Меню

Технические характеристики датчика напряжения для снижения погрешностей измерения



Параметры и характеристики датчиков

Датчик является ключевым элементом СРВ и должен воспроизводить физическую величину максимально быстро и точно. При оценке и сравнении измерительных преобразователей необходимо учитывать следующие их основные свойства:

1. Воспроизводимость функции преобразования. Возможность изготовлять преобразователи с заранее предусмотренными характеристиками является необходимым условием выпуска взаимозаменяемых преобразователей.

2. Постоянство во времени функции преобразования. При изменении с течением времени функции преобразования приходится повторять градуировку, что крайне нежелательно, а в некоторых случаях невозможно (преобразователь работает в недоступном месте).

3. Для облегчения унификации выходного сигнала преобразователей с целью использования их с цифровыми измерительными приборами, измерительными информационными системами и вычислительными машинами наиболее желательна функция преобразования y=f(х) линейного вида.

4. Важными характеристиками преобразователя являются его погрешности и чувствительность. Основная погрешность преобразователя может быть обусловлена принципом действия, несовершенством конструкции и технологии изготовления и проявляется она при номинальных значениях внешних факторов.

5. Обратное воздействие преобразователя на измеряемую величину. Преобразователи оказывают обратное влияние на измеряемую величину, искажают ее, вызывая изменение выходного сигнала.

6. Динамические свойства преобразователя. При изменении входной величины в преобразователе возникает переходный процесс, характер которого зависит от наличия в преобразователе элементов, запасающих энергию (двигающиеся детали, электрические конденсаторы, катушки индуктивности, детали, обладающие теплоемкостью и т. д.). Переходный процесс проявляется в виде инерции – запаздывания реакции преобразователя на изменение входной величины.

При измерении быстро изменяющихся величин преобразователь работает в нестационарном режиме, а поэтому при оценке качества преобразователей необходимо учитывать их динамические характеристики, которые в значительной мере определяют точность измерения. Динамические свойства преобразователя в соответствии с ГОСТ 8.25677 могут быть охарактеризованы полными и частными динамическими характеристиками. Обычно от преобразователя требуется, чтобы он вносил минимальное запаздывание в процесс преобразования. Кроме рассмотренных свойств, при оценке преобразователей учитываются также и другие показатели качества их работы; влияние внешних факторов (температуры, давления, вибрации и т. д.), взрывобезопасность, устойчивость к механическим, тепловым, электрическим и другим перегрузкам, удобство монтажа и обслуживания, габариты, масса, удобство градуировки, стоимость изготовления и эксплуатации, надежность и т. д.

Большая часть характеристик датчика, которые приводятся в техническом описании – статические параметры:

1. Чувствительность измерительного прибора – отношение изменения сигнала на выходе измерительного прибора к вызывающему его изменению измеряемой величины.

2. Разрешение – наименьшее изменение измеряемой величины, которая может быть зафиксирована и точно показана датчиком.

3. Линейность – не описывается аналитически, а определяется, исходя из градуировочной кривой датчика. Близость этой кривой к прямой линии определяет степень линейности.

4. Рабочий диапазон – определяется верхним и нижним пределами значения входной величины.

Динамические (параметры) характеристики датчика (рис. 5.9):

время прохождения зоны нечувствительности – время между началом изменения физической величины и моментом реакции датчика;

запаздывание – время, через которое показание датчика первый раз достигнет 50 % установившегося значения;

время нарастания–время, за которое выходной сигнал увеличивается от 10 % до 90% установившегося значения;

время переходного процесса (время установления) – время, начиная с которого отклонения выхода датчика от установившегося значения становится меньше заданной величины, например, ± 5 %.

Рис. 5.9. Динамическая реакция датчика (реакция на скачок), где Т – время прохождения зоны нечувствительности; Тd – запаздывание; Тр – время достижения первого максимума; Тs – время установления; Мр – перерегулирование

Характеристики измерительных преобразователей неэлектрических величин. Зависимость выходной величины измерительного преобразователя у от входной х выражается уравнением преобразования у=f(х) Уравнение преобразования (функцию преобразования) обычно приходится находить экспериментально, т. е. прибегать к градуировке преобразователей. Результаты градуировки выражаются в виде таблиц, графиков или аналитически.

