6. Измерительные приборы промышленной электроники

Рис. 64. Структурная схема датчика

 

Отметим, что датчик может состоять из нескольких измерительных преобразователей, объединенных в единую конструкцию с целенаправленным назначением (датчики давления, температуры, деформации и т.д.). В измерительной технике принято отождествлять понятия измерительный преобразователь и датчик в случае преобразования НЭВ в ЭВ, в общем же случае чувствительные элементы, преобразующие измеряемую физическую величину в электрическую, пневматическую и т. д.,  т. е. в пригодную для ее дальнейшей обработки, принято называть первичными преобразователями.

Все датчики, преобразующие НЭВ в ЭВ, классифицируются в первую очередь в соответствии с физическим принципом, заложенным в основу их построения. Основными из них являются резистивные, электромагнитные, пьезоэлектрические, электростатические, гальваномагнитные, электрохимические, тепловые, оптоэлектрические.

В зависимости от вида выходного сигнала датчики подразделяют на генераторные, вырабатывающие электрическую энергию под воздействием измеряемого физического параметра, и параметрические, которые при воздействии НЭВ меняют какие-либо электрические параметры, например, сопротивление, емкость, индуктивность, фазовый сдвиг и т. д. Для датчиков параметрического типа требуется дополнительный источник опорного сигнала [22]. Кроме того, существует разделение датчиков по разновидности измеряемых НЭВ (датчики линейных и угловых перемещений, усилий, крутящих моментов, механических давлений и напряжений, параметров движения, температуры, концентрации веществ, излучения света и его параметров и т. д.).

В заключение кратко охарактеризуем рассмотренные датчики и особенности проектирования измерительных приборов на их основе. Резистивные датчики. В основу построения их заложено преобразование измеряемой физической величины в изменение омического сопротивления. При этом измеряемая механическая величина предварительно преобразовывается в перемещение (деформацию).

Электромагнитные датчики. К этой группе относятся датчики, использующие взаимодействие магнитных потоков, создаваемых протекающим по контурам электрическим током. Электромагнитные датчики, в свою очередь, подразделяются на индуктивные, трансформаторные и индукционные.

Пьезоэлектрические датчики. Эти датчики основаны на использовании пьезоэффекта, при котором осуществляется преобразование динамического усилия в электрический заряд, Существуют датчики, использующие обратный пьезоэффект. Пьезоэлектрические датчики по физическому принципу действия иногда относят к электростатическим, так как информационным параметром является электростатический заряд.

Электростатические датчики. Они основаны на взаимодействии двух заряженных тел. К таким датчикам относят, например, емкостные, позволяющие регистрировать различные механические усилия, уровень жидкости, состав веществ и др.

Гальваномагнитные датчики. Эти датчики основаны на гальваномагнитном эффекте, сущность которого заключается в изменении электрических параметров преобразователей под действием магнитного поля или появления ЭДС. Такие датчики бывают магниторезистивного типа и основаны на эффекте Холла.

Электрохимические датчики. К этой группе относятся электрохимические резистивные датчики, гальванические, полярографические, электрокинетические и химотронные преобразователи. Принцип действия этих датчиков основан на зависимости параметров электролитического преобразователя от состава и концентрации, температуры и других свойств раствора, а также зависимость электрической разности потенциалов на границе раздела твердой и жидкой фаз от скорости перемещения раствора.

Тепловые датчики. Принцип работы этих датчиков основан на использовании физических закономерностей, определяемых тепловыми процессами. К этим датчикам относятся датчики термомеханического, терморезистивного и термоэлектрического типов.

Оптоэлектрические датчики. Основаны на преобразовании оптических излучений в электрический сигнал. В зависимости от длин волн и интенсивности воспринимаемых оптических лучей эти датчики позволяют регистрировать яркость света, температуру веществ, спектральный состав оптических излучений, состав веществ и др.

Датчики линейных и угловых перемещений в зависимости от диапазона величин и требований к конструкциям могут быть построены на основе реостатных, емкостных, индуктивных, тензорезистивных, пьезоэлектрических преобразователей и др. В некоторых случаях применяются также ионизационные (например, для измерения уровня) преобразователи, основанные на интерференции света, и др.

