Измерительные цепи

Измерительные цепи с генераторными первичными преобра­зователями предназначены главным образом для усиления сиг­нала от датчика до уровня, достаточного для надежной передачи на требуемое расстояние и для регистрации. Основной задачей при проектировании является взаимное согласование смежных преобразователей по сопротивлениям их входных и выходных цепей.

Измерительные цепи с параметрическими преобразователями предназначены для преобразования изменения активного (резис­тор) или реактивного (индуктивность или емкость) сопротивления в изменение напряжения или тока. Естественно, при замере реактивных сопротивлений обязательно использование источника питания переменного тока. При замере активного сопротивле­ния возможно применение питания как переменным, так и постоянным током. Окончательное решение принимается из сторон­них соображений: конструкции измерительного устройства и ре­гистратора, наличия источника питания переменного или посто­янного тока и т.д. Ниже рассмотрены несколько вариантов изме­рительных цепей прямого преобразования для определения изме­нения сопротивления первичного преобразователя (тензорезистора, терморезистора, индуктивного датчика).

Простейшая измерительная цепь последовательного включе­ния чувствительного элемента показана на рис. 15.3.6, а. Датчик под действием измеряемой величины меняет свое сопротивление R₀, в результате чего меняется ток в цепи и отклонение стрелки ука­зателя УК. Основным недостатком такой схемы является нелиней­ная (гиперболическая) зависимость тока в цепи от сопротивления

Нелинейность может быть учтена за счет нелинейной градуи­ровки шкалы указателя (что неудобно для применения в систе­мах управления) или работы на малом участке гиперболической характеристики, когда кривизной можно пренебречь, а характе­ристику считать линейной. Это приводит к сужению рабочего диапазона и снижению чувствительности и точности прибора. Схема измерительной цепи в виде делителя напряжения пред­ставлена на рис. 3.6, б. Если параметрическим преобразователем является , то можно показать, что максимальная чувствитель­ность преобразователя достигается при , а (при изменении на изменится на 1 %).

В дифференциальном преобразователе (рис. 15.3.6, в) оба плеча и делителя активны, при изменении входной величины они оба меняются, но в противоположных направлениях (при увели­чении сопротивления первого плеча на сопротивление вто­рого плеча падает на ). В этом случае характеристика преоб­разователя полностью линейна; если быть точным, эта характери­стика линейна при сопротивлении нагрузки (входном сопротив­лении вольтметра)

Максимальная чувствительность преобразователя достигается при , когда

На рис. 15.2, г приведен дифференциальный преобразователь, встроенный нареостате путем его потенциометрического вклю­чения. Главной задачей при расчете такой измерительной цепи является правильный выбор в зависимости от входного сопротивления указателя

Рисунок 15.2 - Измерительные цепи

Главным недостатком рассмотренных измерительных цепей

является ненулевое значение выходного параметра (тока или на-пряжения) при базовом значении входной величины и соответ­ственно базовых значениях

В неравновесных мостах для устранения этого недостатка про-водят исходную компенсацию начального значения выходного сигнала Y, так что при нулевом входном сигнале выходной сиг­нал также равен нулю. Для этого к делителю (рис. 15.3.6, д), держащему параметрический преобразователь , добавляются ещё делители с тем, чтобы при и начальном зна­чении ток в выходнойцепи и напряжение на указателе отсутствовали.

Состояние равновесия моста устанавливается перед началом измерения при регулировкой сопротивления одного из плеч моста при постоянных сопротивлениях остальных плеч (условие равновесия моста ). Характеристика рассмотренного моста может считаться линейной лишь в узком диапазоне, где при выполняется примерное равенство

Неравновесный мост с дифференциальным преобразователем и двумя активными плечами моста (рис. 15.3.6, е ) имеет

линейную характеристику при повышенной чувствительности.

При справедливо равенство

Значение коэффициента 0,5 объясняется влиянием на выход­ное напряжение изменения как , так и . Следует подчер­кнуть, что сопротивления плеч и должны меняться в про­тивоположных направлениях. Если оба сопротивления возрастут или уменьшатся на одну и ту же величину , то мост останется в равновесии и не изменится. В частности, одновременное из­менение сопротивлений плеч моста в результате изменения тем­пературы не проявится на результатах измерений, что также яв­ляется существенным преимуществом мостовых измерительных схем.

Неравновесный мост с двумя дифференциальными преобра­зователями (рис. 15.3.6, ж) имеет четыре активных плеча моста

включенных так, чтобы при увеличении сопротивлений на происходило уменьшение сопротивлений

и . Такой мост имеет линейную характеристику и еще большую чувствительность. При справедливо равенство

Возможны другие способы построения неравновесных мостов например, активными плечами могут быть и даже и Rз), однако для всех них справедливо следующее.

Наибольшее влияние на точность измерения оказывает отно­cительная чувствительность параметрического преобразователя. Вторым по значимости фактором является допустимая потребляемая мощность преобразователя. Из формул следует, что добиться роста выходного напряжения можно повышением напряжения питания Е, что приведет к повышению токов в цепи и нагреву преобразователя.

Обычно преобразователи имеют жесткое ограничение на рабочую температуру, что отражается в ограничении на максимально допустимый ток через него и напряжение питания моста. Так для тензодатчиков рекомендуемый номинальный ток составляет 30 мА, что при его сопротивлении дает напряжение питания порядка 5 В. Измерительные мосты переменного тока несколько сложнее мостов постоянного тока, однако многие параметрические преобразователи не могут применяться в цепях постоянного тока. Индуктивные и емкост­ные датчики меняют реактивное сопротивление плеча моста, за­мерить которое можно только пропуская через него переменный ток. Кроме того, усиление и передача переменного тока значи­тельно проще, чем постоянного. Поэтому измерительные цепи пе­ременного тока часто используют даже в тех случаях, когда мож­но было бы работать и на постоянном токе (например, при ис­пользовании в качестве параметрических преобразователей тензотерморезисторов).

При использовании в активных плечах моста реактивных пре­образователей возникают некоторые трудности с уравновешива­нием плеч моста (требуется уравновесить как активную, так и реактивную составляющие их сопротивлений). Это делается подстроечными емкостями и резисторами, что несколько усложняет измерительную цепь. В целом же результаты и рекомендации, полученные для цепей постоянного тока, справедливы и для це­пей переменного тока.

Приборы, построенные на принципе прямого преобразования, отличаются высоким быстродействием, простотой и надежностью, низкой стоимостью и малыми габаритами, что обусловило их широкое распространение. Однако в случае длинной цепи преоб­разователей результирующая погрешность, формирующаяся из по­грешностей всех преобразователей цепи, может стать недопустимо большой.

Рисунок 15.3 - Схема равновесного из мерительного моста

Метод уравновешивания, иликомпенсации, предусматривает компенсацию сигнала от датчика напряжением, управляемым автоматически или вручную так, чтобы ток в измерительной цепи стал равным нулю. На рис. 3 приведена простейшая схема измерительной цепи для контроля сопротивления датчика, включенного в равновесный мост. Положение движка реостата выбирается так, чтобы ток через указатель и показание указателя были равны нулю. По положению движка можно судить о значении сопротивления датчика. Контроль положения движка осуществляется по шкале, проградуированной в соответствии с назначением прибора.

Приборы, построенные на принципе компенсации, обладают высокой точностью и быстродействием, но отличаются высокой сложностью и стоимостью.

Дата добавления: 2015-04-29