3.5. Первичные измерительные преобразователи

3.5.1. Основные определения

Измерительный преобразователь (ИП) - средство измерения, предназначенное для преобразования входного измерительного сигнала (измеряемой величины) в выходной сигнал, более удобный для дальнейшего преобразования, передачи, обработки вычислительными устройствами и хранения, но не пригодный для непосредственного восприятия наблюдателем.

Например, ИП давления масла в гидроприводе мобильного робота имеет выход в виде электрического напряжения, которое после соответствующего преобразования используется для управления гидронасосом. ИП являются основой для построения ИС [5].

В общем случае ИП, как и любое другое средство измерения, может состоять из нескольких преобразовательных элементов, в каждом из которых происходит одно из последовательных преобразований измерительного сигнала. ИП, расположенный первым в цепи последовательно соединенных преобразователей, называется первичным. Рисунок Первичный ИП непосредственно взаимодействует с объектом измерения. Все остальные измерительные преобразователи, расположенные в измерительной цепи после первичного, называют вторичными. Именно свойствами первичного преобразователя в значительной степени определяется качество работы всей ИС. Элемент измерительного преобразователя, который непосредственно контактирует с окружающей средой и воспринимает ее воздействие, называется чувствительным элементом.

Вторичные преобразователи используются для масштабирования, усиления, математической обработки, аналого-цифрового и цифро-аналогового преобразования сигналов первичных преобразователей, корректировки их характеристик и т. п.

Наряду с термином измерительный преобразователь используется термин датчик, который обозначает конструктивно завершенное устройство, размещаемое непосредственно в зоне измерения (например, датчик температуры помещен в защитный корпус, имеющий выход для электрического кабеля и отверстия для монтажа). Последние годы в технической литературе по мехатронике получает распространение термин сенсор, которым может обозначаться как первичный ИП, так и датчик.

3.5.2. Виды погрешностей измерительных преобразователей

Важнейшей характеристикой средств измерений (в том числе и датчиков) является их точность, под которой понимается степень приближения результатов измерений, полученных с помощью данных средств измерений, к истинному значению измеряемой величины. Количественной оценкой точности является погрешность. Погрешность появляется при любых измерениях и представляет собой отклонение результата измерения от истинного значения измеряемой величины.

Причинами появления погрешностей являются несовершенство используемых средств и методов измерений, а также неточность передачи рабочими средствами измерений размеров единиц соответствующих физических величин. Несовершенство средств измерения проявляется как в случайных, незакономерных изменениях результата измерений при повторении эксперимента в одинаковых условиях, так и в изменениях результата измерения вследствие различия условий проведения эксперимента, например изменения температуры окружающей среды, влажности воздуха, внешних электрических или магнитных полей, напряжения сетевого питания, наличия вибраций и т.д.

Если погрешность выражена в единицах измеряемой величины, она называется абсолютной погрешностью измерения и определяется формулой

x=x-x*,

где x- абсолютная погрешность;

x - истинное значение измеряемой величины;

x* - значение, полученное при измерении.

На практике гораздо чаще оперируют с относительной погрешностью измерения, равной отношению абсолютной погрешности к истинному значению измеряемой величины

= x/x =(x-x*)/x.

Так как истинное значение измеряемой величины не может быть определено, в последнем выражении вместо него используют значение, полученное при измерении.

Чтобы можно было сравнивать по точности средства измерения с разными пределами измерений, вводится понятие приведенной погрешности _пр, под которой понимается отношение абсолютной погрешности к нормирующему значению (чаще всего - это предел измерения x_max):

_пр= x/x_max.

Погрешности измерений, вызванные различными причинами, по-разному проявляются в эксперименте. В связи с этим существенно отличаются и пути уменьшения тех или иных составляющих погрешности. Это делает целесообразной классификацию погрешностей.

В зависимости от причин возникновения погрешности подразделяются на инструментальные, методические и субъективные.

Инструментальная погрешность измерения – погрешность из-за несовершенства средств измерений. Эта погрешность, в свою очередь, подразделяется на основную погрешность средства измерения и дополнительную.

Основная погрешность средства измерения - это погрешность в условиях, принятых за нормальные, т.е. при нормальных значениях всех величин, влияющих на результат измерения (температуры, влажности, напряжения питания и т.д.).

Дополнительная погрешность возникает при отличии значений влияющих величин от нормальных (повышении температуры, появлении вибрации, изменении напряжения питания и т.п.). Например, ИП измеряет давление масла в маслопроводе трактора. Но работающий двигатель нагрел масло до 50⁰С, мембрана датчика давления стала менее упругой и датчик вместо 5 атмосфер показывает 5,3 атмосферы. 0,3 атмосферы - дополнительная погрешность, причиной которой явилось нагревание мембраны датчика давления на 30⁰С по сравнению с нормальной температурой 20⁰С. В паспорте датчика записано: дополнительная погрешность 2% на 10⁰С. Значит, при повышении температуры на 30⁰С дополнительная погрешность составит 6%, т. е. 0,3 ат. Зная это, мы можем ввести соответствующую поправку в показания датчика. В более совершенных измерительных системах микропроцессор сам корректирует показания датчика давления, используя информацию от встроенного датчика температуры.

По характеру изменения погрешностей при повторных измерениях погрешности делятся на систематические и случайные.

Систематическая погрешность - составляющая полной погрешности, остающаяся постоянной или закономерно изменяющаяся при повторных измерениях одной и той же величины. Например, каждое измерение давления масла в маслопроводе гидропривода при повышенной температуре масла сопровождается дополнительной температурной погрешностью, которая в данном случае является также систематической. Закономерный характер систематической погрешности определяет пути ее уменьшения. Например, для снижения постоянной систематической погрешности используют введение поправок, замещение или компенсацию погрешности.