Датчики для измерения механических усилий, крутящих моментов, давлений и напряжений строят на основе тензорезистивных, пьезоэлектрических, магнитоупругих преобразователей. При использовании промежуточных механических чувствительных элементов (мембран, сильфонов, рычагов и др.) измеряемые механические параметры предварительно преобразуются в линейное перемещение и для измерения последнего применяют уже индуктивный, емкостный, фазоэлектрический и другие типы преобразователей.

Датчики параметров движения строят на основе пьезоэлектрических, индукционных, индуктивных преобразователей совместно с инерционными (для сейсмических или гироскопических датчиков), мембранными, роторными (для датчиков расхода) и другими первичными измерительными преобразователями.

Датчики температур строят на основе термоэлектрических, оптоэлектрических, радиационных и других преобразователей.

Датчики химического анализа строят на основе резистивных, емкостных, термоэлектрических и других преобразователей.

Датчики излучения света, как правило, строят на основе фоторезистивных и фотоэлектрических преобразователей.

При построении аналоговых или цифровых измерительных приборов для измерения подавляющего разнообразия физических НЭВ используются измерительные цепи рассмотренных выше измерительных преобразователей, осуществляющих оптимальную связь между датчиками и последующими устройствами измерительного прибора. В частности, для измерения механических усилий, крутящих моментов, магнитных величин и др. используются измерительные цепи (ИЦ) уравновешивающего преобразования с компенсацией выходных напряжений датчиков [22]. Также наиболее широкое распространение получили измерительные преобразователи с унифицированными выходными сигналами (ИПУС), осуществляющих приведение аналоговых измерительных сигналов к диапазону стандартных значений, установленных ГОСТ 9895-78 и 26013-81. Например, широко применяются ИПУС сигналов постоянного тока и напряжения. К таким сигналам относятся выходные сигналы термопар, мостовых измерительных схем постоянного тока, потенциометрических датчиков, комбинированных шунтов и т. д.

Выходное сопротивление таких ИПУС должно быть весьма высоким, чтобы выходной ток преобразователя не зависел от сопротивления нагрузки . Другой особенностью таких ИПУС является заданный диапазон изменений выходного тока  и упомянутого . Наиболее распространенными являются диапазоны = 0÷5 мА и = 0÷2,5 кОм.

Типичная задача, решаемая ИПУС, заключается в следующем. Пусть сигнал от датчика изменяется от  до , а измерительная система прибора рассчитана на диапазон унифицированного сигнала от 0 до , причем > – , т. е. требуется совместить начала диапазонов датчика и измерительной системы. Очевидно, что для этого должно выполняться соотношение:

,

где  – коэффициент усиления ИПУС;  – его выходной сигнал; Х – выходной сигнал датчика.

Усиление сигналов, поступающих от измерительных цепей с датчиками, достигается с помощью усилителей постоянного или переменного тока, в частности, выполненных на операционных усилителях, т. е. аналоговых элементах интегральной электроники.

На практике весьма распространен случай, когда минимальный сигнал  датчика не равен нулю, например, в случае датчика с термопарами. Обычно в этих случаях для компенсации температуры холодного спая термопары применяется термозависимое сопротивление , включаемое в одно из плеч неуравновешенного моста. Кроме того, для уменьшения влияния соединительных проводов и внешних наводок в ИПУС для термометров сопротивления  используется трехпроводная линия соединения термометра  с остальной измерительной цепью (ИЦ) (рис. 65).

На рисунке приведена схема соединения термометра сопротивления  с остальной измерительной цепью. Мост уравновешивается перед измерением с помощью сопротивления R. Изменением напряжения питания ИПУС можно осуществить масштабирование выходного сигнала параметрического датчика. При импульсном питании удается поднять уровень сигнала на выходе датчиков.

Рис. 65. Схема компенсации температуры холодного спая с трехфазной линией соединения

Измерительный ПУС обеспечивает линеаризацию нелинейных характеристик преобразователей.

ИПУС строят на базе операционных усилителей с нелинейной обратной связью. Нелинейную обратную связь чаще всего строят с помощью функциональных преобразователей с использованием резистивных делителей с шунтирующими диодами.

В приложении 3 приведен типовой пример проектирования цифрового термометра, выполненного по упрощенной методике, вполне достаточной для студентов указанной в пособии специализации.