ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ НЕЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН

ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ НЕЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН
Общие характеристики
Устройства, преобразующие величину измеряемого неэлектрического
параметра (температура, давление, масса, длина и т.п.) в электрический сигнал –
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ НЕЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН
(Общее: датчик, детектор, измеритель, зонд, чувствительный элемент…
Специальное: акселерометр, расходометр, тахометр… )
ПАССИВНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ – использует для преобразования энергию
измеряемого параметра.
АКТИВНЫЙ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛЬ – использует для рпеобразования энергию
внешнего источника.
Чувствительность: S = XВЫХ / ХВХ
Линейность : S = const
Гистерезис показаний: Зависимость выходной величины преобразователя от
знака изменения входной величины (возрастание или убывание)
При использовании преобразователей необходимо помнить:
- о его частотных характеристиках;
- о его помехоустойчивости
ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ НЕЭЛЕКТРИЧЕСКИХ ВЕЛИЧИН
Общая конструкция преобразователя.
Чувствительный элемент воспринимает свойство объекта и преобразует его в
другую физическую величину.
Преобразующий элемент – превращает эту физическую величину в
электрический сигнал.
Схемы включения преобразователей:
-Последовательная структурная схема включения преобразователей – входной
сигнал каждого последующего преобразователя является выходным сигналом
предыдущего, а входной величиной первого – измеряемая величина;
-Дифференциальная схема соединения преобразователей;
-Логометрическая схема подключения преобразователей
-Компенсационная схема включения преобразователей.
ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНАЯ СТРУКТУРНАЯ СХЕМА ВКЛЮЧЕНИЯ
Термоанемометр – измерение скорости
потока газа.
Платиновая проволока с сопротивлением
Ri включена в схему измерения тока.
При обдувании провода потоком газа со
скоростью V изменяется сопротивление
Ri , соответственно изменяется ток I и
стрелка отклоняется на угол y.
Последовательность преобразований:
1. t = F ( V )
2. Ri = Rt ( 1 +  t )
3. I = E / ( R0 + Rt )
4.  = SA I
и
илилокончательно:
 =иSA I = SA E / ( R0 + Rt )= SA E / ( R0 + Rt ( 1 +  F ( V ) ))
Для чувствительности: S1 = dt / dV ; S2 = dR / dt ; S3 = dI / dR ; S4 = d / dI или
SM = d / dV = S1 S2 S3 S4
Общая чувствительность прибора равна произведению чувствительностей,
входящих в него преобразователей.
ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНАЯ СТРУКТУРНАЯ СХЕМА ВКЛЮЧЕНИЯ
Погрешности измерений
Каждое преобразование вносит свою погрешность, которые накапливаются:
Y1 = Y1H + Y1
Y2 =Y2H + S2 Y1 + Y2
Y3 = Y3H + (S2 Y1 + Y2 ) S3 + Y3 = Y3H + S2 S3 Y1 + S3 Y2 + Y3
Общая погрешность составит при этом:
 Y = Y - Y H = S 2 S3  Y 1 + S 3  Y 2 +  Y 3
Приведенная погрешность при этом равна сумме приведенных погрешностей
Y = Y1 +Y2 +Y3
Приведенная среднеквадратичная погрешность равна:
2
2
2
 2   ПР




1
ПР 2
ПР 3
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНАЯ СХЕМА ВКЛЮЧЕНИЯ
Дифференциальная схема содержит два
канала с последовательным соединением
преобразователей, выходные сигналы
которых поданы на схему сравнения, ее
выходной сигнал представляет собой
функцию разности двух входных
сигналов.
1. Линейная функция: Y1 = S X1 + Y0 ; Y2 = S X2 + Y0 Y = S ( X1 - X2 )
Варианты:
1.1. X2 = const
dY / dX = S
1.2. X1 = X0 + X ; X2 = X0 - X
Y = 2 S X ; dY / dX = 2 S
2. Нелинейные функции преобразования каналов:
Y1 = F ( X0 + X) ; Y2 = F ( X0 - X) – раскладываем в степенной ряд:
Y1 = F ( X0 ) + F '(X0 ) X + [ F '' ( X0 ) / 2!] X2 +….
Y2 = F ( X0 ) - F '(X0 ) X + [ F '' ( X0 ) / 2!] X2 - ….
Y = Y1 - Y2 = 2 F '(X0 ) X – функция преобразования – ЛИНЕЙНА!!!
Как правило, первичные преобразователи имеют равные аддитивные
погрешности, не зависящие от входной величины, тогда:
Y1 = F ( X1 ) +  Y ; Y2 = F ( X2 ) +  Y; Y = Y1 - Y2 = F ( X1 ) - F ( X2 )
В дифференциальных преобразователях аддитивные погрешности каналов –
КОМПЕНСИРУЮТСЯ !
КОМПЕНСАЦИОННАЯ СХЕМА ВКЛЮЧЕНИЯ
В компенсационной схеме входная
величина Х подается на один вход
сравнивающего устройства, а на другой
вход подается сигнал обратной связи
ХОС, величина которого определяется
размером выходной величины Y.
Разность Х = Х - ХОС поступает в преобразователь «1».
Если преобразователи «1» и «2» имеют линейные функции преобразования:
Y = S1 X ; XOC = S2 Y , то
XOC = S1 S2 X = S1 S2 (Х - ХOC ) или X = ( 1 + 1 / S1 S2 )
XOC
Поскольку, как правило, S1 S2 >> 1 , то X = XOC
Значит величина Y определяется преобразователем «2» и мало зависит от
преобразователя «1».
Функция преобразователя и его чувствительность оценим в предположении, что
первичные преобразователи имеют пропорциональные функции преобразования
Y = S1 X ; XОС = S2 Y ,
Y = [S1 / (1 + S1 S2 )] X
или
тогда
S = S1 / (1 + S1 S2 )  1 / S2
КОМПЕНСАЦИОННАЯ СХЕМА ВКЛЮЧЕНИЯ
Погрешности устройства.
Погрешности устройства можно определить из анализа чувствительности
S = F (S1 S2 )
Изменение S можно определить как полный дифференциал:
S = ( dF / dS1 ) S1 + ( dF / dS2 ) S2
( dF / dS1 ) = 1 / (1 + S1 S2 )2
( dF / dS2 ) = - S1 2 / (1 + S1 S2 )
Относительная погрешность Y = Y / Y равна относительному изменению
чувствительности S / S, тогда :
Y = Y / Y = [ Y1 / (1 + S1 S2 )] - [ Y2 / (1 + 1 / S1 S2 )] или при S1 S2 >> 1
Y = Y1 / S1 S2 - Y2
В приборах с обратной связью существенно уменьшается вклад первого
преобразователя в общую погрешность прибора.
ЛОГОМЕТРИЧЕСКАЯ СХЕМА ВКЛЮЧЕНИЯ
Схема содержит два канала с
последовательным соединением
преобразователей, выходные сигналы
которых поданы на логометрический
преобразователь, выходная величина
которого является частным от деления
входных величин..