3.2. Основные параметры датчиков

Датчик – конструктивно законченный элемент, состоящий из чувствительного элемента и измерительных преобразователей (ИП). С введением унифицированных сигналов в практику приборостроения вошло производство датчиков с унифицированным выходным сигналом. В данном случае датчиком называют объединенные в одном блоке первичный измерительный преобразователь и нормализующий преобразователь. ИП служат для преобразования естественного сигнала чувствительного элемента (первичный преобразователь) в форму, удобную для передачи или обработки. Современные датчики содержат узлы, выполняющие линеаризацию, корректировку и другую обработку сигнала. Пример структурной схемы датчика приведен на рис.10.

Рис.10 Структурная схема датчика

Рис.10. Структурная схема датчика

Основные характеристики датчика: входной параметр, выходной сигнал, статическая характеристика, динамическая характеристика и погрешности, конструктивные характеристики.

3.2.1. Статическая характеристика датчика

Статическая характеристика  датчика (вход-выход) отражает функциональную зависимость выходного сигнала от входного параметра в установившемся режиме. Статическая характеристика задается: аналитически, графически, таблично. Рис. 11.

Рис.11 Статические характеристики датчиков:

Рис.11. Статические характеристики датчиков:

а) линейные нереверсивные, б) реальные нелинейные, в) реверсивная, г) гистерезисная.

По этой характеристике определяются такие параметры датчика, как чувствительность (коэффициент преобразования), порог чувствительности/разрешения, линейность, величина дрейфа; рабочий/,динамический диапазон, параметры гистерезиса и т. д. Для некоторых типов датчиков (термопары ГСП) установлены номинальные статические характеристики (НСХ) и установлены классы точности в соответствии с  процентом отклонений от НСХ.

1) Коэффициент преобразования или коэффициент передачи - это отношение выходной величины элемента Yк к входной величине Xк или отношение приращения выходной величины (=Y2-Y1, dy) к приращению входной величины (=X2-X1, dx):

Cтатический коэффициент преобразования (k, k’).

,       .

Значение динамического коэффициента преобразования Кд зависит от выбора рабочей точки.(Рис. 10 б) точка А).

2) Порогом чувствительности называется минимальная величина на входе элемента, которая вызывает изменение выходной величины. При изменении входной величины X от 0 до порога  выходная величина Y не изменяется и равна 0. Рис. 10 а), б).

3) Линейность. Статические характеристики датчика на рабочем участке (в окрестностях точки А) должны быть линейными, отклонение измеряется в %.

4) Дрейф это смещение характеристики при изменении внешних условий по отношению к стандартным. Рис. 10 а).

5) Диапазон измеренийобласть значений измеряемого сигнала, для которого нормированы измеряемые погрешности. Эта область ограничена пределами измерений наибольшими и наименьшими значениями диапазона измерений. D=Xкз .. Xп, где Xкз - конечное значение шкалы приборов, Xп- порог чувствительности приборов. Диапазон измерений может состоять из нескольких поддиапазонов. Динамический диапазон используют, если диапазон очень велик.

Dd=20*Log(X2/X1)

6) Характеристики многих датчиков имеют гистерезис: сигнал датчика при прямом и обратном ходе отличаются, основной показатель гистерезиса ширина петли. Рис. 10 г).

7) Реле называется элемент автоматики, в котором при достижении входной величины X определенного значения, выходная величина изменяется скачком. Зависимость Y= f(X) является вариантом гистерезиса и имеет форму петли. Рис.11.

Рис. 12. Характеристика реле

Рис. 12. Характеристика реле

Скачкообразное изменение Y в момент X=X2 называется величиной срабатывания. Скачкообразное изменение Y в момент X=X1 называется величиной отпускания. Отношение величины отпускания X21к величине срабатывания X2 называется коэффициентом возврата ОбычноX2 > X1, поэтому Кв.= Х12  < 1.

