Содержание
Стр.
I. Введение ………………………………………………………………………….2
II. Общая часть …………………………………………………………………….8
III. Устройство и принцип работы измерительных преобразователей Физические основы его работы ……………………….11
1. Реостатные преобразователи …………………………………………………….11
2. Индуктивные преобразователи ………………………………………………….13
3. Емкостные преобразователи …………………………………………………….17
IV. Применение измерительного преобразователя в системах
автоматического контроля или регулирования……………………………19
Системы автоматического контроля ………………………………………………19
V. Конкретная структурная схема САР ……………………………………..22
Характеристики САР………………………………………………………………..22
VI. Описание работы выбранной САР………………………………………23
VII. Характеристики выбранной САР……………………………………….24
VIII. Выводы………………………………………………………………………25
Литература…………………………………………………………………………26


I. Введение
Комплексная автоматизация производства и измерений связана с получением данных о значении различных физических величин, характеризующих состояние объекта управления (исследования), — механических, тепловых, химических, оптических и других величин, которые принято называть неэлектрическими.
Существует ряд способов измерения неэлектрических величин, различающихся по виду энергии сигнала измерительной информации.
Однако мы опишем только электрический способ измерения, так как это наиболее широко распространенный способ измерения. Он имеет ряд достоинств, которые способствовали ему широкое распространение, а именно точность, удобство в эксплуатации измерительных приборов, легкость в исполнении (проектировании, производстве) измерительных приборов, хорошо изученный математический материал, компактность измерительных приборов, возможность сопряжения с вычислительной машиной.
Рис. 1.1 Структура устройства для измерения не электрических величин.
Упрощенная структурная схема приведена на рис 1.1, где 1. ПП — первичный измерительный преобразователь
2. ИЦ — измерительная цепь
3. ОУ — отчетное устройство, в качестве которого используют
электроизмерительный показывающий прибор. В отдельных случаях результат измерения представляется в цифровой форме (кодируется).
Размещенный непосредственно на объекте ПП преобразует неэлектрическую величину Х в электрическую величину У. Кроме термина "первичный преобразователь" для обозначения элемента, преобразующего неэлектрическую величину в электрическую, применяют термин "датчик неэлектрической величины” или просто "датчик".
К первичным преобразователям (ПП) предъявляют требования воспроизводимости и однозначности характеристики преобразования У=F(Х), стабильности во времени характеристики преобразователя, минимального обратного действия преобразователя на исследуемый объект, точности быстродействия и др.
Первичные измерительные преобразователи очень разнообразны по принципу действия, устройству, виду энергии входного сигнала, метрологическим и эксплуатационным характеристикам.
Целесообразно классифицировать их по физической природе явлений, лежащих в основе их работы, с учетом вида преобразуемой энергии. По указанным признакам первичные преобразователи можно подразделить на:
1. механические резистивные (контактные, реостатные, тензометрические)
2. электростатические (емкостные, пьезоэлектрические)
3. электромагнитные (индуктивные, индукционные, магнитоупругие)
4. теплоэлектрические (термоэлектрические, терморезистивные)
5. электрохимические (резистивные элктролитичекие, кулонометрические, химотронные)
6. оптико-электрические
7. гальванокинетические
8. Атомные (ионизационного излучения, квантовые)
Только одно перечисление групп первичных преобразователей неэлектрических величин свидетельствует о том, сколь широк круг вопросов, относящихся к измерению неэлектрических величин, и как важно унифицировать методы и средства их измерений.
На вход первичного преобразователя кроме входной величины Х действуют и другие параметры объекта и окружающей среды. В этих условиях первичный преобразователь должен избирательно реагировать только на значение входной величины и не реагировать на влияние всех остальных факторов. Задача подавления чувствительности первичного преобразователя к влияющим величинам относится к важным задачам, решаемым конструктивными и схемными методами.