Случайная погрешность изменяется случайным образом при повторных измерениях одной и той же величины. Причиной ее могут быть случайные изменения условий проведения измерительного эксперимента, которые трудно учесть. Случайная погрешность может быть уменьшена путем многократных измерений одной и той же величины и статистической обработки полученной совокупности измерений.

Таким образом, погрешность измерения представляет собой сумму систематической и случайной составляющих. Поэтому погрешность результата измерения в общем случае следует рассматривать как случайную величину.

При выборе способов уменьшения погрешностей важным является также разделение погрешностей по их зависимости от влияния значения измеряемой величины. По этому признаку погрешности делятся на аддитивные и мультипликативные.

Аддитивная погрешность – составляющая полной погрешности, не зависящая от значения измеряемой величины. Мультипликативная погрешность – составляющая полной погрешности, пропорциональная значению измеряемой величины. Например, аддитивная погрешность может быть вызвана разбалансировкой измерительного моста, состоящего из тензорезисторов, наклеенных на мембрану датчика давления. Мультипликативная погрешность может появиться при снижении модуля упругости материала, из которого изготовлена мембран датчика давления (что уменьшает ее жесткость) или изменением коэффициента усиления измерительного усилителя. Аддитивную погрешность иногда называют погрешностью нуля, а мультипликативную - погрешностью чувствительности. Реальная погрешность средства измерения включает в себя обе эти составляющие.

Специфическими видами погрешностей являются погрешности гистерезиса и квантования. Погрешность гистерезиса проявляется в том, что результат измерения одного и того же значения величины будет различным, в зависимости от того, подходим ли мы к нему «снизу» или «сверху». Погрешность квантования проявляется, например, в ступенчатом изменении напряжения на выходе проволочного резистивного датчика при плавном перемещении движка резистора или в результате аналого-цифрового преобразования измеряемой величины. Рисунок (Увеличение количества разрядов).

Средства измерения могут использоваться в статическом или динамическом режимах работы. В статическом режиме измеряемая величина остается неизменной в процессе измерений или изменяется очень медленно, а в динамическом режиме - изменяется в процессе ее измерения. В соответствии с этим различают статическую и динамическую погрешности. Динамическая погрешность определяется как разность между погрешностью средства измерения в динамическом режиме и его статической погрешностью. Причиной появления динамической погрешности является инерционность средства измерения. Динамическая погрешность проявляется в запаздывании выходного сигнала датчика по сравнению с измеряемой величиной на его входе. (задемпфированные весы, входной синусоид сигнал) Важными параметрами, характеризующими динамические свойства средства измерения, являются время преобразования и граничная частота преобразования. Время преобразования – это промежуток времени, по истечении которого (при единичном скачкообразном изменении измеряемой величины) динамическая погрешность становится допустимой. Граничной частотой преобразования называется такая частота изменения входной величины, при которой динамическая погрешность становится допустимой. (Рисунки)

Известно, что практически все первичные измерительные преобразователи (кроме преобразователей температуры) с точки зрения происходящих в них переходных процессов могут быть описаны дифференциальными уравнениями второго порядка. Например, для механической части преобразователя это уравнение имеет вид: m (d²х/dt²)+P(dх/dt)+W∙х=F(t),

где m –инерционная масса; P коэффициент демпфирования; W – жесткость упругого элемента; х – линейное перемещение.

Также как и для систем автоматического регулирования. Для исследования динамичепских свойств датчиков используются входные воздействия трех видов: единичный скачек, дельта-функция и синусоида. Для апериодического переходного процесса при единичном входном воздействии зависимость от времени выходного сигнала датчика можно описать экспонентой (рис.):

U_вых(t)=exp(-t/τ).

При заданном значении допустимой динамической погрешности ΔU_погр. время установления переходного процесса определится точкой пересечения

Методическая погрешность обусловлена несовершенством применяемого метода измерений (неполнотой знаний о происходящих при измерении процессах, неточностью применяемых расчетных формул, влиянием средства измерения на измеряемую величину и т.п.). Например, использование ртутного медицинского термометра (обладающего сравнительно большими массой и теплоемкостью) для измерения температуры маленького животного (хомячка) вызовет понижение температуры тела этого животного вблизи термометра и, следовательно, занижение показаний термометра. (Вольтметр, Амперметр)

Субъективная погрешность обусловлена индивидуальными особенностями оператора, выполняющего измерения, поэтому такая погрешность возможна лишь в эргодических ИС. Автоматизация средств измерений и совершенствование конструкций отсчетных устройств в настоящее время практически исключили этот вид погрешности.

Следует иметь в виду, что погрешность всей ИС во многом определяется погрешностью именно первичных преобразователей (датчиков). Улучшение параметров измерительного сигнала посредством его последующей обработки имеет ограниченные возможности, т. к. скомпенсировать искажения или потерю информации в самом начальном звене ИС (датчике) чрезвычайно трудно, а часто и невозможно. Поэтому выбор обладающих достаточной точностью и другими соответствующими характеристиками датчиков служит одной из главных предпосылок обеспечения качества проектируемой ИС мехатронного устройства. При выборе измерительных преобразователей (например, при проектировании МС) следует, однако, учитывать, что использование более точных ИП может существенно увеличить стоимость проектируемого устройства (ориентировочно можно считать, что увеличение точности используемого ИП в 2 раза повышает его стоимость примерно в 10 раз).