Вимірювальні перетворювачі

Вимі́рювальний перетво́рювач — вимірювальний пристрій, призначений для формування на своєму виході сигналу, що функціонально зв'язаний із сигналом вимірюваної інформації на вході у формі, зручній для передачі, подальшого перетворення, обробки та збереження.

Вимірювальна операція, яка здійснюється вимірювальним перетворювачем носить назву «вимірювальне перетворення».

Загальна характеристика

Місце вимірювального перетворювача у структурі системи автоматичного контролю.

Вимірювальний перетворювач — елемент системи автоматичного контролю (див. рис.).

На відміну від вимірювального приладу, сигнал на виході вимірювального перетворювача (вихідна величина) безпосередньо не сприймається спостерігачем. Обов'язкова умова вимірювального перетворення — збереження у вихідному сигналі інформації про кількісне значення вимірюваної величини через забезпечення функціональної залежності (переважно, лінійної) між вимірюваною величиною та сигналом на виході.

У структурі давача зазвичай виділяють вимірювальний перетворювач, що безпосередньо пов'язаний з вимірюваною величиною. Первинним вимірювальним перетворювачем, або чутливим елементом, називається перетворювач, який першим взаємодіє з об'єктом вимірювання і видає сигнал вимірювальної інформації. Первинний вимірювальний перетворювач у значній мірі визначає основні технічні характеристики давача.

Основні характеристики вимірювальних перетворювачів:

• номінальна статична характеристика перетворення (градуювальна характеристика) — залежність між інформативними параметрами вхідного і вихідного сигналів;
• коефіцієнт перетворення — коефіцієнт пропорційності лінійної залежності вхідного і вихідного сигналів;
• чутливість — відношення приросту вихідного сигналу до відповідного йому приросту вхідного сигналу (для випадку лінійної залежності чутливість збігається з коефіцієнтом перетворення);
• діапазон вимірювань — різниця граничних величин, що обмежують діапазон вимірюваної величини у якому робота вимірювального перетворювача задовольняє поставленим вимогам. В акустиці, оптиці та деяких інших областях використовується термін динамічний діапазон, що визначається виразом:

${\displaystyle D=20\cdot \ \lg \left({\frac {X_{max}}{X_{min}}}\right),}$

де: ${\displaystyle X_{max}}$ — кінцеве значення діапазону, що визначається допустимим значенням нелінійних спотворень;

${\displaystyle X_{min}}$ — початкове значення діапазону, що удвічі перевищує рівень власних шумів.

• похибка вимірювального перетворення — відхилення результату вимірювання від істинного значення вимірюваної величини.

Вимоги, що висуваються до вимірювальних перетворювачів

Для успішного застосування вимірювальні перетворювачі повинні мати:

• високу статичну і динамічну точність роботи, що забезпечує формування вихідного сигналу з мінімальними спотвореннями;
• високу вибірковість — сенсор повинен реагувати лише на зміну тієї величини, для виміру якої він призначений;
• стабільність характеристик у часі;
• відсутність впливу навантаження у вихідному колі на режим роботи вхідного ланцюга;
• високу надійність при роботі в несприятливих умовах навколишнього середовища;
• повторюваність характеристик (взаємозамінність);
• просту і технологічну конструкцію;
• зручний монтаж та обслуговування;
• низьку вартість.

Класифікація вимірювальних перетворювачів

За принципом дії

Принцип роботи вимірювального перетворювача може базуватись на використанні практично будь-яких фізичних явищ. Задача полягає в розробці на основі цих явищ принципів дії перетворювачів і доведення їх до конкретних методів та конструкцій, що забезпечували б, у першу чергу, необхідні метрологічні характеристики в заданих умовах застосування. У зв'язку з широким використанням передачі сигналів у вигляді електричних величин класифікація перетворювачів за видом сигналу може бути зведена до наступних видів:

• перетворення електричних величин в електричні (подільники напруги і струму, вимірювальні трансформатори, вимірювальні підсилювачі струму і напруги);
• перетворення неелектричних величин в електричні (термопари, терморезистори, тензорезистори, фотоелементи, реостатні, ємнісні та індуктивні датчики переміщення і т. д.);
• перетворення електричних величин в неелектричні (механізми електровимірювальних приладів, що перетворюють величину сили струму чи напруги у відхилення стрілки чи світлового променя, датчики ультразвукових витратомірів і т. д.);
• перетворення неелектричних величин в неелектричні (пневматичні вимірювальні перетворювачі, важелі, зубчасті передачі, мембрани, сильфони, оптичні системи тощо).