Рис. 1.2. Чувствительные элементы дифференциальных датчиков:
а — резистивпого; б — индуктивного
Если изменение неэлектрической величины приводит к изменению пассивного параметра ПП — сопротивления, емкости, индуктивности или взаимной индуктивности, то ПП называются параметрическими, а если к генерированию активной величины (ЭДС тока), то генераторными.
Особенно широко применяются дифференциальные ПП. Чувствительные элементы (ЧЭ) таких первичных преобразователей показаны на рис1.2.
При воздействии измеряемой величины Х на ЧЭ дифференциального ПП на выходе его формируются два сигнала, направленных навстречу друг другу. Разность этих сигналов поступает в измерительный канал, состоящий из преобразователей и измерительного прибора. Например, ЧЭ индуктивного дифференциального первичного преобразователя (рис.1.2, б) состоит из двух одинаковых неподвижных сердечников с обмотками и одного общего якоря, при перемещении которого на расстояние Х изменяются индуктивности L1 и L2 обмоток. В зависимости от направления перемещения одна из индуктивностей увеличивается, а другая уменьшается.
Аналогично устроены резистивные, емкостные и другие дифференциальные первичные преобразователи. Аддитивная составляющая погрешности преобразования дифференциальных первичных преобразователей существенно меньше, чем у недифференциальных, так как погрешности, вызванные влияющими величинами, взаимно компенсируются, а реакция на изменение неэлектрической величины гораздо сильнее.
Выходной сигнал первичного преобразователя У поступает в канал преобразования измерительной информации, структурные схемы которого зависит от типа первичного преобразователя , его выходной мощности, а также от требований к точности и быстродействию измерительного устройства.

Рис1.3. Измерительные цепи приборов для измерения неэлектрических величин с параметрическими датчиками
Измерительные цепи И Ц(см. рис:1.2) могут строиться по структурным схемам прямого и уравновешивающего преобразователя.
Измерительные цепи (ИЦ) прямого преобразования, в свою очередь, делятся на работающие с генераторными и параметрическими первичными преобразователями.
Основным принципом построения ИЦ прямого преобразования с генераторными ПП является принцип согласования выходных и входных сопротивлений последовательно включенных преобразователей, обеспечивающий минимальные потери измерительной информации в канале преобразования.
С параметрическими ПП используются три вида измерительных цепей прямого преобразования (рис1.3): цепи последовательного включения (а), цепи в виде делителей (б) и цепи в виде небалансных (неравновесных) мостов (е).
Измерительные цепи последовательного включения и в виде делителей отличаются общим недостатком — наличием выходного сигнала (Y=1) при отсутствии входного (Х=0).
В неравновесных мостах этот недостаток устранен. Кроме того, ИЦ на основе небалансных мостов имеют больше возможностей, так как параметрические первичные преобразователи могут быть включены в одно, два или все четыре плеча моста, что соответствует увеличению выходной мощности ИЦ, т. е. повышению ее чувствительности.
Чувствительность S всего измерительного устройства прямого преобразователя, состоящего из последовательного ряда измерительных преобразователей, определяется по формуле

