2.2. КЛАССИЧЕСКИЕ ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ И ИХ СТРУКТУРА

Структура классических измерительных систем представлена на рисунке 2.1.

Обычно измерительной системой называют всю совокупность измерительных приборов и устройств, необходимых для проведения измерения. При этом под «системой» понимался как одиночный прибор, так и сложная измерительная установка. Далее мы детализируем внутреннюю конфигурацию или структуру измерительной системы, рассмотрим функциональную внутреннюю структуру измерительной системы (рис. 2.1).

  • 1. Источник возбуждения. В тех случаях, когда измеряемая величина не является активной, необходимо воспользоваться источником возбуждения, который будет оказывать воздействие на измеряемый объект. Тогда отклик объекта (вместе с самим воздействием) будет содержать желаемую информацию. Если же измеряемый объект сам порождает сигнал, уже содержащий желаемую информацию, то во внешнем возбуждении нет надобности.
  • 2. Преобразование. Когда измеряемая величина имеет электрическую природу ее не надо преобразовывать. Когда нужно измерить неэлектрические параметры, применяется датчик или преобразователь. В датчике входной параметр или переменная трансформируются в электрический выходной сигнал, который несет информацию об исходной измеряемой величине.

Рис. 2.1

Обобщенная структура измерительной системы

  • 3. Обработка. Как правило, электрический сигнал на выходе датчика не пригоден для того, чтобы быть непосредственно представленным наблюдателю. Часто бывает необходимо сначала подвергнуть его обработке того или иного вида (усилению, фильтрации, коррекции нелинейности датчика и др.).
  • 4. Регистрация. После обработки выходной сигнал можно сразу представить наблюдателю, а можно временно сохранить в памяти и воспользоваться им позднее, т. е. зарегистрировать результаты измерения.
  • 5. Индикация. Сразу после обработки сигнал может быть представлен наблюдателю (минуя регистрацию).

Устройство, предназначенное для представления результатов измерения человеку-наблюдателю, мы назвали «устройством индикации» (дисплеем).

6. Управление. Бывает так, что результат измерения не регистрируется и не воспроизводится средством индикации, а непосредственно используется для управления каким-то процессом. Целью управления процессом является такое регулирование, при котором выходной продукт соответствует определенным требованиям.

Не во всякой измерительной системе имеются все шесть подсистем, указанных на рисунке 2.1. Подсистемы не обязательно должны следовать в указанном порядке. Ниже рассмотрим подсистемы, на которые мы разбили измерительную систему общего вида.

Информация, которую мы хотим получить от измеряемого объекта, не всегда имеет форму активной информации. В тех случаях, когда измеряемая величина не является активной, необходимо воспользоваться источником возбуждения, который будет оказывать воздействие на измеряемый объект. Тогда отклик объекта (вместе с самим воздействием) будет содержать желаемую информацию. Если же измеряемый объект сам порождает сигнал, уже содержащий желаемую информацию, то во внешнем возбуждении нет надобности.

Часто параметр или переменная величина, которую мы хотим измерить, имеет электрическую природу. Когда нужно измерить неэлектрические параметры или переменные, такие как жесткость, тепловое сопротивление, смещение ит. д., чаще всего применяется того или иного рода датчик или преобразователь, и система в целом не остается чисто механической или тепловой измерительной системой. В датчике входной параметр или переменная трансформируются в электрический выходной сигнал, который несет информацию об исходной измеряемой величине.

Большим достоинством такого преобразования в электрический сигнал является тот факт, что оно дает нам возможность в дальнейшем обрабатывать информацию с помощью электроники, а это совсем не дорогой и гибкий способ обработки. Например, в таком виде информацию легко передавать на большие расстояния при минимальном мешающем действии окружающей среды. Передавая измерительную информацию, мы можем осуществлять измерения на расстоянии (это называют телеметрией). Особенно полезно это для измерений в недоступных местах или в агрессивной среде, например, под водой (в океанографии), в атмосфере (в метеорологии) или при измерении большого числа объектов, которые разнесены далеко друг от друга (например, измерения в пищевой или нефтяной промышленности). Иногда передача информации осуществляется другими, неэлектрическими средствами.