Часто у преобразователей выходной сигнал у зависит не только от входной измеряемой величины х, но и от внешнего фактора Z, т. е. функция преобразования в общем виде y=f(х, Z). В этом случае при градуировке определяется ряд функций преобразования при разных значениях Z. Знание функций преобразования при разных значениях влияющего фактора позволяет тем или иным способом (введением поправки, автоматической коррекцией) учесть влияние внешнего фактора. Чувствительность S всего измерительного устройства прямого преобразования, состоящего из последовательного ряда измерительных преобразователей, определяется по формуле

где S1, S2, S3. Sn – чувствительности преобразователей, образующих канал передачи информации.

Каждый преобразователь имеет свою погрешность, и, очевидно, максимальная погрешность всего измерительного устройства, построенного по методу прямого преобразования, окажется равной сумме погрешностей отдельных преобразователей. Поэтому, несмотря на простоту и быстродействие приборов, построенных по методу прямого преобразования, для точных измерений неэлектрических величин применяют метод уравновешивания. При этом чувствительность измерительного устройства определяется формулой

S=K/(1+Kβ),

где К – коэффициент передачи цепи прямого преобразования; β – коэффициент передачи цепи обратного преобразования.

Читайте также:  Фразеологизм учиться с большим напряжением

При выполнении условия Кβ>>1 погрешность измерительного устройства будет определяться только погрешностью цепи обратного преобразования. Значения выходных величин большинства первичных преобразователей – термопар, терморезисторов, ионизационных преобразователей, газоанализаторов и других – незначительны и находятся обычно в диапазоне 10 –6 –10 –2 В и 10 –10 –10 –5 А. Без предварительного усиления малые напряжения и токи невозможно ни измерить, ни передать по линиям связи без существенных погрешностей. В связи с развитием операционных интегральных усилителей для параметрических преобразователей широко применяют мостовые цепи с автоматическим уравновешиванием.

Схема моста следящего уравновешивания со статической характеристикой приведена на рис. 5.10. Здесь R1 медный терморезистор, предназначенный для измерения температуры, а остальные плечи моста образованы резисторами R2R4 и R3+RM.

Е
t 0
+ –
a
б
Iук
Iк
R1
R2
R3
RM
R4

Пусть при измеряемой температуре сопротивление R1=R3+RM и R2=R4, тогда напряжение на диагонали Uаб, подаваемое на вход усилителя, также равно нулю и ток указателя Iук=0. При возрастании сопротивления R1 усилитель будет давать на выходе такой ток I, чтобы падение напряжения на резисторе RМ уравновешивало прирост напряжения на резисторе R1. Таким образом, мост будет оставаться в равновесии и шкала прибора будет линейна при приращениях ΔR1, а сопротивление RМ определит масштаб соотношения между ΔR1 и I.

Первичные преобразователи с помощью соединительных проводов могут быть удалены от ИЦ на некоторое расстояние. В этом случае на результат измерения могут оказывать влияние вариация значений сопротивлений соединительных проводов при изменении температуры окружающей среды и паразитные ЭДС, возникающие от действия внешних электромагнитных полей.

Погрешность, вносимая соединительной линией (каналом связи), рассматривается как составляющая методической погрешности, входящей в суммарную погрешность измерений неэлектрической величины. Точность результата такого измерения может быть оценена приближенной максимальной погрешностью по формуле

где δmax предел допускаемой относительной погрешности измерения неэлектрической величины; δпп максимальное значение относительной погрешности первичного преобразователя; δиц относительная погрешность измерительной цепи; δеrотносительная погрешность измерения выходного показывающего прибора; δм– методическая погрешность.

Анализ мостовой схемы. Сопротивления плеч моста могут быть как активными, так и реактивными, а источник питания U и нагрузка Rн могут меняться местами, при этом чувствительность моста также изменяется. Мосты проектируют так, что напряжение на измерительной диагонали отсутствует, если на дифференциальный преобразователь не воздействует входная величина. Так, когда якорь дифференциального индуктивного преобразователя включенного в мостовую схему находится в среднем положении, сопротивления его плеч Z1и Z2 равны между собой, их значения принимаем за Z.

