1.2. Датчики (пип). Основные понятия

В качестве вступления к рассмотрению данной темы используем предположение, что исчерпывающая классификация и единый подход к рассмотрению всего многообразия ПИП вряд ли возможны.

Перед тем как предложить один из возможных вариантов начальной классификации ПИП сформулируем базовые понятия, имеющие отношение к первичному измерительному преобразованию. Причём, при рассмотрении ПИП вопросы об ИЗМЕРЕНИИ в полном объёме рассматривать не будем. Предположим, что в полном объёме они должны быть рассмотрены в таких технических (учебных) дисциплинах, как метрология, теория измерений, измерительные приборы и т.д.

Базовые понятия ПИП:

Измерительный преобразователь (ИП) – устройство, преобразующее значение одной физической величины (входной, измеряемой) в значения другой физической величины (выходной). Выходная величина ИП (сигнал) должна быть удобной для дальнейшего использования (вся совокупность дальнейших преобразований).

Измерение – это нахождение опытным путем с помощью технических средств значений физической величины, которые выбираются из принятой (человечеством?) шкалы значений этой физической величины.

Наверное, можно считать, что измерение по своей сути – сравнение измеряемой величины со шкалой (диапазонами дискретных значений физической величины). С нашей точки зрения, при любом измерении имеет место операция квантования измеряемой величины, поскольку любая современная шкала значений физической величины является дискретной.

Средство измерения – это техническое средство, использующееся при измерениях. Приведённое определение является «штатным» для данного словосочетания. По сути данного определения средством измерения является совокупность измерительных преобразователей. По видимому, если продолжать дальше, средство измерения – компонент (система, элемент системы – подсистема), необходимый для получения информации.

Измерительный прибор – это прибор, состоящий из совокупности определённых средств измерения и устройства вывода информации. По сути, видимо то же, что и средство измерения. Но, обязательно добавляется устройство отображения (считывания значений, индикации значений измеряемой величины).

В качестве примера схемы измерительного прибора можно использовать схему, показанную на рисунке 1. При этом на данной схеме структурные блоки 1 и 2 – соответствуют совокупности ИП (в том числе нормирующим преобразователям и каналам связи), а структурный блок 3 – устройству вывода.

Датчик (могут использоваться термины ЧЭ, сенсор, ПИП) – это конструктивная совокупность ИП, размещаемая непосредственно у объекта измерения.

Классификация ИП – критерий 1:

Для классификации ИП могут быть использованы различные классификационные признаки. Из большого разнообразия возможных в первом приближении используем два классификационных признака, в соответствии с которыми измерительные преобразователи могут быть сгруппированы по следующим признакам:

1) ИП с электрической и неэлектрической выходной величиной;

2) ИП с электрической и неэлектрической входной величиной (разделение ИП с электрической выходной величиной на 2 группы).

Вариант классификации ИП – ей в соответствии с указанными признаками представлен рисунком 4.

Большинство информационных процессов в современном мире основано на использовании электрической энергии. В соответствии с этой аксиомой будем считать, что для использования в современных технических системах наиболее распространены (и, пожалуй, наиболее удобны) датчики с электрической выходной величиной. Поэтому при дальнейшем рассмотрении ИП – ей основное внимание уделим датчикам с электрическим выходом, ограничившись приведёнными на рисунке 5 примерами ИП - ей с неэлектрической выходной величиной. Имеем также ввиду то, что выходной сигнал ИП – ей с неэлектрическим выходом достаточно надёжно преобразуется в электрическую форму. Примером такого преобразователя является биметаллический ИП температуры, показанный на рисунке 5, в. Его принцип действия основан на различии коэффициентов температурного расширения двух разных металлов. Как следствие, пластина из двух объединённых металлических пластин с разными температурными коэффициентами будет изгибаться при определённых изменениях температуры. Для преобразования деформации биметаллического ЧЭ в электрический сигнал можно, например, использовать реостатный ИП. Но, в практике КИП и А такой вариант датчика достаточно экзотичен. На практике наиболее распространено оснащение биметаллического ЧЭ электрической контактной группой (группами). Именно по такому принципу построены регуляторы температуры бытовых электронагревательных приборов.

Рис. 4. Вариант классификации ИП

По тем же принципам могут быть преобразованы выходные сигналы двух других ИП – ей, показанных на рисунке 5.

б)

в)

а)

Рис. 5. Примеры неэлектрических ИП: а) пружинный;

б) трубчатый манометр; в) биметаллический

Пружинный ИП (Рис. 5, а) в качестве входной величины использует механическое усилие, например вес груза. Его выходной величиной является линейное перемещение (возможен вариант с угловым). Примером измерительного прибора использующего такой ИП являются пружинные весы. Преобразователь, приведённый на рисунке 5, б), в качестве ЧЭ использует тонкостенную металлическую трубку. Она изогнута по окружности и может иметь один или несколько витков спирали. Внутрь трубки организован доступ контролируемой газовой среды. Входная величина такого ИП – давление среды, выходная – угловое перемещение. Примером средства измерения, использующих в качестве ЧЭ подобный трубчатый преобразователь, являются шкальные манометры давления воздуха (например, автомобильные манометры).

Классификация ИП – критерий 2:

В качестве классификационного признака (в нашем варианте рассмотрения он будет являться 3-им классификационным признаком) может быть использован характер энергетического преобразования, используемый ИП. В соответствии с этим признаком ИП делятся на 2 группы:

1) ИП с непосредственным энергетическим преобразованием входного сигнала в выходной;

2) ИП, в которых входная величина модулирует энергию внешнего источника (ИП - модуляторы).

Примечание: классификационное разделение на две вышеуказанные группы справедливо как для ИП с электрической входной величиной, так и для ИП с неэлектрической входной величиной.

С нашей точки зрения, деление ИП с электрической выходной величиной на эти две группы является более чётко прослеживаемым. В полном соответствии с приведённым классификационным разделением ИП на две эти группы, ИП с электрической входной величиной первой группы называются генераторными или активными, а ИП с электрической входной величиной второй группы называются параметрическими или пассивными.