2. Активные пассивные и комбинированные датчики. Измерительные с. Активные пассивные и комбинированные датчики. Измерительные схемы датчиков
![]()
|
4. Мостовая схема переменного тока В плечи мостовой схемы переменного тока (рис. 6) включены полные сопротивления, состоящие из активной и реактивной составляющих. Будем пользоваться комплексной формой записи полных сопротивлений ![]() ![]() ![]() где ![]() ![]() ![]() ![]() Условия равновесия моста переменного тока получим, приравнивая (22) нулю: ![]() где ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() Рис. 6. Мостовая измерительная схема на переменном токе Напомним, что при показательной форме записи комплексной величины модуль ![]() ![]() В соответствии с условием равновесия моста подставим в (25) значения полных сопротивлений ![]() Представим левую и правую части в виде действительной и мнимой составляющих: ![]() Две комплексные величины равны только в том случае, если равны порознь их действительные и мнимые части: ![]() ![]() Таким образом, получаем два независимых условия равновесия, которые должны выполняться одновременно. Если в мостах постоянного тока имеется одно условие равновесия и уравновешивание достигается регулировкой одного сопротивления, то в мостах переменного тока для уравновешивания необходима регулировка не менее двух параметров схемы. Трудность уравновешивания моста переменного тока состоит в том, что в процессе обеспечения одного условия (например, равенства произведений модулей сопротивлений в противолежащих плечах: ![]() ![]() В некоторых частных случаях уравновешивание моста обеспечивается выполнением одного из трех условий.
Следует иметь в виду, что катушки индуктивности всегда кроме индуктивного сопротивления имеют активное сопротивление, которое в некоторых случаях настолько мало, что им можно пренебречь. Расчет чувствительности моста переменного тока можно провести в соответствии с (12), Считывая, что вместо R4следует подставить комплексное сопротивление. Чувствительность моста по току ![]() чувствительность по напряжению ![]() Уравновешивание моста переменного тока может осуществляться автоматически при соотношениях сопротивлений плеч, рассмотренных для частных случаев 1—3. Автоматическое уравновешивание мостов переменного и постоянного тока выполняется по схеме, показанной на рис. 7. Напряжение разбаланса ΔU снимается с измерительной диагонали моста и подается на исполнительный микроэлектродвигатель (ЭД) через усилитель (У). Двигатель через редуктор (Р) перемещает движок переменного резистора Rдо тех пор, пока не будет обеспечено условие равновесия и напряжение разбаланса ΔU не станет равным нулю. Одновременно будет перемещаться и стрелка по шкале, которая может быть проградуирована в единицах сопротивления датчика или в соответствующих этому сопротивлению единицах измеряемой неэлектрической величины. ![]() Рис. 7. Схема автоматического уравновешивания моста 5. Дифференциальные измерительные схемы Дифференциальная схема состоит из двух смежных контуров с источником питания, а измерительный прибор включен в общую ветвь контуров и реагирует на разность контурных токов. В дифференциальной схеме могут быть использованы как параметрические датчики (с изменяющимися сопротивлениями), так и генераторные (с изменяющейся ЭДС). Дифференциальные схемы включения параметрических датчиков показаны на рис. 8 (а — датчик включен в один контур; б — датчик включен в оба контура). ЭДС, питающие оба контура, одинаковы. Дифференциальная схема включения генераторного датчика показана на рис. 9. В этой схеме датчиком является так называемый дифференциальный трансформатор. При изменении магнитной связи между обмотками трансформатора ЭДС левого контура, например, возрастает, а правого — уменьшается. Изменение магнитной связи обусловлено контролируемой неэлектрической величиной. Например, оно может быть вызвано перемещением ферромагнитного сердечника в дифференциальном трансформаторе. ![]() Проведем сравнение дифференциальной и мостовой измерительных