Датчики и преобразователи
Термин датчик используется для элемента, вырабатывающего сигнал, который соотносится с измеряемой величиной. Таким образом, скажем, в случае термоэлемента, работающего по принципу измерения сопротивления, измеряемая величина – температура и датчик преобразует температурный вход в разность сопротивлений. Термин преобразователь (датчик – преобразует один тип энергии в другой) зачастую используется вместо термина датчик. Преобразователи определяют как элементы, которые, будучи подверженными (err. whenaresubjectedto…) физическому воздействию, выдают пропорциональное изменение.Соответственно, датчики равносильны преобразователям. Однако в измерительной системе наряду с датчиками могут использоваться преобразователи в разных ее частях для преобразования сигналов из одной формы в другую.
Эта глава о преобразователях и их частном применении в качестве датчиков. Терминология, используемая для точного определения характеристик производительности преобразователей установлена и примеры часто применяемых в инженерии преобразователей уже обсуждались (err. arebeingdiscussed, havebeendiscussedetc.).
Следующие термины используются в качестве показателей производительности преобразователей (для определения производительности преобразователей) и зачастую, системы измерений в целом.
1. Диапазон и предел (амплитуда). Диапазон преобразователя определяет границы, в пределах которых может изменяться входная величина. Предел – это разность между максимальной и минимальной входной величиной. Таким образом, динамометр, например, для измерения сил должен иметь диапазон от 0 до 50 кН и предел в 50 кН.
2. Ошибка. Ошибка – это разность между результатом измерения и действительным значением измеряемой величины. Ошибка = измеренная величина – действительное значение. Так, если система измерения показывает значение температуры 25С, когда в действительности температура равна 24С, то ошибка будет +1С. Если бы действительная температура равнялась 26С, то ошибка составила бы -1С. Датчик выдает разность сопротивления, равную 10.2 Ом, когда действительная разность должна была быть 10.5 Ом. Ошибка составляет -0.3 Ом.
3. Точность. Точность определяет степень ошибки, которую может допустить система измерения при отображении значения. Таким образом, это суммирование всех возможных ошибок, которые вероятно могут произойти, а также точности, с которой был откалиброван преобразователь. Температурно-измерительным приборам можно было бы задать точность, к примеру, +-2С. Это означало бы, что значение, считанное с прибора, вероятно, лежит в пределах + или – 2С от действительного значения. Точность часто выражается в процентах от полного диапазона выходных значений или в виде полного отклонения. Термин отклонение на всю шкалу используется, когда выходы измерительных систем отображены исключительно на круглой или линейной шкале. Например, датчику может быть задана точность +-5% от полного диапазона выходных значений. Так, скажем, если диапазон датчика составлял от 0 до 200С, тогда показываемое значение может находиться в пределах + или – 10С от действительного значения.
4. Чувствительность (дискретность). Чувствительность – это взаимосвязь, показывающая, как много выхода в количественном измерении соответствует единице входа, т.е. отношение выхода ко входу. Например, резистивный термометр может иметь чувствительность 0.5 Ом/С. Также этот термин часто используется для отображения чувствительности, не имеющей отношения к измеряемой величине, так называемой чувствительности, вызванной изменением окружающей среды. Таким образом, может существовать чувствительность преобразователя к изменениям температуры окружающей среды или возможным колебаниям напряжения источника питания. Преобразователь, предназначенный для измерения давления, котируется (???) в случае температурной чувствительности +-0.1% измеряемой величины на 1 градус С изменения температуры.
5. Гистерезисная погрешность. У преобразователей могут быть разные величины на выходе при измерении одной и той же величины, на основании чего можно сделать вывод, что эта ошибка было достигнута либо постоянно увеличивающимся изменением, либо уменьшающимся. Это явление называется гистерезисом. На рис. 2.1 показан такой выход с гистерезисной погрешностью, определяемой максимальной разностью выходного значения для увеличивающихся или уменьшающихся значений.
