Датчик и измерительный преобразователь

Где начинается измерительная цепь

Датчик непосредственно воспринимает явление, тело или среду, несущие измеряемую величину. Измерительный преобразователь формирует выходную величину, связанную заданной зависимостью с входной. Поэтому эти слова описывают разные стороны устройства и могут относиться к одному элементу: чувствительная трубка Бурдона воспринимает давление и преобразует его в перемещение. В промышленном каталоге «датчиком давления» часто называют весь прибор, включая мембрану, электронику и выходной интерфейс; для расчёта важно раскрыть его состав.

Первичный элемент не обязательно выдаёт готовые градусы или паскали. Платиновый элемент меняет сопротивление, термопара создаёт термоэлектрическое напряжение, тензорезистор меняет сопротивление при деформации. Измерительная цепь добавляет возбуждение, усиление, фильтрацию, аналого-цифровое преобразование и пересчёт характеристики. Ошибка любого звена попадает в конечный результат. Проверка одного дисплея не подтверждает правильность контакта датчика с объектом.

Параметрический и генераторный принцип

Параметрический чувствительный элемент изменяет электрический параметр, например сопротивление или ёмкость; чтобы измерить изменение, требуется возбуждение измерительной схемы. Генераторный элемент создаёт электрический сигнал за счёт измеряемого воздействия. Это классификация физического принципа, а не способа питания комплектного прибора. Термопара может обходиться без питания чувствительного элемента, но подключённому преобразователю с токовым выходом питание необходимо.

Таблицу можно прокручивать по горизонтали →

Чувствительность и масштабирование

Чувствительность S=Δy/Δx имеет размерность выходной величины, делённой на входную. Она показывает изменение показания при изменении входа и может зависеть от рабочей точки. Для нелинейной характеристики используют местную производную либо явно обозначенный интервал. Большая чувствительность сама по себе не означает малую погрешность: дрейф нуля, шум и гистерезис могут одновременно возрастать. Разрешение цифрового отсчёта также не равно точности.

Условный пример: преобразователь линейно передаёт диапазон давления от 0 до 600 кПа током от 4 до 20 мА. Тогда S=(20−4)/600=0,026667 мА/кПа. При 12 мА получаем p=(12−4)×600/16=300 кПа. Если допустимая добавочная ошибка входа контроллера принята равной ±0,02 мА, её эквивалент составляет ±0,75 кПа. Это только вклад входа: погрешность самого датчика и условия монтажа здесь не заданы.

Как описать пригодность канала

Для выбора записывают измеряемую величину, диапазон, ожидаемые изменения во времени и допустимую неопределённость результата. Затем устанавливают условия, в которых действуют характеристики: температуру среды и корпуса, питание, нагрузку выхода, длину кабеля, вибрацию и электромагнитные воздействия. Совместимость чувствительного элемента и входа проверяют по типу сигнала, схеме соединения и принятой характеристике, а не по совпадению разъёмов.

Для меняющегося процесса важны постоянная времени чувствительного элемента, фильтр преобразователя и период обновления контроллера. Более частый опрос не ускоряет тепловой отклик защитной гильзы. Для медленного процесса часто существеннее долговременный дрейф и качество установки. Эти свойства следует сравнивать с задачей, а не сводить к одному рекламному показателю.

Диагностический ток, выход за шкалу и обрыв требуют отдельной обработки: линейный пересчёт аварийного значения может создать правдоподобное число. Границы диагностики берут из документации конкретного прибора. Калибровка устанавливает связь показаний с опорными значениями и их неопределённостью; изменение настройки является отдельным действием. В документации канала сохраняют обе операции, чтобы результат оставался проверяемым.

Первичные источники

• JCGM VIM, 3.8 Sensor — граница чувствительного элемента
• JCGM VIM, 3.7 Measuring transducer — связь входной и выходной величин
• JCGM VIM, 4.12 Sensitivity — чувствительность и её зависимость от рабочей точки