схем по чувствительности. В обеих схемах (рис. 10, а, б) будем использовать одинаковые датчики с изменяющимся активным сопротивлением R+ ΔRи одинаковое питание — от вторичной обмотки трансформатора с ЭДС, равной 2Е (при дифференциальной схеме имеется вывод от средней точки). Для расчета токов в дифференциальной схеме используем метод наложения: сначала определим токи от одной ЭДС, затем — от другой (рис. 11). Ток через прибор для расчетной схемы (рис. 11, а) ![]() Ток через прибор для расчетной схемы (рис. 11, б) ![]() ![]() Рис. 10. К расчету мостовой схемы включения датчика ![]() Рис. 11. К расчету дифференциальной схемы включения датчика ![]() Рис. 9. Дифференциальная схема включения генераторного датчика Результирующий ток через прибор ![]() Определение чувствительности дифференциальной схемы в общем виде приводит к довольно сложному уравнению, поэтому рассмотрим числовой пример. Пусть Е= 10 В; R= 10 Ом; ΔR = 0,1 Ом; ![]() ![]() Приращение тока для мостовой схемы определим по (7): ![]() Таким образом, при одинаковых напряжениях питания, сопротивлениях датчика и измерительного прибора, приращениях сопротивления датчика дифференциальная схема дает большее приращение тока в измерительной цепи. Следовательно, дифференциальная измерительная схема имеет большую чувствительность, чем мостовая схема. Ток в измерительной цепи мостовых и дифференциальных схем зависит от напряжения питания. Колебания напряжения питания приводят к появлению погрешности, так как ток через прибор и отклонение его стрелки изменяются даже при неизменном сопротивлении датчика. Для уменьшения влияния напряжения питания на показания прибора используют так называемые логометрические схемы измерения. Логометром называется магнитоэлектрический прибор, противодействующий момент в котором создается не механически (пружиной), а электрически. На рис. 12 приведена принципиальная схема логометра для измерения сопротивления датчика Rд В магнитном поле постоянного магнита с полюсными наконечниками NSпомещен стальной цилиндрический сердечник. В зазоре между сердечником и полюсными наконечниками помещены две обмотки w1 и w2, выполненные в виде рамок. При прохождении тока по рамке создается вращающий момент и рамка поворачивается. Зазор сделан неравномерным, чтобы вращающий момент изменялся в зависимости от угла поворота. Обмотки w1 и w2 намотаны так, чтобы моменты рамок были направлены навстречу друг другу. Рамки жестко соединены между собой под определенным углом. Вместе они могут поворачиваться одновременно с закрепленной на рамках стрелкой прибора. Токи к рамкам поддерживаются с помощью спиральных пружин, которые создают малый противодействующий момент, возвращающий рамки и стрелку в исходное положение, когда тока в приборе нет. ![]() Датчик Rд включен последовательно с обмоткойw1, постоянный резистор R— последовательно с обмоткойw2. Если сопротивления Rд и Rравны, то токи в рамках также равны (I1=I2) и подвижная система (обе рамки со стрелкой) займет положение, симметричное относительно оси полюсов NS. Если же сопротивление датчика изменится (например, увеличится), то токI1 уменьшится и уменьшится момент M1 создаваемый этим током в рамкеw1. Так как токI2и соответствующий ему моментM2 остался неизменным, то результирующий момент повернет подвижную систему на некоторый угол. При этом рамкаw2 с большим током входит в расширяющийся зазор с меньшей индукцией, а рамка w1 с меньшим током, наоборот, входит в сужающийся зазор с большей индукцией. Момент М2будет уменьшаться, а M1 — увеличиваться. При определенном угле поворота моменты сравниваются и подвижная система займет новое равновесное положение. Если же изменится напряжение питания цепи U, то в рамкахw1 иw2 изменятся токи, притом одновременно и в одинаковой степени (так как рамки подключены к источнику питания параллельно). Соотношение токов и моментов останется неизменным и положение подвижной системы не изменится. Как видно, на положение стрелки влияют не сами токи, а их отношение, которое определяется сопротивлением датчика и не зависит от напряжения питания. 