S=S1S2S3…Sn (1.1)
где S1, S2, Sз... Sn — чувствительности преобразователей, образующих канал передачи информации.
Каждый преобразователь имеет свою погрешность, и, очевидно, максимальная погрешность всего измерительного устройства, построенного по методу прямого преобразования, окажется равной сумме погрешностей отдельных преобразователей. Поэтому, несмотря на простоту и быстродействие приборов, построенных по методу прямого преобразования, для точных измерений неэлектрических величин применяют метод уравновешивания.
В этом случае чувствительность измерительного устройства (ИУ) определяется формулой
S=k/(1+K?) (1.2)
где К—коэффициент передачи цепи прямого преобразования; ?— коэффициент передачи цепи обратного преобразования.
При выполнении условия К?>>1 погрешность ИУ будет определяться только погрешностью цепи обратного преобразования.
Значения выходных величин большинства первичных преобразователей — термопар, терморезисторов, ионизационных преобразователей, газоанализаторов и других незначительны и находятся обычно в диапазоне 10-6 — 10-2 В и 10-10 —10-5 А. без предварительного усиления столь малые напряжения и токи невозможно ни измерить показывающими электроизмерительными приборами, ни передать по линиям связи без существенных погрешностей. Поэтому одной из задач современной измерительной техники является усиление с высокой точностью и функциональное преобразование малых напряжений и токов.
В связи с развитием операционных интегральных усилителей для параметрических преобразователей начали широко применяться мостовые цепи с автоматическим уравновешиванием.
Схема моста следящего уравновешивания со статической характеристикой приведена на рис. 1.4. Здесь R1 — медный терморезистор, предназначенный для измерения температуры, а остальные плечи моста образованы резисторами R2 R4 и Rз+Rm.

Рис.1.4. Схема моста со статическим следящим уравновешиванием

Пусть при измеряемой температуре 0=0 сопротивление R.1 = Rз + RM и
R2 = R4, тогда напряжение на диагонали Uав, подаваемое на вход усилителя, также равно нулю и ток указателя Iуk=0. При возрастании и сопротивления R1
усилитель будет давать на выходе такой ток Iyk, чтобы падение напряжения на резисторе Rм уравновешивало прирост напряжения на резисторе R1. Таким образом, мост будет оставаться в равновесии и шкала прибора будет линейна при приращениях ?R1 а сопротивление Rм определит масштаб соотношения между ?R1 и Iyk. Измерительные цепи уравновешивающего преобразования с компенсацией измеряемых неэлектрических величин применяются часто для измерения механических усилий, крутящих моментов, магнитных величин и др.
Первичные преобразователи с помощью соединительных проводов могут быть удалены от ИЦ на некоторое расстояние. В этом случае на результат измерения могут оказывать влияние вариация значений сопротивлений соединительных проводов при изменении температуры окружающей среды и паразитные ЭДС, возникающие от действия внешних электромагнитных полей.
Погрешность, вносимая соединительной линией (каналом связи), должна рассматриваться как составляющая методической погрешности, входящей в суммарную погрешность измерений неэлектрической величины. Точность результата такого измерения может быть оценена приближенной максимальной погрешностью по формуле:
|?max|=|?пп|+|?иц|+|?еr|+|?м| (1.3)
где ?max — предел допускаемой относительной погрешности измерения неэлектрической величины; ?пп — максимальное значение относительной погрешности первичного преобразователя ; ?иц — относительная погрешность измерительной цепи; ?еr—относительная погрешность измерения выходного показывающего прибора; ?м —методическая погрешность.








