В предыдущих статьях я говорил, что использование электроники позволяет уменьшить влияние некоторых недостатков обычных механических, электро-механических, оптических, измерительных приборов. При этом использование электроники обязательным не является. Те же самые индикаторы и оптиметры прекрасно обходятся без электроники и при этом используют подход дифференциального метода измерений. Тоже самое касается и интерферометров.
Электроника позволяет упростить сложные механизмы приборов, повысить их надежность. И, иногда, повысить их точность (уменьшить погрешность и повысить разрешающую способность). Но я совершенно не коснулся одной, куда более важной проблемы, которую позволяет решить электроника. И даже просто электричество.
В простейшем и самом типовой случае мы выполняет измерения в той точке пространства, где сами в данный момент находимся. Довольно затруднительно выполнять измерение линейкой находясь от линейки метрах в 10. Равно как и измерять температуру жидкостным или биметаллическим термометром находясь от него на удалении. Но самое интересное, что некоторые измерения мы можем выполнять на расстоянии! Вот со всем этим сегодня и будем разбираться.
Электрические и неэлектрические физические величины и их измерение
Большинство физических величин, которые нам нужно измерять, не относятся к электрическим. В глубины физики мы сегодня погружаться не будем. Собственно говоря, электрическими величинами можно считать только напряжение, ток, сопротивление. Температура, давление, масса (вес) сила, расстояние, и т.п. являются неэлектрическими. И именно с ними возникают проблемы, когда нам нужно выполнять измерения находясь далеко от точки выполнения измерений.
Для примера рассмотрим измерение температуры. В большинстве термометров, причем не только жидкостных, используется явление теплового расширения. Столбик жидкости, длина металлического стержня, слои биметаллической пружины, газ в колбе, на все оказывает влияние температура. Возьмем жидкостный термометр, о о них мы уже много говорили в разных статях цикла.
Для измерения температуры нам нужно разместить колбочку термометра (а иногда и весь термометр) в среду, температуру которой надо измерить. Остается немого подождать и мы можем считать со шкалы термометра значение температуры в данной точке (точнее, в некотором объеме). А если мы находимся, например, в 10 метрах от термометра? Причина не важна, например, по соображения безопасности. Мы просто не сможем разглядеть шкалу.
Да, мы можем воспользоваться биноклем, но и здесь есть ограничения, ведь термометр может находится вне поля зрения. Может есть другие методы? Мы можем использовать длинный капилляр и перенести шкалу в нужное место? Нет, не можем. Дело в том, что жидкость в капилляре тоже будет подвержена влиянию температуры. Значит, сильно снизится точность измерений. Теплоизолировать капилляр? Можно, если он небольшой длины. А капилляр длиной 10 (даже 1) метр просто не имеет смысла.
Аналогичные проблемы возникают и при измерении других величин неэлектрической природы. Мы должны находится рядом с прибором. А прибор должен находиться в той точке, где выполняются измерения.
С электрическими величинами все проще. Во всяком случае, в большинстве случаев. Мы вполне можем проложить проводник достаточной длины и разместить, например, вольтметр далеко от точки измерения. Конечно, если измеряемое напряжение не слишком велико. Иначе придется делитель напряжения, но и это не всегда поможет, если велик потенциал относительно Земли. Тем не менее, с электрическими величинами все проще.
И это дает нам возможность измерять, в том числе, неэлектрические величины просто преобразовав их каким то образом в электрические. А дальше мы можем использовать либо классический гальванометр, либо призвать на помощь электронику.
На самом деле, это и является основой для использования электроники в измерительных приборах. И мы уже кратко рассматривали это в предыдущей статье
Хоть там основной упор делался на повышение разрешающей способности и дифференциальные измерения. В предыдущей статье мы впервые столкнулись и термином "Первичный преобразователь". И даже кратко рассмотрели, что это такое. А сегодня познакомимся с первичными преобразователями немного подробнее.
Первичные преобразователи
Давайте немного внимания уделим более строгим определениям, все таки метрология наука строгая.
- Первичный преобразователь это измерительный прибор (средство измерения), на который непосредственно воздействует измеряемая физическая величина.