Для упрощения анализа можно считать, что дифференциальный преобразователь состоит из двух простых преобразователей. При перемещении якоря сопротивление одной секции становится равным Z1=Z+DZ1, сопротивление другой Z2=ZDZ2. Изменения сопротивлений DZ1=Z1–Z и DZ2=Z–Z2, соответствующие некоторому перемещению якоря относительно его среднего положения, в общем случае не равны между собой в силу нелинейности функции преобразования. Однако, если перемещение мало, то их различия незначительны. Положим, что при малых перемещениях якоря относительно его среднего положения изменение сопротивлений линейно зависит от перемещения якоря х. Так, в индуктивных преобразователях при перемещении якоря сопротивление первичной обмотки Z1одного простого преобразователя возрастает, а другого Z2 примерно на столько же уменьшается. При этом

Если сопротивление нагрузки Rн достаточно велико (режим холостого хода), то выходное напряжение моста равно

Uвыx= = ,

где U – напряжение питания. В качестве Z1 и Z2 включаются одинаковые резисторы.

При отсутствии входного воздействия сопротивления Z1=Z2=Z. Кроме того, обычно выбирают Z3=Z4. В этом случае, когда деформация тензорезистора отсутствует (e=0), Ux=0.

При входном воздействии, выходное напряжение моста пропорционально разности сопротивлений тензорезисторов:

Uвыx= .

Мостовая цепь является дифференциальной, следовательно, в ней компенсируются аддитивные погрешности. С применением мостовой цепи приборы строятся по дифференциальной схеме первого или второго типа.

При использовании дифференциальной схемы первого типа, т.е. при Z1=Z+DZ и Z2=Z, выходное напряжение цепи равно

Uвыx= .

Изменения сопротивлений преобразователей обычно невелики, и можно считать, что напряжение на измерительной диагонали моста изменяется пропорционально DZ/Z. В этом случае функция преобразования мостовой схемы в режиме холостого хода характеризуется чувствительностью:

Sсх= =U/4,

где Uх напряжение на измерительной диагонали при изменении сопротивления преобразователя, равном DZ.

При использовании дифференциальной схемы второго типа, когда Z1=Z+DZ и Z2=Z–DZ, выходное напряжение и чувствительность в режиме холостого хода увеличиваются вдвое:

Uвыx= , а Sсх= =U/2.

Нам важно ваше мнение! Был ли полезен опубликованный материал? Да | Нет

Источник

Характеристики датчиков.

Датчик должен воспроизводить физическую величину максимально быстро и точно. Хотя чаще всего датчик выбирают исходя из надежности и удобства обслуживания, его точность, стабильность и повторяемость результатов остаются важнейшими факторами. Основой работы управляющего компьютера является входная информация, поэтому точные и надежные измерения — это необходимое условие качества управления.

Читайте также:  Что такое коэффициент усиления по напряжению по току

Большая часть характеристик датчика, которые приводятся в техническом описа­нии, — статические параметры. Эти параметры не показывают, насколько быстро и точно датчик может измерить сигнал, изменяющийся с большой скоростью. Свой­ства, отражающие работу датчика в условиях изменяющихся входных воздействий, называются динамическими характеристиками. Они суще­ственно влияют на работу системы управления. Идеальный датчик мгновенно реагирует на изменение измеряемой физической величины. На практике любому датчику необходимо некоторое время на отработку нового входного сигнала. Очевидно, что для адекватного отображения реальных изменений наблюдаемой величины время реакции датчика должно быть как можно меньше. Это тот же самый принцип, кото­рый применяется ко всей системе управления (компьютеру) процессом реального времени в целом: временные характеристики физического процесса определяют быст­родействие системы (производительность компьютера). Однако чаще требуется компромисс между скоростью реакции датчика и его чувствительностью к шуму.

Рассматривая датчики используемые СаиУ необходимо знать характеристики определяющие особенности их работы, при этом различают статические и динамические характеристики, кроме них для датчиков характерны такие параметры, как:

— погрешность (ошибка) измерения.

Точность датчика определяет разницу между измеренной и действительной ве­личиной; она может быть отнесена к датчику в целом или к конкретному его показа­нию. Точность датчика зависит не только от его аппаратной части, но и от остальных элементов измерительного ком­плекса.

Разрешение —это наименьшее отклонение измеряемой величины, которое может быть зафиксировано и отражено датчиком. Разрешение намного чаще, чем точность, указывается в технических описаниях.

Погрешность (ошибка) измерения определяется как раз­ница между измеренной и действительной величинами.

