1.2.2. Структурные схемы датчиков

Классификационно имеют место два базовых метода измерительного преобразования.

1. Метод прямого преобразования.

2. Метод уравновешивающего преобразования (компенсационный метод).

Примечание: не следует отождествлять метод прямого преобразования с используемым в «Метрологии» методом непосредственного отсчёта. Приводимый в этой учебной дисциплине пример «непосредственного» отсчёта контролируемой температуры по шкале жидкостного термометра, с нашей точки зрения достаточно неадекватен. В самом деле, при таком измерении имеет место последовательность «косвенных» ИП – ей, первым из которых является ЧЭ средства измерения – капиллярная трубка с жидкостью (ртутью).

В соответствии с предложенной классификацией базовых методов измерительного преобразования рисунком 7 представлены базовые же структурные схемы построения датчиков. Каскадная схема (Рис. 7,а) отображает метод прямого преобразования. Суть этого метода и, как следствие, структуры датчика его реализующей – последовательное объединение ряда преобразователей. Исходя из этого, может использоваться термин – последовательностная схема. Должно быть очевидным, что большинство измерительных устройств построено именно по этой схеме.

а)

б)

в)

Рис. 7. Структурные схемы ПИП, а) - каскадная схема,

б) - дифференциальная схема, в) – схема с ОС

Дифференциальная (разностная) схема, показанная на рисунке 7, б), так же реализует метод прямого преобразования. Она должна иметь либо два ЧЭ (S₁ и S₂ на рисунке 7, б), либо разностный (дифференциальный) ЧЭ. В принципе, суть работы схемы от этого не зависит. Ей необходима измерительная схема, вычитающая сигналы двух ЧЭ с дальнейшей их обработкой. Либо – измерительная схема, обрабатывающая сигнал дифференциального ЧЭ. Приводимый ранее пример психрометра реализует дифференциальную схему измерения влажности. Измерительной схемой в нём является измерительная установка.

Дифференциальная измерительная схема с электрическим выходом, как правило, использует разностный дифференциальный датчик. Удобными для учебного рассмотрения примерами таких датчиков являются емкостной и индуктивный (индукционный) ЧЭ с самыми разнообразными вариантами конструктивного построения (см. п.п. 1.3.1). К существенным преимуществам этой схемы можно отнести следующее:

1. Позволяет линеаризовать характеристику ИП, то есть сделать ее более линейной.

2. Позволяет уменьшить влияние на выходную величину неинформативных факторов (помех).

Рис. 8. Пример линеаризации статической характеристики ПИП при реализации дифференциальной схемы

Дифференциальная схема имеет еще 2 варианта построения:

1. Логометрический. При этом методе дифференцирование заменяется на деление.

2. Логарифмический. При реализации этого варианта для дифференцирования используются не сами значения выходных величин Y₁, Y₂, а их логарифмы, то есть lgY₁, lgY₂.

В заключение кратко рассмотрим компенсационный метод (метод сравнения с мерой). Суть этого метода заключается в том, что преобразуемая величина сравнивается с другой величиной, чаще всего эталонной. Сравнение этих двух величин реализуется за счёт использования в измерительной схеме ОС (Рис 7, в).

Отсчет выходной величины при использовании компенсационного метода может вестись двумя способами:

1. По установке на ноль.

2. Шкала по отклонению от нуля.

Простейшим примером измерительной системы, использующей компенсационный метод, могут служить рычажные весы. Причём, как правило, отсчёт измеряемого веса в них производится обоими способами. Эталонными величинами является набор грузов.

Примечание: естественно, датчики, как и любые другие объекты жизнедеятельности, функционируют во времени – никакой известный на настоящий момент процесс не происходит мгновенно. Развертывание процессов во времени математически представляется временными (динамическими) характеристиками объектов. Динамические характеристики с позиций ТАУ представляются переходными и частотными характеристиками. Переходная характеристика датчика (его «динамика» во времени) – это зависимость изменения выходной величины ИП от вызвавшего его изменения входной величины во времени. Динамика ИП (как и любого другого устройства) может быть представлена математическими моделями (системы дифференциальных и интегральных уравнений). Для инженеров удобной формой работы с такими моделями являются типовые динамические звенья ТАУ. В качестве примера рассмотрим ИП – терморезистор (см. п.п. 1.3.1). Он с достаточной точностью моделируется апериодическим звеном 1-го порядка. Постоянная времени таких ИП варьируется от секунд до десятков минут (определяется конструктивом ИП). Для повышения точности расчета работы терморезистора во времени возможно использование последовательного соединения звена запаздывания и апериодического звена первого порядка или апериодического звена второго порядка.