Тема 2.2 Схемы включения датчиков
1. Мостовые измерительные схемы 2. Компенсационная и дифференциальная схемы
1. Существующие методы электрических измерений можно в основном разделить на два класса: непосредственной оценки и сравнения. При непосредственной оценке измерительная схема выполняет лишь функции преобразования выходного сигнала датчика, например, усиливает его или согласует выходное сопротивление датчика с входным сопротивлением прибора. Этот метод прост, но применяется редко, так как ему свойственны значительные погрешности (особенно при изменении напряжения питания датчика). Метод сравнения обеспечивает более высокие точность и чувствительность. При этом используются мостовые, дифференциальные и компенсационные схемы измерения.
Мостовые измерительные схемы применяют постоянного и переменного тока. Существуют мостовые схемы уравновешенные и неуравновешенные схемы. Уравновешенные мосты требуют ручной или автоматической балансировки, в то время как неуравновешенные мосты не требуют Уравновешенный мост представляет собой схему (Рисунок 34, а), состоящую из ромба, образуемого четырьмя сопротивлениями R1 R2, R3, Rt. Резисторы в схеме называют ветвями или плечами моста. Помимо этого в мостовую схему включены источник тока со своим сопротивлением RE и измерительный прибор с сопротивлением Rnp. В четырехугольнике также есть две диагонали, в одну из которых включен миллиамперметр, а в другую - источник тока. Для подстройки моста одно плечо (R3) является переменным сопротивлением.
Закон уравновешенного моста: произведение сопротивлений противолежащих плеч должны быть равны. R1/R2=R3/Rt. или R1·Rt=R2·R3 [2.3] Если необходимо вычислить неизвестное сопротивление датчика, то можно включить его в одно из плеч моста, вместо резистора R4· и воспользоваться формулой: Rt=R2·R3/R1 [2.4] Ток в диагонали моста, содержащей измерительный прибор, через напряжение питания: Inp=U(R1Rt-R2R3)/M [2.5] Основной характеристикой любой схемы является ее чувствительность. Она определяется как отношение приращения тока в измерительной диагонали ∆ Inp к вызвавшему его изменению сопротивления одного из плеч моста: Sсх =∆ Inp /∆ R [2.6] ∆ Inp=U∆ RRt/M [2.7] где ∆ Inp - результирующий ток в диагонали моста, содержащей измерительный прибор, A; U - напряжение питания, В; М - входное напряжение, В. Неуравновешенный мост представляет собой схему (Рисунок 34, б), состоящую из ромба, образуемого четырьмя сопротивлениями R1 R2, R3, R5, Rt. Помимо этого в мостовую схему включены источник тока со своим сопротивлением RE и измерительный прибор с сопротивлением Rnp. Для подстройки моста одно плечо (R5) является переменным сопротивлением.
В качестве измерительного прибора в неуравновешенных мостах используются амперметры (так как токи невелики, то обычно мили- и микроамперметры). Неуравновешенный мост подчиняется тем же законам, что и уравновешенный.
2. 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. Компенсационная схема с ручным уравновешиванием, представлена на рисунке 35, а. Измеряемая ЭДС Ех или напряжение Uх уравновешиваются напряжением Uк, снимаемым с резистора Rк , представляющего собой часть резистора R. Все сопротивление резистора R включено в цепь источника питания с ЭДС Е. Схема состоит из двух прямоугольников В нижней части находится датчик, имеющий сопротивление Rд. Резисторы в схеме называют ветвями или плечами моста. В состав схемы включен прибор, называемый нуль - индикатором (НИ), который служит для определения нулевого значения тока после компенсации. Для поддержания стабильного тока питания I можно использовать регулировочный резистор Rрег и миллиамперметр или применить источник стабилизированного напряжения как в автоматическом потенциометре (Рисунок 35, б)
Ток через прибор: Iпр =(Uх-Uк)/(Rд +Rк+Rпр ), [2.8] где Rд- сопротивление датчика, Rк – сопротивление резистора, Rпр - сопротивление прибора, Uк – компенсирующее напряжение, Uх – измеряемое напряжение. Чувствительность компенсационной схемы можно определить как отношение приращение тока через прибор к вызывающему его изменению измеряемого напряжения: Sсх =∆ Inp /∆ Uх [2.9] ∆ Inp=∆ Uх/(Rаб+Rпр+Rд), [2.10] Rаб – внутреннее сопротивление электрической цепи питания, [2.11] Компенсационный метод измерения применяется в цепях как постоянного, так и переменного тока.
Дифференциальная схема - это гибрид мостовой и компенсационной схем. 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 параметрические (с изменяющимся сопротивлением) и генераторные (с изменяющейся ЭДС) датчики. Дифференциальная схема включения параметрических датчиков показаны на рисунке 36, а (датчик включен в один контур). Дифференциальная схема включения генераторного датчика показана на рисунке 36, б. В этой схеме датчиком является так называемый дифференциальный трансформатор. Для расчета токов в дифференциальной схеме используют метод наложения: сначала определяют токи от одной ЭДС, а затем от другой. Изменение тока через прибор будет рассчитываться: , [2.12]
где Iпр/ - ток через прибор при включении параметрических датчиков в один контур I// - ток через прибор при включении параметрических датчиков в оба контура
Чувствительность дифференциальной схемы определяется аналогично предыдущим схемам эмпирически, путем подстановки опытных данных 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.
|