Ошибки измерения можно классифицировать и, соответственно, моделировать как детерминированные (или систематические) и случайные (или стохастические). Детерминированные ошибки связаны с неисправностью датчика, нарушением усло­вий его применения или процедуры измерений. Эти ошибки повторяются при каж­дом измерении. Типичная систематическая ошибка — это смещение показаний или сдвиг. В принципе, систематические ошибки устраняются при поверках. Случайные ошибки имеют самое разное происхождение. В большинстве случаев — это влияние окружающей среды (темпера­туры, влажности, электрических наводок и т. п.). Если причины случайных ошибок известны, то эти ошибки можно компенсировать. Часто влияние возмущений харак­теризуют количественно такими параметрами, как средняя ошибка, среднеквадратичная ошибка или стандартное отклонениеи разброс либо погрешность.

Динамические характеристики датчиков

Динамические свойства датчика характеризуются целым рядом параметров, ко­торые, однако, довольно редко приводятся в технических описаниях производителей. Динамическую характеристику датчика можно экспериментально получить как реакцию на скачок измеряемой входной величины (рис.2.5).

Параметры, описываю­щие реакцию датчика, дают представление о его скорости (например, время нараста­ния, запаздывание, время достижения первого максимума), инерционных свойствах (относительное перерегулирование, время установления) и точности (смещение).

В принципе следует стремиться к минимизации следующих параметров.

· Время прохождения зоны нечувствительности время между началом изменения физической величины и моментом реакции датчика, т. е. моментом начала изменения выходного сигнала.

· Запаздывание время, через которое показания датчика первый раз достигают 50 % установившегося значения. В литературе встречаются и другие определения запаздывания.

· Время нарастания время, за которое выходной сигнал увеличивается от 10 до 90 % установившегося значения. Другое определение времени нарастания — величина, обратная наклону кривой реакции датчика на скачок измеряемой величины в момент достижения 50 % от установившегося значения, умноженная на установившееся значение. Иногда используются другие определения. Малое время нарастания всегда указывает на быструю реакцию.

· Время достижения первого максимума время достижения первого максимума выходного сигнала (перерегулирования).

· Время переходного процесса, время установления время, начи­ная с которого отклонение выхода датчика от установившегося значения становится меньше заданной величины (например, ± 5 %).

· Относительное перерегулирование — разность между мак­симальным и установившимся значениями, отнесенная к установившемуся значению (в процентах).

· Статическая ошибка отклонение выходной величины датчи­ка от истинного значения или смещение. Может быть устранена калибровкой дат­чика.

В реальных условиях некоторые требования к датчикам всегда противоречат друг другу, поэтому все параметры нельзя минимизировать одновременно.

Статические характеристики датчиков

Статические характеристики датчика показывают, насколько корректно выход датчика отражает измеряемую величину спустя некоторое время после ее изменения, когда выходной сигнал установился на новое значение. Важными статическими па­раметрами являются: чувствительность, разрешающая способность или разрешение, линейность, дрейф нуля и полный дрейф, рабочий диапазон, повторяемость и вос­производимость результата.

• Чувствительностьдатчика определяется как отношение величины
выходного сигнала к единичной входной величине (для тонких измерительных технологий определение чувствительности может быть более сложным).

Читайте также:  Как изменить напряжение вращения ротора двигателя

•Разрешение это наименьшее изменение измеряемой величины, ко­торое может быть зафиксировано и точно показано датчиком.

Линейностьне описывается аналитически, а определяется исходя из
градуировочной кривой датчика. Статическая градуировочная кривая показыва­ет зависимость выходного сигнала от входного при стационарных условиях. Бли­зость этой кривой к прямой линии и определяет степень линейности. Максимальное отклонение от линейной зависимости выражается в процентах.

Статическое усилениеили усиление по постоянному току
это коэффициент усиления датчика на очень низких частотах. Боль­шой коэффициент усиления соответствует высокой чувствительности измери­тельного устройства.

Дрейфопределяется как отклонение показаний датчика, когда измеряемая
величина остается постоянной в течение длительного времени. Величина дрейфа

может определяться при нулевом, максимальном или некотором промежуточном значении входного сигнала. При проверке дрейфа нуля измеряемая величина поддерживается на нулевом уровне или уровне, который соответствует нулевому выходному сигналу, а проверка дрейфа на максимуме выполняется при значении измеряемой величины, соответствующем верхнему пределу рабочего диапазона » датчика. Дрейф датчика вызывается нестабильностью усилителя, изменением ок­ружающих условий (например, температуры, давления, влажности или уровня вибраций), параметров электроснабжения или самого датчика (старение, выра­ботка ресурса, нелинейность и т. д.).

