Первичные измерительные преобразователи

Первичные ИПр являются наиболее ответственными элементами приборов и систем. Они в наибольшей степени подвержены влиянию объекта измерений и окружающей среды, поэтому в первую очередь нуждаются в защите от нежелательных воздействий. Метрологические характеристики первичных ИПр оказывают наиболее сильное влияние на точность создаваемых ИУ. Поэтому выбор или проектирование первичных ИПр требуют особого внимания.

Первичные ИПр делят на группы преобразователей, отличающихся физическим принципом действия: механические, электрические, оптические, тепловые, магнитные, электромагнитные, оптико-электронные и др. Каждая такая группа содержит множество разных ИПр, отличающихся конструкцией, способом применения, характеристиками и пр. Например, к группе электромагнитных ИПр относятся трансформаторные, индуктивные, индукционные, магнитоэлектрические, магнитомодуляционные, вихретоковые и другие ИПр [16, 31].

Измеряемые величины, в свою очередь, делят на группы однородных физических величин: геометрические, линейно-угловые, кинематические, теплотехнические, световые, высотно-скоростные, электрофизические и др. Например, в группу теплотехнических величин входят давление, температура, сила, момент, расход, уровень, плотность и концентрация веществ.

Каждому ИПр присуща естественная физическая величина, которая лучше всего воспринимается на фоне остальных влияющих величин. Для измерения других физических величин используют различные предварительные преобразователи, с помощью которых измеряемая величина преобразуется в естественную (для данного ИПр) физическую величину. В качестве примера па рис. 2.9 показаны схемы индуктивных ИУ для измерения давления Р (рис. 2.9, а), ускорения а (рис. 2.9, б) и силы F (puc. 2.9, в).

Предварительными преобразователями (и чувствительными элементами) в них являются, соответственно, мембрана 1, инерционная масса 2 и упругий элемент (кольцо) 3. Перемещение х этих элементов воспринимается индуктивным измерительным преобразователем перемещения ИПр. Для него перемещение х является естественной физической величиной. Такой преобразователь содержится в любом индуктивном приборе, но может иметь разную конструкцию [29 ].

Рис. 2.9. Индуктивные измерительные приборы:

а — манометр; б — акселерометр; в — динамометр (1 — мембрана; 2 — инерционная масса; 3 — упругое кольцо; ИПр — индуктивный измерительный преобразователь перемещения) В табл. 2.2 для наиболее распространенных видов первичных ИПр символом П обозначена их естественная физическая величина, символом х — величина, для измерения которой (с помощью данного ИПр) необходим предварительный преобразователь, символом * — генераторные ИПр, символом # — параметрические ИПр, а символом ® — радиационные ИПр [ 16].

Видно, что многие ИПр пригодны для измерения нескольких физических величин. Сохранение метрологических характеристик соответствующих ИУ требует особого внимания к выбору предварительного преобразователя, так как погрешность этого преобразователя часто оказывается доминирующей, сводя на нет достоинства используемого ИПр.

Таблица 2.2

Функциональные возможности первичных ИПр

Главными требованиями при выборе или проектировании первичных ИПр являются:

• • высокая чувствительность к измеряемой физической величине и одновременно нечувствительность (инвариантность) к другим влияющим величинам;
• • стабильность функции преобразования;
• • высокая надежность, длительный срок службы, безотказность в работе, взаимозаменяемость и т. д.;
• • адекватная реакция на изменение измеряемой величины во времени, т. е. малая инерционность;
• • технологичность, малые габариты и масса, низкая себестоимость и высокие потребительские свойства.

Добиться выполнения всех перечисленных требований непросто. Этому способствует использование новых физических явлений, определяющих физический принцип действия ИПр, применение современных технологий и материалов, реализация эффективных способов повышения метрологических и эксплуатационных характеристик и пр. Наиболее успешным направлением в этой области является интеллектуализация датчиков. Она достигается интегральным исполнением датчиков и цифровых средств первинной обработки измерительного сигнала (микропроцессоров). В результате становятся возможными линеаризация статической характеристики датчика, подавление шумов, коррекция динамических искажений сигнала, автоматическая самодиагностика, дистанционное управление, накопление и первичная обработка данных, документирование результатов измерений, автокалибровка и восстановление работоспособности.