6. Ошибка нелинейности. Для многих преобразователей линейная зависимость между входом и выходом предполагается во всем рабочем диапазоне, т.е. выходная зависимость, нанесенная на график напротив входной предположительно даст прямую линию. Однако не у многих преобразователей по-настоящему линейная зависимость и поэтому случаются ошибки в предположении линейности. Ошибка определяется как максимальное отклонение от прямой. Различные методы используются для численного выражения ошибки нелинейности. Различия случаются при определении прямолинейной зависимости, по отношению к которой и определяется ошибка. Один из методов заключается в нанесении прямой, соединяющей выходные значения в конечных точках диапазона; другой – в поиске прямой методом наименьших квадратов для определения наиболее подходящей линии, когда все значения с одинаковой долей вероятности содержат ошибку; еще один - в поиске прямой методом наименьших квадратов для определения наиболее подходящей, которая бы проходила через нулевую точку. На рис. 2.2 изображены эти три метода и их возможное влияние на рассмотренную ошибку нелинейности. Ошибка в общем представляется в процентном отношении от полного диапазона выходных значений. Например, преобразователь для измерения давления котируется в случае ошибки нелинейности +-0.5% от полного диапазона.
7. Повторяемость/воспроизводимость. Термины повторяемость и воспроизводимость преобразователя используются для описания его возможности получения одинакового выхода при применениях повторяющихся входных значений. Ошибка, которая получается с одного и того же выхода (???) при повторяющихся входных значениях обычно выражается в процентном отношении от полного диапазона выходных значений. Преобразователь, измеряющий угловую скорость, обычно должен иметь повторяемость 0.01% полного диапазона при определенной угловой скорости.
8. Устойчивость (стабильность). Стабильность – это свойство преобразователя получать один и тот же выход при измерении постоянного входа на протяжении какого-то периода времени. Термин дрейф показаний (отклонение) часто используется для описания изменения выходной величины со временем. Дрейф может быть представлен в процентном отношении от полного диапазона выходных значений. Термин дрейф нуля применяется для изменений выходных значений при нулевом входе.
9. Зона нечувствительности. Зона нечувствительности или мертвая зона преобразователя – это диапазон входных значений, которым не соответствуют никакие выходные. Например, трение в подшипнике в измерителе расхода жидкости (расходомере) с рабочим колесом, означает, что на выходе не будет значения до тех пор, пока на входе скорость не достигнет порогового значения. Время нечувствительности – это временной отрезок, начинающийся применением входа и заканчивающийся реагированием или изменением выходной величины.
10. Дискретность (разрешение). Когда продолжительное время изменяется во всем диапазоне, выходные сигналы могут изменяться шагами на некоторых датчиках. Проволочный потенциометр является примером такого датчика, выход растет пошагово по мере перемещения подвижного контакта потенциометра от одного провода к другому. Дискретность – это минимальное изменение входной величины, которое вызовет видимое изменение выхода. Для проволочного потенциометра дискретность может быть определена, скажем, на 0.5% или, возможно, на уровне 1% от полного отклонения. Для датчика, имеющего цифровой выход, малейшее изменение выходного сигнала – 1бит. Таким образом, для датчика, у которого на выходе слово из Nбит, т.е. всего 2Nбит, дискретность может быть выражена как 1/2N.
11. Выходное полное сопротивление. Если датчик, имеющий электрический выход, связан с цепью, необходимо знать полное выходное сопротивление, т.к. это сопротивление подключено к цепи последовательно или параллельно. Поэтому включение датчика в цепь может значительно изменить поведение системы, к которой он подключен. См. Раздел 4.1.1 для обсуждения нагрузки.
Для иллюстрации вышесказанного рассмотрим значения параметров в следующей спецификации преобразователя тензометра:
Диапазон: от 70 до 1000 кПа, от 2000 до 70000 кПа.
Питающее напряжение: 10В пост. илиперем. среднекв. Значение
Полный выходной диапазон: 40 мВ
Нелинейность и гистерезис: +-0.5% от 40мВ
Температурный диапазон: от -54С до 120С во время работы
Температурный дрейф нуля: 0.03% от 40мВ / С
Диапазон указывает на то, что преобразователь может быть использован для измерения давления в диапазоне 70-1000 кПа или 2000-70000 кПа. Для его работы необходим пост. илиперем. 10В источник питания, где 10В – среднеквадратичное значение. На выходе получится 40мВ при давлении из нижнего диапазона 1000 кПа и 70000 кПа из верхнего. Нелинейность и гистерезис приведут к ошибкам +-0.5% от 1000, т.е. +-5 кПа в нижнем диапазоне и 0.5% от 70000, т.е. +-350 кПа в верхнем диапазоне. Преобразователь может эксплуатироваться при температурах от -54С до +120С. Когда температура изменяется на 1С, при нулевом входе выход преобразователя изменится на 0.03% от 1000 = 0.3 кПа в нижнем диапазоне и 0.03% от 70000 = 21 кПа в верхнем диапазоне.