6. Компенсационные измерительные схемы Компенсационные схемы используют для измерения неэлектрических величин, которые преобразуются датчиками в ЭДС или напряжение. Сигнал датчика сравнивается с компенсирующим напряжением, вырабатываемым потенциометром. Подбор компенсирующего напряжения выполняется вручную или автоматически. Приборы с автоматической компенсацией называют также автоматическими потенциометрами. Рассмотрим простейшую компенсационную схему (рис. 13) с ручным уравновешиванием. Измеряемая ЭДС Ехили напряжение Uх уравновешиваются равным и противоположным по знаку напряжением UК, снимаемым с переменного проволочного резистора RК, представляющего собой часть резистора R. Этот резистор имеет два неподвижных вывода и один подвижный, выполненный в виде щетки, скользящей по проволоке. Все сопротивление резистора Rвключено в цепь источника питания с ЭДС Е. Переменное сопротивление RKпропорционально перемещению х движка (щетки): RK = (R/L) x, где L — общая длина проволочной намотки между неподвижными выводами. Соответственно и компенсирующее напряжение UKбудет пропорционально перемещению движка х UK= (IR/L)x, где I — ток, проходящий через резистор Rпод действием ЭДС Е. Движок необходимо перемещать до тех пор, пока компенсирующее напряжение UК не сравняется с измеряемым напряжением Uх: UK = Ux. Для определения положения точной компенсации используется чувствительный прибор (гальванометр или микроамперметр). ![]() Ток через прибор ![]() где ![]() ![]() Если компенсация произошла, то ток через прибор равен нулю: ![]() Отметим также, что при компенсационном методе измерения Ех = Ux. Действительно, ![]() ![]() Точность измерения при компенсационном методе зависит от стабильности поддержания тока I в цепи питания резистора R. Ведь именно от силы этого тока зависит значение компенсирующего напряжения UK. Если ЭДС источника питания Е уменьшилась (из-за разряда аккумулятора или батарейки), то уменьшится и ток I. Для компенсации придется на большее расстояние х переместить движок резистора R, и стрелка укажет на иное, ошибочное значение измеряемой величины. Для поддержания стабильного тока питания I можно использовать регулировочный резистор ![]() Чувствительность компенсационной схемы можно определить как отношение приращения тока через прибор к вызывающему его изменению измеряемого напряжения: ![]() ![]() Если достигнуто состояние компенсации, то измеряемое напряжение Uxуравновешено компенсирующим напряжением UK (Ux= UK) и ток через прибор равен нулю. Пусть измеряемое напряжение изменилось на ΔUx, а компенсирующее напряжение не изменилось (движок потенциометра резистора Rнеподвижен). В этом случае разность между измеряемым и компенсирующим напряжениями равна ΔUx. Под действием этого напряжения через прибор пройдет ток ![]() где ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() ![]() Подставив (32) и (33) в (31), получим выражение для чувствительности компенсационной схемы: ![]() Анализ формулы (34) показывает, что чувствительность схемы зависит от RK, а так как RK = (R/L)x, то чувствительность зависит от положения движка х. Чувствительность непостоянна в разных точках шкалы. На рис. 15 показана зависимость чувствительности от положения движка компенсирующего резистора. В начальном положении движка (RK = 0) чувствительность максимальна: ![]() Компенсационный метод измерения применяется в цепях как постоянного, так и переменного токов. Однако потенциометры переменного тока дают меньшую точность измерения и сложнее, поскольку необходимо компенсировать падение напряжения не только по абсолютной величине, но и по фазе. Это требует одновременного регулирования не менее двух параметров для обеспечения полной компенсации. На практике стремятся упростить мост переменного тока, выполняя одну пару плеч моста чисто активными, а другую пару — из однотипных элементов. ![]() Рис. 15. Зависимость чувствительности компенсационной схемы от положения движка потенциометра |