В некоторых отраслях обрабатывающей промышленности, где имеют дело с воспламеняющимися веществами, для передачи информации применяют пневматическую телеметрию. Данные измерений в этом случае передаются по тонким трубкам посредством давления газа. Если телеметрический канал оборван (или в нем произошло короткое замыкание), то в некоторых случаях внезапное появление нуля на выходе может быть опасным, когда известно, что измеряемая величина заведомо не равна нулю. По этой причине часто определенное значение тока или напряжения покоя принимают за нулевое значение, называя его «живым нулем». Когда «живой нуль» нарушается, неполадки обнаруживаются и активизируется механизм, обеспечивающий безопасность при возникновении неполадок, чтобы вернуться к безопасным условиям работы.

В телеметрической системе измерительная информация не обязательно бывает представлена в виде величины электрического потенциала или тока. Иногда, чтобы сделать систему менее чувствительной к возмущениям, информацию помещают в частоту сигнала или в длительность импульсов, следующих с постоянной частотой, или даже передают ее в цифровом виде. Эти методы передачи обладают большой помехоустойчивостью и лучше защищены от шумов. Как правило, электрический сигнал на выходе датчика не пригоден для того, чтобы быть непосредственно представленным наблюдателю. Часто бывает необходимо сначала подвергнуть его обработке того или иного вида (усилению, фильтрации, коррекции нелинейности датчика и др.). После такой обработки сигнал может быть представлен наблюдателю. Мы можем показать результат человеку-наблюдателю или управлять посредством результирующего выходного сигнала механическим наблюдателем (автоматом). Выходной сигнал можно также временно сохранить в памяти и воспользоваться им позднее. В этом случае говорят о регистрации результата измерения.

Иногда различные подсистемы могут быть объединены в один измерительный прибор, но могут быть также реализованы порознь, как отдельные устройства. Магнитофон, например, является лишь регистрирующим прибором, тогда как перьевой самописец служит как для регистрации результата измерения, так и в качестве устройства индикации.

Ниже рассмотрим подсистемы, на которые мы разбили измерительную систему общего вида.

Измерительный сигнал — энергетическое физическое явление, несущее информацию. Предполагается, что такой сигнал относится к соответствующей области физики или к ее определенному разделу. Например, механический, тепловой, электрический и магнитный сигналы принадлежат каждый к своей собственной соответственной физической области. Чтобы обеспечить перенос из одной физической области в другую, должна существовать возможность отображать сигналы из одной физической области на сигналы из другой области.

Такое отображение осуществляют «преобразователи», которые способны энергетическое физическое явление одного рода (из одной области) преобразовывать в явление другого рода (в другой области). При преобразовании должна сохраняться информация, содержащаяся в исходном энергетическом явлении.

Такие сохраняющие информацию энергетические преобразователи называют измерительными датчиками.

Кроме отображения сигналов, принадлежащих различным областям, друг на друга, необходимо также иметь возможность отображать друг на друга сигналы из одной и той же области. В этом случае энергетическое явление преобразуется в подобное ему энергетическое явление с сохранением соответствующей информации, содержащейся в исходном явлении. Может понадобиться увеличить мощность явления (усиление мощности) или опустить какую-то ненужную информацию (фильтрация).

Происходящие в веществе физические эффекты, используемые для отображения сигналов из различных областей называют эффектами переноса, тогда как для отображения сигналов в пределах одной области используются происходящие в веществе эффекты, называемые прямыми. Например, эффект переноса:

  • • из электрической области в тепловую (эффект Пельтье);
  • • из тепловой области в электрическую (эффект Зеебека);
  • • из магнитной области в электрическую (эффект Холла).

Примеры прямых эффектов, происходящих в веществе в электрической области, — электрическое сопротивление, в механической области — упругость.