3.2.2. Динамическая характеристика датчика

Динамическая характеристика датчика определяет поведение датчика в переходных режимах. Динамические характеристики определяют зависимость выходного сигнала датчика от меняющихся во времени величин: параметров входного сигнала, внешних факторов, нагрузки. В зависимости от полноты описания динамических свойств СИ различают полные и частные динамические характеристики. К полным динамическим характеристикам относят переходную характеристику, импульсную переходную характеристику, амплитудно-фазовую характеристику, совокупность амплитудно-частотной и фазово-частотной характеристик, передаточную функцию. Частная динамическая характеристика не отражает полностью динамических свойств датчика. Примерами таких характеристик являются время реакции датчика, коэффициент демпфирования, значение резонансной собственной угловой частоты, значение  амплитудно-частотной характеристики на резонансной частоте, запаздывание, время нарастания, время установления, время первого максимума, статическая ошибка, полоса пропускания, постоянная времени.

Для датчиков и измерительных преобразователей время реакции – время установления выходного сигнала, определяемое при скачкообразном изменении входного сигнала и заданной погрешности установления выходного сигнала. Динамические свойства СИ определяют динамическую погрешность.

Рис. 13. Динамические характеристики датчика

Рис. 13. Динамические характеристики датчика

На рисунке обозначены характеристики:

запаздывание - t;

время нарастания - t2 - t1;

время первого максимума – Т;

время переходного процесса - Т1;

полоса пропускания – П.

3.2.3. Погрешности

При работе датчика выходная величина у отклоняется от необходимого значения за счет внутренних или внешних факторов (износ, старение, колебания напряжения питания, температура и т.д.). Отклонение характеристики называется погрешностью. Погрешности: делятся на основные и дополнительные.

Основная погрешность – максимальная разность между выходным сигналом датчика и его номинальным значением при нормальных условиях эксплуатации.

Дополнительные погрешности –  вызываются изменением внешних условий по отношению к норме, нормированные по основному фактору. Выражаются в процентах к изменению вызвавшего фактора. Например: 1% на 5°С.

Основная погрешность может быть абсолютной, относительной и приведенной.

а) Абсолютной погрешностью (ошибкой) называется разность между действительным значением выходной величины  и его номинальным значением– Y:

 .

б) Относительной погрешностью называется отношение абсолютной погрешности  к номинальному (желаемому) значению выходной величины Y  (обычно выражается в %):

 .

в) Приведенной погрешностью называется отношение абсолютной погрешности к нормирующему значению: для преобразователей это наибольшее значение выходной величины, для приборов максимальное значение шкалы. Величина этой погрешности определяет класс точности прибора 0,1; 0,5; 1.0 и т.д.

.

Погрешности СИ могут иметь систематические и случайные составляющие. Случайные составляющие приводят к неоднозначности состояний. Поэтому случайные составляющие погрешности СИ стараются сделать незначительными по сравнению с другими составляющими.

Систематические  погрешности  измерения - это  составляющие  погрешности, которые  остаются  постоянными  и  закономерно  изменяются  при  повторных измерениях  одной  и  той  же  величины. К  постоянным  систематическим  погрешностям  относят  погрешность  градуировки  шкалы, температурная  погрешность  и т.д. К  переменным  систематическим  погрешностям  относят  погрешность, обусловленную  нестабильностью  источника  питания. Систематические  погрешности исключают путем калибровки или введения поправок (смещения).

Случайные  погрешности  измерений – это составляющие  погрешности  измерения, изменяющиеся  случайным  образом  при  повторных  измерениях  одной  и  той  же  величины. Значение  и  знак  случайной  погрешности  определить  невозможно, т. к.  случайные  погрешности  обязаны  своим  происхождением  причинам, действия  которых  не  одинаково  в  каждом  эксперименте  и  не  может  быть  учтено.

Обнаруживаются  случайные  погрешности  при  многократных  измерениях  одной  и  той  же  величины, следовательно, их  влияние  на  результат  измерений  учитывается  методами  математической  статистики и  теории  вероятности. Рис. 14.

Рис. 14. Систематическая и случайная составляющие погрешности

Рис. 14. Систематическая и случайная составляющие погрешности

Технические средства автоматизации и управления


*****
© Банк лекций Siblec.ru
Формальные, технические, естественные, общественные, гуманитарные, и другие науки.