За виглядом функції перетворення

За виглядом функції перетворення вимірювальні перетворювачі поділяють на три великі групи:

• масштабні, що змінюють в певну кількість разів розмір вхідної величини без зміни її фізичної природи;
• функціональні, що однозначно функціонально перетворюють вхідну величину зі зміною природи вхідної величини або без її зміни;
• операційні, які виконують над вхідною величиною математичні операції вищого порядку — диференціювання чи інтегрування за часовим параметром.
• модельні — у випадку, якщо роль перетворювача виконує цифрова модель. У цьому випадку пару «чутливий елемент — перетворювач» називають м'який датчик.

У залежності від виду вихідного сигналу

• Аналоговий вимірювальний перетворювач — вимірювальний перетворювач, що перетворює одну аналогову величину (аналоговий вимірювальний сигнал) в іншу аналогову величину (вимірювальний сигнал);
• Аналого-цифровий вимірювальний перетворювач — вимірювальний перетворювач, призначений для перетворення аналогового вимірювального сигналу у цифровий код;
• Цифро-аналоговий вимірювальний перетворювач — вимірювальний перетворювач, призначений для перетворення числового коду вимірюваного сигналу в аналогову величину.

За характером перетворення вхідної величини у вихідну

• параметричні, до яких відносять резистивні, індуктивні, трансформаторні і ємнісні перетворювачі. Їх широко використовують для перетворення неелектричних величин (переміщення, зусилля, тиску, температури та ін.) у електричні величини (напругу, струм, частоту та ін.);
• генераторні перетворювачі перетворюють вхідні величини в електрорушійну силу. Вони не потребують енергії додаткових джерел живлення, оскільки використовують енергію вхідного сигналу. Найбільшого поширення набули індукційні, термоелектричні, п'єзоелектричні, фотоелектричні перетворювачі;
• частотні перетворювачі бувають позиційні і коливальні. Позиційні частотні перетворювачі мають зазвичай укріплений на осі ротора об'єкта профільований диск, який при своєму обертанні модулює сигнал у колі параметричного перетворювача або генерує сигнал у вихідному колі. В коливальних частотних перетворювачах використовуються властивості коливальних систем різної фізичної природи;
• фазові перетворювачі перетворюють вхідну величину у фазовий зсув вихідної змінної напруги. Відлік фазового зсуву ведеться від опорної напруги, якою найчастіше береться напруга живлення. Використовуються фазові перетворювачі для вимірювання як електричних, так і неелектричних величин.

Примітки

1. ДСТУ 2681-94 Державна система забезпечення єдності вимірювань. Метрологія. Терміни та визначення
2. Термоелектричні явища
3. Перетворювач

Джерела

• Вимірювальні перетворювачі (сенсори): підручник / В. М. Ванько, Є. С. Поліщук, М. М. Дорожовець та ін. ; за ред. Є. С. Поліщука ; М-во освіти і науки України, Нац. ун-т «Львів. політехніка». — Львів: Вид-во Львів. політехніки, 2015. — 584 с. : іл. — Режим доступу: . — Тит. арк. парал. англ. — Бібліогр.: с. 577—580 (88 назв). —
• Васюра А. С. Елементи та пристрої систем управління і автоматики. Вінниця.: ВДТУ, 1999. — 157 с.
• Дубовой Н. Д. Автоматические многофункциональные измерительные преобразователи. М.: «Радио и Связь», 1989. — 256 с.
• Бриндли К. Измерительные преобразователи. Справочное пособие. Перевод с английского Сычева Е. И. М.: «Энергоатомиздат», 1991. — 144 с.

Література

• Методи та засоби вимірювань неелектричних величин: Підруч. для студ. / Є. С. Поліщук; Держ. ун-т «Львів. політехніка». — Л., 2000. — 359 c.

Див. також

• Система автоматичного контролю
• Перетворювач
• Вимірювальний прилад
• Вимірювальне устаткування
• Вимірювальна інформаційна система