Рабочий диапазондатчика определяется допустимыми верхним
и нижним пределами значения входной величины или уровня выходного сигнала.

Повторяемостьхарактеризуется как отклонение между несколькими
последовательными измерениями при заданном значении измеряемой величины в одинаковых условиях, в частности приближение к заданному значению должно происходить всегда и либо как нарастание, либо как убывание. Измерения должны быть выполнены за такой промежуток времени, чтобы не проявлялось влияние дрейфа. Повторяемость обычно выражается в процентах от рабочего диапазона.

Воспроизводимостьаналогична повторяемости, но требует большего интервала между измерениями. Между проверками на воспроизводимость датчик должен использоваться по назначению и, более того, может быть подверг­нут калибровке. Воспроизводимость задается в виде процентов от рабочего диа­пазона, отнесенных к единице времени (например, месяцу).

Источник

Краткая характеристика датчиков

Датчики представляют собой электрические аппараты, предназначенные для преобразования непрерывного изме­нения входной (контролируемой) неэлектрической величи­ны в изменение выходной электрической величины. Входные величины могут отражать самые разнообразные физические явления — линейное или угловое перемещение, скорость, ускорение, температуру твердых, жидких и газообразных тел, усилие, давление и т. д. В качестве выходных величин чаще всего используются активное, индуктивное, емкостное сопротивление, ток, ЭДС, падение напряжения, частота и фаза переменного тока.

Основной характеристикой датчика является чувствительность S = DY/DX, где DY, DX – приращения выходной и входной величин. Часто пользуются понятием относительной чувствитель­ности , где Y, Х — полные изменения выходной и входной величин.

Датчики могут быть линейными (S = const) и нелиней­ными (S = var). У последних чувствительность зависит от входной величины. Важным параметром датчика является порог чувствительности, представляющий собой наименьшее значение входной величины, вызывающее изменение вы­ходной величины, которое может быть измерено.

Номинальной характеристикой датчика называется за­висимость выходной величины от входной величины. Эта характери­стика дается в паспорте датчика и используется как расчет­ная при измерениях. Экспериментально снятая зависимость вход-выход отличается от номинальной на погрешность.

Различают абсолютную и относительную погрешности датчика по входу. Абсолютная погрешность относительная погрешность , где Хвх.ном — значение входной величины датчика, опреде­ляемое по выходной величине и номинальной характеристи­ке; Хд — действительное значение входной величины.

Аналогично могут быть рассмотрены погрешности дат­чика по выходу.

На погрешность оказывают влияние внешние условия эксплуатации: температура, магнитные и электрические по­ля, влажность окружающей среды, напряжение и частота источника питания, механические и радиационные воздейст­вия и др.

Погрешности датчика при нормальных значениях внеш­них параметров (нормальной температуре, нормальном ат­мосферном давлении, номинальных значениях напряжения и частоты питания и т. п.) называются основными.

Если параметры внешних условий выходят за границы нормируемых, то возникают дополнительные погрешности. Для уменьшения дополнительных погрешностей либо сни­жают чувствительность датчика к внешним условиям, либо уменьшают степень их влияния.

Наряду с высокой чувствительностью и малой погреш­ностью, датчики должны обладать необходимым диапазоном изменения входной величины, возможностью согласования с из­мерительной схемой и минималь­ным обратным воздействием дат­чика на входную величину. При быстрых изменениях входной ве­личины датчик должен быть ма­лоинерционным.

Существующие датчики весь­ма разнообразны по принципу действия, конструктивному вы­полнению и схеме.

Датчики можно разбить на две большие группы — параметрические (пассивные) и генераторные (активные).

К пер­вым относятся резистивные, индуктивные, емкостные и контактные датчики.

Ко вторым относятся датчики, ис­пользующие эффект наведенной ЭДС (электромагнитной индукции), пьезоэффект, эффект Холла, термо-ЭДС, появ­ление ЭДС при воздействии радиоактивных излучений и т. п. Ниже будут рассмотрены датчики, которые по прин­ципу действия и конструкции близки к электрическим ап­паратам.

Источник