Измерительные преобразователи

17.10. 2016 г КУРС ЛЕКЦИЙ: МЕТРОЛОГИЯ, СТАНДАРТИЗАЦИЯ, СЕРТИФИКАЦИЯ ТЕМА 1. МЕТРОЛОГИЯ ЛЕКЦИЯ 3 № СОДЕРЖАНИЕ В ВВЕДЕНИЕ. ОCНОВНЫЕ ПОНЯТИЯ МЕТРОЛОГИИ (лекция 1) 1 ВИДЫ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ 1 1.1 Меры и калибраторы (лекция 2) 2 1.2 Измерительные преобразователи (лекция 3) 10 1.3 Измерительные приборы (лекция 4) 19 2 ОСНОВНЫЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ СРЕДСТВ ИЗМЕРЕНИЙ (лекция 5 и 6) 2.1 Характеристики измерительных приборов (лекция 5) 2.2 Характеристики мер и калибраторов (лекция 6) 2.3 Характеристики измерительных преобразователей (лекция 6) 3 ВИДЫ И ОБЩИЕ МЕТОДЫ ИЗМЕРЕНИЙ (лекция 7) 4 СПОСОБЫ ИЗМЕРЕНИЙ СИЛЫ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО ТОКА (лекция 8) 5 СПОСОБЫ ИЗМЕРЕНИЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОГО НАПРЯЖЕНИЯ (лекция 9) 6 ОСЦИЛЛОГРАФИЧЕСКИЕ СПОСОБЫ ИЗМЕРЕНИЙ (лекция 10) 7 СПОСОБЫ ИЗМЕРЕНИЙ ЧАСТОТЫ (лекция 11) 8 СПОСОБЫ ИЗМЕРЕНИЙ ТЕМПЕРАТУРЫ (лекция 12) 9 ПРЕДСТАВЛЕНИЕ РЕЗУЛЬТАТОВ ИЗМЕРЕНИЙ 9.1 Составляющие погрешности измерения (лекция 13) 9.2 Запись результата измерения (лекция 13) 9.3 Вычисление погрешностей измерений (лекция 14) Примечание – Нумерация страниц, рисунков и таблиц сквозная в пределах раздела 1: здесь нумерация продолжает нумерацию материала лекции 2. 10 17.10. 2016 г 1.2 Измерительные преобразователи Измерительные преобразователи (ПИ) преобразуют сигналы измерительной информации в форму, более удобную для дальнейшего использования при измерениях: при обработке, хранении, дальнейшем преобразовании или передаче, индикации. Типовое графическое обозначение преобразователей (графема) представлено на рисунке 1.10. Х – преобразуемая величина (всегда слева от тела графемы), Y – преобразованная величина (всегда справа от тела графемы) Рисунок 1.10 – Типовая графема измерительных преобразователей Измерительные преобразователи будем делить на следующие группы. 1.2.1 Преобразователи неэлектрических величин в электрические  Первичные измерительные преобразователи (ПИП). Термометры сопротивления (ТС). Преобразуют температуру среды, в которой находятся, в электрическое сопротивление постоянному току (рисунок 1.11). Рисунок 1.11 – ТС. Изображение, конструкция и графема ТС выпускаются трёх видов: двухпроводные, трёхпроводные и четырёхпроводные (рисунок 1.12). Назначение вариантов более подробно представлено в лекции 12. 11 17.10. 2016 г Рисунок 1.12 – ТС. Схемно-конструктивные варианты Термоэлектрический преобразователь (термопара, ТП). Эти преобразователи также воспринимают температуру (точнее – разность температур), но преобразуют её в напряжение низкого уровня (рисунок 1.13). Диапазон выходных напряжений от 0 до нескольких десятков милливольт. Важно, что термопары способны выдавать только малые значения тока без ущерба точностным характеристикам, поэтому последующие (вторичные) преобразователи (см. далее) должны иметь большое входное сопротивление, идеально – бесконечность. Рисунок 1.13 – ТП. Изображение, принцип действия, конструкция и графема Расходомеры. Первичные преобразователи расхода предназначены для преобразования расхода жидкости в пропорциональную по величине расхода ЭДС. Преобразователи предназначены для работы в составе теплосчётчиков. 12 17.10. 