Общая структура измерительных устройств

В процессе изучения природных явлений или в процессе производства различных изделий необходимо определять и численно оценивать их физические параметры. Для этого случат измерительные преобразователи или датчики физических величин.

Преобразователи измерительные (датчики) — средства измерения, преобразующие измеряемую неэлектрическую величину в другую физическую величину, удобную для использования человеком или автоматическим устройством.

В преобразователе необходимо различать первичное и вторичное преобразования измеряемой физической величины.

К первичному преобразованию относятся чувствительные элементы, непосредственно воспринимающие измеряемую физическую величину. Например, для измерения давления служат мембраны, анероидные коробки, сильфоны и т. п. Их задача — воспринять давление и преобразовать в механическое перемещение, которое более удобно для дальнейшего — вторичного преобразования в электрическую величину.

Основных видов первичных преобразователей два:

— преобразователи, в которых измеряемая величина преобразуется в линейное или угловое перемещение;

— преобразователи, использующие изменение электрических свойств чувствительного элемента при изменении измеряемой величины.

Принципиально существуют и другие виды преобразователей, например, химические или тепловые, но они не нашли широкого применения.

По виду выходного параметра преобразователи делятся на параметрические и генераторные.

Выходной величиной параметрического преобразователя является пассивный параметр электрической цепи — сопротивление, емкость, индуктивность и пр. Их применение в измерительных схемах требует вспомогательного источника питания. Наибольшее применение нашли параметрические преобразователи следующих видов:

— реостатные, основанные на зависимости величины сопротивления от положения подвижной щетки реостата (потенциометра). Применение — при измерении неэлектрических параметров, которые могут быть преобразованы в линейные или угловые перемещения, например, давлений с помощью анероидиых коробок, если при этом не требуется высокая точность.

— тензометрические, основанные на зависимости величины сопротивления от растяжения чувствительного элемента — тензометрического датчика, представляющего собой петлеобразно уложенную тонкую и длинную металлическую проволоку диаметром 0,02-0,05 мм, приклеенную на объект измерения. Применение — для измерения деформаций, механического напряжения, давлений и т. п.;

— термочувствительные, использующие зависимость сопротивления от температуры, выполняются в виде катушек из тонкой, обычно медной проволоки. Применение — для измерения температуры в замкнутом объеме, для измерения температуры потоков газа или жидкости и т. п.;

— индуктивные, использующие зависимость между индуктивностью или взаимной индуктивностью обмоток от положения отдельного элемента магнитопровода, перемещение которого определяется чувствительным элементом. Обладают высокой точностью. Применение — для измерения перемещений, давлений и т. п.;

— емкостные, использующие зависимость между емкостью конденсатора и размером и расположением его обкладок, а также диэлектрической проницаемостью среды. Обладают высокой чувствительностью, малой инертностью и высокой точностью. Применение — для измерения уровня жидкости, влажности веществ, малых перемещений;

— электролитические, использующие зависимость между электрическим сопротивлением электролита и его концентрацией. Применение — для измерения концентрации растворов;

— ионизационные, использующие зависимость между сопротивлением газового промежутка и степени его ионизации. Применение — для измерения интенсивности излучения, механического перемещения (ионизационный манометр), измерения плотности и состава газа.

Выходной величиной генераторного преобразователя является активная электрическая величина — э.д.с. или ток. Такие преобразователи выдают измеренную величину в форме электрического сигнала одного из видов — в виде уровня электрического напряжения постоянного, переменного или импульсного тока. Информация содержится в одном из электрических параметров —

в амплитуде, в частоте или в фазе, в числе импульсов или закодирована в коде последовательного или параллельного видов. Наибольшее применение нашли генераторные преобразователи следующих видов:

— индукционные, основанные на электромагнитной индукции при перемещении постоянного магнита вблизи катушки, в которой возникает э.д.с. Применение — для измерения скорости линейных и угловых перемещений;

— пьезоэлектрические, основанные на использовании пьезоэлектрического эффекта (под действием механического напряжения на поверхности кристалла кварца или другого вещества возникает электрический заряд). Применение — для измерения параметров быстро меняющихся механических величин;

— теплоэлектрические, основанные на термоэлектрическом эффекте в цепи термопары (при различной температуре спаев двух проводников из разнородных материалов в цепи термопары возникает э.д.с.). Применение — для измерения температуры в широком диапазоне;

— гальванические, основанные на возникновении э.д.с., при электрохимическом взаимодействии электродов с раствором. Применение — измерение концентрации ионов в растворах и газах;

— фотоэлектрические, основанные на возникновении э.дс. в некоторых металлах и полупроводниках при их освещении. Применение — для измерения интенсивности излучения, например, света.

Вторичные преобразователи представляют собой некоторую измерительную схему, воспринимающую сигнал от первичного преобразователя и преобразующего в вид, удобный для потребителя. Такими преобразователями являются, например, преобразователи, преобразующие амплитуду напряжения в код, частоту в напряжение, частоту в код и т. п.

Таким образом, общую структуру измерительных устройств можно представить в виде последовательного соединения: первичного преобразователя, вторичного преобразователя и индикаторного (регистрирующего) устройства. В качестве индикаторных устройств в современных измерительных приборах используют цифровые индикаторы, а в качестве регистрирующих — устройства с электронной цифровой памятью.