Общие сведения об измерениях неэлектрических величин

Измерительные преобразователи. Датчики

Во многой литературе под преобразователем и датчиком подразумевается одно и то же. Преобразователь же является частью (звеном) датчика.

Датчиком называется устройство, предназначенное для функционального преобразования поступающей на его вход информации в виде физической величины в другую физическую величину на выходе, удобную для измерения, передачи, хранения, обработки, регистрации или воздействия на последующие звенья.

Датчики для измерения неэлектрической величины в общем случае могут содержать три звена: первичный I (предварительный) преобразователь, основной 11 (измерительный) и выходной III преобразователи (рис. 2.23).

Возможно промежуточное преобразование измеряемого параметра X в пропорциональный ему параметр X.

Первичный преобразователь / преобразует измеряемый параметр X (крутящий момент, расход жидкости и др.) часто в перемещение (линейное / или угловое (р), давление р, силу F. Входными (измеряемыми) параметрами могут быть и /, (р, р, F, например, входной параметр — давление преобразуется в силу F (F = pS). Безусловно, выходными параметрами первичного преобразователя могут быть и другие, кроме названных, например ЭДС.

Рис. 2.23. Структурная схема датчика:

1,_гр ~ промежуточный преобразователь

Преобразование перемещения, силы или давления в электрическую величину осуществляется основным II (измерительным) преобразователем.

Выходной преобразователь III датчика выполняет функции согласования выходных параметров основного преобразователя с измерительной цепью.

Все три элемента, конструктивно оформленные, связанные с объектом контроля и измерительной цепью, и образуют датчик.

Датчик может состоять из двух (I + И) звеньев или одного (I) звена. Примером датчика, состоящего из одного звена (первичного преобразователя), является датчик температуры — термопара.

Первичные преобразователи неэлектрических величин в электрические представляют собой большую группу преобразователей, применяемых при электрических измерениях неэлектрических величин.

Преобразователи делятся на две группы: параметрические (пассивные) и генераторные (активные).

В параметрических преобразователях измеряемая величина X вызывает изменение одного из параметров элемента электрической цепи: сопротивления /?, индуктивности L или емкости С. К этим преобразователям относятся: реостатные, термисторные, тензометрические, индуктивные, емкостные преобразователи, фотосопротивления. К параметрическим относят и контактные датчики.

В генераторных преобразователях измеряемая неэлектрическая величина преобразуется в ЭДС. Наиболее распространены следующие преобразователи: индукционные, термоэлектрические (термопары), пьезоэлектрические, фотоэлектрические, гальванические и многие другие.

Датчики часто называют по типу преобразователя: параметрические датчики, датчики активного сопротивления, индуктивные, емкостные, генераторные, индукционные датчики.

Датчик — элемент автоматики и как элемент автоматики представлен на рис. 2.1, где а — схема генераторного датчика, б — схема параметрического датчика, X — входной сигнал (измеряемый параметр), У — выходной сигнал, Zпосторонний источник энергии.

Для работы параметрических датчиков необходим посторонний источник энергии Z Параметрические датчики требуют применения специальных измерительных цепей с питанием постоянным или переменным током.

Генераторные же датчики не требуют дополнительного источника энергии, энергия на выходе датчика берется со входа, поэтому и мощность выходного сигнала всегда меньше мощности входного.

Абсолютное большинство контролируемых величин X при сооружении скважин имеют неэлектрическую природу: перемещение, линейная и угловая скорость, сила, давление, расход жидкости, крутящий момент, температура и т. д.

В связи с этим по виду контролируемой неэлектрической величины X различают: датчики механических перемещений (линейных и угловых), датчики скорости, датчики усилия, датчики давления и т. д.

По виду выходной величины У различают: датчики постоянного тока (ЭДС или напряжения), датчики переменного тока (ЭДС или напряжения), датчики частоты переменного тока (ЭДС или напряжения), датчики сопротивления (активного, индуктивного или емкостного) и др.

И эти же датчики в зависимости от их конкретного функционального назначения (от измеряемой величины X) получают название, определяемое их функциональным назначением: датчик углубки, датчик осевой нагрузки, датчик уровня и т. д. Часто в названиях датчиков БКИА совмещаются принцип работы первичного преобразователя, вторичного преобразователя, измерительной схемы, вид выходного сигнала датчика и функциональное его назначение, например: индуктивный датчик расхода промывочной жидкости постоянного перепада давления (РС-ТПУ), импульсный тахометрический датчик расхода жидкости. В дальнейшем будем придерживаться подобных названий, т. к. они несут полезную поясняющую информацию.

Требования, предъявляемые к датчикам:

• • однозначная зависимость выходной величины от входной;
• • стабильность характеристик во времени;
• • высокая чувствительность;
• • малые размеры и масса;
• • работа при различных условиях эксплуатации.