2.6. Обобщение рассмотрения измерительных преобразователей

Всякое преобразование измерительной информации, как указывалось выше, связано с преобразованием и затратой энергии. При этом в устройствах преобразования должны реализовываться такие физические законы и эффекты, чтобы ИП отвечали комплексу весьма специфических требований. Номенклатура требований обширна; обычно это требования по надежности и взрывозащите, климатические и габаритно-весовые ограничения, экономические и эксплуатационные требования и т.д. Все указанные параметры важны и должны учитываться при конкретной разработке ИП. Но в первую очередь необходимо использовать такие физические эффекты, которые обеспечат выполнение следующих требований:

• линейность функции преобразования;

• максимальную чувствительность;

• минимальную аддитивную составляющую погрешности;

• незначимость динамической составляющей погрешности;

• малую погрешность от воздействия влияющих на ИП факторов и неинформативных параметров физической величины;

• пренебрежимо малую погрешность от воздействия ИП на объект измерения.

Выполнить все перечисленные требования в одном устройстве, конечно, невозможно. Техническое проектирование всегда есть процесс поиска разумного компромисса. Например, для точного преобразования силы или давления в частоту электрического сигнала используют струнные преобразователи, обладающие нелинейной функцией преобразования. В примере с измерением температуры в цилиндре двигателя мы применили термоэлектрический преобразователь вместо более точного термометра сопротивления ради снижения динамической погрешности преобразования.

Задача специалиста сводится к разработке или применению ИП на таких физических эффектах, которые в процессе получения измерительной информации обеспечат заданное приближение результата измерения к действительному значению измеряемой физической величины при выполнении всех экономических, эксплуатационных и других ограничений.

3. ЭЛЕКТРОННЫЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРЕОБРАЗОВАТЕЛИ

3.1. ОБЩИЕ ЗАМЕЧАНИЯ

Большинство физических эффектов, используемых для измерительных преобразований, имеет весьма низкое соотношение между полной величиной выходного параметра и изменяемой его частью, несущей информацию о преобразуемой физической величине.

Это мы уже наблюдали при обсуждении задачи измерения температуры: сопротивление термометра в начале диапазона преобразования (при 273,16К) равно 100 Ом, а при 373,16К –140 Ом. Информативная часть выходного параметра преобразователя составляет 40 Ом на фоне исходного значения в 100 Ом. Следовательно, при относительной приведенной погрешности преобразования, например, в 0,1% абсолютная погрешность преобразования составит 0,14 Ом или 0,35К (напоминаем, что изменение температуры на 1К ведет к приращению сопротивления ИП на 0,4 Ом). Такая погрешность преобразования температуры, как правило, слишком велика для технических измерений, не говоря о лабораторных опытах. В промышленности чаще всего погрешность не должна превышать 0,1К, в научных исследованиях – 0,005…0,01К; в метрологических исследованиях – 0,001К.

Возникшая трудность объясняется тем, что энергия, передающая информацию об измеряемой величине, составляет только незначительную часть от общей энергии преобразования.

Кажется, подобные трудности не возникают при применении механических преобразователей – мембран, стержней (используются при преобразовании сил) и т.д. Но надежды не оправдываются и здесь: для исключения деформации (безвозвратного изменения формы преобразователя), мембрану или стержень приходится делать в сотни раз толще, чем это следует из соображений прочности. В результате перемещения под действием входной величины составляют микроны или сотые доли миллиметра и проблема выделения малого измерительного сигнала сохраняется.

Малая мощность носителя информационного сигнала вынуждает применять те или иные виды его усиления. С этой точки зрения наиболее гибкими и универсальными являются устройства, основанные на преобразовании электрических сигналов.

Электронные ИП находят широкое применение в измерительной технике. Во–первых, в измерительных средствах для электро – радиоизмерений; во–вторых, в информационно – измерительных системах (ИИС) для выполнения различных процедур (усиления, нормирования, функционального преобразования, фильтрация и т.д.) после преобразования физической величины датчиком в тот или иной параметр электрического сигнала.

По выполняемым функциям электронные ИП делятся на следующие основные типы: измерительные усилители и нормализаторы, модуляционные преобразователи, аналого-цифровые преобразователи (АЦП) и цифро-аналоговые преобразователи (ЦАП). Указанные преобразователи сигналов подробно изучаются в специальных курсах; мы рассмотрим лишь устройства, приближенные к измеряемой физической величине, т.е. электронные преобразователи, связанные непосредственно с датчиками. На примере электронных преобразователей можно будет уяснить смысл общих понятий, введенных в главе 2 (функция преобразования, аддитивная и мультипликативная погрешности и т.д.)