Структурные схемы измерительных преобразователей

 

Несмотря на все многообразие ИП, их структурные схемы можно свести к нескольким типам (табл. 4.1).

Структурная схема прямого однократного преобразования реализуется во многих ИП с естественными выходными сигналами (например, в термопарах, датчиках давления и разрежения), в которых измеряемая величина преобразуется непосредственно в электрический сигнал, перемещение или усилие. Статическая характеристика, погрешность и другие свойства здесь полностью определяются параметрами самого чувствительного элемента.

В тех случаях, когда первичное преобразование не позволяет получить удобный или требуемый для дальнейшего использования сигнал, применяют структурные схемы с несколькими последовательными преобразованиями, например при необходимости получение унифицированного выходного сигнала, преобразования неэлектрической величины в электрическую, коррекции статической или динамической характеристики преобразователя. Суммарный коэффициент преобразования (общая чувствительность), равный произведению коэффициентов преобразования отдельных звеньев ИП, можно получить достаточно высоким, однако при этом увеличивается общая погрешность преобразования, равная сумме погрешностей составляющих звеньев.

В датчиках, построенных по дифференциальной схеме, измеряемая величина подается одновременно на два идентичных измерительных преобразователя. Выходной сигнал датчика пропорционален разности выходных сигналов ИП каждого из каналов. Если выходные сигналы имеют одинаковые знаки, то орган сравнения выполняет операцию вычитания, если знаки разные — операцию суммирования.

Возможны варианты, когда на один из входов подается эталонный сигнал и сравнение осуществляется с ним или информация преобразуется по одному каналу в реальных условиях, а по другому — в эталонных.

 

* Примечание. В формулах приняты следующие обозначения: x — измеряемая величина; у — выходная величина; δ_i — погрешность звена преобразователя; δ_П — общая погрешность преобразователя; K — коэффициент преобразования

 

К достоинствам дифференциальных схем построения датчиков следует отнести: значительное уменьшение аддитивных (постоянных) составляющих общей погрешности, обусловленных воздействием возмущающих факторов; увеличение чувствительности вдвое при подаче входного сигнала на оба входа; получение реверсивной статической характеристики; снижение нелинейности статической характеристики и постоянных составляющих выходного сигнала по сравнению с характеристиками отдельных ИП, входящих в схему.

Наиболее совершенной схемой ИП является схема с обратной связью, или компенсационная схема. В датчиках, построенных по этой схеме, обеспечивается автоматическое уравновешивание контролируемой величины компенсирующей величиной того же рода непосредственно или после предварительного преобразования. Основное достоинство такой схемы состоит в ее способности компенсировать значительные изменения параметров измерительного тракта. Кроме того, основная часть энергии, необходимой для работы датчика, берется от дополнительных источников, а не от измерительного элемента.

Преобразователи с отрицательной обратной связью принципиально точнее, чем схемы прямого последовательного преобразования. Отрицательная обратная связь существенно снижает влияние погрешностей звеньев прямой цепи на результат преобразования. Любые ошибки и возмущение звена, не охваченного обратной связью, полностью передаются на выход преобразователя, поэтому при'построении ИП целесообразно стремиться к тому, чтобы охватить обратной связью как можно больше звеньев. При величине K₁K₂ = 20...30, что нетрудно обеспечить на практике, общая погрешность преобразования практически определяется только погрешностью δ₂ обратной связи, вследствие чего требования к погрешности δ₁ прямого канала можно значительно снизить (см. табл. 4.1).

Датчики с обратной связью обладают высокой чувствительностью и позволяют легко изменять параметры настройки путем изменения коэффициентов преобразования обратной цепи.

Структурные схемы реальных ИП могут представлять собой любую комбинацию из рассмотренных выше типовых структур. В цепи последовательного преобразования измеряемого сигнала принято различать первичный измерительный преобразователь (чувствительный элемент) и промежуточные преобразователи (рис. 4.1). Измеряемая величина воздействует непосредственно на первичный преобразователь. Очень часто метод первичного преобразования входной величины определяет наименование всего измерительного преобразователя -или прибора. Промежуточные преобразователи могут выполнять функции усиления, линеаризации, преобразования рода сигнала и др. В частности, на рис. 4.1 представлена упрощенная схема ИП с естественным и унифицированным выходами.