II. Общая часть
1. Характеристики измерительных преобразователей неэлектрических величин.
Зависимость выходной величины измерительного преобразователя у от входной х выражается уравнением преобразования у =f (х) Уравнение преобразования (функцию преобразования) обычно приходится находить экспериментально, т. е. прибегать к градуировке преобразователей. Результаты градуировки выражаются в виде таблиц, графиков или аналитически.
Часто у преобразователей выходной сигнал у зависит не только от входной измеряемой величины х, но и от внешнего фактора Z , т. е. функция преобразования в общем виде,y =f(х, Z).
В этом случае при градуировке определяется ряд функций преобразования при разных значениях Z.
Знание функций преобразования при разных значениях влияющего фактора позволяет тем или иным способом (введением поправки, автоматической коррекцией) учесть влияние внешнего фактора. Например, электрическая проводимость к растворов электролитов зависит от концентрации С и температуры t. Поэтому при использовании зависимости к =f(С) для определения концентрации нужно либо поддерживать температуру раствора постоянной, либо вводить поправки (расчетным путем или автоматически), зная влияние температуры на эту зависимость.
При оценке и сравнении измерительных преобразователей необходимо учитывать следующие их основные свойства.
1. Воспроизводимость функции преобразования. Возможность изготовлять преобразователи с заранее предусмотренными характеристиками является необходимым условием выпуска взаимозаменяемых преобразователей.
2. Постоянство во времени функции преобразования. При изменении с течением времени функции преобразования приходится повторять градуировку, что крайне нежелательно, а в некоторых случаях невозможно (например, преобразователь работает в недоступном месте).
3. Вид функции преобразования. Обычно наиболее желателен линейный вид зависимости y=f/(х), что облегчает унификацию выходного сигнала преобразователей с целью использования их с цифровыми измерительными приборами, измерительными информационными системами и вычислительными машинами.
4. Важными характеристиками преобразователя являются его погрешности и чувствительность.
Основная погрешность преобразователя может быть обусловлена принципом действия, несовершенством конструкции и технологии
изготовления и проявляется она при номинальных значениях внешних факторов.
Основная погрешность рассматриваемого отдельно преобразователя может складываться из некоторых составляющих: погрешности, обусловленной неточностью образцовых приборов и мер, с помощью которых производилась градуировка; погрешности за счет приближенного выражения (табличным, графическим, аналитическим способом) функции преобразования; погрешности, обусловленной неполным совпадением функций преобразования при возрастании и убывании измеряемой величины (гистерезис функции преобразования);
погрешности от неполной воспроизводимости характеристик преобразователя (например, чувствительности). Последняя погрешность исключается при индивидуальной градуировке. На практике все составляющие проявляются в виде одной основной погрешности.
Дополнительные погрешности преобразователя, обусловливаемые принципом его действия, несовершенством конструкции и технологии изготовления, проявляются при отклонении влияющих величин от их номинальных значений.
Рассмотренные выше погрешности определяются при неизменных во времени измеряемых величинах и носят название статических
5. Обратное воздействие преобразователя на измеряемую величину. Преобразователи оказывают обратное влияние на измеряемую величину, искажая ее и вызывая тем самым изменение выходного сигнала.

Рис. 1.5. Электрический
термоанемометр
Пояснить это можно на примере термоанемометра (рис.1.5), который представляет собой термочувствительный резистор R, нагреваемый электрическим током и помещаемый на пути потока газа или жидкости, скорость которого измеряется. Изменение скорости потока вызывает изменение условий теплообмена терморезистора со средой, изменение его температуры и сопротивления. Измеряя сопротивление резистора тем или иным способом, можно судить о скорости потока. Но очевидно, что терморезистор, помещенный на пути потока, изменяет скорость его, и в этом проявляется обратное влияние преобразователя на измеряемую величину. Обратное влияние на практике учесть трудно, а поэтому стараются его сделать минимальным.
6. Динамические свойства преобразователя. При изменении входной величины в преобразователе возникает переходный процесс, характер которого зависит от наличия в преобразователе элементов, запасающих энергию (двигающиеся детали, электрические конденсаторы, катушки индуктивности, детали, обладающие теплоемкостью и т. д.).
Переходный процесс проявляется в виде инерции — запаздывания реакции преобразователя на изменение входной величины. Например, при погружении
термопары в среду, температура которой измеряется, термо-э. д. с. на выходе термопары установится в соответствии с измеряемой температурой только по истечении некоторого промежутка времени.
При измерении быстро изменяющихся величин преобразователь работает в нестационарном режиме, а поэтому при оценке качества преобразователей необходимо учитывать их динамические характеристики, которые в значительной мере определяют точность измерения.
Динамические свойства преобразователя в соответствии с ГОСТ 8.256—77 могут быть охарактеризованы полными и частными динамическими характеристиками.
Обычно от преобразователя требуется, чтобы он вносил минимальное запаздывание в процесс преобразования.
Кроме рассмотренных свойств, при оценке преобразователей учитываются также и другие показатели качества их работы; влияние внешних факторов (температуры, давления, вибрации и т. д.), взрывобезопасность, устойчивость к механическим, тепловым, электрическим и другим перегрузкам, удобство монта/ка и обслуживания, габариты, масса, удобство градуировки, стоимость изготовления и эксплуатации, надежность и т. д.
Для удобства изучения измерительные преобразователи классифицируют по принципу их действия, т, е. по тому явлению, которое используется для преобразования неэлектрической величины в электрическую. Преобразователей, отличающихся принципом действия, очень много. Ниже будут рассмотрены только наиболее часто применяемые преобразователи.


