2. Активные пассивные и комбинированные датчики. Измерительные с. Активные пассивные и комбинированные датчики. Измерительные схемы датчиков
 Скачать 473.12 Kb.
|
|
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  . В диагональ АВ моста включен источник переменного синусоидального напряжения  , а в диагональ БГ — измерительный прибор переменного тока. Направления токов в плечах моста могут быть выбраны произвольно. Ток измерительной диагонали (22)где  (23)  (24) ,  — комплексные выражения, аналогичные выражениям в уравнениях (9) и (10) для моста постоянного тока.Условия равновесия моста переменного тока получим, приравнивая (22) нулю:  (25) где  ;  ;  ;   Рис. 6. Мостовая измерительная схема на переменном токе Напомним, что при показательной форме записи комплексной величины модуль  , а аргумент  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:  (26)  (27)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:  ) нарушается другое соотношение — между фазовыми сдвигами:  . Обычно такие мосты регулируются вручную методом последовательных приближений.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  (28) чувствительность по напряжению  (29)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.  Рис. 8. Дифференциальные схемы включения параметрических датчиков.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;  = 0,5 Ом. Тогда 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.  Рис. 1 Логометрическая измерительная схемаДатчик 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).  Рис. 13 Компенсационная измерительная схема с ручным уравновешиваниемТок через прибор  (30) где  - сопротивление датчика;  - сопротивление прибора.Если компенсация произошла, то ток через прибор равен нулю:  = 0. Значит, прибор в данном случае нужен не для измерения тока, а для определения его нулевого значения. Поэтому такой прибор называют нуль-индикатором (НИ). О значении измеряемого напряжения можно судить по перемещению движка, т.е. движок можно соединить со стрелкой, а вдоль резистора Rрасположить шкалу, проградуировав ее в единицах напряжения или сразу в единицах той неэлектрической величины, которая преобразуется датчиком в ЭДС Ехили в напряжение Ux.Отметим также, что при компенсационном методе измерения Ех = Ux. Действительно,  , но в момент компенсации = 0.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  и миллиамперметр или применить источник стабилизированного напряжения, как в автоматическом потенциометре (рис. 14).Чувствительность компенсационной схемы можно определить как отношение приращения тока через прибор к вызывающему его изменению измеряемого напряжения:  (31) Рис. 14. Схема автоматического потенциометраЕсли 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  (32)где  — внутреннее сопротивление электрической цепи питания, замеренное на зажимах а—б при отключенном датчике; — сопротивление прибора (нуль-индикатора); — сопротивление датчика. Сопротивление можно представить как параллельное соединение части сопротивления компенсирующего резистора  с сопротивлением, состоящим из оставшейся части компенсирующего резистора (R - RK) и регулировочного резистора : (33)Подставив (32) и (33) в (31), получим выражение для чувствительности компенсационной схемы:  (34)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:  . В среднем положении движка чувствительность минимальна, что необходимо учитывать при точных измерениях ЭДС.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 |
, т. е. плечи моста имеют только активные сопротивления, условие равновесия 
, то условие равновесия 