Да, именно так! Первичный преобразователь это полноценный измерительный прибор, только у него нет шкалы. Результат измерения (преобразования физических величин) получается в виде значения иной физической величины. Мы будем рассматривать преобразователи неэлектрических величин в электрические, поэтому результатом измерения у наших первичных преобразователей будет величина напряжения, сила тока, величина сопротивления.
- Датчик это конструктивно обособленный первичный преобразователь.
Я не могу сказать, что это определение удовлетворит всех читателей. Большинство воспринимает как конструктивно обособленный только выносные, внешние, датчики. Однако, датчиками являются и чувствительные элементы внутри измерительного прибора, так как они конструктивно отделены от прочих его узлов. Например, датчик температуры может быть выполнен в виде отдельной микросхемы. Или даже в виде обособленного элемента внутри одной большой микросхемы реализующей все функции измерительного прибора.
- Преобразователь, в котором под воздействием измеряемой физической величины генерируется собственный электрический сигнал, называют генераторным, а преобразователь, в котором имеется внешний источник питания называют параметрическим.
Другими словами, первичный преобразователь (не обязательно конструктивно обособленный) способен сам генерировать ток или напряжение, то он будет являться генераторным. Примерами генераторных первичных преобразователей являются термопара, таходатчик (по сути, генератор постоянного или переменного тока), фотоэлемент.
Параметрический первичный преобразователь изменяет один из своих параметров (отсюда и название). Преобразование изменения параметра в величину напряжения или силу тока выполняется с помощью внешнего источника питания. Примерами параметрических преобразователей являются терморезисторы (включая платиновые термометры сопротивления), тензорезисторы, фоторезисторы, полупроводниковые датчики, которые используют изменение обратного тока перехода или прямое падение напряжение на переходе в зависимости от воздействия измеряемой физической величины.
Можно привести и примеры более сложных параметрических преобразователей, в том числе, содержащих внутри электронные узлы. Это емкостные и индуктивные датчики, которые используют изменение емкости или индуктивности, например, от расстояния до объекта. В таких датчиках изменение емкости или индуктивности преобразуется электроникой в силу тока , величину напряжения, частоту импульсов напряжения, и т.д.
Первичные преобразователи можно разделить и по принципу внутреннего построения, и по типу выходного сигнала, и по многим другим параметрам. Но для нас такая классификация сегодня не требуется. Мы не собираемся разрабатывать первичные преобразователи и датчики на их основе. Для нас важно лишь то, что каждый первичный преобразователь реализует некую функцию преобразования, которую в РМГ 29-2013 называют функцией измерения.
По сути, функция преобразования и определяет зависимость выходной, уже электрической, физической величины от фактического значения измеряемой физической величины (чаще всего неэлектрической). Измеряя выходную электрическую величину мы можем получить значение измеряемой физической величины используя функцию преобразования. Следует понимать, что функция преобразования совершенно не обязана быть линейной. Она может быть любой. Важно лишь то, что она является однозначной и неразрывной. С точки зрения математики.
Кроме того, каждый первичный преобразователь имеет свои погрешности! И это для нас очень важно! Погрешность первичного преобразователя сохраняется в результате измерения вне зависимости от того, каким именно дальнейшим преобразованиям подвергается электрический сигнал в измерительном приборе. И это не зависит от того, аналоговый измерительный прибор мы строим, или цифровой! Понимание это для нас чрезвычайно важно. Мы не можем построить точный измерительный прибор, любого типа (это важно!) если первичный преобразователь имеет значительную погрешность.
К сожалению, понимание этого факта есть не всегда. Отсюда и неистребимая вера некоторых в то, что цифровой прибор всегда точнее аналогового. Что количество цифр после запятой, на дисплее прибора, однозначно свидетельствует о его высокой точности. И бороться с этим предрассудком, мифом, бывает чрезвычайно тяжело!
Усиление и нормирование сигналов датчиков
К сожалению, большинство первичных преобразователей не обеспечивают достаточной на практике величины электрической величины на выходе, мы будем называть это сигналом, на своем выходе. Может показаться, что это не касается некоторых типов датчиков, например, выдающих на выходе цифровой сигнал. Однако, это не так. Такие датчики просто содержат внутри первичный преобразователь и электронные узлы, которые выполняют дополнительную обработку сигнала с этого преобразователя.