III. Устройство и принцип работы измерительных преобразователей Физические основы его работы
Для измерения линейных и угловых премещений служат реостатные преобразователи, емкостные преобразователи, индуктивные преобразователи.
Опишем каждый тип преобразователей в отдельности.
1. Реостатные преобразователи.
Реостатные преобразователи основаны на изменении электрического сопротивления проводника под влиянием входной величины — перемещения. Реостатный преобразователь, как показывает само название, представляет собой в простейшем случае реостат, щетка (движок) которого перемещается под воздействием измеряемой неэлектрической величины. На рис. 1.6. схематически показаны некоторые варианты конструкций реостатных преобразователей для углового (рис. 1.6.а) и линейного (рис. 1.6. в) перемещений. Преобразователь состоит из обмотки, нанесенной на каркас, и щетки. Форма каркаса зависит от характера измеряемого перемещения (линейное, угловое), от вида функций преобразования (линейная, нелинейная) и других факторов и может иметь вид цилиндра, тора, призмы и т. д. Для изготовления каркасов применяются диэлектрики (гетинакс, пластмасса, керамика) и металлы (дюралюминий с анодированной поверхностью).
Проволока для обмотки выполняется из сплавов (сплав платины с иридием (5—30%), константан, нихром и фехраль). Для обмотки преобразователя обычно используется изолированный эмалью или оксидной пленкой провод После изготовления обмотки изоляция провода счищается в местах соприкосновения его со щеткой.
Щетка преобразователя выполняется либо из проволок, либо из плоских пружинящих полосок, причем используются как чистые


Рис.1.6. Реостатные преобразователи для угловых (а), линейных, (б)
перемещений и для функционального преобразования линейных
перемещений (в)
металлы (платина, серебро), так и сплавы (платина с иридием, фосфористая бронза, медно-серебряные сплавы и т. д.). Качество контакта щетки и обмотки определяется контактным давлением, которой выбирается в широких пределах от десятых долей грамма до сотых граммов в зависимости от материалов контакта и обмотки и условий работы преобразователя.
Габариты преобразователя определяются значением измеряемого перемещения, сопротивлением обмотки и мощностью, выделяемой в обмотке.
Для получения нелинейной функции преобразования применяются функциональные реостатные преобразователи. Нужный характер функции преобразования очень часто достигается профилированием каркаса преобразователя (рис.1.6.в).
В рассматриваемых реостатных преобразователях зависимости изменения сопротивления от перемещения щетки имеет ступенчатый характер, так как сопротивление изменяется скачками на значении сопротивления одного витка. Это вызывает погрешность преобразования. Максимальная приведенная погрешность при этом у = ?R/R, где ?R—максимальное сопротивление одного витка R — полное сопротивление преобразователя.
Иногда применяются реохордные преобразователи, в которых щетка скользит вдоль оси проволоки. В этих преобразователях от сутствует указанная выше погрешность.
Выходной параметр реостатных преобразователей — сопротивление — измеряется обычно с помощью мостовой схемы.
К достоинствам преобразователей относится возможность получения высокой точности, значительных по уровню выходных сигналов и относительная простота конструкции. Недостатки — наличие скользящего контакта, необходимость относительно больших перемещений движка, а иногда и значительного усилия для его перемещения.
Применяются реостатные преобразователи для преобразования сравнительно больших перемещений (угловых, линейных).