующих параметров.

Время прохождения зоны нечувствительности (dead time) - время между началом изменения физической величины и моментом реакции датчика, т. е. моментом начала изменения выходного сигнала.

Запаздывание (delay time) - время, через которое показания датчика первый раз достигают 50 % установившегося значения. В литературе встречаются и другие определения запаздывания.

Время нарастания (rise time) - время, за которое выходной сигнал увеличивается от 10 до 90 % установившегося значения. Другое определение времени нарастания - величина, обратная наклону кривой реакции датчика на скачок измеряемой величины в момент достижения 50 % от установившегося значения, умноженное на установившееся значение. Иногда используются другие определения. Малое время нарастания всегда указывает на быструю реакцию.

Время достижения первого максимума (peak time) - время достижения первого максимума выходного сигнала (перерегулирования).

Время переходного процесса, время установления (settling time) - время, начиная с которого отклонение выхода датчика от установившегося значения становится меньше заданной величины (например, ± 5 %).

Относительное перерегулирование (percentage overshoot) - разность между максимальным и установившимся значениями, отнесенная к установившемуся значению (в процентах).

Статическая ошибка (steady-state error) - отклонение выходной величины датчика от истинного значения или смещение. Может быть устранена калибровкой датчика.

В реальных условиях некоторые требования к датчикам всегда противоречат друг другу, поэтому все параметры нельзя минимизировать одновременно.
По динамическим характеристикам большинство датчиков относится к усилителям, апериодическим и колебательным звеньям первого и более высокого порядков.