Таким образом, первой задачей при использовании датчиков (первичных преобразователей) является усиление полезного сигнала, а зачастую и его выделение из общего сигнала. Например, платиновый термометр сопротивления может иметь сопротивление 1 кОм и ТКС примерно 0.0038 на 1 градус. Я писал об этом в статье
Таким образом, нам необходимо и выделить величину изменения сопротивления в зависимости от температуры из сопротивления датчика, и усилить эту разницу до некоторого значения, которое мы сможем использовать в дальнейшем. И нам на помощь приходит дифференциальный метод измерения и, не менее дифференциальный, усилитель. Вот иллюстрация из той моей статьи
Более подробно о мостовой схеме измерений я писал в статье
Другим примером необходимости выделения полезного сигнала является компенсация температуры холодного спая при использовании термопары. И если выделять полезный сигнал из полного требуется на всегда, то усиление требуется почти всегда. И не суть важно, будет это все выполняться в самом датчике или будет реализовано внутри измерительного прибора, который использует датчик.
Возникает вопрос, до какого уровня нам нужно усиливать сигнал с датчика? Очевидный, казалось бы, ответ "до нужного" ответом не является. И здесь все зависит от того, какая задача перед нами стоит. Если мы создаем собственный измерительный прибор, то мы вправе выбрать любой коэффициент усиления, даже нелинейный. Главное, что бы диапазон напряжений сигнала после усиления укладывался в диапазон допустимых напряжений усилителя.
Если же результат измерения должен использоваться каким то стандартным устройством (не важно, каким именно), то нам уже требуется соблюдать требования этого устройства. Но во многих случаях эти требования будут вполне стандартными. Давайте оставим пока в стороне цифровые выходные сигналы и сосредоточимся на аналоговых.
Например, диапазон аналоговых напряжений может быть ограничен снизу 0 В и сверху 10 В. Токовый сигнал может соответствовать требованиям петли 4-20 мА. Вход для резистивных датчиков может быть как 2-х, так и 4-х, проводным и рассчитанным на определенный ряд сопротивлений.
Поэтому и говорят об усилении и нормировании. Нормирование это приведение электрического сигнала с первичного преобразователя к заданному диапазону значений. В большинстве случаев (но не во всех) первичные преобразователи подключаются к входам нормирующих усилителей. И эти усилители могут располагаться как в датчике, так и в измерительном приборе. А иногда и в датчике, и в приборе.
Точно так же, как и первичный преобразователь, нормирующий усилитель вносит в результат измерения собственную погрешность. И эта погрешность будет присутствовать в результате измерения вне зависимости от того, аналоговый или цифровой измерительный прибор мы строим.
Функциональное преобразование
Кроме выделения и усиления может потребоваться и дополнительное функциональное преобразование. Например, если функция преобразования первичного преобразователя не линейна, может потребоваться лианеризация. Такая лианеризация может выполняться и одновременно с усилением, и в виде отдельного элемента электронной схемы устройства.
Кроме того, измерительный прибор может выполнять и дополнительные преобразования. Например, мы можем измерять электрическую мощность, причем умножение силы тока на напряжение будет выполняться аналоговой схемой на ОУ. А перед этим может потребоваться и определение действующих значений тока и напряжения.
В цифровом приборе с микропроцессором (микроконтроллером) мы можем выполнить необходимые дополнительные функциональные преобразования и вычисления численными методами, но в обычном аналоговом, а даже цифровом, но без процессора, может использоваться дополнительный блок функционального преобразования. Причем даже в цифровом приборе этот блок может быть аналоговым.
Точно так же, как и первичный преобразователь, как нормирующий усилитель, функциональный преобразователь вносит в результат измерения собственную погрешность. И эта погрешность будет присутствовать в результате измерения вне зависимости от того, аналоговый или цифровой измерительный прибор мы строим.
Индикация результат измерения
Это самая последняя часть прибора. Причем индикация отнюдь не означает, что у прибора есть индикатор, дисплей, стрелочная головка. Индикация это, по сути, передача результата измерения во внешний мир. И для этого может использоваться индикатор, печатающее устройство, канал связи. То есть, нам сейчас совершенно не важен тип устройства индикации, отображения, передачи, печати.