2016 г Рисунок 1.14 – Примеры расходомеров  Вторичные измерительные преобразователи (ПИВ) ПИВ преобразуют сигналы первичных преобразователей в следующие электрические сигналы: - напряжение или ток унифицированных диапазонов; Примечание – Так принято обозначать стандартизованные диапазоны измерений напряжения, тока или реже – частоты. Например, унифицированные диапазоны напряжений постоянного тока: 0…+10 мВ; 0…+20 мВ; ±10 мВ; 0…+1В; ±1 В; 0…+10 В. - сигналы стандартных интерфейсов (RS485, RS232, CAN, Ethernet, …). Примечания – Интерфейсами называют устройства, предназначенные для обмена информацией между источниками и приёмниками. Источник информации может быть одновременно и приёмником. Информация передаётся аналоговым или цифровым, проводным или беспроводным способами. Информация передаётся в соответствии со стандартизированными протоколами непрерывно или посредством посылок – специальным образом скомпонованными массивами данных, которые позволяют распознавать начало и конец посылки, исправлять некоторые ошибки, возникающие при трансляции, расшифровывать собственно полученные данные (информацию). Проводные интерфейсы имеют две или более линии связи. В ряде случаев линии связи используются не только для обмена информацией, но и для питания электронных схем. В настоящее время широко используются несколько типов проводных цифровых интерфейсов: USB, RS232, RS485, CAN, Ethernet. Они отличаются количеством и назначением линий обмена, уровнями передаваемых цифровых сигналов (напряжений), протоколом обмена. Интерфейсы имеют различное назначение. Их основные характеристики: предельная дальность, скорость и помехозащищённость обмена. Достаточно широко используются аналоговые интерфейсы под названием «токовая петля». Обычно такая связь осуществляется между удалённым датчиком и приёмником информации. Информация передаётся посредством двух проводов. В этом интерфейсе носителем информации является значение силы тока: источник формирует это значение в соответствии с результатом измерения, например, температуры, а приёмник выполняет обратную задачу – измеряет ток и, например, отображает значение температуры. Наряду с проводными получают всё большее распространение и беспроводные интерфейсы. Типовые современные беспроводные интерфейсы: ZigBee, Bluetooth, WiFi и др. 13 17.10. 2016 г Модуль MCR-T-UI-E-NC – 2814126: программируемый измерительный температурный преобразователь, для 2-, 3- или 4-проводных первичных преобразователей с термоэлементом и/или термометром сопротивления, с гальванической развязкой вход/выход. Применяемый тип первичных преобразователей (термопар): U, T, L, J, E, K, N, … Имеет унифицированные выходные сигналы в виде силы постоянных токов или напряжений постоянного тока. Устанавливается на DIN-рейку. ЦР 9007. Многоканальный преобразователь электрических сопротивлений постоянного тока в код интерфейса RS485. Допускает согласованное подключение ТС платиновых или медных по 2-, 3- или 4-проводному способам. Устанавливается на DIN-рейку. . ZET 7020. Измерительный преобразователь сигналов термоэлементов (термопар) в сигналы интерфейса RS485, с гальваническим барьером между входом и выходом Рисунок 1.15 – Примеры вторичных преобразователей и их графемы  Датчики (Д) Преобразуют неэлектрические величины в унифицированный диапазон электрических сигналов или сигналы интерфейсов. Другими словами Д = ПИП+ПИВ. Примечание – В литературе часто под датчиком понимают конструктивно оформленный первичный преобразователь безотносительно к виду формируемых им выходных сигналов; 14 17.10. 2016 г 1. Датчик уровня топлива. Используется в системах, измеряющих и контролирующих количество ГСМ (бензины, дизельное топливо, масла) в стационарных емкостях и баках транспортных средств. Выходной сигнал – интерфейсы RS232/RS485 2. Погружной датчик температуры. Выходной сигнал – сила постоянного тока унифицированного диапазона (4 ... 