Основные характеристики измерительных преобразователей

Внедрение механизации и комплексной автоматизации в производство требует быстрого и точного контроля технологических процессов, что связано с измерением и контролем разнообразных параметров физических величин. Особенно большое число неэлектрических величин требуется измерять и контролировать в металлургической, химической и текстильной отраслях промышленности. Развитие измерительной техники показало, что среди многочисленных методов измерения неэлектрических величин наибольшими преимуществами обладают электрические методы, которые обеспечивают:

• возможность измерения сигналов очень малой величины — применение электронных усилителей дает возможность измерять такие сигналы, которые не могут быть измерены никакими другими способами;

• возможность передачи измеренной величины на расстояние, а следовательно, и возможность дистанционного управления различными процессами;

• высокую точность и скорость измерений;

• возможность комплектования измерительных и управляемых ими автоматических установок унифицированными электроизмерительными приборами.

Для измерения любой неэлектрической величины X (температуры, давления, расхода жидкости, скорости, перемещения, ускорения, деформации, вибрации и т.д.) ее преобразовывают с помощью первичного измерительного преобразователя или датчика в выходную электрическую величину Y. Далее сигнал Y преобразуется цепью измерительных преобразователей прибора, где он претерпевает ряд изменений по уровню и спектру и преобразуется из одного вида энергии в другой. Таким образом, прибор для измерения неэлектрических величин в общем можно представить в виде цепи измерительных преобразователей, последовательно преобразующих измеряемую величину X в ряд других величин и в конечном итоге — в число (код), определяющее значение измеряемой величины в определенных единицах измерения.

Измерительный преобразователь — техническое средство с нормативными метрологическими характеристиками, служащее для преобразования измеряемой величины в другую величину или измерительный сигнал, удобный для обработки, хранения, дальнейших преобразований, индикации или передачи. Учитывая, что объект измерения, как правило, сложный процесс, характеризующийся множеством различных параметров, то информативным параметром входного сигнала будем считать непосредственно измеряемую величину или величину, функционально связанную с измеряемой величиной. Неинформативный параметр не связан функционально с измеряемой величиной, но влияет на метрологические характеристики преобразователя.

Параметры, характеризующие условия, в которых работает преобразователь, и влияющие на его функцию преобразования, называют влияющими величинами. Зависимость изменения метрологических характеристик преобразователя от изменения влияющей величины или неинформативного параметра входного сигнала пределах рабочих условий эксплуатации называется функцией влияния. Функция влияния может быть нормирована в виде формулы, ] графика или таблицы.

Функция преобразования. Статическая характеристика (функция) преобразования — это связь, выражающая зависимость информативного параметра выходного сигнала от постоянного во времени информативного параметра входного сигнала. Ее можно описать аналитическим выражением или графиком. В аналитическом виде характеристика преобразования представляется зависимостью Y=f(X), которая может быть линейной (рис. 6.1, а) или нелинейной (рис. 6.1, б, в). Различают номинальную функцию преобразования Y_H0M = f_H0M(X), приписываемую измерительному преобразователю согласно государственным стандартам, техническим условиям и другим нормативным документам, и реальную (рабочую) Y_p =f_p(X), которую он имеет в действительности.

а — линейная; б, в — нелинейные

Динамические характеристики преобразователей представляют собой зависимость информативного параметра выходного сигнала от меняющихся во времени параметров входного сигнала. К числу динамических относятся характеристики: импульсная g(t), являющаяся реакцией преобразователя на дельта - функцию δ (t); переходная h(t) — реакция на единичный ступенчатый сигнал; передаточная функция — отношение операторных изображений выходной величины к входной К(р) = Y(p)/X(p); амплитудно- и фазочастотная. Динамические (инерционные) свойства преобразователей характеризуют такими понятиями как скорость преобразования и время преобразования. Скорость преобразования (измерения) определяется числом преобразований (измерений) в единицу времени, выполняемых с нормированной погрешностью. Время преобразования (измерения) — время, прошедшее с начала преобразования (измерения) до получения результата с нормированной погрешностью.