Нам важно лишь то, что результат измерения во внешний мир передается после того, как свою работу выполнили и первичный преобразователь, и нормирующий усилитель, и функциональный (вторичный) преобразователь.
Вот теперь мы действительно можем изобразить, пока только обобщенно, внутреннее устройство электронного измерительного прибора. Причем не важно, аналогового или цифрового
Обобщенная функциональная схема электронного измерительного прибора
Все довольно просто. Мы соединяем последовательно функциональные элементы, которые только что рассматривали
Все ли функциональные блоки здесь являются обязательными? Нет, не все. Так функциональный, он же вторичный, преобразователь часто отсутствует. Обратите внимание, что функциональный преобразователь это не АЦП! Нормирующий усилитель я показал в виде единого блока, хотя функции усиления и нормирования могут быть разделены. Первичный преобразователь обязательно присутствует в приборах измеряющих неэлектрические величины, но может отсутствовать в приборах измеряющих величины электрические.
И здесь нам нужно ненадолго остановиться, что бы повнимательнее присмотреться к первичному преобразователю. Дело в том, что он может быть совсем не похожим на преобразователь. Например, обычный шунт амперметра может являться, а может и не являться, первичным преобразователем, хотя для некоторых читателей это будет неочевидным. Если мы используем для измерения тока обычный гальванометр, то шунт просто создает дополнительный путь протекания тока. И мы имеем полное право не считать шунт преобразователем.
Но если мы используем высокоомный милливольтметр для измерения падения напряжения на шунте, то шунт будет являться первичным преобразователем. Теперь шунт является единственным путем протекания тока и выполняет преобразование тока в напряжение. Не правда ли, несколько неожиданное превращение шунта? Точно так же, если мы используем усилитель для усиления падения напряжения на шунте перед последующим преобразованием этого напряжения в цифровой код АЦП, шунт будет являться первичным преобразователем.
Важна выполняемая функция, а не то, как выглядит первичный преобразователь и что используется в его качестве.
Давайте теперь рассмотрим более сложный, и менее абстрактный, случай. Представим электронный термометр, который обеспечивает измерение температуры объекта в одной комнате, и отображение результата измерения совсем в другой комнате, например, на пульте диспетчера. Каким может быть такой термометр?
Прежде всего, у нас появляется полноценный датчик, так как первичный преобразователь температуры в электрическую величину теперь располагается на удалении. Очевидно, что такой преобразователь будет выполнен в виде конструктивно обособленного самостоятельного устройства. Напомню, что датчик будет одновременно и самостоятельным измерительным прибором, самостоятельным средством измерения. И результат измерения температуры, будет по некоему каналу связи передаваться в блок отображения термометра.
В качестве канала связи мы выберем токую петлю 4-20 мА. В большей степени для наглядности, но такие датчики температуры действительно существуют в реальности. И мы получим примерно такую функциональную схему нашего термометра
Не смотря на то, что теперь измерительный прибор выглядит заметно сложнее, функциональная схема по прежнему аналогична рассмотренной ранее обобщенной функциональной схеме. Только теперь у нас и датчик, и блок индикации являются практически самостоятельными полноценными измерительными приборами.
В датчике отсутствует в явном виде функциональный блок "Вывод результата измерения". Однако, его функции выполняет преобразователь напряжения в ток петли. Этот ток, приведенный к диапазону от 4 до 20 мА, и является результатом измерения. Я показал первичный преобразователь как терморезистор, но мы модем использовать и другие типы преобразователей температуры, например, сразу в напряжение или ток. При этом изменится принципиальная схема датчика, но функциональная останется неизменной.
Блок индикации, по сути, измеряет не температуру, а ток в петле. Этот ток пропорционален температуре, что обеспечивается нашим датчиком. В качестве функционального преобразователя используется резистор, падение напряжения на котором оказывается пропорциональным температуре. Это напряжение усиливается и поступает на устройство отображения.
Обратите внимание, что я не стал показывать, какое именно устройство отображения используется. Это может быть классический стрелочный гальванометр, тогда мы получим аналоговый электронный термометр. Но может быть и цифровым индикатором, если к нему добавить АЦП или аналогичный преобразователь, тогда мы получим цифровой электронный термометр.