В отношении свойства датчиков преобразовывать энергию различают два типа датчиков: пассивные и активные. Пассивными являются такие датчики, которые функционируют без потребления энергии от вспомогательного источника (рис. 2.2а).

Средняя мощность сигнала на выходе Р0 является частью средней мощности Р объекта отдаваемой измеряемым объектом. Однако физически реализуемое преобра-

Рис. 2.2

Пассивный и активный датчики:

^объекта — МОЩНОСТЬ НЯ ВХОДЯ, Р0 — МОЩНОСТЬ НЯ ВЫХОДЯ, Рпот — МОЩНОСТЬ,

которяя теряется в процессе преобрязовяния, Рс — мощность упрявляющего воздействия, Ррй мощность вспомогятельного источникя; а — пяссивный

ДЯТЧИК, б — АКТИВНЫЙ ДАТЧИК.

зование энергии всегда сопровождается потерями (мощности Рпот), поэтому

Возможно, в принципе, накопление энергии в датчике на короткое время. Следовательно, приведенное выше соотношение справедливо только для значений, являющихся результатом усреднения на протяженном интервале времени.

Когда измеряемый объект нельзя сильно нагружать, т. е. он может отдавать лишь очень малую входную мощность, существенным становится коэффициент полезного действия (КПД) пассивного датчика.

Конечно, КПД процесса преобразования, не так важен в случае, когда на входе имеется большая мощность. Все механические вольтметры, амперметры и ваттметры являются примерами этого класса пассивных датчиков. В них электрическая энергия преобразуется в механическую энергию в форме потенциальной энергии сжатой пружины подвижной системы измерительного прибора.

Активными являются такие датчики, которым требуется вспомогательный источник питания (рис. 2.26). Выходная мощность датчика Р0 почти полностью берется из этого вспомогательного источника питания, отдающего мощность Pps. Мощность, которую отдает измеряемый объект, практически равна нулю. Требуется лишь совсем малая мощность Рс, чтобы управлять выходной мощностью датчика (рис. 2.26); этот процесс преобразования схематически изображен в виде заслонки.

Подавая мощность от вспомогательного источника, можно реализовать датчики с усилением, обладающие очень высокой чувствительностью. Как уже говорилось, во многих измерительных системах используются датчики, преобразующие неэлектрические сигналы в электрические, поскольку обработка и передача сигналов в электрической области сравнительно просты. Поэтому мы ограничим наше рассмотрение датчиками, которые отображают сигналы из различных физических областей на сигналы в электрической области, а также обратными преобразователями, которые переводят электрический сигнал в неэлектрическую величину.

Датчики первой категории нужны на входе измерительной системы. Поэтому они называются входными, или измерительными датчиками.

Обратные преобразователи нужны на выходе измерительной системы для целей индикации и регистрации данных или для управления другими процессами. Поэтому их называют выходными датчиками, или исполнительными механизмами.

К сожалению, не существует единой терминологии в мире датчиков. Их называют по-разному: сенсор, чувствительный элемент, измерительный преобразователь и т. п.

Классификацию датчиков часто производят по той величине, которая измеряется с их помощью (датчик смещения, акселерометр, тензодатчик и т. д.), или по принципу действия (емкостной датчик смещения, пьезоэлектрический акселерометр, резистивный тензодатчик и т. д.). Одной из причин преобразования неэлектрических сигналов в электрические является большое разнообразие и гибкость методов обработки, предлагаемых современной электроникой.

Обычно электронный измерительный сигнал или выходной сигнал датчика сам по себе не пригоден для непосредственной индикации, регистрации или управления машиной и поэтому должен быть сначала преобразован.

Обработка сигнала может быть линейной, частотно-зависимой (фильтрация) или (квази-) частотно-независимой (усиление, ослабление). Возможно также выполнение нелинейных операций (выпрямление, определение среднеквадратичного значения, аналого-цифровое преобразование и др.).

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ ОРИГИНАЛ   След >