Чувствительность. Чувствительностью преобразователя называют отношение изменения выходной величины (информативного параметра) к вызывающему его изменению входной величины (информативного параметра входного сигнала). Чувствительность равна производной от функции преобразования преобразователя S = dY/dX = Δ Y/Δ X и геометрически выражается тангенсом угла наклона касательной в любой точке кривой функции преобразования.

Для линейных преобразователей чувствительность постоянна и определяется по формуле

S= Y/X,

а для нелинейных она всегда зависит от входного сигнала.

Погрешность. Абсолютные, относительные и приведенные погрешности преобразователя определяются по входу и выходу, так как входная и выходная величины могут иметь разную физическую природу, а также вследствие того, что часто отсутствует измерительный преобразователь, по которому можно было бы поверить рабочий преобразователь. Смысл определения погрешностей по входу и выходу поясняется на рис. 6.2, а. Абсолютная погрешность F_p преобразователя по выходу — это разность значений реальной F_p и номинальной F_H0M функций преобразования при одном и том же значении входной величины X

Δ у=Y_р-Y_Н0М. (6.2)

Погрешность создается самим преобразователем, поэтому представляется целесообразным знать значение входного сигнала, соответствующего погрешности преобразователя. Абсолютная погрешность преобразователя по входу

Δ Х = Х_НОМ - Х_Д (6.3)

где Х_Д — действительное значение входной величины; Х_ном — значение входной величины, определяемое по номинальной функции преобразования Y _ном = f_ном (X) при значении выходной величины Y_Н0М, соответствующей действительному значению Х_Д.

Относительные погрешности по выходу и входу определяются соответственно равенствами

γ _вых = Δ y/ Y_р и γ _вх = Δ Х/ Х_Д

Приведенные погрешности по выходу и входу соответственно

γ _{прив.вых} = Δ y /(Y_max – Y_min) и γ _{прив.вх} = Δ Х/( X_max – X_min),

где Х_тах, Y_max, X_min, Y_min - максимальные и минимальные значения входной и выходной величин преобразователя.

Погрешности преобразования зависят как от свойств самого преобразователя, так и от условий, в которых он работает (температуры и влажности окружающей среды, наличия внешних электрических и магнитных полей и т.д.). При нормировании точности измерительных преобразователей обычно указывают область допустимых значений погрешностей преобразования, реализуемого преобразователем при «нормальных условиях» (основная погрешность), и допустимые изменения функции преобразования при определенных изменениях влияющих величин.

На практике часто используются преобразователи с линейной функцией преобразования, не проходящей через начало координат (рис. 6.2, б),

Y_р = SX+Y_о,

где Y_о — значение выходной величины при нулевом значении входной.

Отклонение такой реальной функции от номинальной вызвано отклонениями Y_o и чувствительности S. Погрешность, обусловленная неноминальным значением выходной величины при нулевом значении входной, называется аддитивной:

Δ _адд= Δ y_о = Y_о = Y_{о ном,} (6-5)

где Y_оном — номинальное значение выходной величины при нулевом значении входной.

При изменении Y₀ график функции преобразования (см. рис. 6.2, б) перемещается параллельно самому себе, т.е. аддитивная погрешность не зависит от входной величины.

Погрешность, обусловленная неноминальным значением чувствительности S, называется мультипликативной. Погрешность чувствительности, представляющая собой мультипликативную составляющую основной погрешности, приводит к изменению угла наклона реальной характеристики преобразователя относительно номинальной (рис. 6.2, в). При этом абсолютная погрешность Δ _м = Y_o - Y_H0M зависит от входной величины X. Например, при изменении температурных условий работы преобразователя его чувствительность изменилась на Δ S и стала равной S = S_ном + Δ S, где S_ном — номинальное значение чувствительности преобразователя. Абсолютная погрешность чувствительности преобразователя в этом случае будет

Δ _м =[(S_H0M + Δ S)X + Y₀]-[S_HOMX + Y_о] = Δ SX, (6.6)

т. е. абсолютная мультипликативная погрешность пропорциональна входной величине X.