ЖУРНАЛ «СТА» №1/2002

76 СТА 1/2002 www.cta.ru Ц ЕЛИ , ЗАДАЧИ , ПОДХОДЫ Автоматизация немыслима без дат- чиков. Иногда эта очень важная под- система теряется за комплексом ре- шаемых проблем, свойственных раз- работке крупных проектов, и понятия «датчик», «измерительная схема», «первичный преобразователь» отхо- дят на задний план, создавая у разра- ботчика иллюзию, что достаточно подключить, допустим, термопару или термосопротивление к плате АЦП и вопрос будет закрыт. Конечно, если речь идет об измерении темпера- туры с точностью «плюсминус кило- метр», наверное, подобное решение возможно, но в подавляющем боль- шинстве случаев, в условиях развития все более тонких технологий произ- водства требования к точности изме- рения физических величин весьма высоки. Данная публикация преследует цель напомнить о тех проблемах, с которы- ми приходится сталкиваться на пути получения точных результатов изме- рений в случаях использования клас- сических вариантов построения изме- рительных схем, до сих пор имеющих достаточно широкое распространение в отечественной промышленности, а также предложить современное реше- ние задачи построения измеритель- ной схемы, позволяющее минимизи- ровать средства и время разработки. В статье описаны пассивные датчики на примере термосопротивлений, кото- рые наряду с термопарами (активны- ми датчиками) все еще широко при- меняются в отечественной практике измерений температуры. Такая кон- кретизация, впрочем, не препятствует читателю обощить изложенные в ста- тье подходы к решению задачи пост- роения измерительных подсистем пассивными датчиками любой приро- ды. Для цельности излагаемого мате- риала вспомним базовые определе- ния. П АССИВНЫЕ ДАТЧИКИ И ОБЩИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СХЕМ ИХ ПОДКЛЮЧЕНИЯ Основные понятия, используемые в измерительных системах Процесс измерения — это совокуп- ность операций, целью которых явля- ется определение численного значения физической величины, характеризую- щей объект измерения. Как правило, в современных систе- мах управления, использующих элек- тронные средства обработки сигналов, необходимо на входе системы преобра- зовать измеряемую величину в эквива- лентный электрический параметр (на- пряжение, ток). Датчик — это устройство, которое под воздействием измеряемой физиче- ской величины формирует на выходе эквивалентный сигнал, чаще всего, как уже отмечалось, электрической приро- ды, являющийся функцией измеряе- мой величины: s = F ( m ), где s — значение эквивалентной ве- личины на выходе датчика, m — значе- ние измеряемой физической величины на входе датчика. Чтобы не вдаваться в терминологи- ческие тонкости, в зависимости от контекста мы будем называть датчиком и собственно измерительный элемент (первичный преобразователь), кото- рый сам по себе электрический сигнал может и не формировать. Чаще всего функция преобразования s = F ( m ) в численной форме определя- ется экспериментально в процессе гра- дуировки, когда для некоторого числа известных значений величины m изме- ряют соответствующие им значения s , что позволяет построить градуировоч- ную кривую. Для уменьшения числа дополнительных преобразований вы- ходной величины датчика в системе управления при получении численного значения измеряемой величины стре- мятся в процессе разработки датчиков добиться линейной зависимости s от m , что означает обеспечение постоянной чувствительности датчика во всем диа- пазоне изменения значения измеряе- мой физической величины. Отметим, что при линейной характеристике са- мого датчика для получения линейного сигнала на выходе измерительной схе- мы необходимо, чтобы все элементы измерительной схемы (например, уси- лители) также были линейны во всем диапазоне измеряемой величины. Датчики делятся на генераторные и параметрические (активные и пассив- ные). Первые, как явствует из назва- ния, обеспечивают на выходе изменя- ющийся электрический сигнал в виде электрического заряда, напряжения или тока, вторые изменяют свои элект- рические свойства (сопротивление, индуктивность, емкость) при измене- нии измеряемой физической величи- ны. Различия в характере выходного сигнала предопределяются схемами включения датчиков: активные датчи- ки непосредственно являются источ- ником электрического сигнала, в то время как пассивные датчики для его формирования требуют дополнительно подключения внешнего источника на- пряжения или тока. При использовании датчиков в изме- рительных системах необходимо учи- тывать тот факт, что на точность вы- ходного сигнала датчика могут влиять условия эксплуатации системы, выра- жающиеся в воздействии на него не только измеряемой, но и других физи- ческих величин, приводящих к появле- нию погрешности в выходном сигнале. Для уменьшения погрешности при оп- ределении измеряемой величины, как правило, либо снижают степень воз- действия внешних физических факто- ров, приводящих к появлению погреш- ности (защищая датчик, например, по- средством электромагнитного экрана), либо стабилизируют влияющую вели- чину (например с помощью термостата В ЗАПИСНУЮ КНИЖКУ ИНЖЕНЕРА Структура измерительной системы на базе пассивных датчиков Валерий Яковлев