20) мA (токовая петля). 3. Датчик частоты дыхания. Выходной сигнал – USB-интерфейс. http://td-school.ru/index.php?page=4452#prettyPhoto 4. Датчик магнитного поля. Выходной сигнал – USB-интерфейс. 5. Датчик освещённости. Выходной сигнал – USB-интерфейс. 6. Датчик влажности. Выходной сигнал – USB-интерфейс. 15 17.10. 2016 г 7. Датчик влажности и температуры. Выходной сигнал – ток унифицированного диапазона (4 …20) мА (токовая петля). 8. Датчики расхода воздуха. Выходной сигнал – RS232-интерфейс http://www.sensorica.ru/d3-1c.shtml 9. Датчик углекислого газа. Выходной сигнал – I2C-интерфейс Рисунок 1.16 – Примеры датчиков Примечание – Часто датчиками называют также малогабаритные первичные преобразователи, которые наряду с интерфейсом имеют выход на цифровое отсчётное устройство (дисплей; рисунки 1.17). В соответствии с отечественными стандартами такой преобразователь по формальным признакам должен относиться к измерительным приборам. 1. QFM3171D. Датчик влажности и температуры. Выходной сигнал – напряжение постоянного тока унифицированного диапазона (0 … 10) В. Альтернативный способ выдачи информации – цифровой дисплей. 2. Датчик влажности и температуры. Выходной сигнал – интерфейс Ethernet. Альтернативный способ выдачи информации – цифровой дисплей. 16 17.10. 2016 г 3. Датчик углекислого газа. Выходной сигнал – ток унифицированного диапазона (4 …20) мА. Альтернативный способ выдачи информации – цифровой дисплей. 4. ЕЕ244. Многоканальный датчик температуры, влажности и углекислого газа. Выходной сигнал – радиоканал с несущей 2,4 ГГц. Протокол IEEE 802.15.4. Альтернативный способ выдачи информации – цифровой дисплей. Рисунок 1.17 – Примеры датчиков с цифровым дисплеем 1.2.2 Преобразователи электрических величин в электрические Такие преобразователи преобразуют: - основные электрические величины (напряжение, ток) в подобные электрические величины. Это усилители, делители, измерительные трансформаторы (тока или напряжения), другое; - основные электрические величины (напряжение, ток) в сигналы унифицированных диапазонов (U, I)*) или сигналы стандартных интерфейсов; Примечание – Редко на выходе таких преобразователей формируется переменный сигнал с унифицированным частотным диапазоном - параметры основных электрических величин (амплитуда, среднеквадратическое значение, мощность, частота, …) в сигналы унифицированного диапазона; - параметры электрических цепей (электрическая ёмкость, индуктивность, электрическое сопротивление) в сигналы унифицированного диапазона. На рисунках 1.18 представлены некоторые варианты таких преобразователей. 17 17.10. 2016 г 1. ТШП-0,66. Измерительные трансформаторы тока: преобразователи силы переменного тока в переменный низкого унифицированного диапазона: (0…1) А, или (0…5) А. 2. Е842А. Преобразователь силы переменного тока в постоянный унифицированного диапазона (0…5 мА). Устанавливается на DIN-рейку. 3. Lumel P21Z. Двухканальный преобразователь силы переменного тока и напряжения переменного тока в: - постоянные напряжение и ток унифицированных диапазонов: (0…5) мА или (0..10) В; - или сигналы интерфейса RS-485. Устанавливается на DIN-рейку. 4. КЭИ-м. Бесконтактный преобразователь тока (токоизмерительные клещи) в напряжение постоянного тока унифицированного диапазона (0…1) В. Рисунок 1.18 – Примеры вторичных преобразователей Более подробный разбор актуальных характеристик измерительных преобразователей будет проведен в лекции 6. 18