Итак, всего лишь заменой устройства отображения в блоке индикации мы получаем или аналоговый, или цифровой, прибор. Вся остальная часть наше термометра остается неизменной. Неизменной останется и большая часть составляющих погрешности. То есть, точность прибора, в данном случае, нашего термометра, по большей части определяется отнюдь не тем, аналоговый или цифровой способ отображения используется.
Но и разрешающая способность аналогового и цифрового вариантов прибора может быть одинаковой. Просто для аналогового прибора это может быть более сложно реализовать.
Конечно, электронный термометр с выносным датчиком может быть устроен как гораздо проще, так и гораздо сложнее. Мы просто взяли, только для примера, один из возможных вариантов. Кстати, вполне реальный. И вместо "устройства индикации" вполне может быть использован АЦП, который расположен в микроконтроллере. И наш термометр легко превратится еще и в элемент система автоматического регулирования.
Шкала электронная, но не цифровая
Но можем ли мы создать аналоговый электронный прибор не использующий гальванометр для отображения результата измерения? Да, можем. Более того, такие приборы реально существовали (и существуют). Я не буду рассматривать все возможные варианты, но наиболее известными являются линейные газоразрядные и люминесцентные индикаторы. Например, вот такие
Верхний индикатор газоразрядный и широко известный ИН-9. В середине газоразрядный ИН-33, который разрабатывался для индикации уровня сигнала (например, уровня записи) в стерео аппаратуре. Оба эти индикатора являются условными электронными аналогами стрелочных измерительных головок. Длина столба разряда зависит от приложенного напряжения.
Внизу показан люминесцентный индикатор, который состоит из отдельных светящихся сегментов. Для управления таким индикатором требуется более сложная схема. Точно так же, можно собрать и светодиодный линейный индикатор.
Такие индикаторы выглядят гораздо более грубыми, по сравнению с стрелочными измерительными головками и их шкалами. И это действительно так. Впрочем, и создавались такие линейные индикаторы не для прецизионных измерительных приборов, а именно для индикаторов. Индикатор уровня записи мы уже вспоминали. Но были еще бытовые регуляторы сетевого напряжения, например такие
Вы можете увидеть ИН-9 в корпусе простенького вольтметра расположенного в передней части корпуса. Там нет делений шкалы, там просто изображена метка "нормального" напряжения сети.
Но возможность создать линейные и круговые индикаторы не уступающие стрелочным приборам существует. В конечном итоге, есть же у нас ЖК дисплеи и OLED дисплеи высокого разрешения. Кроме того, можно нарисовать аналоговую шкалу на графическом дисплее.
Думаете, такие электронные аналоговые и псевдо-аналоговые шкалы не имеют смысла? Да, во многих случаях это так. Но у электронных "аналоговых" шкал есть и поклонники. Такие шкалы могут быть полезными, так как они позволяют визуально оценить изменения измеряемой величины, что не так просто с цифровой индикацией. И измерительный прибор с такой электронной аналоговой шкалой может быть полностью аналоговым. Иногда это имеет значение.
Заключение
Электроника позволяет повысить потребительские качества измерительных приборов и расширить их функциональность. Она позволяет снизить некоторые недостатки классических приборов. Позволяет и проводить измерения на расстоянии, что часто бывает очень важным при построении сложных машин и систем.
Но разбираясь с тем, как устроены измерительные приборы мы видим, что значительная часть "внутреннего мира" приборов идентична и для аналоговых, и для цифровых. В любом приборе есть аналоговая часть измерительного тракта. Часто весьма значительная.
Кроме того, мы уже можем видеть, что неверно говорить просто о цифровых приборах. Правильнее говорить о приборах с цифровым способом индикации, в очень многих случаях. При этом цифровым может быть и способ обработки сигналов в измерительном тракте. Но могут быть и приборы, в которых обработка цифровая (даже микропроцессорная, а вот способ отображения результата аналоговый.
Подавляющее большинство измерительных приборов, которые многие считают цифровыми, на самом деле являются гибридными, аналогово-цифровыми. И с этим мы еще будем разбираться.
