Классификация и основные характеристики измерительных преобразователей

Общие сведения о преобразователях

Ни одна система управления не может работать без информации о состоянии объекта управления и его реакции на управляющие воздействия. Элементами систем, обеспечивающими получение такой информации, являются измерительные преобразователи. Специалисты по автоматике также используют термины «первичный преобразователь» и «датчик». Далее термин «первичный преобразователь» будем употреблять при описании принципа действия того или иного измерительного устройства, а термин «датчик» — при описании его конструктивного исполнения.

Автоматизация производственных процессов, научных экспериментов и исследований требует все большего объема измерений различных физических величин. Об их числе можно судить по системе СИ, которая включает в себя более 120 физических единиц измерения.

В настоящее время в промышленности существует примерно следующее распределение средств измерений: температуры — 50%, расхода (объемного и массового) — 15%, давления — 10%, уровня — 5%, количества (массы, объема) — 5%, времени — 4%, электрических и магнитных величин — 5%. Объем выполняемых измерений может быть очень большим.

Число типов измерительных преобразователей (ИП) значительно превосходит число измеряемых величин, так как одну и ту же физическую величину можно измерять различными методами и датчиками разных конструкций.

Для большинства ИП характерно измерение электрическими методами не только электрических и магнитных, но и других физических величин. При этом используется предварительное преобразование неэлектрических величин в электрические. Это обусловлено следующими достоинствами электрических измерений: электрические сигналы можно просто и быстро передавать на большие расстояния, а также легко, быстро и точно преобразовывать в цифровой код, обеспечивая тем самым высокую точность и чувствительность ИП.

Необходимо отметить, что не всегда ИП выполняет непосредственно функции измерения. В ряде случаев его можно использовать в качестве преобразователя одной физической величины в другую (чаще всего из неэлектрической в электрическую). Например, при измерении уровня жидкости в емкости поплавок может быть рычажно связан с реостатным преобразователем, включенным в электрическую цепь. В этом случае изменение уровня, измеряемое перемещением поплавка, будет преобразовываться в изменение электрического сигнала (напряжения, тока).

Наряду с широким развитием электрических методов и средств измерений и управления разрабатываются и производятся средства автоматизации на основе других источников энергии — пневматические и гидравлические. Применение пневматических средств автоматизации целесообразно, например, в опасных условиях эксплуатации (в частности, в химической, нефтеперерабатывающей, пищевой промышленности), при недостаточном уровне квалификации обслуживающего персонала (так как пневматика проще в обслуживании, чем электроника), в целях снижения стоимости систем автоматики.

Для эффективного функционирования ИП должны отвечать ряду требований, основными из которых являются:

высокая статистическая и динамическая точность работы, обеспечивающая формирование выходного сигнала с минимальными искажениями;

высокая избирательность (датчик должен реагировать только на изменения той величины, для которой он предназначен); стабильность характеристик во времени; отсутствие влияния нагрузки в выходной цепи на режим входной цепи;

высокая надежность при работе в неблагоприятных условиях внешней среды;

повторяемость характеристик (взаимозаменяемость); простота и технологичность конструкции; удобство монтажа и обслуживания; низкая стоимость.

С помощью ИП получают необходимую для управления информацию о состоянии объекта и внешних воздействиях в виде значений отдельных физических величин.

В отличие от измерительных приборов, где информация, необходимая для управления, представлена в форме, легкой для непосредственного восприятия оператором, информация от ИП поступает в виде определенной физической величины, удобной для передачи и дальнейшего преобразования в системе автоматики. Эту величину называют сигналом, и она однозначно связана с контролируемой физической величиной или параметром того или иного технологического процесса.

Измерительные преобразователи могут соединяться, образуя следующие структурные схемы: однократного прямого преобразования; последовательного прямого преобразования; дифференциальную; с обратной связью (компенсационную).

Простейшие ИП состоят из одного преобразователя. При последовательном соединении нескольких первичных преобразователей выходная величина предыдущего преобразователя является входной величиной последующего. Последовательное соединение ИП применяют в том случае, когда однократное преобразование нс дает удобного для использования выходного сигнала. При дифференциальной схеме устраняется влияние на результат преобразования искажающих внешних факторов благодаря сопоставлению (сравнению) преобразованной и некоторой эталонной величин, одинаково подверженных действию этих факторов. Схема ИП с ОС характеризуется высокой точностью, универсальностью и малой зависимостью коэффициента преобразования от внешних возмущений.

Измерительные преобразователи бывают с выходным естественным и унифицированным сигналами.

Естественный выходной сигнал формируется первичными ИП естественным путем и может представлять собой угол поворота, перемещение, усилие, напряжение (постоянное и переменное), сопротивление (активное и комплексное), электрическую емкость, частоту и др. Преобразователи с естественным выходным сигналом (термопары, терморезисторы, тензодатчики и др.) широко применяют при автоматизации простых объектов.

Унифицированный сигнал имеет определенную физическую природу и изменяется в конкретных фиксированных пределах независимо от вида измеряемой величины, метода и диапазона ее измерения. Из унифицированных сигналов наибольшее распространение получили электрические сигналы постоянного и переменного тока, напряжения и частоты, а также пневматические сигналы.

К основным видам аналоговых унифицированных сигналов относят:

электрические сигналы постоянного тока: 0…20; −5…−0…5 мА;

электрические сигналы постоянного напряжения: 0… 10; 0…20; −10…−0…10 мВ и 0… 1; -1 …0…1 В;

электрические сигналы переменного напряжения: 0…2; −1…−0…1 В;

электрические сигналы переменного тока с частотой 4…8 и 2…4 кГц;

пневматические сигналы с давлением 20… 100 кПа.

Преобразователи, служащие для изменения масштаба сигнала, называют масштабными. Для получения унифицированных аналоговых сигналов применяют нормирующие измерительные преобразователи. Специфика контролируемой величины существенно влияет на метод преобразования, используемый в первичном ИП. Преобразователи, предназначенные для передачи сигнала измерительной информации на расстояние, называют передающими.